Definicija ploščatega kondenzatorja
Ploščati kondenzator je kondenzator, sestavljen iz dveh vzporednih plošč ali prevodnih plošč, pri čemer ima vsaka plošča enako površino prečnega prereza (A) in sta plošči ločeni z določeno razdaljo (d), kot je prikazano na sliki na levi. V tem članku predpostavimo, da sta prevodni plošči ločeni z vakuumom. Na sliki je ena od prevodnih plošč pozitivno nabita (+Q), druga pa negativno nabita (-Q), pri čemer je količina električnega naboja na vsaki plošči enaka.
Razlika v električnem naboju med dvema prevodnima ploščama ustvarja električno polje in potencialno razliko med njima. Pozitivno nabita plošča ima višji potencial, negativno nabita plošča pa nižji. Kot je pojasnjeno v članku o električnem potencialu , če obstaja potencialna razlika med dvema ploščama kondenzatorja, je v kondenzatorju električna potencialna energija. Električna potencialna energija, shranjena v kondenzatorju, ima veliko uporab.
Dejavniki, ki vplivajo na kapacitivnost ploščatega kondenzatorja
Kondenzatorji so sprva nenapolnjeni oziroma električno nevtralni. Za polnjenje jih napolnimo tako, da jih s kabli priključimo na vir napetosti, kot je baterija. Ena prevodna plošča je priključena na pozitivni pol baterije, druga pa na negativni pol.
Ne pozabite, da se enaki naboji odbijajo, raznovrstni naboji pa privlačijo. Elektroni so negativno nabiti in se zlahka premikajo, ker se nahajajo na površini atoma, medtem ko so protoni pozitivno nabiti in se ne morejo premikati, ker se nahajajo v jedru. Če število protonov na prevodni plošči presega število elektronov, je plošča pozitivno nabita. Nasprotno, če število elektronov presega število protonov, je plošča negativno nabita.
Ko je kondenzator priključen na baterijo, se pozitivni pol baterije pozitivno nabije in privlači elektrone s prevodne plošče, negativni pol baterije pa se negativno nabije in odbija elektrone proti prevodni plošči. Prenos elektronov med baterijo in prevodno ploščo povzroči, da se prevodna plošča, ki oddaja elektrone, pozitivno nabije, prevodna plošča, ki prejema elektrone, pa negativno. Prenos elektronov se ustavi, ko je električna potencialna razlika med prevodnima ploščama enaka električni potencialni razliki med obema sponkama baterije.
Kondenzatorji shranjujejo električni naboj in potencialno energijo . Mera sposobnosti kondenzatorja za shranjevanje električnega naboja in potencialne energije se imenuje kapacitivnost. Večji kot je shranjen električni naboj, večja je potencialna energija in večja je kapacitivnost. Kateri dejavniki vplivajo na kapacitivnost ploščatega kondenzatorja?
– Površina prevodne plošče
Ploščati kondenzatorji shranjujejo električni naboj na svojih prevodnih ploščah. Majhna površina plošč pomeni, da se shrani malo naboja; velika površina plošč pomeni, da se shrani velik naboj. Več naboja, shranjenega na prevodnih ploščah, večja je električna potencialna energija kondenzatorja. Zato večja kot je električna potencialna energija kondenzatorja, večja je njegova kapacitivnost. Na podlagi tega pregleda lahko sklepamo, da je kapacitivnost kondenzatorja (C) sorazmerna s površino prevodnih plošč (A).
– Razdalja med obema prevodnima ploščama
Gibanje elektronov se ustavi, ko je potencialna razlika med prevodnima ploščama enaka potencialni razliki med poloma baterije. Kako se lahko poveča električni naboj na prevodnih ploščah? Eden od načinov je zmanjšanje razdalje med prevodnikoma (zmanjšanje d). Ko sta prevodnika blizu skupaj, količina električnega naboja ostane konstantna, tako da ima električno polje, ki ga ustvarja električni naboj, konstantno vrednost. Na podlagi enačbe V = E d se pri konstantnem električnem polju (E) električna potencialna razlika (V) zmanjša, če se razdalja med prevodnima ploščama zmanjša (d).
Potencialna razlika med prevodnima ploščama se zmanjšuje, dokler ni manjša od potencialne razlike med obema sponkama baterije. To povzroči, da se elektroni ponovno premaknejo, dokler se električni naboj na vsaki prevodni plošči ne poveča. Gibanje elektronov se ustavi, ko je potencialna razlika med ploščama enaka potencialni razliki med obema sponkama baterije.
Ko se razdalja med prevodnima ploščama zmanjša, se električni naboj na vsaki plošči poveča, tako da se poveča tudi električna potencialna energija v kondenzatorju. Če se električna potencialna energija v kondenzatorju poveča, se poveča tudi kapacitivnost kondenzatorja. Če se razdalja zmanjša, se naboj poveča, tako da se kapacitivnost poveča, če pa se razdalja poveča, se naboj zmanjša, tako da se kapacitivnost zmanjša. Sklepamo lahko, da je kapacitivnost kondenzatorja (C) obratno sorazmerna z razdaljo med prevodnima ploščama (d).
Enačba kapacitivnosti za ploščati kondenzator
Prej je bilo pojasnjeno, kaj vpliva na vrednost kapacitivnosti ploščatega kondenzatorja. Vrednost kapacitivnosti je mogoče jasno določiti z izračuni z uporabo enačb. V članku o določanju električnega polja z uporabo Gaussovega zakona je bila obravnavana formula za izračun električnega polja v bližini električno nabite prevodne plošče E = σ/εo , kjer je σ = Q/A, tako da se enačba električnega polja spremeni v E = Q/A : εo = Q/A x 1/εo = Q/Aεo . Enačba električnega potenciala je V = E d, kjer je E = Q/Aεo, tako da se enačba spremeni v V = Qd/Aεo . Enačba kapacitivnosti je C = Q/V, kjer je V = Qd/Aεo, tako da se enačba kapacitivnosti spremeni v C = Q : Qd/Aεo = Q x Aεo / Qd = Aεo / d.
Na podlagi enačbe kapacitivnosti C = A ε o / d lahko sklepamo, da je kapacitivnost (C) sorazmerna s površino (A) in obratno sorazmerna z razdaljo (d) med obema prevodnima ploščama.
Opis formule: E = električno polje, σ = gostota naboja, εo = permitivnost praznega prostora = 8,85 x 10⁻¹² F /m, Q = električni naboj, A = površina prevodne plošče, V = električna potencialna razlika.
