Definition av kondensatorers kapacitans
Ett litet glas kan innehålla lite vatten, medan ett stort glas kan innehålla mer vatten. Ju större glasvolym, desto mer vatten kan det innehålla. Så varje glas har kapaciteten eller storleken för att innehålla vatten. Liksom glas kan kondensatorer också lagra elektriska laddningar och elektrisk potentiell energi. Kondensatorns kapacitet att lagra elektrisk laddning och elektrisk potentiell energi kallas kapacitans.
Faktorer som påverkar kapacitansen
Storleken på glasets förmåga att innehålla vatten bestäms av glasets volym. Hur är det med kondensatorer, vad avgör storleken på kondensatorns förmåga att lagra den elektriska laddningen?
Figuren på sidan visar en enkel kondensator bestående av tvåledarplattor separerade med ett visst avstånd. Innan de ansluts till en spänningskälla, såsom ett batteri, laddas de två plattorna inte elektriskt. Sedan ansluts en av plattorna till batteriets positiva pol och den andra plattan till batteriets negativa pol med hjälp av en kabel.
Efter att ha anslutit till batteriets positiva pol drar den positiva laddningen på batteriet negativt laddade elektroner till plattan så att elektronerna rör sig till batteriets positiva pol. Detta gör att plattorna får brist på elektroner (negativ laddning) och överskott av protoner (positiv laddning) så att plattorna blir positivt laddade.
Efter att ha anslutits till batteriets negativa pol attraherar den positiva laddningen på plattan negativt laddade elektroner på batteriets negativa pol så att elektronerna rör sig till plattan. Detta gör att plattan överbelastas med elektroner så att plattan blir negativt laddad. Processen att flytta elektroner mellan plattor och batterier avbryts efter att potentialskillnaden mellan de två plattorna är lika med potentialskillnaden mellan de två batteripolerna.
Hur ökar man den elektriska laddningen på båda ledarplattorna? Med andra ord, vad ska man göra för att överföra elektroner till och från batteriets positiva pol? Elektronförskjutning sker endast när den elektriska potentialskillnaden mellan de två batteripolerna är större än den elektriska potentialskillnaden mellan de två ledarna. För att elektronen ska kunna röra sig igen så att den elektriska laddningen i varje ledarplatta ökar, ersätts batteriet som används av en annan spänningskälla som har en större elektrisk potentialskillnad. Förskjutningen av elektroner upphör när potentialskillnaden i spänningskällan är lika med kondensatorns potentialskillnad. Därför, om potentialskillnaden i spänningskällan är större än , är även kondensatorns potentialskillnad större.
Baserat på ovanstående granskning kan man dra slutsatsen att ju större den elektriska laddningen är lagrad i varje ledarplatta, desto större är den elektriska potentialskillnaden mellan de två ledarplattorna. Således är den elektriska laddningen (Q) proportionell mot den elektriska potentialskillnaden (V). Sambandet mellan en elektrisk laddning och en elektrisk potentialskillnad anges i följande jämförelse:
QαV
Ovanstående jämförelser omvandlas till ekvationer genom att lägga till konstanten C:
Q = CV eller C = Q / V
Q = elektrisk laddning (Coulomb), V = elektrisk potentialskillnad eller spänning (Volt), C = konstant som kallas kondensatorkapacitans.
Kapacitansvärdet beror inte på den elektriska laddningen och den elektriska spänningen, utan på formen och storleken på ledarplattan. Matematiskt bevis på att kapacitansen beror på ledarplattans form och storlek förklaras i ämnet om parallellplattkondensatorn. I ämnet antas det att det finns ett vakuum mellan de två ledarna.
En kondensators kapacitans beror också på materialets natur mellan de två ledarplattorna. Materialet mellan de två ledarplattorna kallas dielektrikum. Kapacitansen hos kondensatorer med dielektrikum diskuteras ingående i ämnet dielektriska konstanter.
Enhet för kapacitans
Enheten för elektrisk laddning är Coulomb och enheten för elektrisk potentialskillnad är Volt, så det är baserat på kapacitansformeln ovan. Kapacitansenheten är 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.
Antag att en kondensator med värdet 2 Farad 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 12-voltsbatteriet är anslutet till kondensatorn är en av de elektriskt laddade ledarplattorna Q = CV = (2) (12 Volt) = +24 Coulomb medan den andra ledarplattan är -24 Coulomb.
Observera att Farad är en enorm kapacitansenhet, så den används vanligtvis som en mindre enhet, nämligen mikrofarad förkortat μF (10⁻⁶ Farad ) eller pikofarad förkortat pF ( 10⁻¹² Farad). Matematiska beräkningar för att visa att Farad är en jättelik enhet diskuteras i ämnet om parallellplattkondensatorer.
