Definiția condensatorului cu plăci paralele
Un condensator cu plăci paralele este un condensator format din două plăci paralele sau plăci conductoare, fiecare placă având aceeași secțiune transversală (A) și cele două plăci fiind separate de o anumită distanță (d), ca în imaginea din stânga. În acest articol, presupunem că cele două plăci conductoare sunt separate de un vid. În imagine, una dintre plăcile conductoare este încărcată pozitiv (+Q), în timp ce cealaltă placă conductoare este încărcată negativ (-Q), unde cantitatea de sarcină electrică de pe fiecare placă este aceeași.
Diferența de sarcină electrică dintre cele două plăci conductoare creează un câmp electric și o diferență de potențial între ele. Placa încărcată pozitiv are un potențial mai mare, în timp ce placa încărcată negativ are un potențial mai mic. Așa cum se explică în articolul despre potențialul electric , dacă există o diferență de potențial între cele două plăci ale condensatorului, există energie potențială electrică în condensator. Energia potențială electrică stocată într-un condensator are multe utilizări.
Factorii care afectează capacitatea unui condensator cu plăci paralele
Condensatoarele sunt inițial neîncărcate sau neutre din punct de vedere electric. Pentru a le încărca, acestea sunt încărcate prin conectarea lor la o sursă de tensiune, cum ar fi o baterie, folosind cabluri. O placă conductoare este conectată la borna pozitivă a bateriei, în timp ce cealaltă placă conductoare este conectată la borna negativă.
Rețineți că sarcinile similare se resping, în timp ce sarcinile diferite se atrag. Electronii sunt încărcați negativ și se mișcă ușor deoarece se află la suprafața atomului, în timp ce protonii sunt încărcați pozitiv și nu se pot mișca deoarece se află în nucleu. Dacă numărul de protoni de pe o placă conductoare depășește numărul de electroni, placa este încărcată pozitiv. Invers, dacă numărul de electroni depășește numărul de protoni, placa este încărcată negativ.
După ce condensatorul este conectat la baterie, polul pozitiv al bateriei este încărcat pozitiv, atrăgând electroni de pe placa conductoare, în timp ce polul negativ al bateriei este încărcat negativ, respingând electronii către placa conductoare. Transferul de electroni între baterie și placa conductoare face ca placa conductoare care pierde electroni să se încarce pozitiv, iar placa conductoare care primește electroni să se încarce negativ. Transferul de electroni se oprește atunci când diferența de potențial electric dintre cele două plăci conductoare este egală cu diferența de potențial electric dintre cele două borne ale bateriei.
Condensatoarele stochează sarcină electrică și energie potențială . Măsura capacității unui condensator de a stoca sarcină electrică și energie potențială se numește capacitate. Cu cât sarcina electrică stocată este mai mare, cu atât energia potențială este mai mare și cu atât capacitatea este mai mare. Ce factori afectează capacitatea unui condensator cu plăci paralele?
– Suprafața plăcii conductoare
Condensatoarele cu plăci paralele stochează sarcină electrică pe plăcile lor conductoare. O suprafață mică a plăcii înseamnă că se stochează puțină sarcină; o suprafață mare a plăcii înseamnă că se stochează o sarcină mare. Cu cât mai multă sarcină este stocată pe plăcile conductoare, cu atât energia potențială electrică a condensatorului este mai mare. Prin urmare, cu cât energia potențială electrică a condensatorului este mai mare, cu atât capacitatea sa este mai mare. Pe baza acestei analize, se poate concluziona că capacitatea condensatorului (C) este proporțională cu suprafața plăcilor conductoare (A).
– Distanța dintre cele două plăci conductoare
Mișcarea electronilor se oprește după ce diferența de potențial dintre cele două plăci conductoare este egală cu diferența de potențial dintre cei doi poli ai bateriei. Cum poate crește sarcina electrică de pe cele două plăci conductoare? O modalitate este de a reduce distanța dintre cei doi conductori (reducerea lui d). Când cei doi conductori sunt apropiați unul de celălalt, cantitatea de sarcină electrică rămâne constantă, astfel încât câmpul electric produs de sarcina electrică are o valoare constantă. Pe baza ecuației V = Ed, atunci când câmpul electric (E) este constant, diferența de potențial electric (V) scade dacă distanța dintre cele două plăci conductoare este redusă (d).
Diferența de potențial dintre cele două plăci conductoare scade până când devine mai mică decât diferența de potențial dintre cele două borne ale bateriei. Acest lucru face ca electronii să se miște din nou până când sarcina electrică de pe fiecare placă conductoare crește. Mișcarea electronilor se oprește odată ce diferența de potențial dintre cele două plăci este egală cu diferența de potențial dintre cele două borne ale bateriei.
Când distanța dintre cele două plăci conductoare se reduce, sarcina electrică de pe fiecare placă crește, astfel încât energia potențială electrică din condensator crește și ea. Dacă energia potențială electrică din condensator crește, capacitatea condensatorului crește și ea. Dacă distanța se reduce, sarcina crește, astfel încât capacitatea crește, dacă distanța se mărește, sarcina scade, astfel încât capacitatea scade. Se poate concluziona că capacitatea condensatorului (C) este invers proporțională cu distanța dintre cele două plăci conductoare (d).
Ecuația capacității pentru un condensator cu plăci paralele
Anterior, au fost explicate lucrurile care afectează valoarea capacității unui condensator cu plăci paralele. Valoarea capacității poate fi cunoscută clar prin calcule folosind ecuații. În articolul despre determinarea câmpului electric folosind legea lui Gauss, a fost discutată formula pentru calcularea câmpului electric în apropierea unei plăci conductoare încărcate electric este E = σ/ε₂o , unde σ = Q/A, astfel încât ecuația câmpului electric se schimbă în E = Q/A: ε₂o = Q/A x 1/ ε₂o = Q/Aε₂o . Ecuația potențialului electric este V = Ed, unde E = Q/Aε₂o, astfel încât ecuația se schimbă în V = Qd/Aε₂o . Ecuația capacității este C = Q/V, unde V = Qd/Aε₂o, astfel încât ecuația capacității se schimbă în C = Q: Qd/Aε₂o = Q x Aε₂o / Qd = Aε₂o / d.
Pe baza ecuației capacității C = Aεo / d, se poate concluziona că capacitatea (C) este proporțională cu aria suprafeței (A) și invers proporțională cu distanța (d) dintre cele două plăci conductoare.
Descrierea formulei: E = câmp electric, σ = densitatea de sarcină, ε₂o = permitivitatea spațiului gol = 8,85 x 10⁻¹² F /m, Q = sarcină electrică, A = aria suprafeței plăcii conductoare, V = diferența de potențial electric.
