• Definicja, opis doświadczalny

Kondensator jest układem elektronicznym często stosowanym w rozmaitych urządzeniach elektronicznych i elektrycznych. Z punktu widzenia fizyki stanowi on zespół dwóch płyt przewodzących (okładek, okładzin), pomiędzy którymi znajduje się warstwa materiału nieprzewodzącego (tak zwanego izolatora.) Z punkty widzenia techniki jest to stary wynalazek. Pierwsze kondensatory budowano już około roku 1740. Były to "butelki lejdejskie" - cylindry szklane z obu stron pokryte materiałem przewodzącym, pozwalające na gromadzenie ładunku elektrycznego o dużym napięciu.

W elektronice kondensator oznaczany jest symbolem

W kondensatorze ładunek gromadzi się na okładkach na skutek doprowadzenia do nich napięcia. Ponieważ izolator nie ma wolnych elektronów, które mogłyby się poruszać, ładunki napływają do jednej z okładek, z drugiej muszą odpływać.

Przeprowadźmy następujące doświadczenie: z elektroskopem (prostym urządzeniem mierzącym stopień naelektryzowania ciała) łączymy metalową, naelektryzowaną płytkę. Jeżeli umieścimy nad nią kolejna płytkę przewodzącą, jak na rysunku nr 2, okaże się, że listki elektroskopu wychyla się bardziej i pojemność płytki pierwsze, dolnej, wzrasta. W ten sposób stworzyliśmy prosty kondensator, w którym warstwą izolatora jest powietrze. Możemy dodatkowo wsunąć między metalowe okładki wartę jakiegoś izolatora (dielektryka.) Wówczas pojemność wzrośnie jeszcze bardziej.

  • Pojemność

Pojemność kondensatora jest to stosunek ładunku zgromadzonego na okładkach do napięcia, jakie powstaje pomiędzy nimi.

C= Q / U

Pojemność oznaczana jest zwykle literą C, a jej jednostką jest Farad [1F]

[ C ] = 1C/ 1V = 1F

Ponieważ jest to jednostka bardzo duża i rzadko występuje, w użyciu są najczęściej jego jednostki pochodne, na przykład:

  • mikrofarad (1 μF= 10-6F)
  • nanofarad (1 nF= 10-9F)

Pojemność zależna jest od typu użytego izolatora, a konkretnie cechującej go przenikalności dielektrycznej εr , od odległości pomiędzy płytami metalowymi (wzrasta wraz ze zmniejszaniem się tej odległości) oraz od pola powierzchni okładek kondensatora. Definiuje się czasem tę powierzchnię jako powierzchnię czynna , czyli wspólne, naprzeciwlegle położone okładki. Jeżeli d przyjmiemy za odległość okładek, S za ich powierzchnię wspólną, a ε0 za tzw. przenikalność elektryczna próżni (stała), można te zależności zebrać w postaci prostego wzoru, wyprowadzanego z praw elektrostatyki:

C = ε0 εr S/d

Pojemność może być zatem zmieniana. Modyfikowana jest wówczas przez zmianę jednego z następujących czynników:

  • Powierzchnia okładzin
  • Odległość między nimi
  • Przenikalność dielektryka

W praktyce najłatwiej jest zwykle manipulować powierzchnią okładek.

  • Łączenie szeregowe i równoległe

Przy konstrukcji układów elektronicznych zachodzi często potrzeba połączenia kilku kondensatorów w jeden obwód. Można to uczynić na kilka sposobów:

  1. Szeregowo

Pojemność całkowita (inaczej: zastępcza) obliczana jest z równania:

1/ Cz = 1/C1 + 1/ C2+ ... + 1/ Cn

Przykład:

1 mF 2mF

o------| |-------| |--------o

1/Cz = 1/1 + 1/2 = 1,5 => Cz = 1/1,5 [mF]

  1. Równolegle

Pojemność zastępcza wyraża się tu o wiele prościej:

Cz = C1 + C2 + ... + Cn

Przykład:

1 mF

------| |------

| |

| 2 mF |

------| |-------

| |

| |

o o

Cz= 3 mF

  1. Sposób mieszany

Jest to kombinacja łączenia szeregowego i równoległego w jednym układzie. W tym przypadku wzory są trochę bardziej skomplikowane.