Definicja kondensatora płytkowego
Kondensator płytkowy to kondensator składający się z dwóch równoległych płyt lub płyt przewodzących, z których każda ma takie samo pole przekroju poprzecznego (A) i jest oddzielona od siebie pewną odległością (d), jak na rysunku po lewej stronie. W tym artykule załóżmy, że dwie płyty przewodzące są oddzielone próżnią. Na rysunku jedna z płyt przewodzących jest naładowana dodatnio (+Q), a druga ujemnie (-Q), przy czym ładunek elektryczny na każdej z nich jest taki sam.
Różnica ładunków elektrycznych między dwiema przewodzącymi płytkami tworzy pole elektryczne i różnicę potencjałów między nimi. Dodatnio naładowana płytka ma wyższy potencjał, a ujemnie – niższy. Jak wyjaśniono w artykule na temat potencjału elektrycznego , jeśli między dwiema płytkami kondensatora występuje różnica potencjałów, w kondensatorze gromadzi się energia potencjalna. Energia potencjalna zgromadzona w kondensatorze ma wiele zastosowań.
Czynniki wpływające na pojemność kondensatora płytkowego
Kondensatory są początkowo nienaładowane, czyli elektrycznie neutralne. Aby je naładować, ładuje się je poprzez podłączenie do źródła napięcia, takiego jak akumulator, za pomocą kabli. Jedna płytka przewodząca jest podłączona do dodatniego bieguna akumulatora, a druga płytka przewodząca do ujemnego bieguna.
Pamiętaj, że ładunki o jednakowym ładunku odpychają się, a ładunki o różnym ładunku przyciągają. Elektrony mają ładunek ujemny i łatwo się poruszają, ponieważ znajdują się na powierzchni atomu, natomiast protony mają ładunek dodatni i nie mogą się poruszać, ponieważ znajdują się w jądrze atomowym. Jeśli liczba protonów na płytce przewodzącej przekracza liczbę elektronów, płytka jest naładowana dodatnio. I odwrotnie, jeśli liczba elektronów przekracza liczbę protonów, płytka jest naładowana ujemnie.
Po podłączeniu kondensatora do akumulatora, biegun dodatni akumulatora naładowuje się dodatnio, przyciągając elektrony z płytki przewodzącej, natomiast biegun ujemny akumulatora naładowuje się ujemnie, odpychając elektrony w kierunku płytki przewodzącej. Przepływ elektronów między akumulatorem a płytką przewodzącą powoduje, że płytka przewodząca, która traci elektrony, naładowuje się dodatnio, a płytka przewodząca, która je przyjmuje, naładowuje się ujemnie. Przepływ elektronów ustaje, gdy różnica potencjałów między dwiema płytkami przewodzącymi jest równa różnicy potencjałów między dwoma zaciskami akumulatora.
Kondensatory magazynują ładunek elektryczny i energię potencjalną . Miarą zdolności kondensatora do magazynowania ładunku elektrycznego i energii potencjalnej jest pojemność. Im większy zgromadzony ładunek elektryczny, tym większa energia potencjalna i tym większa pojemność. Jakie czynniki wpływają na pojemność kondensatora o płaskich płytkach?
– Powierzchnia płytki przewodzącej
Kondensatory płytkowe równoległe gromadzą ładunek elektryczny na swoich przewodzących okładkach. Mała powierzchnia okładki oznacza, że gromadzi się w niej niewiele ładunku; duża powierzchnia okładki oznacza, że gromadzi się w niej dużo ładunku. Im więcej ładunku zgromadzonego na przewodzących okładkach, tym większa jest energia potencjalna kondensatora. Zatem im większa energia potencjalna kondensatora, tym większa jego pojemność. Na podstawie tego przeglądu można stwierdzić, że pojemność kondensatora (C) jest proporcjonalna do powierzchni okładek przewodzących (A).
– Odległość między dwiema płytami przewodzącymi
Ruch elektronów ustaje, gdy różnica potencjałów między dwiema płytkami przewodzącymi jest równa różnicy potencjałów między dwoma biegunami baterii. Jak można zwiększyć ładunek elektryczny na dwóch płytkach przewodzących? Jednym ze sposobów jest zmniejszenie odległości między nimi (zmniejszenie d). Gdy dwa przewodniki są do siebie zbliżone, ilość ładunku elektrycznego pozostaje stała, tak że pole elektryczne wytwarzane przez ładunek elektryczny ma stałą wartość. Zgodnie z równaniem V = E d, gdy pole elektryczne (E) jest stałe, różnica potencjałów elektrycznych (V) maleje wraz ze zmniejszeniem odległości między dwiema płytkami przewodzącymi (d).
Różnica potencjałów między dwiema przewodzącymi płytkami maleje, aż będzie mniejsza niż różnica potencjałów między dwoma zaciskami baterii. Powoduje to ponowny ruch elektronów, aż ładunek elektryczny na każdej z przewodzących płytek wzrośnie. Ruch elektronów ustaje, gdy różnica potencjałów między płytkami zrówna się z różnicą potencjałów między dwoma zaciskami baterii.
Gdy odległość między dwiema płytkami przewodnika maleje, ładunek elektryczny na każdej z nich wzrasta, co powoduje również wzrost energii potencjalnej kondensatora. Wraz ze wzrostem energii potencjalnej kondensatora wzrasta również jego pojemność. Zmniejszenie odległości powoduje wzrost ładunku, co powoduje wzrost pojemności, a zwiększenie odległości powoduje spadek ładunku, co powoduje spadek pojemności. Można zatem wnioskować, że pojemność kondensatora (C) jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między płytkami przewodnika (d).
Równanie pojemności dla kondensatora płytkowego
Poprzednio wyjaśniono czynniki wpływające na wartość pojemności kondensatora płytkowego. Wartość pojemności można wyraźnie poznać za pomocą obliczeń z użyciem równań. W artykule o wyznaczaniu pola elektrycznego za pomocą prawa Gaussa omówiono wzór na obliczenie pola elektrycznego w pobliżu naładowanej elektrycznie płyty przewodzącej to E = σ/ε o , gdzie σ = Q/A tak, że równanie pola elektrycznego zmienia się na E = Q/A : ε o = Q/A x 1/ε o = Q/Aε o . Równanie potencjału elektrycznego to V = E d, gdzie E = Q/Aε o , więc równanie zmienia się na V = Qd/Aε o . Równanie pojemności to C = Q/V, gdzie V = Qd/Aε o , więc równanie pojemności zmienia się na C = Q : Qd/Aε o = Q x Aε o /Qd = Aε o /d.
Na podstawie równania pojemności C = A ε o / d można stwierdzić, że pojemność (C) jest proporcjonalna do pola powierzchni (A) i odwrotnie proporcjonalna do odległości (d) między dwiema płytkami przewodzącymi.
Opis wzoru: E = pole elektryczne, σ = gęstość ładunku, ε o = przenikalność elektryczna pustej przestrzeni = 8,85 x 10 -12 F/m, Q = ładunek elektryczny, A = powierzchnia płytki przewodzącej, V = różnica potencjałów elektrycznych.
