Zrozumienie pojemności
Mała szklanka może pomieścić niewielką ilość wody pitnej, podczas gdy duża szklanka może pomieścić więcej. Im większa szklanka, tym więcej wody może pomieścić. Zatem każda szklanka ma pojemność, czyli miarę swojej zdolności do magazynowania wody. Podobnie jak szklanki, kondensatory również mają zdolność do magazynowania ładunku elektrycznego i energii potencjalnej. Pojemność kondensatora, czyli miara zdolności kondensatora do magazynowania ładunku elektrycznego i energii potencjalnej, nazywana jest… pojemność.
Czynniki wpływające na pojemność
Pojemność szklanki, pozwalająca na zatrzymywanie wody, zależy od jej objętości. A co z kondensatorami? Co decyduje o pojemności kondensatora do magazynowania ładunku elektrycznego?
Poniższy rysunek przedstawia prosty kondensator składający się z dwóch przewodzących okładek oddalonych od siebie o określoną odległość. Przed podłączeniem do źródła napięcia, takiego jak bateria, obie okładki są rozładowane. Następnie jedną okładkę podłącza się przewodami do dodatniego bieguna baterii, a drugą do ujemnego.
Po podłączeniu do dodatniego bieguna baterii, ładunek dodatni przyciąga ujemnie naładowane elektrony na płytce, powodując ich przemieszczanie się do dodatniego bieguna baterii. W rezultacie płytka ma niedobór elektronów (ładunek ujemny) i nadmiar protonów (ładunek dodatni), co skutkuje ładunkiem dodatnim.
Podobnie, po podłączeniu płytki do ujemnego bieguna baterii, ładunek dodatni na płytce przyciąga ujemnie naładowane elektrony na ujemnym biegunie baterii, powodując ich przemieszczanie się w kierunku płytki. W rezultacie płytka ma nadmiar elektronów, co powoduje, że staje się ujemnie naładowana.
Proces przenoszenia elektronów między płytkami i baterią zatrzymuje się, gdy różnica potencjałów między dwiema płytkami zrówna się z różnicą potencjałów między dwoma biegunami baterii.
Jak może wzrosnąć ładunek elektryczny na obu płytkach przewodzących? Innymi słowy, co należy zrobić, aby ponownie wywołać transfer elektronów? Transfer elektronów zachodzi tylko wtedy, gdy różnica potencjałów elektrycznych między dwoma biegunami baterii jest większa niż różnica potencjałów elektrycznych między dwiema płytkami przewodzącymi. Aby transfer elektronów nastąpił ponownie, powodując wzrost ładunku elektrycznego na każdej płytce przewodzącej, zużytą baterię wymienia się na inną baterię lub inne źródło napięcia o większej różnicy potencjałów elektrycznych. Transfer elektronów ustaje, gdy różnica potencjałów źródła napięcia jest równa różnicy potencjałów kondensatora, zatem jeśli różnica potencjałów źródła napięcia jest większa, różnica potencjałów kondensatora również jest większa.
Na podstawie powyższego przeglądu można stwierdzić, że im większy ładunek elektryczny zgromadzony na każdej płytce przewodzącej, tym większa różnica potencjałów elektrycznych między nimi. Zatem ładunek elektryczny (Q) jest proporcjonalny do różnicy potencjałów elektrycznych (V). Zależność między ładunkiem elektrycznym a różnicą potencjałów elektrycznych wyraża się następującą proporcjonalnością:
Q α V
Powyższą proporcjonalność przekształcamy w równanie poprzez dodanie stałej proporcjonalności C:
Q = CV lub C = Q / V
Opis: Q = ładunek elektryczny (kulomb), V = różnica potencjałów elektrycznych lub napięcie elektryczne (wolt), C = stała proporcjonalności, nazywana pojemnością kondensatora.
Wartość pojemności nie zależy od ładunku elektrycznego i napięcia, lecz od kształtu i rozmiaru płytki przewodzącej. Matematyczny dowód zależności pojemności od kształtu i rozmiaru płytki przewodzącej został wyjaśniony w artykule na temat rodzajów kondensatorów w zależności od kształtu płytki przewodzącej, a mianowicie: kondensator płytkowy, kondensator cylindryczny dan kondensator sferycznyW artykule przyjęto założenie, że pomiędzy dwoma elementami przewodzącymi występuje próżnia.
Pojemność kondensatora zależy również od właściwości materiału między dwiema przewodzącymi płytkami. Materiał między dwiema przewodzącymi płytkami nazywa się dielektrykPojemność kondensatora z dielektrykiem jest szczegółowo omówiona w artykule o stała dielektryczna.
Jednostka pojemności
Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, a jednostką różnicy potencjałów elektrycznych jest wolt. Zatem, zgodnie z powyższym równaniem pojemności, jednostką pojemności jest kulomb na wolt (C/V), zwany również faradem (F), od nazwiska brytyjskiego naukowca Michaela Faradaya (1791–1867). Zatem 1 farad = 1 kulomb na wolt.
Na przykład kondensator ma pojemność 2 faradów, co oznacza, że gromadzi ładunek elektryczny +2 kulombów na jednej z płytek przewodzących i -2 kulombów na drugiej płytce przewodzącej, gdzie różnica potencjałów między płytkami przewodzącymi wynosi 1 wolt. Jeśli do kondensatora podłączymy baterię 12 woltów, jedna z płytek przewodzących będzie miała ładunek elektryczny Q = CV = (2)(12 woltów) = +24 kulombów, a druga płytka przewodząca będzie miała ładunek -24 kulombów.
Należy pamiętać, że Farad jest bardzo dużą jednostką pojemności, dlatego zwykle stosuje się mniejszą jednostkę, mianowicie mikroFarad, w skrócie μF (10-6 Farad) do pikofaradów w skrócie pF (10-12 W artykule omówiono obliczenia matematyczne pokazujące, że farad jest bardzo dużą jednostką. przykład pytań dotyczących kondensatorów płytkowych.
