Definiția condensatorului cu plăci paralele
Condensatorul cu plăci paralele este un condensator care constă din două plăci conductoare paralele, fiecare placă având o secțiune transversală egală (A) și două plăci separate de o anumită distanță (d), așa cum se arată în figura din stânga. Una dintre plăcile conductoare este încărcată pozitiv (+Q), în timp ce cealaltă placă conductoare este încărcată negativ (-Q), unde cantitatea de incarcare electrica pe fiecare placă este egală. Pentru ca sarcina să nu se deplaseze către molecula de aer, condensatorul este izolat de mediul înconjurător, iar între cele două plăci există vid.
Diferența dintre tipurile de sarcini electrice din ambele plăci conductoare creează un câmp electric și o diferență de potențial electric între cele două plăci. Placa încărcată pozitiv are un potențial electric mai mare, în timp ce placa încărcată negativ are un potențial electric mai mic. Așa cum s-a explicat în subiectul potențialului electric, dacă există o diferență de potențial electric între cele două plăci ale condensatorului, există o energie potențială electrică în condensator. Energia potențială electrică stocată în condensatoare are multe utilizări.
Factorii care afectează capacitatea condensatorului cu plăci paralele
La început, condensatorul nu este încărcat electric sau neutru din punct de vedere electric. Pentru a fi încărcat, încărcarea condensatorului se face prin conectarea acestuia la o sursă de tensiune, cum ar fi o baterie, folosind un cablu. Una dintre plăcile conductoare este conectată la polul pozitiv al bateriei, în timp ce cealaltă placă conductoare este conectată la polul negativ al bateriei.
Rețineți că sarcinile identice se resping reciproc, în timp ce sarcinile diferite se atrag reciproc. 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 la nucleul atomic. Dacă placa conductoare are mai mulți protoni decât electroni, placa este încărcată pozitiv; dimpotrivă, dacă numărul de electroni este mai mare decât numărul de protoni, placa este încărcată negativ.
După ce condensatorul este conectat la baterie, polul pozitiv al bateriei este încărcat pozitiv. Astfel, acesta atrage electronii de pe placa conductoare, în timp ce polul negativ al bateriei este încărcat negativ, astfel încât îi respinge pe placa conductoare. Deplasarea electrică dintre baterie și placa conductoare face ca placa conductoare să piardă electroni, fiind încărcată pozitiv, iar placa conductoare să primească electroni, fiind încărcată negativ. Mișcarea electronilor se oprește după ce diferența de potențial electric dintre cele două plăci conductoare este egală cu diferența de potențial electric dintre cei doi poli ai bateriei.
Funcția condensatorului este de a stoca sarcina electrică și energia potențială electrică . Capacitatea condensatorului de a stoca sarcina electrică și energia potențială electrică se numește capacitate. Cu cât este stocată mai multă electricitate, cu atât energia potențială electrică stocată este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea condensatorului. Ce factori influențează capacitatea unui condensator cu plăci paralele?
Suprafața plăcii conductoare
Condensatorul cu plăci paralele stochează sarcina electrică pe placa conductoare. Dacă suprafața plăcii este mică, atunci se stochează o mică sarcină electrică, altfel, dacă suprafața plăcii este mare, atunci se stochează o mare parte din sarcina electrică. Cu cât sunt stocate mai multe sarcini electrice pe placa conductoare, cu atât este mai mare energia potențială electrică posedată de condensator. Așadar, cu cât este mai mare energia potențială electrică a condensatorului, cu atât este mai mare capacitatea condensatorului. Pe baza acestei analize, se poate concluziona că capacitatea condensatorului (C) este proporțională cu suprafața plăcii conductoare (A).
Distanța dintre cele două plăci conductoare
Transferul de electroni 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 se crește sarcina electrică pe ambele plăci conductoare? O modalitate este de a reduce distanța dintre cei doi conductori (minimizarea lui d). Când cei doi conductori sunt apropiați, cantitatea de sarcină electrică rămâne, astfel încât câmpul electric produs de sarcina electrică este fix. 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 scade (d).
Diferența de potențial dintre cele două plăci conductoare este redusă astfel încât să fie mai mică decât diferența de potențial dintre cei doi poli ai bateriei. Aceasta provoacă din nou deplasarea electronilor până când sarcina electrică a fiecărei plăci conductoare crește. Transferul de electroni se oprește după ce diferența de potențial dintre cele două plăci este egală cu diferența de potențial dintre cei doi poli ai bateriei.
Când distanța dintre cele două plăci conductoare se reduce, sarcina electrică de pe fiecare placă crește, astfel încât energia potențială electrică a condensatorului crește și ea. Dacă energia potențială electrică a condensatorului crește, crește și capacitatea condensatorului. Dacă distanța se reduce, sarcina crește, astfel încât capacitatea crește, când distanța crește, 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 condensatorului cu plăci paralele
Anterior, au fost explicate aspectele care afectează capacitatea condensatoarelor cu plăci paralele. Valoarea capacității poate fi cunoscută în mod clar prin calcule folosind ecuația. Într-un subiect despre determinarea câmpului electric folosind legea lui Gauss, formula pentru calcularea câmpului electric în apropierea plăcii conductoare încărcate electric este E = σ / ε.o, unde σ = Q / A astfel încât ecuația câmpului electric se schimbă în E = Q/A: εo = Q/A x 1/εo = Q / A εoEcuația potențialului electric este V = E d, unde E = Q / A εo astfel încât ecuația se schimbă în V = Q d / A εoEcuația capacității este C = Q/V, unde V = Q d / A εo astfel încât ecuația capacității se schimbă în C = Q: Q d / A εo = Q x A εo / Q d = A εo / 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.
E = câmp electric, σ = densitatea de sarcină, ε₂o = permitivitatea vidului = 8.85 x 10⁻¹² F /m, Q = sarcină electrică, A = aria suprafeței plăcii conductoare, V = diferența de potențial electric.
