Kondensaatorite mahtuvuse määratlus
Väike klaas mahutab veidi vett, suur klaas aga rohkem. Mida suurem on klaasi maht, seda rohkem vett see mahutab. Seega on igal klaasil vee mahutavuse võime. Nagu klaas, suudavad ka kondensaatorid salvestada elektrilaenguid ja elektrilist potentsiaalset energiat. Capacitor Elektrilaengu ja elektrilise potentsiaalse energia salvestamise võimet nimetatakse mahtuvuse.
Mahtuvust mõjutavad tegurid
Klaasi veemahutavusvõime suurust määrab klaasi maht. Aga kondensaatorid, mis määrab kondensaatori võime elektrilaengut salvestada?
Küljel olev joonis kujutab lihtsat kondensaatorit, mis koosneb teatud vahekaugusega eraldatud kahest juhist koosnevatest plaatidest. Enne pingeallikaga, näiteks akuga, ühendamist ei ole need kaks plaati elektriliselt laetud. Seejärel ühendatakse üks plaatidest kaabli abil aku positiivse poolusega ja teine plaat aku negatiivse poolusega.
Pärast aku positiivse poolusega ühendamist tõmbab aku positiivne laeng plaadile negatiivselt laetud elektrone, nii et elektronid liiguvad aku positiivse pooluse poole. See põhjustab plaatidel elektronide puudumist (negatiivne laeng) ja prootonite liigset hulka (positiivne laeng), mistõttu plaadid laetakse positiivselt.
Pärast aku negatiivse poolusega ühendamist tõmbab plaadil olev positiivne laeng aku negatiivsel poolusel olevaid negatiivselt laetud elektrone ligi, nii et elektronid liiguvad plaadile. See põhjustab plaadi elektronide ülekoormamise, mille tagajärjel plaat laetakse negatiivselt. Elektronide liikumise protsess plaatide ja akude vahel peatub pärast seda, kui kahe plaadi vaheline potentsiaalide vahe on võrdne aku kahe pooluse vahelise potentsiaalide vahega.
Kuidas suurendada mõlema juhtplaadi elektrilaengut? Teisisõnu, mida tuleks teha elektronide ülekandmiseks aku positiivsele poolusele ja tagasi? Elektronide nihkumine toimub ainult siis, kui aku kahe pooluse vaheline elektripotentsiaalide vahe on suurem kui kahe juhi vaheline elektripotentsiaalide vahe. Selleks, et elektron saaks uuesti liikuda ja iga juhtplaadi elektrilaeng suureneks, asendatakse kasutatav aku teise pingeallikaga, millel on suurem elektripotentsiaalide vahe. Elektronide nihkumine peatub, kui pingeallika potentsiaalide vahe on võrdne kondensaatori potentsiaalide vahega. Seega, kui pingeallika potentsiaalide vahe on suurem, on ka kondensaatori potentsiaalide vahe suurem.
Eelneva ülevaate põhjal võib järeldada, et mida suurem on iga juhtplaadi elektrilaeng, seda suurem on kahe juhtplaadi vaheline elektriline potentsiaalide vahe. Seega on elektrilaeng (Q) võrdeline elektrilise potentsiaalide vahega (V). Elektrilaengu ja elektrilise potentsiaalide vahe vahelist seost kirjeldatakse järgmises võrdluses:
Q α V
Ülaltoodud võrdlused teisendatakse võrranditeks konstandi C lisamise teel:
Q = CV või C = Q / V
Q = elektrilaeng (Coulomb), V = elektripotentsiaalide vahe või pinge (volt), C = konstant, mida nimetatakse kondensaatori mahtuvuseks.
Mahtuvuse väärtus ei sõltu elektrilaengust ja elektripingest, vaid sõltub juhtplaadi kujust ja suurusest. Matemaatiline tõestus selle kohta, et mahtuvus sõltub juhtplaadi kujust ja suurusest, on selgitatud paralleelplaatide kondensaatorite teemas. Teemas eeldatakse, et kahe juhi vahel on vaakum.
Kondensaatori mahtuvus sõltub ka kahe juhtplaadi vahelise materjali olemusest. Kahe juhtplaadi vahelist materjali nimetatakse dielektrikuks. Dielektrikutega kondensaatorite mahtuvust käsitletakse põhjalikult teemas dielektrilised konstandid.
Mahtuvuse ühik
Elektrilaengu ühik on Coulomb ja elektrilise potentsiaali vahe ühik on Volt, seega põhineb see ülaltoodud mahtuvusvõrrandil. Mahtuvuse ühik on Coulomb voldi kohta (C/V), mida nimetatakse ka faraadiks (F) ja mis tuleb Briti teadlase Michael Faraday (1791–1867) nimest. Seega 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Eeldame, et kondensaatori voolutugevus on 2 faradi, mis tähendab, et see salvestab ühel juhtplaadil +2 kuloni ja teisel juhtplaadil -2 kuloni elektrilaengu. Kahe juhtplaadi potentsiaalide vahe on 1 volt. Kui 12-voldine aku on ühendatud kondensaatoriga, on ühe elektrilaenguga juhtplaadi potentsiaal Q = CV = (2) (12 volti) = +24 kuloni, samas kui teise juhtplaadi potentsiaal on -24 kuloni.
Palun pange tähele, et farad on tohutu mahtuvusühik, seega kasutatakse seda tavaliselt väiksema ühikuna, nimelt mikrofaradina, lühendatult μF (10-6 Farad) või pikofarad, lühendatult pF (10-12 Faraad). Matemaatilised arvutused, mis näitavad, et farad on hiiglaslik ühik, mida käsitletakse paralleelplaatide kondensaatori teemas.
