Ładunek na płytach kondensatora: fizyka procesów i wzór obliczeniowy

Kondensator jest podstawowym elementem elektronicznym (wraz z rezystorem i cewką indukcyjną) służącym do magazynowania energii elektrycznej. Najlepszą analogią do jego działania byłoby porównanie z akumulatorem. Jednak urządzenie tego ostatniego opiera się na odwracalnych reakcjach chemicznych, a akumulacja ładunku na płytach kondensatora ma wyłącznie charakter elektryczny.

Urządzenie i zasada działania

W najprostszej formie konstrukcja składa się z dwóch elektrod w postaci płytek przewodzących (zwane płytami) oddzielone dielektrykiem, którego grubość jest znikoma w porównaniu z wymiarami płyt. Praktycznie używane elementy elektroniczne zawierają wiele warstw dielektryka i elektrod. Jako oznaczenie kondensatora na schemacie używane są dwa równoległe segmenty z odstępem między nimi. Symbolizują metalowe płytki płyt urządzenia fizycznego, elektrycznie odseparowane od siebie.

Michael Faraday jest uważany przez wielu za wynalazcę wynalazku, ale w rzeczywistości tak nie jest. Ale zrobił to, co najważniejsze - w swoich eksperymentach zademonstrował pierwsze praktyczne przykłady i metody wykorzystania tego urządzenia do przechowywania ładunku elektrycznego. Dzięki Faradayowi ludzkość otrzymała sposób na zmierzenie zdolności akumulacji ładunku. Ta wielkość nazywana jest pojemnością i jest mierzona w Faradach.

Działanie kondensatora można zilustrować na przykładzie zdarzeń, które zachodzą w lampie błyskowej aparatu cyfrowego w czasie od naciśnięcia przycisku do chwili zgaśnięcia lampy. Obwód elektroniczny tego urządzenia oświetleniowego oparty jest na kondensatorze, w którym dzieje się co następuje:

• Ładowarka. Po naciśnięciu przycisku przepływ elektronów wchodzi do kondensatora i zatrzymuje się na jednej z jego płytek ze względu na dielektryk. Ten przepływ nazywa się prądem ładowania.
• Akumulacja. Ponieważ pod działaniem siły elektromotorycznej coraz więcej elektronów wejdzie w płytkę i będzie się na niej rozprowadzać, ujemny ładunek płyty może rosnąć, aż nagromadzony potencjał odepchnie nadchodzący nadmiar przepływu elektrony. Druga płytka, z powodu braku elektronów, uzyskuje ładunek dodatni, równy wielkością ujemną na pierwszej. Prąd ładowania będzie płynął, aż napięcie na obu płytkach zrówna się z przyłożonym. Siła lub prędkość prądu ładowania będzie na maksymalnym poziomie, gdy płytki całkowicie rozładowany i zbliży się do zera w momencie, gdy napięcie na płytkach i źródle będzie są równe.
• Ochrona. Ponieważ płytki są naładowane przeciwnie, jony i elektrony będą przyciągane do siebie, ale nie będą mogły się połączyć z powodu warstwy dielektrycznej, tworząc pole elektrostatyczne. Dzięki temu polu kondensator utrzymuje i przechowuje ładunek.
• Rozładować się. Jeśli stanie się możliwe, że elektrony będą płynąć w inny sposób w obwodzie, to napięcie skumulowane między dodatnim a ujemne ładunki płytek są natychmiast przekształcane w prąd elektryczny, którego impuls w lampie błyskowej jest zamieniany na energia świetlna.

W ten sposób błysk realizuje zdolność kondensatora do przechowywania energii z akumulatora na impuls. Akumulator aparatu jest również urządzeniem magazynującym, ale ze względu na chemiczny charakter przechowywania powoli generuje i uwalnia energię.

Pojemność, ładowanie i napięcie

Właściwość kondensatora do zatrzymywania ładunku na płytkach w postaci pola elektrostatycznego nazywana jest pojemnością. Im większa powierzchnia płyt i im mniejsza odległość między nimi, tym więcej ładunku są w stanie zgromadzić i odpowiednio mają większą pojemność. Po przyłożeniu napięcia do kondensatora stosunek ładunku Q do napięcia V da wartość pojemności C. Formuła ładowania kondensatora będzie wyglądać tak:

Q = C * V.

Miarą pojemności elektrycznej jest farad (F). Ta jednostka jest zawsze dodatnia i nie ma wartości ujemnych. 1 F jest równy pojemności kondensatora, który jest w stanie przechowywać ładunek 1 kulomba na płytkach o napięciu 1 wolta.

Farad to bardzo duża jednostka miary ułatwiająca użytkowanie stosuj głównie jego miary ułamkowe:

• Mikrofarad (μF): 1μF = 1/1 000 000 F.
• Nanofarad (nF): 1nF = 1/1 000 000 000 F.
• Pikofarad (pF): 1pF = 1/000000000000 F.

Wartość dielektryczna

Oprócz gabarytów płyt i odległości między nimi, na pojemność wpływa jeszcze jeden parametr – rodzaj zastosowanego izolatora. Nazywa się czynnik, za pomocą którego określa się zdolność dielektryka do zwiększenia pojemności kondensatora w porównaniu z próżnią stała dielektryczna i jest opisana dla różnych materiałów przez stałą wartość od 1 do nieskończoności (W teorii):

• próżnia: 1.0000;
• powietrze: 10006;
• papier: 2,5-3,5;
• szkło: 3-10;
• tlenki metali 6-20;
• ceramika elektryczna: do 80.

Oprócz stałych kondensatorów dielektrycznych (ceramiczne, papierowe, foliowe) są też elektrolityczne. Te ostatnie wykorzystują płyty aluminiowe lub tantalowe z tlenkową warstwą izolacyjną jako jedną elektrodę i roztworem elektrolitu jako drugą.

Głównymi cechami tego projektu jest to, że pozwala na gromadzenie stosunkowo imponującego ładunku w niewielkich rozmiarach i jest biegunowym magazynem energii elektrycznej. Oznacza to, że jest zawarty w obwodzie elektrycznym pod względem polaryzacji.

Energia, którą większość kondensatorów jest w stanie magazynować, jest zwykle niewielka – nie więcej niż setki dżuli. Ponadto nie trwa to długo ze względu na nieunikniony wyciek ładunku. Dlatego kondensatory nie mogą zastąpić np. baterii jako źródła zasilania. I choć są w stanie skutecznie wykonywać tylko jedną pracę (zachowanie ładunku), ich zastosowanie jest bardzo zróżnicowane w obwodach elektrycznych. Kondensatory są używane jako filtry, do wygładzania napięcia sieciowego, jako urządzenia synchronizujące i do innych celów.