Definition av parallellplattkondensator
En parallellplattkondensator är en kondensator som består av två parallella plattor eller ledarplattor, där varje platta har samma tvärsnittsarea (A) och de två plattorna är separerade med ett visst avstånd (d), som i bilden till vänster. I den här artikeln antar vi att de två ledarplattorna är separerade av ett vakuum. I bilden är en av ledarplattorna positivt laddad (+Q) medan den andra ledarplattan är negativt laddad (-Q), där mängden elektrisk laddning på varje platta är densamma.
Skillnaden i elektrisk laddning mellan de två ledande plattorna skapar ett elektriskt fält och en potentialskillnad mellan dem. Den positivt laddade plattan har en högre potential, medan den negativt laddade plattan har en lägre potential. Som förklaras i artikeln om elektrisk potential , om det finns en potentialskillnad mellan de två kondensatorplattorna, finns det elektrisk potentiell energi i kondensatorn. Den elektriska potentiella energin som lagras i en kondensator har många användningsområden.
Faktorer som påverkar kapacitansen hos en parallellplattkondensator
Kondensatorer är initialt oladdade, eller elektriskt neutrala. För att ladda dem laddas de genom att ansluta dem till en spänningskälla, såsom ett batteri, med hjälp av kablar. En ledarplatta är ansluten till batteriets positiva pol, medan den andra ledarplattan är ansluten till den negativa polen.
Kom ihåg att lika laddningar stöter bort varandra, medan olika laddningar attraherar. Elektroner är negativt laddade och rör sig lätt eftersom de finns på atomens yta, medan protoner är positivt laddade och kan inte röra sig eftersom de finns i kärnan. Om antalet protoner på en ledande platta överstiger antalet elektroner, är plattan positivt laddad. Omvänt, om antalet elektroner överstiger antalet protoner, är plattan negativt laddad.
Efter att kondensatorn är ansluten till batteriet laddas batteriets positiva pol positivt, vilket attraherar elektroner från ledarplattan, medan batteriets negativa pol laddas negativt, vilket stöter bort elektroner till ledarplattan. Överföringen av elektroner mellan batteriet och ledarplattan gör att ledarplattan som förlorar elektroner blir positivt laddad och ledarplattan som tar emot elektroner blir negativt laddad. Överföringen av elektroner upphör när den elektriska potentialskillnaden mellan de två ledarplattorna är lika med den elektriska potentialskillnaden mellan de två batteripolerna.
Kondensatorer lagrar elektrisk laddning och potentiell energi . Måttet på en kondensators förmåga att lagra elektrisk laddning och potentiell energi kallas kapacitans. Ju större den lagrade elektriska laddningen är, desto större är den potentiella energin och desto större är kapacitansen. Vilka faktorer påverkar kapacitansen hos en parallellplattkondensator?
– Ytarea på ledarplattan
Parallellplattkondensatorer lagrar elektrisk laddning på sina ledande plattor. En liten plattyta innebär att liten laddning lagras; en stor plattyta innebär att en stor laddning lagras. Ju mer laddning som lagras på de ledande plattorna, desto större är kondensatorns elektriska potentiella energi. Därför, ju större kondensatorns elektriska potentiella energi är, desto större är dess kapacitans. Baserat på denna granskning kan man dra slutsatsen att kondensatorns kapacitans (C) är proportionell mot ytan på de ledande plattorna (A).
– Avstånd mellan de två ledarplattorna
Elektronernas rörelse avbryts efter att potentialskillnaden mellan de två ledarplattorna är lika med potentialskillnaden mellan batteriets två poler. Hur kan den elektriska laddningen på de två ledarplattorna öka? Ett sätt är att minska avståndet mellan de två ledarna (minska d). När de två ledarna förs nära varandra förblir mängden elektrisk laddning konstant så att det elektriska fältet som produceras av den elektriska laddningen har ett konstant värde. Baserat på ekvationen V = E d, när det elektriska fältet (E) är konstant, minskar den elektriska potentialskillnaden (V) om avståndet mellan de två ledarplattorna minskas (d).
Potentialskillnaden mellan de två ledande plattorna minskar tills den är mindre än potentialskillnaden mellan batteriets två terminaler. Detta gör att elektronerna rör sig igen tills den elektriska laddningen på varje ledande platta ökar. Elektronernas rörelse upphör när potentialskillnaden mellan de två plattorna är lika med potentialskillnaden mellan batteriets två terminaler.
När avståndet mellan de två ledarplattorna minskas ökar den elektriska laddningen på varje platta så att den elektriska potentiella energin i kondensatorn också ökar. Om den elektriska potentiella energin i kondensatorn ökar ökar även kondensatorns kapacitans. Om avståndet minskas ökar laddningen så att kapacitansen ökar, om avståndet ökas minskar laddningen så att kapacitansen minskar. Man kan dra slutsatsen att kondensatorns kapacitans (C) är omvänt proportionell mot avståndet mellan de två ledarplattorna (d).
Kapacitansekvation för en parallellplattkondensator
Tidigare har det förklarats vad som påverkar kapacitansvärdet för en plattkondensator. Kapacitansvärdet kan tydligt beräknas genom beräkningar med hjälp av ekvationer. I artikeln om att bestämma det elektriska fältet med hjälp av Gauss lag har formeln för att beräkna det elektriska fältet nära en elektriskt laddad ledarplatta diskuterats som E = σ/εo , där σ = Q/A så att det elektriska fältets ekvation ändras till E = Q/A: εo = Q/Ax1/ εo = Q/Aεo . Ekvationen för det elektriska potentialen är V = Ed, där E = Q/Aεo så att ekvationen ändras till V = Qd/Aεo . Kapacitansformeln är C = Q/V, där V = Qd/Aεo så att kapacitansformeln ändras till C = Q: Qd/Aεo = Qx Aεo / Qd = Aεo / d.
Baserat på kapacitansformeln C = A ε o / d kan man dra slutsatsen att kapacitansen (C) är proportionell mot ytarean (A) och omvänt proportionell mot avståndet (d) mellan de två ledarplattorna.
Formelbeskrivning: E = elektriskt fält, σ = laddningstäthet, εo = permittivitet för tomrum = 8,85 x 10⁻⁹ F /m, Q = elektrisk laddning, A = ledarplattans yta, V = elektrisk potentialskillnad.
