A kondenzátorok alapvető alkotóelemek az elektronika területén, és kulcsfontosságú szerepet játszanak különböző elektronikus áramkörökben. A kapacitás és a töltés fogalmának megértése elengedhetetlen mindazok számára, akik az elektrotechnika birodalmába kívánnak belemerülni. Ebben a cikkben röviden bemutatjuk a kondenzátorokat, elmagyarázzuk a kapacitást, és belemélyedünk a viselkedésüket szabályozó egyenletbe.
Mi az a kondenzátor
A kondenzátor egy passzív, kétpólusú elektronikus alkatrész, amely elektromos mezőben tárolja az elektromos energiát. A kondenzátor szerkezete két, általában fémből álló vezetőképes lemezből áll, amelyek egymástól távol helyezkednek el, köztük egy dielektromos anyag. Ha egy kondenzátor kapcsaira feszültségkülönbséget kapcsolunk, az töltést halmoz fel a lemezein, és elektromos mezőt hoz létre közöttük.
Mi az a kapacitás
A kapacitás annak mértéke, hogy mennyi elektromos energia tárolható feszültségegységenként egy eszközön vagy alkatrészen. A kapacitás mértékegysége Farad.
Mi az a Charge
A töltést elektromos energia jelenléteként írják le. Szimbóluma Q, mértékegysége Coulomb.
A kondenzátorok működése
Amikor egy kondenzátor kapcsaira elektromos feszültséget vezetünk, a lemezek között létrejövő elektromos mező elindítja az elektronok mozgását. A kondenzátor negatív lemeze a feszültségforrás negatív kapcsairól elmozduló elektronok gyűjtőpontja lesz.
Ezzel egyidejűleg azonos számú elektron hagyja el a kondenzátor pozitív lemezét és tér vissza a feszültségforrás pozitív kivezetésére.
Ez a töltés felhalmozódása és újraeloszlása addig tart, amíg a kondenzátor teljesen fel nem töltődik, ekkor az elektronok áramlása megszűnik, a kondenzátorban tárolt töltés a következő egyenlettel határozható meg:
Az adott egyenletben a „Q” a díj belül halmozódott fel kondenzátor , a „C” a kapacitancia , a „V” pedig a kondenzátoron alkalmazott feszültséget jelöli.
Ez az egyenlet arányos összefüggést jelenít meg a kapacitás és az alkalmazott feszültség között, ami azt mutatja, hogy a kondenzátorban lévő töltés mennyisége közvetlenül kapcsolódik mindkét változóhoz. Ezért a kapacitás vagy a feszültség növelése nagyobb töltésfelhalmozódást eredményez.
Párhuzamos lemezkondenzátor kapacitása
A kondenzátor kapacitását a lemezek felülete (A) és a köztük lévő távolság (d) határozza meg, és mindkét tényező befolyásolja a teljes kapacitást. Minél nagyobb a lemez területe, annál nagyobb a kapacitás, míg a kisebb távolság a lemezek között nagyobb kapacitáshoz vezet. Ezt az összefüggést a következő egyenlet írja le:
A kondenzátorok képesek elektromos energia tárolására, így a tárolt energia mennyisége (U) egyenesen arányos mind a rákapcsolt feszültség (V), mind a kondenzátor kapacitásának (C) négyzetével. A kondenzátorban tárolt energia egyenlete a következő:
A kondenzátorban tárolt energia ismerete létfontosságú az áramkörök tervezésénél, különösen olyan alkalmazásokban, ahol fontos az energiafelszabadulás vagy a pillanatnyi teljesítményigény.
Egy gömbkondenzátor kapacitása
A gömbkondenzátor kapacitásának kiszámításához ismernie kell mind a belső, mind a külső vezető gömb sugarát. A kondenzátor alakja és a gömbök között elhelyezett anyag áteresztőképessége szabályozza a kapacitást. A gömbkondenzátor kapacitásának kiszámításának képlete a következő:
Másrészt az „εᵣ” szimbólumot a gömbök között elhelyezkedő anyag relatív permittivitásának vagy dielektromos állandójának jelölésére használják. Ezenkívül az „r₁” a belső gömb sugarát jelöli, míg az „r₂” a külső gömb sugarát.
A sugár és az anyag áteresztőképességének értékeinek helyettesítésével kiszámítható a gömbkondenzátor kapacitása. Érdemes megjegyezni, hogy ha a belső gömb sugara elhanyagolható, vagy ponttöltésnek tekintjük, akkor a kapacitásképlet a következőre egyszerűsödik:
Ebben az esetben a kapacitást kizárólag a külső gömb sugara és az anyag permittivitása határozza meg.
Egy hengeres kondenzátor kapacitása
A hengeres kondenzátor kapacitásának kiszámításához ismernie kell a kondenzátor hosszát (L), a belső vezető sugarát (r₁) és a külső vezető sugarát (r₂). A kondenzátor alakja és a gömbök között elhelyezett anyag áteresztőképessége szabályozza a kapacitást. A hengeres kondenzátor kapacitásának kiszámítására szolgáló képlet a következő:
Másrészt az „εᵣ” szimbólumot a gömbök között elhelyezkedő anyag relatív permittivitásának vagy dielektromos állandójának ábrázolására használják. Ezenkívül az „r₁” a belső gömb sugarát jelöli, míg az „r₂” a külső gömb sugarát.
Következtetés
A kondenzátorok döntő fontosságúak az elektronikában, lehetővé téve az energiatárolást és a feszültségszabályozást. A faradokban (F) mért kapacitás a kondenzátor töltéstárolási képességét számszerűsíti. Ez egyenesen arányos a tárolt töltéssel (Q), és fordítottan arányos a feszültséggel (V) a kondenzátor kivezetésein.