Конденсаторлардың сыйымдылығын анықтау
Кішкентай стаканда аздап су болуы мүмкін, ал үлкен стаканда көбірек су болуы мүмкін. Стаканның көлемі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым көп су сыйымды болады. Демек, әрбір стаканның суды сыйдыру сыйымдылығы немесе өлшемі бар. Стакан сияқты, конденсаторлар да электр зарядтары мен электрлік потенциал энергиясын сақтай алады. Электр заряды мен электрлік потенциал энергиясын сақтауға арналған конденсатор сыйымдылығы сыйымдылық деп аталады.
Сыйымдылыққа әсер ететін факторлар
Шынының суды сыйдыру қабілетінің өлшемі шынының көлемімен анықталады. Ал конденсаторлар туралы не деуге болады, конденсатордың электр зарядын сақтау қабілетінің өлшемін не анықтайды?
Бүйіріндегі суретте белгілі бір қашықтықта орналасқан екі өткізгішті пластиналардан тұратын қарапайым конденсатор көрсетілген. Батарея сияқты кернеу көзіне қосылмас бұрын, екі пластина электрлік зарядталмайды. Содан кейін пластиналардың бірі батареяның оң полюсіне, ал екінші пластина кабель арқылы батареяның теріс полюсіне қосылады.
Батареяның оң полюсіне қосылғаннан кейін, батареядағы оң заряд теріс зарядталған электрондарды пластинаға тартады, осылайша электрондар батареяның оң полюсіне ауысады. Бұл пластиналарда электрондардың жетіспеушілігіне (теріс заряд) және протондардың артық болуына (оң заряд) әкеледі, нәтижесінде пластиналар оң зарядталады.
Батареяның теріс полюсіне қосылғаннан кейін, пластинадағы оң заряд батареяның теріс полюсіндегі теріс зарядталған электрондарды тартады, осылайша электрондар пластинаға қарай жылжиды. Бұл пластинаның электрондарды шамадан тыс жүктейтініне әкеледі, нәтижесінде пластина теріс зарядталады. Пластиналар мен батареялар арасында электрондарды жылжыту процесі екі пластина арасындағы потенциалдар айырмашылығы екі батарея полюсі арасындағы потенциалдар айырмашылығына тең болғаннан кейін тоқтайды.
Екі өткізгіш пластинасындағы электр зарядын қалай арттырады? Басқаша айтқанда, электрондарды батареяның оң полюсіне және одан тасымалдау үшін не істеу керек? Электрондардың ығысуы тек екі батарея полюсі арасындағы электрлік потенциалдар айырмашылығы екі өткізгіш арасындағы электрлік потенциалдар айырмашылығынан үлкен болған кезде ғана пайда болады. Электронның қайтадан қозғалуы үшін, яғни әрбір өткізгіш пластинасындағы электрлік заряд артуы үшін, пайдаланылған батарея электрлік потенциалдар айырмашылығы үлкен басқа кернеу көзімен ауыстырылады. Кернеу көзіндегі потенциалдар айырмашылығы конденсатордың потенциалдар айырмашылығына тең болған кезде электрондардың ығысуы тоқтайды. Сондықтан, егер кернеу көзіндегі потенциалдар айырмашылығы -дан үлкен болса, конденсатордың потенциалдар айырмашылығы да үлкен болады.
Жоғарыда келтірілген шолуға сүйене отырып, әрбір өткізгіш пластинада сақталған электр заряды неғұрлым көп болса, екі өткізгіш пластина арасындағы электрлік потенциалдар айырмашылығы соғұрлым үлкен болады деген қорытынды жасауға болады. Демек, электр заряды (Q) электрлік потенциалдар айырмашылығына (V) пропорционалды. Электр заряды мен электрлік потенциалдар айырмашылығы арасындағы байланыс келесі салыстыруда көрсетілген:
Q α V
Жоғарыдағы салыстырулар C тұрақтысын қосу арқылы теңдеулерге түрлендіріледі:
Q = CV немесе C = Q / V
Q = электр заряды (Кулон), V = электрлік потенциалдар айырымы немесе кернеу (Вольт), C = конденсатор сыйымдылығы деп аталатын тұрақты.
Сыйымдылық мәні электр заряды мен электр кернеуіне емес, өткізгіш пластинаның пішіні мен өлшеміне байланысты. Сыйымдылықтың өткізгіш пластинаның пішіні мен өлшеміне тәуелді екендігінің математикалық дәлелі параллель пластиналы конденсатор тақырыбында түсіндіріледі. Тақырыпта екі өткізгіш арасында вакуум бар деп есептеледі.
Конденсатордың сыйымдылығы екі өткізгіш пластина арасындағы материалдың табиғатына да байланысты. Екі өткізгіш пластина арасындағы материал диэлектрик деп аталады. Диэлектриктері бар конденсаторлардың сыйымдылығы диэлектрлік тұрақтылар тақырыбында терең талқыланады.
Сыйымдылық бірлігі
Электр зарядының бірлігі - Кулон, ал электрлік потенциалдар айырмашылығының бірлігі - Вольт, сондықтан бұл жоғарыдағы сыйымдылық теңдеуіне негізделген. Сыйымдылық бірлігі - вольтқа Кулон (К/В), ол британдық ғалым Майкл Фарадейдің (1791-1867) атынан шыққан Фарад (Ф) деп те аталады. Сонымен, 1 Фарад = 1 Кулон/Вольт.
Конденсатордың мәні 2 Фарад болғандықтан, конденсатор өткізгіш пластиналардың бірінде +2 Кулон, ал екінші өткізгіш пластинасында -2 Кулон электр зарядын сақтайды деп есептейік. Мұндағы екі өткізгіш пластинаның потенциалдар айырмашылығы 1 Вольт. Егер 12 Вольтты батарея конденсаторға қосылған болса, электр зарядталған өткізгіш пластиналарының бірі Q = CV = (2) (12 Вольт) = +24 Кулон, ал екінші өткізгіш пластинасы -24 Кулон болады.
Фарадтың үлкен сыйымдылық бірлігі екенін ескеріңіз, сондықтан ол әдетте кішірек бірлік ретінде қолданылады, атап айтқанда микрофарад қысқартылған μF (10 -6 Фарад ) немесе пикофарад қысқартылған pF (10 -12 Фарад). Фарадтың алып бірлік екенін көрсететін математикалық есептеулер параллель пластиналы конденсатор тақырыбында талқыланады.
