Električna napetost fb
 

Kondenzator




Friderika Lavrič, avtor/ica gradiva, nudi inštrukcije fizike v naslednjih krajih: Ljubljana.

Skype Učitelj/ica omogoča inštrukcije tudi prek Skypa.


Kondenzator je električni element, ki lahko shrani naboj. Najpreprostejši kondenzator je sestavljen iz dveh vzporednih kovinskih plošč ploščine S, ki sta razmaknjeni za d. Če je med ploščama zrak, je to zračni kondenzator. Med plošče pa lahko dodamo tudi snov (dielektrik) in mu s tem povečamo kapaciteto, prebojno trdnost itd. (glej sliko 1).


Slika 1: zračni kondenzator - levo in kondenzator z dielektrikom - desno



Če na kondenzator priključimo napetost, sprejme naboj. Naboj ostane v kondenzatorju tudi, če odstranimo vir napetosti. Spraznimo ga lahko, če na njega priključimo porabnik: npr. žarnico ali upor. V tem je podoben bateriji ali akumulatorju.


Shranjeni naboj v kondenzatorju je v primerjavi z baterijo največkrat premajhna za energetske namene. Zadostuje npr. za trenutno osvetlitev objekta, ki ga fotografiramo (bliskavica fotoaparata).


Kondenzator se uporablja prvenstveno v elektroniki. Ima namreč lastnost, da prevaja izmenični tok, in to tem bolj, čim višja je njegova frekvenca. Enosmernega toka pa ne prevaja.


Kapaciteta kondenzatorja



Vzemimo dve vzporedni kovinski plošči s površino S. Razdalja med ploščama naj bo d. Med ploščama je lahko zrak ali dielektrik z relativno dielektričnostjo . Naprava se imenuje kondenzator.


Slika 2: če priključimo na kondenzator napetost U, sprejme naboj e



Če priključimo na plošči napetost U, plošči prejmeta naboj e. Velja:




Oznaka C je kapaciteta kondenzatorja. Enota za kapaciteto je 1 F (farad). Kaj pa je 1 F? Obrnimo zgornjo enačbo tako, da izrazimo C:




Namesto količin vstavimo enote. Farad je torej:




Kondenzator ima kapaciteto 1 F (farad), če pri napetosti 1 V prejme naboj 1 As.


Izpeljimo enačbo za kapaciteto kondenzatorja, sestavljenega iz dveh vzporednih plošč po sliki 1. Upoštevamo, da je električno polje med ploščama homogeno - v vseh točkah prostora znotraj plošč enako veliko in enako usmerjeno. To je res, če sta plošči dovolj veliki in je razdalja med njima dovolj majhna.


Zapišimo enačbo za C:






Relativna dielektričnost je brez enote in je odvisna od snovi (izolatorja) med ploščama kondenzatorja. Če je med ploščama zrak, je:




Dobili smo enačbo za kapaciteto kondenzatorja. Odvisna je od snovi (dielektrika) in geometrije: velikosti plošč in razdalje njima. Preverimo še enoto za kapaciteto. V izraz na desni strani:




vstavimo enote in res dobimo farad:




Kondenzator je naprava, element v elektrotehniki, namenjena shranjevanju električnega naboja.


Kapacitivnost C je sposobnost telesa, da sprejme naboj e, če na njega priključimo napetost U. Velja enačba:




Je snovno geometrijska lastnost. Odvisna je od ploščine, razdalje med ploščama in materiala dielektrika.


Kapaciteto kondenzatorja izračunamo po enačbi:




kjer je influenčna konstanta in relativna dielektričnost (v primeru zraka je 1).


Enota za kapaciteto je 1 F (farad). Kondenzator ima kapaciteto 1 F (farad), če pri napetosti 1 V sprejme naboj 1 As.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Zaporedna vezava kondenzatorjev



Pri zaporedni vezavi več kondenzatorjev je naboj na vseh kondenzatorjih enak. Razlog za to je influenca. Prva plošča prvega kondenzatorja sprejme naboj +e. Naboj deluje s privlačno silo na elektrone na nasprotni plošči (-e). Ker je ta z vodnikom povezana z naslednjim kondenzatorjem, se njegova prva plošča naelektri na +e, saj mora biti skupni naboj enak nič (kolikor je na eni strani več elektronov - torej negativni naboj, mora biti na drugi strani manj elektronov - pozitivni naboj).


Slika 3: zaporedna vezava treh kondenzatorjev





Napetost U se na kondenzatorjih razdeli tako, da je:




Če upoštevamo, da je:




Dobimo:



C imenujemo nadomestno kapaciteto, saj je to kapaciteta kondenzatorja, ki bi nadomestil zaporedno vezavo kondenzatorjev. Včasih ji damo indeks .


Pri zaporedni vezavi kondenzatorjev je naboj na vseh kondenzatorjih enak. Napetost se razdeli po kondenzatorjih v obratnem sorazmerju s kapaciteto. Seštevajo se recipročne vrednosti kapacitet:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Vzporedna vezava kondenzatorjev



Pri vzporedni vezavi je na vseh kondenzatorjih ista napetost. Skupni naboj je enak vsoti nabojev na kondenzatorjih.






Slika 4: vzporedna vezava treh kondenzatorjev



V zgornjo enačbo vstavimo enačbo :



Pri vzporedni vezavi kondenzatorjev je napetost na vseh kondenzatorjih enaka. Naboj se razdeli po kondenzatorjih sorazmerno s kapaciteto. Kapacitete kondenzatorjev se seštevajo:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Energija kondenzatorja



Ko večamo napetost, se kondenzator polni tako, da naboj narašča linearno z rastočo napetostjo (1).


Slika 5: energija kondenzatorja je enaka ploščini pod grafom e in U



Energija kondenzatorja je enaka ploščini pod grafom naboja in napetosti:




Z uporabo enačbe in dobimo zgornjo enačbo še v dveh oblikah:






Energija kondenzatorja je vsebovana v električnem polju, kar bomo pokazali v nadaljevanju.


Napišimo še enkrat enačbo:



Energija kondenzatorja je torej v električnem polju E, ki ga zajema volumen V med ploščama.


Energijo kondenzatorja izračunamo s pomočjo ene od enačb:










Iz slednja enačbe sklepamo, da je energija kondenzatorja shranjena v električnem polju E.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Satcitananda podjetje za proizvodnjo, trgovino in izobraževanje d.o.o., Ljubljana