Pochopenie kapacity
Malý pohár pojme malé množstvo vody, zatiaľ čo veľký pohár pojme viac. Čím väčší je pohár, tým viac vody pojme. Každý pohár má teda kapacitu alebo mieru svojej schopnosti zadržiavať vodu. Rovnako ako sklá, aj kondenzátory majú schopnosť ukladať elektrický náboj a elektrickú potenciálnu energiu. Kapacita kondenzátora alebo miera jeho schopnosti ukladať elektrický náboj a elektrickú potenciálnu energiu sa nazýva kapacita.
Faktory ovplyvňujúce kapacitu
Veľkosť kapacity pohára zadržať vodu je určená jeho objemom. A čo kondenzátory? Čo určuje veľkosť kapacity kondenzátora uložiť elektrický náboj?
Obrázok nižšie znázorňuje jednoduchý kondenzátor pozostávajúci z dvoch vodivých dosiek vzdialených od seba určitou vzdialenosťou. Pred pripojením k zdroju napätia, napríklad k batérii, sú obe dosky vybité. Potom sa jedna doska pripojí k kladnému pólu batérie a druhá k zápornému pólu pomocou vodičov.
Po pripojení ku kladnému pólu batérie kladný náboj v batérii priťahuje záporne nabité elektróny na doske, čo spôsobuje ich presun ku kladnému pólu batérie. To spôsobuje, že doska má nedostatok elektrónov (záporný náboj) a nadbytok protónov (kladný náboj), čo vedie ku kladnému náboju.
Podobne, po pripojení dosky k zápornému pólu batérie, kladný náboj na doske priťahuje záporne nabité elektróny na zápornom póle batérie, čo spôsobuje, že elektróny sa presunú k doske. To spôsobuje, že doska má nadbytok elektrónov, čím sa negatívne nabije.
Proces prenosu elektrónov medzi doskami a batériou sa zastaví po tom, čo sa rozdiel potenciálov medzi oboma doskami rovná rozdielu potenciálov medzi oboma pólmi batérie.
Ako sa môže zvýšiť elektrický náboj na oboch vodičových platniach? Inými slovami, čo je potrebné urobiť, aby sa opäť vyvolal prenos elektrónov? K prenosu elektrónov dochádza iba vtedy, keď je rozdiel elektrických potenciálov medzi dvoma pólmi batérie väčší ako rozdiel elektrických potenciálov medzi dvoma vodičovými platňami. Aby sa opäť uskutočnil prenos elektrónov a zvýšil sa elektrický náboj na každej vodičovej platni, použitá batéria sa nahradí inou batériou alebo iným zdrojom napätia, ktorý má väčší rozdiel elektrických potenciálov. Prenos elektrónov sa zastaví, keď sa rozdiel potenciálov zdroja napätia rovná rozdielu potenciálov kondenzátora, preto ak je rozdiel potenciálov zdroja napätia väčší, je väčší aj rozdiel potenciálov kondenzátora.
Na základe vyššie uvedeného prehľadu možno vyvodiť záver, že čím väčší je elektrický náboj uložený na každej vodivej platni, tým väčší je rozdiel elektrického potenciálu medzi týmito dvoma vodivými platňami. Preto je elektrický náboj (Q) úmerný rozdielu elektrického potenciálu (V). Vzťah medzi elektrickým nábojom a rozdielom elektrického potenciálu sa vyjadruje nasledujúcou úmernosťou:
QαV
Vyššie uvedená proporcionalita sa prevedie do rovnice pridaním konštanty proporcionality C:
Q = CV alebo C = Q / V
Popis: Q = elektrický náboj (Coulomb), V = rozdiel elektrického potenciálu alebo elektrické napätie (V), C = konštanta úmernosti, ktorá sa nazýva kapacita kondenzátora.
Hodnota kapacity nezávisí od elektrického náboja a napätia, ale závisí od tvaru a veľkosti vodivých dosiek. Matematický dôkaz, že kapacita závisí od tvaru a veľkosti vodivých dosiek, je vysvetlený v článku o typoch kondenzátorov na základe tvaru vodivých dosiek, a to o doskových kondenzátoroch , valcových kondenzátoroch a guľových kondenzátoroch . V článku sa predpokladá, že medzi dvoma vodivými doskami je vákuum.
Kapacita kondenzátora závisí aj od vlastností materiálu medzi dvoma vodivými platňami. Materiál medzi dvoma vodivými platňami sa nazýva dielektrikum . Kapacita kondenzátora s dielektrikom je podrobne rozobratá v článku o dielektrickej konštante.
Jednotka kapacity
Jednotkou elektrického náboja je Coulomb a jednotkou rozdielu elektrického potenciálu je Volt, takže na základe vyššie uvedenej rovnice kapacity je jednotkou kapacity Coulomb na volt (C/V), nazývaný aj Farad (F), ktorý pochádza z mena britského vedca Michaela Faradaya (1791-1867). Takže 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Napríklad kondenzátor má hodnotu 2 Farady, čo znamená, že kondenzátor ukladá elektrický náboj +2 Coulomby na jednej z vodivých dosiek a -2 Coulomby na druhej vodivej doske, pričom dve vodivé dosky majú potenciálový rozdiel 1 Volt. Ak je ku kondenzátoru pripojená 12-voltová batéria, jedna z vodivých dosiek bude mať elektrický náboj Q = CV = (2)(12 Voltov) = +24 Coulomby, zatiaľ čo druhá vodivá doska bude mať náboj -24 Coulomby.
Treba poznamenať, že Farad je veľmi veľká jednotka kapacity, takže sa zvyčajne používajú menšie jednotky, a to mikroFarad, skrátene μF (10⁻⁶ Farad ), až pikoFarad, skrátene pF (10⁻¹² Farad ). Matematické výpočty, ktoré ukazujú, že Farad je veľmi veľká jednotka, sú rozobraté na príklade doskového kondenzátora.
