Náboj na doskách kondenzátora: fyzika procesov a vzorec výpočtu

Kondenzátor je základná elektronická súčiastka (spolu s odporom a induktorom) na ukladanie elektrickej energie. Najlepšou analógiou pre jeho fungovanie by bolo porovnanie s batériou. Toto zariadenie je však založené na reverzibilných chemických reakciách a akumulácia náboja na doskách kondenzátora má výlučne elektrickú povahu.

Zariadenie a princíp činnosti

Vo svojej najjednoduchšej forme konštrukcia pozostáva z dvoch elektród vo forme vodivých dosiek (nazývané dosky), oddelené dielektrikom, ktorého hrúbka je v porovnaní s rozmermi dosiek zanedbateľná. Prakticky používané elektronické súčiastky obsahujú veľa vrstiev dielektrika a elektród. Ako označenie pre kondenzátor v schéme sa používajú dva paralelné segmenty s medzerou medzi nimi. Symbolizujú kovové dosky dosiek fyzického zariadenia, elektricky oddelené od seba.

Michael Faraday je mnohými považovaný za vynálezcu vynálezu, no v skutočnosti to tak nie je. To hlavné však urobil – vo svojich pokusoch predviedol prvé praktické príklady a spôsoby využitia tohto zariadenia na ukladanie elektrického náboja. Vďaka Faradayovi dostalo ľudstvo spôsob, ako merať schopnosť akumulovať náboj. Táto veličina sa nazýva kapacita a meria sa vo Faradoch.

Činnosť kondenzátora je možné ilustrovať na príklade dejov, ktoré sa dejú v blesku digitálneho fotoaparátu v časovom intervale medzi stlačením tlačidla a momentom zhasnutia blesku. Elektronický obvod tohto osvetľovacieho zariadenia je založený na kondenzátore, v ktorom sa stane nasledovné:

• Nabíjačka. Po stlačení tlačidla prúd elektrónov vstúpi do kondenzátora a zastaví sa na jednej z jeho dosiek v dôsledku dielektrika. Tento tok sa nazýva nabíjací prúd.
• Akumulácia. Pretože pôsobením elektromotorickej sily bude do dosky vnikať viac a viac elektrónov, ktoré sa na nej rozložia, záporný náboj dosky môže rásť, kým akumulovaný potenciál neodrazí prichádzajúci prebytočný tok elektróny. Druhá doska v dôsledku nedostatku elektrónov získava kladný náboj, ktorý sa rovná zápornému náboju na prvej. Nabíjací prúd bude tiecť, kým sa napätie na oboch doskách nebude rovnať aplikovanému. Sila alebo rýchlosť nabíjacieho prúdu bude na svojej maximálnej úrovni, keď dosky úplne vybitý, a bude sa blížiť k nule v momente, keď bude napätie na platniach a zdroji sú si rovné.
• Zachovanie. Pretože dosky sú opačne nabité, ióny a elektróny sa budú navzájom priťahovať, ale nebudú sa môcť spojiť kvôli dielektrickej vrstve, čím sa vytvorí elektrostatické pole. Vďaka tomuto poľu kondenzátor drží a ukladá náboj.
• Vypúšťanie. Ak je možné, že elektróny prúdia v obvode iným spôsobom, napätie sa nahromadí medzi kladným a záporné náboje platní, sa okamžite premení na elektrický prúd, ktorého impulz sa v zábleskovej lampe premení na svetelná energia.

Blesk teda realizuje schopnosť kondenzátora uchovávať energiu z batérie pre impulz. Batéria fotoaparátu je tiež úložným zariadením, ale kvôli chemickej povahe skladovania generuje a uvoľňuje energiu pomaly.

Kapacita, nabíjanie a napätie

Vlastnosť kondenzátora udržať náboj na doskách vo forme elektrostatického poľa sa nazýva kapacita. Čím väčšia je plocha dosiek a čím menšia je vzdialenosť medzi nimi, tým viac náboja sú schopné akumulovať, a preto majú väčšiu kapacitu. Keď sa na kondenzátor privedie napätie, pomer náboja Q k napätiu V dá hodnotu kapacity C. Vzorec nabíjania kondenzátora bude vyzerať takto:

Q = C * V.

Meradlom elektrickej kapacity je farad (F). Táto jednotka je vždy kladná a nemá žiadne záporné hodnoty. 1 F sa rovná kapacite kondenzátora, ktorý je schopný uložiť náboj 1 coulomb na platne s napätím 1 volt.

Farad je veľmi veľká jednotka merania pre jednoduché použitie uplatňovať najmä jeho čiastkové opatrenia:

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

Dielektrická hodnota

Okrem celkovej veľkosti dosiek a vzdialenosti medzi nimi je tu ešte jeden parameter, ktorý ovplyvňuje kapacitu – typ použitého izolantu. Faktor, ktorým sa určuje schopnosť dielektrika zvýšiť kapacitu kondenzátora v porovnaní s vákuom, sa nazýva dielektrická konštanta a je opísaná pre rôzne materiály konštantnou hodnotou od 1 do nekonečna (teoreticky):

• vákuum: 1,0000;
• vzduch: 1,0006;
• papier: 2,5-3,5;
• sklo: 3-10;
• oxidy kovov 6-20;
• elektrická keramika: do 80.

Okrem pevných dielektrických kondenzátorov (keramické, papierové, filmové) existujú aj elektrolytické. Posledne menované používajú hliníkové alebo tantalové platne s oxidovou izolačnou vrstvou ako jednou elektródou a roztokom elektrolytu ako druhou.

Hlavnými črtami tohto dizajnu je, že umožňuje akumuláciu pomerne pôsobivého náboja v malej veľkosti a je to polárne elektrické úložisko. To znamená, že je súčasťou elektrického obvodu s ohľadom na polaritu.

Energia, ktorú je väčšina kondenzátorov schopná uložiť, je zvyčajne malá - nie viac ako stovky joulov. Navyše nevydrží dlho kvôli nevyhnutnému úniku náboja. Preto kondenzátory nemôžu nahradiť napríklad batérie ako zdroj energie. A hoci sú schopné efektívne vykonávať len jednu prácu (šetrenie náboja), ich uplatnenie je v elektrických obvodoch veľmi rôznorodé. Kondenzátory sa používajú ako filtre, na vyhladzovanie sieťového napätia, ako synchronizačné zariadenia a na iné účely.