Paralel plakalı kondansatörün tanımı
Paralel plakalı kondansatör, her bir plakanın aynı kesit alanına (A) sahip olduğu ve iki plakanın belirli bir mesafe (d) ile ayrıldığı iki paralel plakadan veya iletken plakadan oluşan bir kondansatördür (soldaki resimde olduğu gibi). Bu makalede, iki iletken plakanın vakumla ayrıldığını varsayalım. Resimde, iletken plakalardan biri pozitif yüklü (+Q), diğeri ise negatif yüklüdür (-Q), her plaka üzerindeki elektrik yükü miktarı aynıdır.
İki iletken plaka arasındaki elektrik yükü farkı, bir elektrik alanı ve aralarında bir potansiyel farkı oluşturur. Pozitif yüklü plaka daha yüksek potansiyele sahipken, negatif yüklü plaka daha düşük potansiyele sahiptir. Elektrik potansiyeli hakkındaki makalede açıklandığı gibi , iki kondansatör plakası arasında bir potansiyel farkı varsa, kondansatörde elektriksel potansiyel enerji vardır. Bir kondansatörde depolanan elektriksel potansiyel enerjinin birçok kullanım alanı vardır.
Paralel plakalı bir kondansatörün kapasitansını etkileyen faktörler
Kondansatörler başlangıçta yüksüzdür veya elektriksel olarak nötrdür. Şarj etmek için, kablolar kullanılarak bir pil gibi bir voltaj kaynağına bağlanırlar. Bir iletken plaka pilin pozitif terminaline, diğer iletken plaka ise negatif terminaline bağlanır.
Unutmayın ki aynı yüklü parçacıklar birbirini iter, zıt yüklü parçacıklar ise birbirini çeker. Elektronlar negatif yüklüdür ve atomun yüzeyinde bulundukları için kolayca hareket ederler, protonlar ise pozitif yüklüdür ve çekirdekte bulundukları için hareket edemezler. İletken bir levhadaki proton sayısı elektron sayısını aşarsa, levha pozitif yüklü olur. Tersine, elektron sayısı proton sayısını aşarsa, levha negatif yüklü olur.
Kondansatör bataryaya bağlandıktan sonra, bataryanın pozitif kutbu pozitif yüklü hale gelir ve iletken plakadan elektronları çekerken, bataryanın negatif kutbu negatif yüklü hale gelir ve elektronları iletken plakaya doğru iter. Batarya ile iletken plaka arasındaki elektron transferi, elektron kaybeden iletken plakanın pozitif yüklü, elektron alan iletken plakanın ise negatif yüklü hale gelmesine neden olur. İki iletken plaka arasındaki elektriksel potansiyel farkı, bataryanın iki terminali arasındaki elektriksel potansiyel farkına eşit olduğunda elektron transferi durur.
Kondansatörler elektrik yükü ve potansiyel enerji depolar . Bir kondansatörün elektrik yükü ve potansiyel enerji depolama yeteneğinin ölçüsüne kapasitans denir. Depolanan elektrik yükü ne kadar büyükse, potansiyel enerji ve kapasitans da o kadar büyük olur. Paralel plakalı bir kondansatörün kapasitansını hangi faktörler etkiler?
– İletken plakanın yüzey alanı
Paralel plakalı kondansatörler, iletken plakalarında elektrik yükü depolarlar. Küçük plaka yüzey alanı, az miktarda yük depolandığı anlamına gelir; büyük plaka yüzey alanı ise büyük miktarda yük depolandığı anlamına gelir. İletken plakalarda depolanan yük ne kadar fazla olursa, kondansatörün elektriksel potansiyel enerjisi de o kadar büyük olur. Bu nedenle, kondansatörün elektriksel potansiyel enerjisi ne kadar büyük olursa, kapasitansı da o kadar büyük olur. Bu incelemeye dayanarak, kondansatörün kapasitansının (C), iletken plakaların yüzey alanıyla (A) orantılı olduğu sonucuna varılabilir.
– İki iletken plaka arasındaki mesafe
İki iletken plaka arasındaki potansiyel fark, pilin iki kutbu arasındaki potansiyel farka eşit olduktan sonra elektronların hareketi durur. İki iletken plaka üzerindeki elektrik yükü nasıl artırılabilir? Bir yol, iki iletken arasındaki mesafeyi azaltmaktır (d'yi azaltmak). İki iletken birbirine yaklaştırıldığında, elektrik yükü miktarı sabit kalır, böylece elektrik yükü tarafından üretilen elektrik alanı sabit bir değere sahip olur. V = E d denklemine göre, elektrik alanı (E) sabit olduğunda, iki iletken plaka arasındaki mesafe (d) azaltılırsa elektrik potansiyel farkı (V) azalır.
İki iletken plaka arasındaki potansiyel fark, pilin iki terminali arasındaki potansiyel farktan daha az olana kadar azalır. Bu, her bir iletken plaka üzerindeki elektrik yükü artana kadar elektronların tekrar hareket etmesine neden olur. İki plaka arasındaki potansiyel fark, pilin iki terminali arasındaki potansiyel farka eşit olduğunda elektron hareketi durur.
İki iletken plaka arasındaki mesafe azaltıldığında, her plaka üzerindeki elektrik yükü artar, dolayısıyla kondansatördeki elektrik potansiyel enerjisi de artar. Kondansatördeki elektrik potansiyel enerjisi artarsa, kondansatörün kapasitansı da artar. Mesafe azaltılırsa, yük artar ve dolayısıyla kapasitans da artar; mesafe artırılırsa, yük azalır ve dolayısıyla kapasitans da azalır. Buradan, kondansatörün kapasitansının (C), iki iletken plaka arasındaki mesafe (d) ile ters orantılı olduğu sonucuna varılabilir.
Paralel plakalı kondansatör için kapasitans denklemi
Daha önce, paralel plakalı bir kondansatörün kapasitans değerini etkileyen faktörler açıklanmıştı. Kapasitans değeri, denklemler kullanılarak yapılan hesaplamalarla açıkça bilinebilir. Gauss yasası kullanılarak elektrik alanının belirlenmesi hakkındaki makalede, elektrik yüklü bir iletken plaka yakınındaki elektrik alanını hesaplamak için kullanılan formülün E = σ/ε o olduğu , burada σ = Q/A olduğu ve dolayısıyla elektrik alan denkleminin E = Q/A : ε o = Q/A x 1/ε o = Q/Aε o şeklinde değiştiği tartışılmıştı. Elektrik potansiyel denklemi V = E d, burada E = Q/Aε o olduğu ve dolayısıyla denklemin V = Qd/Aε o şeklinde değiştiği belirtilmişti . Kapasitans denklemi C = Q/V, burada V = Qd/Aε o olduğu ve dolayısıyla kapasitans denkleminin C = Q : Qd/Aε o = Q x Aε o /Qd = Aε o /d şeklinde değiştiği belirtilmişti.
Kapasitans denklemi C = A ε o / d' ye dayanarak, kapasitansın (C) yüzey alanı (A) ile doğru orantılı ve iki iletken plaka arasındaki mesafe (d) ile ters orantılı olduğu sonucuna varılabilir.
Formül açıklaması: E = elektrik alanı, σ = yük yoğunluğu, ε₀ = boşluğun dielektrik sabiti = 8,85 x 10⁻¹² F /m, Q = elektrik yükü, A = iletken plakanın yüzey alanı, V = elektrik potansiyel farkı.
