Kondenzator

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).

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.

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.

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:

Tu je influenčna konstanta:

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:

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).

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

V zgornjo enačbo vstavimo enačbo :

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

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.