Rinnakkaislevykondensaattorin määritelmä
Rinnakkaislevykondensaattori on kondensaattori, joka koostuu kahdesta yhdensuuntaisesta johdinlevystä, joiden poikkileikkauspinta-ala (A) on yhtä suuri, ja kahdesta levystä, jotka ovat tietyn etäisyyden (d) päässä toisistaan, kuten vasemmalla olevassa kuvassa on esitetty. Toinen johdinlevyistä on positiivisesti varautunut (+Q) ja toinen negatiivisesti varautunut (-Q), jolloin virran määrä on sähkövaraus kummallakin levyllä on yhtä suuri. Jotta varaus ei siirtyisi ilmamolekyyliin, kondensaattori on eristetty ympäristöstä, ja kahden levyn välissä on tyhjiö.
Johdinlevyjen sähkövarausten tyyppien ero luo sähkökentän ja sähköpotentiaali-eron levyn välille. Positiivisesti varautuneella levyllä on suurempi sähköpotentiaali, kun taas negatiivisesti varautuneella levyllä on pienempi sähköpotentiaali. Kuten sähköpotentiaalia käsittelevässä aiheessa selitettiin, jos kondensaattorin kahden levyn välillä on sähköpotentiaali-ero, kondensaattorissa on sähköpotentiaalienergiaa. Kondensaattoreihin varastoituneella sähköpotentiaalienergialla on monia käyttötarkoituksia.
Rinnakkaislevykondensaattorin kapasitanssiin vaikuttavat tekijät
Kondensaattori ei ole aluksi sähköisesti varattu eikä sähköisesti neutraali. Kondensaattori latautuu kytkemällä se jännitelähteeseen, kuten akkuun, kaapelilla. Toinen johdinlevy on kytketty akun positiiviseen napaan ja toinen johdinlevy akun negatiiviseen napaan.
Muista, että samanlaiset varaukset hylkivät toisiaan, kun taas erilaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita ja helposti liikkuvia, koska ne ovat atomin pinnalla, kun taas protonit ovat positiivisesti varautuneita eivätkä voi liikkua, koska ne ovat atomin ytimessä. Jos johdinlevyllä on enemmän protoneja kuin elektroneja, levy on positiivisesti varautunut. Jos taas elektronien lukumäärä on suurempi kuin protonien lukumäärä, levy on negatiivisesti varautunut.
Kun kondensaattori on kytketty akkuun, akun positiivinen napa latautuu positiivisesti. Niinpä se vetää elektroneja pois johdinlevystä, kun taas akun negatiivinen napa latautuu negatiivisesti, joten se hylkii elektroneja johdinlevylle. Akun ja johdinlevyn välinen sähköinen siirtymä aiheuttaa sen, että johdinlevy menettää positiivisesti varautuneita elektroneja ja johdinlevy vastaanottaa negatiivisesti varautuneita elektroneja. Elektronien liike pysähtyy, kun kahden johdinlevyn välinen sähköpotentiaaliero on yhtä suuri kuin akun kahden navan välinen sähköpotentiaaliero.
Kondensaattoritoiminto t:n tallentamiseksisähkövaraus ja sähköinen potentiaalienergiaKondensaattorin kykyä varastoida sähkövarausta ja sähköpotentiaalienergiaa kutsutaan kapasitanssiksi. Mitä enemmän sähköä varastoituu, sitä suurempi on myös varastoitu sähköpotentiaalienergia ja sitä suurempi on kondensaattorin kapasitanssi. Mitkä tekijät vaikuttavat levykondensaattorin kapasitanssiin?
Johdinlevyn pinta-ala
Rinnakkaislevykondensaattori varastoi sähkövarauksen johdinlevylle. Jos levyn pinta-ala on pieni, sähkövarausta varastoituu vähän, ja jos levyn pinta-ala on suuri, sähkövarausta varastoituu paljon. Mitä enemmän sähkövarauksia johdinlevylle on varastoitunut, sitä suurempi on kondensaattorin sähköpotentiaalienergia. Mitä suurempi on kondensaattorin sähköpotentiaalienergia, sitä suurempi on sen kapasitanssi. Tämän tarkastelun perusteella voidaan päätellä, että kondensaattorin kapasitanssi (C) on verrannollinen johdinlevyn pinta-alaan (A).
Kahden johdinlevyn välinen etäisyys
Elektronien siirtyminen pysähtyy, kun johdinlevyjen välinen potentiaaliero on yhtä suuri kuin akun napojen välinen potentiaaliero. Kuinka lisäät molempien johdinlevyjen sähkövarausta? Yksi tapa on pienentää johtimien välistä etäisyyttä (minimoimalla d). Kun johdinta tuodaan lähemmäs toisiaan, sähkövarauksen määrä pysyy samana, jolloin sähkövarauksen tuottama sähkökenttä pysyy vakiona. Yhtälön V = E d perusteella, kun sähkökenttä (E) on vakio, sähköpotentiaaliero (V) pienenee, jos johdinlevyjen välinen etäisyys pienenee (d).
Kahden johdinlevyn välinen potentiaaliero pienenee niin, että se on pienempi kuin kahden akun navan välinen potentiaaliero. Tämä aiheuttaa elektronien siirtymisen uudelleen, kunnes kummankin johdinlevyn sähkövaraus kasvaa. Elektronien siirtyminen pysähtyy, kun kahden levyn välinen potentiaaliero on yhtä suuri kuin kahden akun navan välinen potentiaaliero.
Kun johdinlevyjen välinen etäisyys pienenee, kunkin levyn sähkövaraus kasvaa, jolloin myös kondensaattorin sähköpotentiaalienergia kasvaa. Jos kondensaattorin sähköpotentiaalienergia kasvaa, myös kondensaattorin kapasitanssi kasvaa. Jos etäisyys pienenee, varaus kasvaa, jolloin kapasitanssi kasvaa. Kun etäisyys kasvaa, varaus pienenee, jolloin kapasitanssi pienenee. Voidaan päätellä, että kondensaattorin kapasitanssi (C) on kääntäen verrannollinen kahden johdinlevyn väliseen etäisyyteen (d).
Rinnakkaislevykondensaattorin kapasitanssin yhtälö
Aiemmin on selitetty rinnakkaislevykondensaattoreiden kapasitanssiin vaikuttavia asioita. Kapasitanssin arvo voidaan selvittää laskemalla yhtälöä käyttäen. Aiheessa, joka käsittelee sähkökentän määrittämistä Gaussin lain avulla, sähköisesti varatun johdinlevyn lähellä olevan sähkökentän laskemiseen käytetään kaavaa E = σ / εo, jossa σ = Q / A, jolloin sähkökentän yhtälö muuttuu muotoon E = Q/A: εo = Q/A × 1/εo = Q / AεoSähköpotentiaalin yhtälö on V = E d, jossa E = Q / A εo niin että yhtälö muuttuu muotoon V = Q d / A εoKapasitanssin yhtälö on C = Q/V, jossa V = Qd / Aεo niin että kapasitanssin yhtälö muuttuu muotoon C = Q: Q d / A εo = Q x Aεo / Qd = Aεo / d.
Kapasitanssin C = A ε yhtälön perusteellao /d voidaan päätellä, että kapasitanssi (C) on verrannollinen pinta-alaan (A) ja kääntäen verrannollinen kahden johdinlevyn väliseen etäisyyteen (d).
E = sähkökenttä, σ = varaustiheys, εo = tyhjiön permittiivisyys = 8.85 x 10-12 F/m, Q = sähkövaraus, A = johdinlevyn pinta-ala, V = sähköpotentiaaliero.
