Förstå kapacitans
Ett litet glas kan hålla en liten mängd vatten, medan ett stort glas kan hålla mer. Ju större glaset är, desto mer vatten kan det hålla. Så varje glas har en kapacitet, eller ett mått på dess vattenhållningskapacitet. Liksom glas har kondensatorer också förmågan att lagra elektrisk laddning och elektrisk potentiell energi. Kapaciteten hos en kondensator, eller måttet på dess förmåga att lagra elektrisk laddning och elektrisk potentiell energi, kallas kapacitans.
Faktorer som påverkar kapacitansen
Storleken på ett glas vattenhållande förmåga bestäms av dess volym. Hur är det med kondensatorer? Vad avgör storleken på en kondensators förmåga att lagra en elektrisk laddning?
Figuren nedan visar en enkel kondensator bestående av två ledande plattor separerade med ett visst avstånd. Innan de ansluts till en spänningskälla, såsom ett batteri, är båda plattorna avladdade. Sedan ansluts den ena plattan till batteriets positiva pol och den andra till den negativa polen med hjälp av kablar.
Efter att ha anslutits till batteriets positiva pol attraherar den positiva laddningen i batteriet de negativt laddade elektronerna på plattan, vilket får dem att röra sig till batteriets positiva pol. Detta gör att plattan får ett elektronunderskott (negativ laddning) och ett överskott av protoner (positiv laddning), vilket resulterar i en positiv laddning.
På liknande sätt, efter att plattan anslutits till batteriets negativa pol, attraherar den positiva laddningen på plattan de negativt laddade elektronerna på batteriets negativa pol, vilket får elektronerna att röra sig till plattan. Detta gör att plattan får ett överskott av elektroner, vilket gör den negativt laddad.
Processen med elektronöverföring mellan plattorna och batteriet avbryts efter att potentialskillnaden mellan de två plattorna är lika med potentialskillnaden mellan batteriets två poler.
Hur kan den elektriska laddningen på båda ledarplattorna öka? Med andra ord, vad måste göras för att orsaka elektronöverföring igen? Elektronöverföring sker endast när den elektriska potentialskillnaden mellan batteriets två poler är större än den elektriska potentialskillnaden mellan de två ledarplattorna. För att elektronöverföring ska ske igen så att den elektriska laddningen på varje ledarplatta ökar, ersätts det använda batteriet med ett annat batteri eller en annan spänningskälla som har en större elektrisk potentialskillnad. Elektronöverföringen upphör när spänningskällans potentialskillnad är lika med kondensatorns potentialskillnad, därför om spänningskällans potentialskillnad är större, är även kondensatorns potentialskillnad större.
Baserat på ovanstående granskning kan man dra slutsatsen att ju större den elektriska laddningen som lagras på varje ledarplatta är, desto större är den elektriska potentialskillnaden mellan de två ledarplattorna. Därför är den elektriska laddningen (Q) proportionell mot den elektriska potentialskillnaden (V). Sambandet mellan elektrisk laddning och elektrisk potentialskillnad uttrycks i följande proportionalitet:
QαV
Ovanstående proportionalitet omvandlas till en ekvation genom att lägga till proportionalitetskonstanten C:
Q = CV eller C = Q / V
Beskrivning: Q = elektrisk laddning (Coulomb), V = elektrisk potentialskillnad eller elektrisk spänning (Volt), C = proportionalitetskonstanten, vilket kallas kondensatorns kapacitans.
Kapacitansvärdet beror inte på den elektriska laddningen och spänningen utan på formen och storleken på ledarplattorna. Matematiskt bevis på att kapacitansen beror på formen och storleken på ledarplattorna förklaras i artikeln om typer av kondensatorer baserat på ledarplattornas form, nämligen parallella plattkondensatorer , cylindriska kondensatorer och sfäriska kondensatorer . I artikeln antas det att det finns ett vakuum mellan de två ledarplattorna.
En kondensators kapacitans beror också på egenskaperna hos materialet mellan de två ledande plattorna. Materialet mellan de två ledande plattorna kallas dielektrikum . Kapacitansen hos en kondensator med ett dielektrikum diskuteras ingående i artikeln om dielektricitetskonstanten.
Enhet för kapacitans
Enheten för elektrisk laddning är Coulomb och enheten för elektrisk potentialskillnad är Volt, så baserat på kapacitansekvationen ovan är enheten för kapacitans Coulomb per Volt (C/V), även kallad Farad (F) vilket kommer från namnet på den brittiske vetenskapsmannen Michael Faradays (1791-1867). Så 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Till exempel har en kondensator ett värde på 2 Farad, vilket innebär att kondensatorn lagrar en elektrisk laddning på +2 Coulomb på en av ledarplattorna och -2 Coulomb på den andra ledarplattan, där de två ledarplattorna har en potentialskillnad på 1 Volt. Om ett 12-voltsbatteri ansluts till kondensatorn kommer en av ledarplattorna att ha en elektrisk laddning på Q = CV = (2)(12 Volt) = +24 Coulomb medan den andra ledarplattan kommer att ha en laddning på -24 Coulomb.
Det bör noteras att Farad är en mycket stor enhet för kapacitans, så mindre enheter används vanligtvis, nämligen mikroFarad förkortat μF (10⁻⁶ Farad ) till picoFarad förkortat pF ( 10⁻¹² Farad). Matematiska beräkningar för att visa att Farad är en mycket stor enhet diskuteras i exemplet med en parallellplattkondensator.
