Kondensatorius. Kondensatoriaus elektrinė talpa

Žmonės įpratę kaupti: šaldytuve kaupiamos maisto atsargos, sandėliuose – grūdai, drabužių spintose – drabužiai. Visa tai kaupiama tam, kad prireikus būtų galima panaudoti. Elektrotechnikoje taip pat naudojami prietaisai, atliekantys elektros krūvio ir elektros energijos kaupimo funkciją, – kondensatoriai. Taigi, kondensatorius yra prietaisas, kaupiantis elektros krūvį ir esant poreikiui jį atiduodantis.

Paprasčiausią kondensatorių sudaro dvi metalinės plokštės, atskirtos dielektriko (oro) sluoksniu (1.5.1 pav.).

Iš laidininkų pagamintos kondensatoriaus plokštės dar vadinamos elektrodais. Tarp kondensatoriaus plokščių galima panaudoti įvairius dielektrikus: parafinuotą popierių, žėrutį, keramiką. Dielektriko sluoksnis atlieka dvi funkcijas:

1. neleidžia elektros krūviams susijungti plokštėse ir neutralizuotis;
2. sudaro sąlygas sukaupti didesnį elektros krūvį kondensatoriuje.

Kondensatoriai gali būti labai įvairios konstrukcijos (žr. temą „Kondensatoriai technikoje ir gamtoje“). Pirmasis B. Franklino sukurtas kondensatorius buvo iš lango stiklo gabaliuko, kurio abi puses dengė švino plokštelės. Šių dienų kondensatoriuose vietoj metalinių plokščių gali būti naudojami bet kokie laidininkai, pavyzdžiui, folijos juostelės. Apibendrinant galima teigti, kad kondensatorių sudaro du laidininkai, atskirti dielektriko sluoksniu, kurio storis, palyginti su laidininkų matmenimis, yra mažas. Laidininkų sistema, naudojama elektros krūviui kaupti, vadinama kondensatoriumi.

Elektrinėse schemose kondensatorius žymimas sutartiniu ženklu .

Neįkrauto kondensatoriaus metalinės plokštės yra elektriškai neutralios: jų elektronų neigiamasis krūvis lygus jonų teigiamajam krūviui (1.5.2 pav., a). Kondensatorių galima įkrauti prijungus prie nuolatinės srovės šaltinio (baterijos) (1.5.2 pav., b). Laisvuosius elektronus iš viršutinės kondensatoriaus plokštės traukia teigiamasis srovės šaltinio polius. Dėl to viršutinė kondensatoriaus plokštė praranda elektronus. Jie nebekompensuoja teigiamojo krūvio ir viršutinė plokštė įsielektrina teigiamai (1.5.2 pav., b). Į apatinę kondensatoriaus plokštę patenka laisvieji elektronai iš neigiamojo srovės šaltinio poliaus. Jie neutralizuoja apatinės plokštės teigiamąjį krūvį ir apatinė plokštė įsielektrina neigiamai. Viršutinės plokštės teigiamasis krūvis pritraukia daugiau elektronų į apatinę plokštę. Taigi, dviejų laidininkų sistema gali sukaupti didesnį elektros krūvį negu vienas laidininkas.

Tarp įkrauto kondensatoriaus plokščių atsiranda elektrinis laukas \left(\vec{E}\right) (1.5.2 pav., b), kurio energines savybes apibūdina įtampa (U). Stiprėjant elektriniam laukui tarp kondensatoriaus plokščių arba didinant jas skiriantį atstumą, tarp šių plokščių didėja elektrinė įtampa.

Krauti kondensatorių galima tik iki tam tikros ribos. Jei kondensatoriaus plokštėse susikaupia labai didelis elektros krūvis, jis gali pradėti tekėti dielektriku iš vienos plokštės į kitą. Šis reiškinys vadinamas kondensatoriaus pažaida (pramušimu). Pažeistas kondensatorius sugenda – praranda savybę kaupti elektros krūvį.

Kai įkrautą kondensatorių laidais prijungiame prie elektros imtuvo, pavyzdžiui, elektros lemputės, jis išsikrauna. Laisvieji elektronai iš neigiamai įelektrintos plokštės juda laidais per elektros lemputę link teigiamai įelektrintos plokštės (1.5.3 pav.). Elektros lemputė pradeda šviesti. Elektronai, pasiekę teigiamai įelektrintą plokštę, neutralizuoja teigiamąjį krūvį ir viršutinė plokštė išsielektrina. Kadangi apatinę plokštę elektronai palieka, ji netenka neigiamojo krūvio ir išsielektrina. Taip kondensatorius išsikrauna, o elektros lemputė užgęsta.

Kondensatoriaus gebėjimą kaupti elektros krūvį apibūdina elektrinė talpa. Tai pagrindinė kondensatoriaus charakteristika, lemianti jo praktinį pritaikymą.

Kondensatoriai kaupia ir plokštėse (laidininkuose) išlaiko vienodo dydžio ir priešingų ženklų elektros krūvį. Tarkime, kad vienai kondensatoriaus plokštei suteikiamas krūvis +q, kitai – krūvis –q (1.5.4 pav.). Prijungus elektrometrą prie kondensatoriaus plokščių išmatuojama elektrinė įtampa U. Padvigubinus plokščių krūvį (+2q; –2q) elektrometro rodyklės atsilenkimo kampas padidėja, elektrometras rodo du kartus didesnę įtampą (2U). Vadinasi, tarp plokščių susidariusi įtampa yra proporcinga plokštei suteiktam elektros krūviui (U ~ q). Šių fizikinių dydžių santykis nuo jų nepriklauso ir yra kondensatoriaus charakteristika, kuri vadinama elektrine talpa.

Kondensatoriaus elektrine talpa vadinamas vieno laidininko (plokštės) elektros krūvio modulio ir įtampos tarp to ir gretimo laidininko santykis:

Elektrinės talpos matavimo vienetas, pagerbiant anglų fiziką M. Faradėjų, pavadintas faradu ir žymimas F.

Kondensatoriaus elektrinė talpa lygi vienam faradui, jei kondensatoriaus plokštėms suteikus +1 C ir −1 C elektros krūvį tarp jų susidaro 1 V įtampa:

[C] = 1 F = 1 C/V.

1 F – labai didelė elektrinė talpa. Praktikoje vartojami gerokai mažesni elektrinės talpos matavimo vienetai: mikrofaradas (μF), nanofaradas (nF), pikofaradas (pF):

1 μF = 10^–6 F;

1 nF = 10^–9 F;

1 pF = 10^–12 F.

Aptarkime bandymus, paaiškinančius, kas lemia kondensatoriaus elektrinę talpą.

1 bandymas. Prie kondensatoriaus plokščių (elektrodų) prijungiamas elektrometras – graduotas elektroskopas, skirtas elektrinei įtampai ir krūviui matuoti (1.5.5 pav.).

Pradinis atstumas tarp kondensatoriaus plokščių lygus d₁. Elektrometras rodo įtampą U₁. Dukart padidinus atstumą (d₂) tarp kondensatoriaus plokščių elektrometro rodmenys (U₂) padidėja. Žinome, kad kondensatoriaus elektrinė talpa yra atvirkščiai proporcinga įtampai (1.6). Vadinasi, kondensatoriaus elektrinė talpa sumažėja.

1 išvada. Kuo didesnis atstumas tarp kondensatoriaus plokščių, tuo mažesnė kondensatoriaus elektrinė talpa.

2 bandymas. Nekeičiant kondensatoriaus plokščių krūvio ir atstumo tarp jų, pirma plokštė pastumiama į kairę pusę antrosios atžvilgiu (1.5.6 pav.).

Dėl to plokščių sanklotos plotas (S) (plotas, kuriuo viena plokštė dengia kitą) sumažėja. Tuo metu įtampa tarp kondensatoriaus plokščių padidėja (1.5.6 pav.). Iš (1.6) formulės matyti, kad kondensatoriaus elektrinė talpa sumažėja.

2 išvada. Kuo mažesnis kondensatoriaus plokščių sanklotos plotas, tuo mažesnė kondensatoriaus elektrinė talpa.

3 bandymas. Kondensatoriaus plokštės padedamos viena priešais kitą. Elektrometras rodo įtampą tarp kondensatoriaus plokščių U₁ (1.5.7 pav.).

Tarp kondensatoriaus plokščių įstatomas dielektrikas – organinio stiklo lakštas. Dielektrikui patekus į kondensatoriaus elektrinį lauką atsiranda dielektriko elektrinis laukas. Jis slopina kondensatoriaus elektrinį lauką, todėl elektrometras rodo mažesnę įtampą (U₂). Vadinasi, tarp kondensatoriaus plokščių įterpus dielektriką kondensatoriaus elektrinė talpa padidėja.

3 išvada. Tarp kondensatoriaus plokščių įterptas dielektrikas padidina kondensatoriaus elektrinę talpą. Įvairūs dielektrikai (organinis stiklas, žėrutis, keramika) skirtingai padidina kondensatoriaus elektrinę talpą.

Kondensatoriaus elektros krūvis 4 ⋅ 10^–4 C. Įtampa tarp plokščių lygi 200 V. Apskaičiuokite kondensatoriaus elektrinę talpą.

q=4\ \cdot10^{-4}\mathrm{C}

U\ =\ 200\ \mathrm{V}

C-\mathrm{?}

Sprendimas

Taikome kondensatoriaus elektrinės talpos formulę:

C=\frac{q}{U}.

Įrašome fizikinių dydžių skaitines vertes ir gauname:

C=\frac{4\cdot10^{-4}\ \mathrm{C}}{\mathrm{200\ V}}=2\cdot10^{-6}\ \mathrm{F}=2\ \mathrm{\mu}\mathrm{F.}

Atsakymas: 2 μF.