A kapacitás megértése
Egy kis pohár kis mennyiségű ivóvizet képes tárolni, míg egy nagy pohár többet. Minél nagyobb a pohár, annál több vizet tud befogadni. Tehát minden pohárnak van egy kapacitása, vagyis a víztartály-kapacitásának mértéke. A poharakhoz hasonlóan a kondenzátorok is képesek elektromos töltést és elektromos helyzeti energiát tárolni. A kondenzátor kapacitását, vagyis a kondenzátor elektromos töltés és elektromos helyzeti energia tárolására való képességének mértékét nevezzük kapacitancia.
A kapacitást befolyásoló tényezők
Egy üveg vízmegtartó képességét a térfogata határozza meg. Mi a helyzet a kondenzátorokkal? Mi határozza meg a kondenzátor elektromos töltés tárolására való kapacitását?
Az alábbi ábra egy egyszerű kondenzátort mutat, amely két, egymástól bizonyos távolságra lévő vezető lemezből áll. Mielőtt feszültségforráshoz, például akkumulátorhoz csatlakoztatnák, mindkét lemez töltésmentes. Ezután az egyik lemezt vezetékek segítségével az akkumulátor pozitív, a másikat pedig a negatív pólusához kötik.
Miután az akkumulátor pozitív pólusához csatlakoztatják, az akkumulátor pozitív töltése vonzza a lemezen lévő negatív töltésű elektronokat, aminek következtében azok az akkumulátor pozitív pólusa felé mozdulnak el. Ez azt okozza, hogy a lemezen elektronhiány (negatív töltés) és protonfelesleg (pozitív töltés) lesz, ami pozitív töltést eredményez.
Hasonlóképpen, miután a lemezt az akkumulátor negatív pólusához csatlakoztattuk, a lemez pozitív töltése vonzza a negatív töltésű elektronokat az akkumulátor negatív pólusán, aminek következtében az elektronok a lemez felé mozdulnak. Ez azt eredményezi, hogy a lemez elektronfelesleggel rendelkezik, ami negatív töltésűvé teszi.
Az elektronátviteli folyamat a lemezek és az akkumulátor között leáll, miután a két lemez közötti potenciálkülönbség megegyezik az akkumulátor két pólusa közötti potenciálkülönbséggel.
Hogyan növekedhet meg az elektromos töltés mindkét vezetőlemezen? Más szóval, mit kell tenni az elektronátvitel újbóli bekövetkezéséhez? Az elektronátvitel csak akkor következik be, ha az akkumulátor két pólusa közötti elektromos potenciálkülönbség nagyobb, mint a két vezetőlemez közötti elektromos potenciálkülönbség. Ahhoz, hogy az elektronátvitel újból bekövetkezzen, és az egyes vezetőlemezek elektromos töltése megnőjön, a használt akkumulátort egy másik, nagyobb elektromos potenciálkülönbséggel rendelkező akkumulátorra vagy feszültségforrásra kell cserélni. Az elektronátvitel akkor áll le, amikor a feszültségforrás potenciálkülönbsége megegyezik a kondenzátor potenciálkülönbségével, ezért ha a feszültségforrás potenciálkülönbsége nagyobb, a kondenzátor potenciálkülönbsége is nagyobb.
A fenti áttekintés alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy minél nagyobb az egyes vezetőlemezeken tárolt elektromos töltés, annál nagyobb az elektromos potenciálkülönbség a két vezetőlemez között. Ezért az elektromos töltés (Q) arányos az elektromos potenciálkülönbséggel (V). Az elektromos töltés és az elektromos potenciálkülönbség közötti összefüggés a következő arányosságban fejezhető ki:
Q α V
A fenti arányosságot a C arányossági állandó hozzáadásával alakítjuk át egy egyenletté:
Q = CV vagy C = Q / V
Leírás: Q = elektromos töltés (Coulomb), V = elektromos potenciálkülönbség vagy elektromos feszültség (Volt), C = arányossági állandó, amelyet a kondenzátor kapacitásának nevezünk.
A kapacitás értéke nem függ az elektromos töltéstől és a feszültségtől, hanem a vezetőlemez alakjától és méretétől. A kapacitás vezetőlemez alakjától és méretétől való függésének matematikai bizonyítását a kondenzátorok vezetőlemez alakja alapján történő típusairól szóló cikk ismerteti, nevezetesen: párhuzamos lemezes kondenzátor, hengeres kondenzátor dan gömbkondenzátorEbben a cikkben feltételezzük, hogy a két vezetődarab között vákuum van.
A kondenzátor kapacitása a két vezetőlemez közötti anyag tulajdonságaitól is függ. A két vezetőlemez közötti anyagot nevezzük dielektromosA dielektrikummal rendelkező kondenzátor kapacitását részletesen áttekinti a cikk dielektromos állandó.
A kapacitás mértékegysége
Az elektromos töltés mértékegysége a Coulomb, az elektromos potenciálkülönbség mértékegysége pedig a volt, tehát a fenti kapacitásegyenlet alapján a kapacitás mértékegysége Coulomb/Volt (C/V), más néven Farad (F), amely a brit tudós, Michael Faraday (1791-1867) nevéből származik. Tehát 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Például egy kondenzátor értéke 2 Farad, ami azt jelenti, hogy a kondenzátor +2 Coulomb elektromos töltést tárol az egyik vezetőlemezen és -2 Coulomb elektromos töltést a másik vezetőlemezen, ahol a két vezetőlemez közötti potenciálkülönbség 1 Volt. Ha egy 12 voltos akkumulátort csatlakoztatunk a kondenzátorhoz, az egyik vezetőlemez elektromos töltése Q = CV = (2)(12 Volt) = +24 Coulomb lesz, míg a másik vezetőlemez töltése -24 Coulomb.
Meg kell jegyezni, hogy a Farad a kapacitás nagyon nagy mértékegysége, ezért általában egy kisebb mértékegységet használnak, nevezetesen a mikroFarad-ot, rövidítve μF-ként (10-6 Farad) pikoFarad-ra, rövidítve pF-re (10-12 Farad). A Farad egy nagyon nagy egységként való bemutatására szolgáló matematikai számításokat a Példa párhuzamos lemezes kondenzátor kérdésekre.
