Kapasitanssin ymmärtäminen
Pieni lasi voi pitää sisällään pienen määrän vettä, kun taas suuri lasi voi pitää sisällään enemmän. Mitä suurempi lasi, sitä enemmän vettä se voi pitää sisällään. Jokaisella lasilla on siis kapasiteetti eli mitta vedenpidätyskyvylleen. Kuten lasit, myös kondensaattorit pystyvät varastoimaan sähkövarausta ja sähköpotentiaalienergiaa. Kondensaattorin kapasiteettia eli sen kykyä varastoida sähkövarausta ja sähköpotentiaalienergiaa kutsutaan kapasitanssiksi.
Kapasitanssiin vaikuttavat tekijät
Lasin vedenpidätyskyky määräytyy sen tilavuuden mukaan. Entä kondensaattorit? Mikä määrää kondensaattorin kapasiteetin varastoida sähkövarausta?
Alla olevassa kuvassa on yksinkertainen kondensaattori, joka koostuu kahdesta tietyn etäisyyden päässä toisistaan olevasta johtavasta levystä. Ennen jännitelähteeseen, kuten akkuun, kytkemistä molemmat levyt ovat varauksettomia. Sitten toinen levy kytketään akun positiiviseen napaan ja toinen negatiiviseen napaan johdoilla.
Kun akun positiivinen varaus on kytketty akun positiiviseen napaan, akun positiivinen varaus vetää puoleensa levyllä olevia negatiivisesti varautuneita elektroneja, jolloin ne siirtyvät akun positiiviseen napaan. Tämä aiheuttaa levylle elektronivajeen (negatiivinen varaus) ja protonien ylimäärän (positiivinen varaus), mikä johtaa positiiviseen varaukseen.
Vastaavasti, kun levy on kytketty akun negatiiviseen napaan, levyn positiivinen varaus vetää puoleensa akun negatiivisessa navassa olevia negatiivisesti varautuneita elektroneja, jolloin elektronit siirtyvät levyä kohti. Tämä aiheuttaa levylle elektronien ylimäärän, mikä tekee siitä negatiivisesti varautuneen.
Elektronin siirtyminen levyjen ja akun välillä pysähtyy, kun kahden levyn välinen potentiaaliero on yhtä suuri kuin akun kahden navan välinen potentiaaliero.
Kuinka molempien johdinlevyjen sähkövaraus voi kasvaa? Toisin sanoen, mitä on tehtävä, jotta elektroninsiirto käynnistyisi uudelleen? Elektroninsiirtoa tapahtuu vain, kun akun kahden navan välinen sähköpotentiaaliero on suurempi kuin kahden johdinlevyn välinen sähköpotentiaaliero. Jotta elektroninsiirtoa tapahtuisi uudelleen ja kummankin johdinlevyn sähkövaraus kasvaisi, käytetty akku korvataan toisella akulla tai jännitelähteellä, jolla on suurempi sähköpotentiaaliero. Elektroninsiirto pysähtyy, kun jännitelähteen potentiaaliero on yhtä suuri kuin kondensaattorin potentiaaliero, joten jos jännitelähteen potentiaaliero on suurempi, myös kondensaattorin potentiaaliero on suurempi.
Yllä olevan tarkastelun perusteella voidaan päätellä, että mitä suurempi sähkövaraus on kummallakin johdinlevyllä, sitä suurempi on sähköpotentiaaliero kahden johdinlevyn välillä. Näin ollen sähkövaraus (Q) on verrannollinen sähköpotentiaalieroon (V). Sähkövarauksen ja sähköpotentiaalieron välinen suhde ilmaistaan seuraavalla verrannollisuudella:
Q α V
Yllä oleva verrannollisuus muunnetaan yhtälöksi lisäämällä verrannollisuusvakio C:
Q = CV tai C = Q / V
Kuvaus: Q = sähkövaraus (Coulomb), V = sähköpotentiaaliero tai sähköjännite (volttia), C = verrannollisuusvakio, jota kutsutaan kondensaattorin kapasitanssiksi.
Kapasitanssin arvo ei riipu sähkövarauksesta ja jännitteestä, vaan johdinlevyjen muodosta ja koosta. Matemaattinen todistus siitä, että kapasitanssi riippuu johdinlevyjen muodosta ja koosta, selitetään artikkelissa, jossa käsitellään kondensaattorityyppejä johdinlevyjen muodon perusteella, nimittäin levykondensaattoreita , lieriömäisiä kondensaattoreita ja pallokondensaattoreita . Artikkelissa oletetaan, että kahden johdinlevyn välissä on tyhjiö.
Kondensaattorin kapasitanssi riippuu myös kahden johtavan levyn välisen materiaalin ominaisuuksista. Kahden johtavan levyn välistä materiaalia kutsutaan dielektriseksi materiaaliksi . Dielektrisellä materiaalilla varustetun kondensaattorin kapasitanssia käsitellään tarkemmin dielektrisyysvakiota käsittelevässä artikkelissa.
Kapasitanssin yksikkö
Sähkövarauksen yksikkö on Coulomb ja sähköpotentiaalieron yksikkö on voltti, joten yllä olevan kapasitanssiyhtälön perusteella kapasitanssin yksikkö on Coulomb volttia kohden (C/V), jota kutsutaan myös faradiksi (F) ja joka tulee brittiläisen tiedemiehen Michael Faradayn (1791-1867) nimestä. Joten 1 faradi = 1 coulomb volttia kohden.
Esimerkiksi kondensaattorin arvo on 2 faradia, mikä tarkoittaa, että kondensaattori varastoi +2 Coulombin sähkövarauksen toiselle johdinlevylle ja -2 Coulombin sähkövarauksen toiselle johdinlevylle, jolloin kahden johdinlevyn potentiaaliero on 1 voltti. Jos kondensaattoriin kytketään 12 voltin akku, toisen johdinlevyn sähkövaraus on Q = CV = (2)(12 volttia) = +24 Coulombia, kun taas toisen johdinlevyn varaus on -24 Coulombia.
On huomattava, että faradi on erittäin suuri kapasitanssin yksikkö, joten yleensä käytetään pienempiä yksiköitä, nimittäin mikrofaradia lyhennettynä μF (10⁻⁶ Farad ) ja pikofaradia lyhennettynä pF (10⁻¹⁶ Farad ). Matemaattisia laskelmia, jotka osoittavat faradin olevan erittäin suuri yksikkö, käsitellään rinnakkaislevykondensaattorin esimerkissä.
