Definícia doskového kondenzátora
Doskový kondenzátor je kondenzátor pozostávajúci z dvoch rovnobežných dosiek alebo vodivých dosiek, pričom každá doska má rovnakú prierezovú plochu (A) a tieto dve dosky sú od seba vzdialené určitou vzdialenosťou (d), ako je znázornené na obrázku vľavo. V tomto článku predpokladajme, že dve vodivé dosky sú oddelené vákuom. Na obrázku je jedna z vodivých dosiek kladne nabitá (+Q), zatiaľ čo druhá vodivá doska je záporne nabitá (-Q), pričom množstvo elektrického náboja na každej doske je rovnaké.
Rozdiel v elektrickom náboji medzi dvoma vodivými platňami vytvára elektrické pole a potenciálový rozdiel medzi nimi. Kladný náboj má vyšší potenciál, zatiaľ čo záporný náboj má nižší potenciál. Ako je vysvetlené v článku o elektrickom potenciáli , ak je medzi dvoma platňami kondenzátora potenciálový rozdiel, v kondenzátore je elektrická potenciálna energia. Elektrická potenciálna energia uložená v kondenzátore má mnoho využití.
Faktory ovplyvňujúce kapacitu doskového kondenzátora
Kondenzátory sú spočiatku nenabité alebo elektricky neutrálne. Na ich nabitie sa nabíjajú pripojením k zdroju napätia, napríklad k batérii, pomocou káblov. Jeden vodič je pripojený ku kladnému pólu batérie, zatiaľ čo druhý vodič je pripojený k zápornému pólu.
Pamätajte, že rovnaké náboje sa odpudzujú, zatiaľ čo odlišné náboje sa priťahujú. Elektróny sú záporne nabité a ľahko sa pohybujú, pretože sa nachádzajú na povrchu atómu, zatiaľ čo protóny sú kladne nabité a nemôžu sa pohybovať, pretože sa nachádzajú v jadre. Ak počet protónov na vodivej platni prevyšuje počet elektrónov, platňa je kladne nabitá. Naopak, ak počet elektrónov prevyšuje počet protónov, platňa je záporne nabitá.
Po pripojení kondenzátora k batérii sa kladný pól batérie nabije kladne, čím priťahuje elektróny z vodivej dosky, zatiaľ čo záporný pól batérie sa nabije záporne, čím odpudzuje elektróny k vodivej doske. Prenos elektrónov medzi batériou a vodivou doskou spôsobuje, že vodivá doska, ktorá stráca elektróny, sa nabije kladne a vodivá doska, ktorá elektróny prijíma, sa nabije záporne. Prenos elektrónov sa zastaví, keď sa rozdiel elektrického potenciálu medzi dvoma vodivými doskami rovná rozdielu elektrického potenciálu medzi dvoma svorkami batérie.
Kondenzátory ukladajú elektrický náboj a potenciálnu energiu . Miera schopnosti kondenzátora ukladať elektrický náboj a potenciálnu energiu sa nazýva kapacita. Čím väčší je uložený elektrický náboj, tým väčšia je potenciálna energia a tým väčšia je kapacita. Aké faktory ovplyvňujú kapacitu doskového kondenzátora?
– Povrchová plocha vodivej dosky
Doskové kondenzátory ukladajú elektrický náboj na svojich vodivých doskách. Malá plocha povrchu dosiek znamená, že sa v nich ukladá malý náboj; veľká plocha povrchu dosiek znamená, že sa v nich ukladá veľký náboj. Čím viac náboja sa ukladá na vodivých doskách, tým väčšia je elektrická potenciálna energia kondenzátora. Preto čím väčšia je elektrická potenciálna energia kondenzátora, tým väčšia je jeho kapacita. Na základe tohto prehľadu možno vyvodiť záver, že kapacita kondenzátora (C) je úmerná ploche povrchu vodivých dosiek (A).
– Vzdialenosť medzi dvoma vodivými doskami
Pohyb elektrónov sa zastaví, keď sa rozdiel potenciálov medzi dvoma vodičovými platňami rovná rozdielu potenciálov medzi dvoma pólmi batérie. Ako sa môže zvýšiť elektrický náboj na dvoch vodičových platniach? Jedným zo spôsobov je zmenšiť vzdialenosť medzi dvoma vodičmi (znížiť d). Keď sú dva vodiče blízko seba, množstvo elektrického náboja zostáva konštantné, takže elektrické pole vytvorené elektrickým nábojom má konštantnú hodnotu. Na základe rovnice V = E d, keď je elektrické pole (E) konštantné, rozdiel elektrických potenciálov (V) sa znižuje, ak sa zmenší vzdialenosť medzi dvoma vodičovými platňami (d).
Rozdiel potenciálov medzi dvoma vodivými platňami sa zmenšuje, až kým nie je menší ako rozdiel potenciálov medzi dvoma pólmi batérie. To spôsobí, že elektróny sa opäť pohybujú, až kým sa elektrický náboj na každej vodivej platni nezvýši. Pohyb elektrónov sa zastaví, keď sa rozdiel potenciálov medzi dvoma platňami vyrovná rozdielu potenciálov medzi dvoma pólmi batérie.
Keď sa vzdialenosť medzi dvoma vodičovými doskami zmenší, elektrický náboj na každej doske sa zvýši, takže sa zvýši aj elektrická potenciálna energia v kondenzátore. Ak sa zvýši elektrická potenciálna energia v kondenzátore, zvýši sa aj kapacita kondenzátora. Ak sa vzdialenosť zmenší, náboj sa zvýši, takže sa zvýši kapacita, ak sa vzdialenosť zväčší, náboj sa zmenší, takže sa zníži kapacita. Dá sa usúdiť, že kapacita kondenzátora (C) je nepriamo úmerná vzdialenosti medzi dvoma vodičovými doskami (d).
Rovnica kapacity pre doskový kondenzátor
Predtým boli vysvetlené faktory, ktoré ovplyvňujú hodnotu kapacity doskového kondenzátora. Hodnotu kapacity možno jasne zistiť výpočtami pomocou rovníc. V článku o určení elektrického poľa pomocou Gaussovho zákona bol diskutovaný vzorec na výpočet elektrického poľa v blízkosti elektricky nabitej vodivej dosky, ktorý je E = σ/εo , kde σ = Q/A, takže rovnica elektrického poľa sa zmení na E = Q/A : εo = Q/A x 1/εo = Q/Aεo . Rovnica elektrického potenciálu je V = E d, kde E = Q/Aεo, takže rovnica sa zmení na V = Qd/Aεo . Rovnica kapacity je C = Q/V, kde V = Qd/Aεo, takže rovnica kapacity sa zmení na C = Q : Qd/Aεo = Q x Aεo / Qd = Aεo / d.
Na základe rovnice kapacity C = A ε o / d možno usudzovať, že kapacita (C) je úmerná ploche povrchu (A) a nepriamo úmerná vzdialenosti (d) medzi dvoma vodičovými doskami.
Popis vzorca: E = elektrické pole, σ = hustota náboja, εo = permitivita prázdneho priestoru = 8,85 x 10⁻¹² F /m, Q = elektrický náboj, A = povrch vodičovej dosky, V = rozdiel elektrických potenciálov.
