Definicja kondensatora płytkowego
Kondensator płytkowy to kondensator składający się z dwóch równoległych płytek przewodzących, z których każda ma równą powierzchnię przekroju poprzecznego (A) oraz dwóch płytek oddalonych od siebie o pewną odległość (d), jak pokazano na rysunku po lewej stronie. Jedna z płytek przewodzących jest naładowana dodatnio (+Q), a druga ujemnie (-Q), gdzie ilość ładunek elektryczny Na każdej płytce napięcie jest równe. Aby ładunek nie przemieszczał się do cząsteczki powietrza, kondensator jest odizolowany od otoczenia, a między płytkami panuje próżnia.
Różnica w rodzajach ładunków elektrycznych na obu płytkach przewodzących tworzy pole elektryczne i różnicę potencjałów między nimi. Dodatnio naładowana płytka ma wyższy potencjał elektryczny, a ujemnie naładowana – niższy. Jak wyjaśniono w temacie potencjału elektrycznego, jeśli między płytkami kondensatora występuje różnica potencjałów, w kondensatorze gromadzi się energia potencjalna. Energia potencjalna zgromadzona w kondensatorach ma wiele zastosowań.
Czynniki wpływające na pojemność kondensatora płytkowego
Kondensator początkowo nie jest naładowany ani elektrycznie neutralny. Aby go naładować, należy podłączyć go kablem do źródła napięcia, takiego jak akumulator. Jedna z płytek przewodzących jest podłączona do bieguna dodatniego akumulatora, a druga do bieguna ujemnego.
Pamiętaj, że ładunki tego samego typu odpychają się, podczas gdy ładunki różnoimienne przyciągają się. Elektrony mają ładunek ujemny i łatwo się przemieszczają, ponieważ znajdują się na powierzchni atomu, natomiast protony mają ładunek dodatni i nie mogą się przemieszczać, ponieważ znajdują się w jądrze atomowym. Jeśli płytka przewodząca ma więcej protonów niż elektronów, płytka jest naładowana dodatnio; przeciwnie, jeśli liczba elektronów jest większa niż liczba protonów, płytka jest naładowana ujemnie.
Po podłączeniu kondensatora do akumulatora, biegun dodatni akumulatora zostaje naładowany dodatnio. W ten sposób przyciąga elektrony z płytki przewodzącej, natomiast biegun ujemny akumulatora zostaje naładowany ujemnie, co powoduje odrzucenie elektronów i skierowanie ich do płytki przewodzącej. Przesunięcie elektryczne między akumulatorem a płytką przewodzącą powoduje, że płytka przewodząca traci elektrony, aby naładować się dodatnio, a płytka przewodząca przyjmuje elektrony, aby naładować się ujemnie. Ruch elektronów ustaje, gdy różnica potencjałów między dwiema płytkami przewodzącymi zrówna się z różnicą potencjałów między dwoma biegunami akumulatora.
Funkcja kondensatora do przechowywania tładunek elektryczny oraz energia potencjalna elektrycznaPojemność kondensatora to zdolność do magazynowania ładunku elektrycznego i energii potencjalnej. Im większa jest ilość zgromadzonej energii elektrycznej, tym większa jest również zgromadzona energia potencjalna, a tym samym większa jest pojemność kondensatora. Jakie czynniki wpływają na pojemność kondensatora płytkowego?
Powierzchnia płytki przewodzącej
Kondensator płytkowy gromadzi ładunek elektryczny na płytce przewodzącej. Jeśli powierzchnia płytki jest mała, gromadzi się niewielka ilość ładunku elektrycznego, a jeśli powierzchnia płytki jest duża, gromadzi się duża ilość ładunku elektrycznego. Im więcej ładunków elektrycznych zgromadzonych na płytce przewodzącej, 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 płytki przewodzącej (A).
Odległość między dwiema płytami przewodzącymi
Przepływ elektronów ustaje, gdy różnica potencjałów między dwiema płytkami przewodnika jest równa różnicy potencjałów między dwoma biegunami baterii. Jak zwiększyć ładunek elektryczny na obu płytkach przewodnika? Jednym ze sposobów jest zmniejszenie odległości między dwoma płytkami (minimalizacja d). Gdy dwa przewodniki są do siebie zbliżone, ilość ładunku elektrycznego pozostaje taka sama, co powoduje, że pole elektryczne wytwarzane przez ładunek elektryczny jest stałe. Zgodnie z równaniem V = E d, gdy pole elektryczne (E) jest stałe, różnica potencjałów elektrycznych (V) maleje wraz ze zmniejszaniem się odległości między dwiema płytkami przewodnika (d).
Różnica potencjałów między dwiema płytkami przewodnika zmniejsza się do tego stopnia, że jest mniejsza niż różnica potencjałów między biegunami baterii. Powoduje to ponowne przemieszczenie elektronów, aż do momentu wzrostu ładunku elektrycznego każdej płytki przewodnika. Przepływ elektronów ustaje, gdy różnica potencjałów między płytkami zrówna się z różnicą potencjałów między biegunami 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. Gdy odległość maleje, ładunek rośnie, co powoduje wzrost pojemności, a gdy odległość rośnie, ładunek maleje, co powoduje spadek pojemności. Można zatem wnioskować, że pojemność kondensatora (C) jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między dwiema płytkami przewodnika (d).
Równanie pojemności kondensatora płytkowego
Wcześniej wyjaśniono czynniki wpływające na pojemność kondensatorów płytkowych. Wartość pojemności można dokładnie określić, wykonując obliczenia za pomocą równania. W artykule dotyczącym wyznaczania pola elektrycznego za pomocą prawa Gaussa, 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: εo = Q/A x 1/εo = Q / A εoRównanie potencjału elektrycznego to V = E d, gdzie E = Q / A εo tak, że równanie zmienia się na V = Q d / A εoRównanie pojemności to C = Q/V, gdzie V = Q d / A εo tak, że równanie pojemności zmienia się na C = Q: Q d / A εo = Q x A εo / Q d = A εo / D.
Na podstawie równania pojemności C = A εo / d można wywnioskować, że pojemność (C) jest proporcjonalna do pola powierzchni (A) i odwrotnie proporcjonalna do odległości (d) między dwiema płytkami przewodzącymi.
E = pole elektryczne, σ = gęstość ładunku, εo = przenikalność elektryczna próżni = 8.85 x 10-12 F/m, Q = ładunek elektryczny, A = powierzchnia płytki przewodzącej, V = różnica potencjałów elektrycznych.
