Definitie van de capaciteit van condensatoren
Een klein glas kan een beetje water bevatten, terwijl een groot glas meer water kan bevatten. Hoe groter het volume van het glas, hoe meer water erin past. Elk glas heeft dus een bepaalde inhoud, oftewel een bepaalde grootte, die aangeeft hoeveel water erin kan. Net als glas kunnen condensatoren ook elektrische ladingen en potentiële energie opslaan. Het vermogen van een condensator om elektrische lading en potentiële energie op te slaan, wordt capaciteit genoemd.
Factoren die de capaciteit beïnvloeden
De hoeveelheid water die een glas kan bevatten, wordt bepaald door het volume van het glas. Maar hoe zit het met condensatoren? Waardoor wordt de hoeveelheid elektrische lading die een condensator kan opslaan bepaald?
De afbeelding hiernaast toont een eenvoudige condensator bestaande uit twee geleidende platen die door een bepaalde afstand van elkaar zijn gescheiden. Voordat de condensator op een spanningsbron, zoals een batterij, wordt aangesloten, zijn de twee platen niet elektrisch geladen. Vervolgens wordt een van de platen met een kabel verbonden met de positieve pool van de batterij en de andere plaat met de negatieve pool.
Na aansluiting op de pluspool van de batterij trekt de positieve lading van de batterij negatief geladen elektronen naar de platen, waardoor deze elektronen naar de pluspool van de batterij bewegen. Hierdoor hebben de platen een tekort aan elektronen (negatieve lading) en een overschot aan protonen (positieve lading), waardoor de platen positief geladen raken.
Nadat de plaat is aangesloten op de negatieve pool van de batterij, trekt de positieve lading op de plaat de negatief geladen elektronen op de negatieve pool van de batterij aan, waardoor de elektronen naar de plaat bewegen. Hierdoor raakt de plaat overbelast met elektronen, waardoor deze negatief geladen wordt. Het proces van elektronenoverdracht tussen platen en batterijen stopt wanneer het potentiaalverschil tussen de twee platen gelijk is aan het potentiaalverschil tussen de twee polen van de batterij.
Hoe verhoog je de elektrische lading op beide geleidende platen? Met andere woorden, wat moet er gebeuren om elektronen van en naar de positieve pool van de batterij te transporteren? Elektronenverplaatsing vindt alleen plaats wanneer het potentiaalverschil tussen de twee batterijpolen groter is dan het potentiaalverschil tussen de twee geleiders. Om de elektronen weer in beweging te krijgen, zodat de elektrische lading op elke geleidende plaat toeneemt, wordt de batterij vervangen door een andere spanningsbron met een groter potentiaalverschil. De elektronenverplaatsing stopt wanneer het potentiaalverschil van de spanningsbron gelijk is aan het potentiaalverschil van de condensator. Dus als het potentiaalverschil van de spanningsbron groter is, is het potentiaalverschil van de condensator ook groter.
Op basis van bovenstaande analyse kan worden geconcludeerd dat hoe groter de elektrische lading die in elke geleiderplaat is opgeslagen, hoe groter het elektrische potentiaalverschil tussen de twee geleiderplaten. De elektrische lading (Q) is dus evenredig met het elektrische potentiaalverschil (V). De relatie tussen een elektrische lading en een elektrisch potentiaalverschil wordt in de volgende vergelijking weergegeven:
Q α V
De bovenstaande vergelijkingen worden omgezet in vergelijkingen door de constante C toe te voegen:
Q = CV of C = Q / V
Q = elektrische lading (Coulomb), V = elektrisch potentiaalverschil of spanning (Volt), C = constante, ook wel de capaciteit van de condensator genoemd.
De capaciteitswaarde is niet afhankelijk van de elektrische lading en de elektrische spanning, maar wel van de vorm en de grootte van de geleidende plaat. Het wiskundige bewijs dat de capaciteit afhankelijk is van de vorm en de grootte van de geleidende plaat wordt uitgelegd in het hoofdstuk over de parallelle-plaatcondensator. In dat hoofdstuk wordt aangenomen dat er een vacuüm tussen de twee geleiders is.
De capaciteit van een condensator hangt ook af van de aard van het materiaal dat zich tussen de twee geleidende platen bevindt. Dit materiaal wordt een diëlektricum genoemd. De capaciteit van condensatoren met een diëlektricum wordt uitgebreid besproken in het hoofdstuk over diëlektrische constanten.
Eenheid van capaciteit
De eenheid van elektrische lading is Coulomb en de eenheid van elektrisch potentiaalverschil is Volt, gebaseerd op de bovenstaande capaciteitsvergelijking. De eenheid van capaciteit is Coulomb per Volt (C/V), ook wel Farad (F) genoemd, naar de Britse wetenschapper Michael Faraday (1791-1867). Dus 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Stel dat een condensator met een waarde van 2 Farad een elektrische lading van +2 Coulomb opslaat op de ene geleiderplaat en -2 Coulomb op de andere. De potentiaalverschillen tussen de twee geleiderplaten zijn 1 Volt. Als een 12 Volt batterij op de condensator is aangesloten, is de lading op de ene geleiderplaat Q = CV = (2) (12 Volt) = +24 Coulomb, terwijl de lading op de andere geleiderplaat -24 Coulomb is.
Houd er rekening mee dat de farad een zeer grote capaciteitseenheid is, waardoor deze meestal wordt aangeduid met een kleinere eenheid, namelijk microfarad, afgekort als μF (10⁻⁶ farad ) , of picofarad, afgekort als pF ( 10⁻¹² farad). Wiskundige berekeningen die aantonen dat de farad een gigantische eenheid is, worden besproken in het hoofdstuk over de parallelle-plaatcondensator.
