Kondensatorių talpos apibrėžimas
Maža stiklinė gali talpinti šiek tiek vandens, o didelė stiklinė – daugiau. Kuo didesnis stiklo tūris, tuo daugiau vandens joje telpa. Taigi, kiekviena stiklinė turi talpą arba dydį, atitinkantį gebėjimą talpinti vandenį. Kaip ir stiklas, kondensatoriai taip pat gali kaupti elektros krūvius ir elektros potencialinę energiją. Kondensatoriaus talpa kaupti elektros krūvį ir elektros potencialinę energiją vadinama talpa.
Talpai įtakos turintys veiksniai
Stiklo vandens talpumo dydis priklauso nuo stiklo tūrio. O kaip su kondensatoriais, kas lemia kondensatoriaus gebėjimo kaupti elektros krūvį dydį?
Šone esančiame paveikslėlyje pavaizduotas paprastas kondensatorius, sudarytas iš dviejų laidininkų plokščių, atskirtų tam tikru atstumu. Prieš prijungiant prie įtampos šaltinio, pavyzdžiui, akumuliatoriaus, abi plokštės nėra elektriškai įkrautos. Tada viena iš plokščių kabeliu prijungiama prie teigiamo akumuliatoriaus poliaus, o kita – prie neigiamo akumuliatoriaus poliaus.
Prijungus prie teigiamo akumuliatoriaus poliaus, teigiamas akumuliatoriaus krūvis pritraukia neigiamai įkrautus elektronus ant plokštelės, todėl elektronai juda link teigiamo akumuliatoriaus poliaus. Dėl to plokštelėse trūksta elektronų (neigiamas krūvis) ir yra protonų perteklius (teigiamas krūvis), todėl plokštelės įkraunamos teigiamai.
Prijungus prie neigiamo akumuliatoriaus poliaus, teigiamas plokštelės krūvis pritraukia neigiamai įkrautus elektronus, esančius ant neigiamo akumuliatoriaus poliaus, todėl elektronai juda link plokštelės. Dėl to plokštelė perkrauna elektronus, todėl ji įkraunama neigiamai. Elektronų judėjimo tarp plokščių ir baterijų procesas sustoja, kai potencialų skirtumas tarp dviejų plokščių tampa lygus potencialų skirtumui tarp dviejų akumuliatoriaus polių.
Kaip padidinti abiejų laidininkų plokščių elektros krūvį? Kitaip tariant, ką reikia daryti, kad elektronai būtų perkelti į teigiamą baterijos polių ir iš jų? Elektronų poslinkis įvyksta tik tada, kai elektrinis potencialų skirtumas tarp dviejų baterijos polių yra didesnis nei elektrinis potencialų skirtumas tarp dviejų laidininkų. Kad elektronas vėl judėtų ir padidėtų elektrinis krūvis kiekvienoje laidininko plokštėje, naudojama baterija pakeičiama kitu įtampos šaltiniu, turinčiu didesnį elektrinį potencialų skirtumą. Elektronų poslinkis sustoja, kai įtampos šaltinio potencialų skirtumas yra lygus kondensatoriaus potencialų skirtumui. Todėl, jei įtampos šaltinio potencialų skirtumas yra didesnis, kondensatoriaus potencialų skirtumas taip pat yra didesnis.
Remiantis aukščiau pateikta apžvalga, galima daryti išvadą, kad kuo didesnis kiekvienoje laidininko plokštėje sukauptas elektros krūvis, tuo didesnis elektrinis potencialų skirtumas tarp dviejų laidininko plokščių. Taigi, elektros krūvis (Q) yra proporcingas elektrinio potencialų skirtumui (V). Ryšys tarp elektros krūvio ir elektrinio potencialų skirtumo pateikiamas tokiu palyginimu:
QαV
Aukščiau pateikti palyginimai paverčiami lygtimis pridedant konstantą C:
Q = CV arba C = Q / V
Q = elektros krūvis (Kulonas), V = elektrinio potencialo skirtumas arba įtampa (voltai), C = konstanta, vadinama kondensatoriaus talpa.
Talpos vertė nepriklauso nuo elektros krūvio ir elektros įtampos, bet priklauso nuo laidininko plokštės formos ir dydžio. Matematinis įrodymas, kad talpa priklauso nuo laidininko plokštės formos ir dydžio, paaiškintas lygiagrečiųjų plokščių kondensatorių temoje. Temoje daroma prielaida, kad tarp dviejų laidininkų yra vakuumas.
Kondensatoriaus talpa taip pat priklauso nuo medžiagos, esančios tarp dviejų laidininkų plokščių, pobūdžio. Medžiaga, esanti tarp dviejų laidininkų plokščių, vadinama dielektriku. Kondensatorių su dielektriku talpa išsamiai aptariama dielektrinių konstantų temoje.
Talpos vienetas
Elektros krūvio vienetas yra Kulonas, o elektrinio potencialo skirtumo vienetas – Voltas, taigi tai pagrįsta aukščiau pateikta talpos lygtimi. Talpos vienetas yra Kulonas voltui (C/V), dar vadinamas Faradu (F), kilusiu iš britų mokslininko Michaelo Faradėjaus (1791–1867) vardo. Taigi, 1 Faradas = 1 Kulonas/V.
Tarkime, kad kondensatoriaus, kurio stipris yra 2 faradų, įtampa vienoje iš laidininkų plokščių yra +2 kulonų, o kitoje – -2 kulonų. Abiejų laidininkų plokščių potencialų skirtumas yra 1 voltas. Jei prie kondensatoriaus prijungta 12 voltų baterija, vienos iš laidininkų plokščių įtampa yra Q = CV = (2) (12 voltų) = +24 kulonai, o kitos laidininko plokštės – -24 kulonai.
Atkreipkite dėmesį, kad faradas yra didžiulis talpos vienetas, todėl jis paprastai naudojamas kaip mažesnis vienetas, t. y. mikrofaradas, sutrumpintai μF (10⁻⁶ Farad ) , arba pikofaradas, sutrumpintai pF (10⁻¹ Farad ). Matematiniai skaičiavimai, rodantys, kad faradas yra milžiniškas vienetas, aptarti plokščiojo kondensatoriaus temoje.
