Paralleelplaatide kondensaatori määratlus
Paralleelplaatide kondensaator on kondensaator, mis koosneb kahest paralleelsest juhtplaadist, kusjuures mõlemal plaadil on võrdne ristlõikepindala (A) ja kaks plaati, mis on teineteisest teatud vahekaugusega (d) eraldatud, nagu on näidatud vasakpoolsel joonisel. Üks juhtplaatidest on positiivselt laetud (+Q), teine aga negatiivselt laetud (-Q), kus elektrilaeng igal plaadil on võrdne. Nii et laeng ei liiguks õhumolekulile, on kondensaator keskkonnast isoleeritud ja kahe plaadi vahel on vaakum.
Elektrilaengute tüüpide erinevus mõlemas juhtplaadis loob kahe plaadi vahel elektrivälja ja elektripotentsiaali erinevuse. Positiivselt laetud plaadil on kõrgem elektripotentsiaal, negatiivselt laetud plaadil aga madalam. Nagu elektripotentsiaali teemas selgitatud, kui kondensaatori kahe plaadi vahel on elektripotentsiaali erinevus, on kondensaatoris elektripotentsiaalienergia. Kondensaatorites salvestatud elektripotentsiaalienergial on palju kasutusvõimalusi.
Paralleelplaatide kondensaatori mahtuvust mõjutavad tegurid
Kondensaator ei ole algselt elektriliselt laetud ega elektriliselt neutraalne. Kondensaatori laadimiseks ühendatakse see kaabli abil pingeallikaga, näiteks akuga. Üks juhtplaat on ühendatud aku positiivse poolusega, teine aga aku negatiivse poolusega.
Pea meeles, et sarnased laengud tõukuvad üksteist, samas kui erinevad laengud tõmbuvad üksteist. Elektronid on negatiivselt laetud ja neid on lihtne liigutada, kuna nad asuvad aatomi pinnal, samas kui prootonid on positiivselt laetud ja ei saa liikuda, kuna nad asuvad aatomituumas. Kui juhtplaadil on rohkem prootoneid kui elektrone, on plaat positiivselt laetud, vastupidi, kui elektronide arv on suurem kui prootonite arv, on plaat negatiivselt laetud.
Pärast kondensaatori ühendamist akuga laetakse aku positiivne poolus positiivselt. See tõmbab elektrone juhtplaadilt eemale, samas kui aku negatiivne poolus laetakse negatiivselt, lükates elektronid juhtplaadile tagasi. Aku ja juhtplaadi vaheline elektriline nihe põhjustab juhtplaadilt positiivselt laetud elektronide kaotamist ja juhtplaat võtab vastu negatiivselt laetud elektrone. Elektronide liikumine peatub pärast seda, kui kahe juhtplaadi vaheline elektriline potentsiaalide vahe on võrdne aku kahe pooluse vahelise elektrilise potentsiaalide vahega.
Kondensaatori funktsioon t salvestamisekselektrilaeng ja elektriline potentsiaalne energiaKondensaatori võimet salvestada elektrilaengut ja elektrilist potentsiaalset energiat nimetatakse mahtuvuseks. Mida rohkem elektrit salvestatakse, seda suurem on ka salvestatud elektriline potentsiaalne energia, seda suurem on kondensaatori mahtuvus. Millised tegurid mõjutavad paralleelplaatkondensaatori mahtuvust?
Juhtplaadi pindala
Paralleelplaatide kondensaator salvestab elektrilaengu juhtplaadile. Kui plaadi pindala on väike, siis salvestub väike elektrilaeng, vastasel juhul, kui plaadi pindala on suur, siis salvestub palju elektrilaengut. Mida rohkem elektrilaenguid juhtplaadile salvestub, seda suurem on kondensaatori elektriline potentsiaalenergia. Seega, mida suurem on kondensaatori elektriline potentsiaalenergia, seda suurem on kondensaatori mahtuvus. Selle ülevaate põhjal võib järeldada, et kondensaatori mahtuvus (C) on võrdeline juhtplaadi pindalaga (A).
Kahe juhtplaadi vaheline kaugus
Elektronide ülekanne peatub pärast seda, kui kahe juhtplaadi vaheline potentsiaalide vahe on võrdne kahe aku pooluse vahelise potentsiaalide vahega. Kuidas suurendada elektrilaengut mõlemal juhtplaadil? Üks võimalus on vähendada kahe juhi vahelist kaugust (minimeerides d). Kui kaks juhti tuuakse teineteisele lähemale, jääb elektrilaengu hulk samaks ja elektrilaengu tekitatud elektriväli jääb fikseerituks. Võrrandi V = E d põhjal, kui elektriväli (E) on konstantne, väheneb elektripotentsiaalide vahe (V), kui kahe juhtplaadi vaheline kaugus väheneb (d).
Kahe juhtplaadi vaheline potentsiaalide vahe väheneb nii, et see on väiksem kui kahe akupooluse vaheline potentsiaalide vahe. See põhjustab elektronide nihke uuesti, kuni mõlema juhtplaadi elektrilaeng suureneb. Elektronide ülekanne peatub pärast seda, kui kahe plaadi vaheline potentsiaalide vahe on võrdne kahe akupooluse vahelise potentsiaalide vahega.
Kui kahe juhtplaadi vaheline kaugus väheneb, suureneb iga plaadi elektrilaeng, mille tulemusel suureneb ka kondensaatori elektriline potentsiaalenergia. Kui kondensaatori elektriline potentsiaalenergia suureneb, suureneb ka kondensaatori mahtuvus. Kui kaugus väheneb, suureneb laeng, mille tulemusel suureneb mahtuvus, kauguse suurenedes laeng väheneb, mille tulemusel väheneb mahtuvus. Võib järeldada, et kondensaatori mahtuvus (C) on pöördvõrdeline kahe juhtplaadi vahelise kaugusega (d).
Paralleelplaatide kondensaatori mahtuvuse võrrand
Eelnevalt on selgitatud paralleelplaatide kondensaatorite mahtuvust mõjutavaid tegureid. Mahtuvuse väärtust saab selgelt teada võrrandi abil tehtud arvutuste abil. Gaussi seaduse abil elektrivälja määramist käsitlevas teemas on elektriliselt laetud juhtplaadi lähedal oleva elektrivälja arvutamise valem E = σ / εo, kus σ = Q / A, nii et elektrivälja võrrand muutub kujule E = Q/A: εo = Q/A × 1/εo = Q / AεoElektrilise potentsiaali võrrand on V = E d, kus E = Q / A εo nii et võrrand muutub kujule V = Q d / A εoMahtuvuse võrrand on C = Q/V, kus V = Qd / Aεo nii et mahtuvuse võrrand muutub kujule C = Q: Q d / A εo = Q x Aεo / Qd = Aεo / d.
Mahtuvuse C = A ε võrrandi põhjalo / d põhjal võib järeldada, et mahtuvus (C) on võrdeline pindalaga (A) ja pöördvõrdeline kahe juhtplaadi vahelise kaugusega (d).
E = elektriväli, σ = laengutihedus, εo = vaakumi läbilaskvus = 8.85 x 10-12 F/m, Q = elektrilaeng, A = juhtplaadi pindala, V = elektripotentsiaalide vahe.
