Izpratne par kapacitāti
Maza glāze var saturēt nelielu ūdens daudzumu, savukārt liela glāze var saturēt vairāk. Jo lielāka glāze, jo vairāk ūdens tā var saturēt. Tātad katrai glāzei ir ietilpība jeb tās ūdens ietilpības mērs. Tāpat kā glāzēm, arī kondensatoriem ir spēja uzglabāt elektrisko lādiņu un elektrisko potenciālo enerģiju. Kondensatora ietilpību jeb tā spēju uzglabāt elektrisko lādiņu un elektrisko potenciālo enerģiju sauc par kapacitāti.
Faktori, kas ietekmē kapacitāti
Stikla ūdens uzsūkšanas spēju nosaka tā tilpums. Kā ir ar kondensatoriem? Kas nosaka kondensatora spēju uzglabāt elektrisko lādiņu?
Zemāk redzamajā attēlā parādīts vienkāršs kondensators, kas sastāv no divām vadošām plāksnēm, kuras atrodas noteiktā attālumā viena no otras. Pirms pievienošanas sprieguma avotam, piemēram, akumulatoram, abas plāksnes ir neuzlādētas. Pēc tam viena plāksne tiek savienota ar akumulatora pozitīvo polu, bet otra - ar negatīvo polu, izmantojot vadus.
Pēc pievienošanas akumulatora pozitīvajam polam, pozitīvais lādiņš akumulatorā piesaista uz plāksnes negatīvi lādētos elektronus, liekot tiem pārvietoties uz akumulatora pozitīvo polu. Tas izraisa plāksnei elektronu deficītu (negatīvo lādiņu) un protonu pārpalikumu (pozitīvo lādiņu), kā rezultātā rodas pozitīvs lādiņš.
Līdzīgi, pēc plāksnes pievienošanas akumulatora negatīvajam spailei, plāksnes pozitīvais lādiņš piesaista negatīvi lādētos elektronus akumulatora negatīvajā spailē, izraisot elektronu pārvietošanos uz plāksni. Tas izraisa plāksnē elektronu pārpalikumu, padarot to negatīvi lādētu.
Elektronu pārneses process starp plāksnēm un akumulatoru apstājas pēc tam, kad potenciālu starpība starp abām plāksnēm ir vienāda ar potenciālu starpību starp akumulatora diviem poliem.
Kā var palielināties elektriskais lādiņš uz abām vadītāja plāksnēm? Citiem vārdiem sakot, kas jādara, lai atkal notiktu elektronu pārnešana? Elektronu pārnešana notiek tikai tad, ja elektriskā potenciāla starpība starp akumulatora diviem poliem ir lielāka nekā elektriskā potenciāla starpība starp abām vadītāja plāksnēm. Lai elektronu pārnešana notiktu atkal un elektriskais lādiņš uz katras vadītāja plāksnes palielināsies, izmantotā baterija tiek aizstāta ar citu bateriju vai citu sprieguma avotu, kam ir lielāka elektriskā potenciāla starpība. Elektronu pārnešana apstājas, kad sprieguma avota potenciālu starpība ir vienāda ar kondensatora potenciālu starpību, tāpēc, ja sprieguma avota potenciālu starpība ir lielāka, arī kondensatora potenciālu starpība ir lielāka.
Balstoties uz iepriekš minēto pārskatu, var secināt, ka jo lielāks elektriskais lādiņš ir uzkrāts uz katras vadītāja plāksnes, jo lielāka ir elektriskā potenciāla starpība starp abām vadītāja plāksnēm. Tāpēc elektriskais lādiņš (Q) ir proporcionāls elektriskā potenciāla starpībai (V). Attiecība starp elektrisko lādiņu un elektriskā potenciāla starpību ir izteikta šādā proporcijā:
Q α V
Iepriekš minēto proporcionalitāti pārvērš vienādojumā, pievienojot proporcionalitātes konstanti C:
Q = CV vai C = Q / V
Apraksts: Q = elektriskais lādiņš (Kulona skalā), V = elektriskā potenciāla starpība vai elektriskais spriegums (voltos), C = proporcionalitātes konstante, ko sauc par kondensatora kapacitāti.
Kapacitātes vērtība nav atkarīga no elektriskā lādiņa un sprieguma, bet gan no vadītāja plākšņu formas un izmēra. Matemātisks pierādījums tam, ka kapacitāte ir atkarīga no vadītāja plākšņu formas un izmēra, ir paskaidrots rakstā par kondensatoru veidiem, kuru pamatā ir vadītāja plākšņu forma, proti, paralēlo plākšņu kondensatori , cilindriskie kondensatori un sfēriskie kondensatori . Rakstā tiek pieņemts, ka starp abām vadītāja plāksnēm ir vakuums.
Kondensatora kapacitāte ir atkarīga arī no materiāla īpašībām starp divām vadošajām plāksnēm. Materiālu starp divām vadošajām plāksnēm sauc par dielektriķi . Kondensatora ar dielektriķi kapacitāte ir padziļināti aplūkota rakstā par dielektrisko konstanti.
Kapacitātes mērvienība
Elektriskā lādiņa mērvienība ir Kulons, un elektriskā potenciāla starpības mērvienība ir volts, tāpēc, pamatojoties uz iepriekš minēto kapacitātes vienādojumu, kapacitātes mērvienība ir Kulons uz voltu (C/V), ko sauc arī par faradu (F), kas cēlies no britu zinātnieka Maikla Faradeja (1791–1867) vārda. Tātad 1 Farads = 1 Kulons/volts.
Piemēram, kondensatora vērtība ir 2 faradas, kas nozīmē, ka kondensators uz vienas no vadītāja plāksnēm uzglabā elektrisko lādiņu +2 kuloni un uz otras vadītāja plāksnes -2 kuloni, kur abu vadītāju plākšņu potenciālu starpība ir 1 volts. Ja kondensatoram ir pievienots 12 voltu akumulators, vienas no vadītāja plāksnēm elektriskais lādiņš būs Q = CV = (2)(12 volti) = +24 kuloni, bet otras vadītāja plāksnes lādiņš būs -24 kuloni.
Jāatzīmē, ka farads ir ļoti liela kapacitātes mērvienība, tāpēc parasti tiek izmantotas mazākas mērvienības, proti, mikrofarads, saīsināti μF (10⁻⁶ Farads ), līdz pikofaradam, saīsināti pF (10⁻¹ Farads ). Matemātiskie aprēķini, kas parāda, ka farads ir ļoti liela mērvienība, ir aplūkoti paralēlo plākšņu kondensatora piemērā.
