Kondenzátory jsou základní komponenty v oblasti elektroniky a hrají klíčovou roli v různých elektronických obvodech. Pochopení pojmů kapacita a náboj je nezbytné pro každého, kdo se chce ponořit do oblasti elektrotechniky. V tomto článku budeme mít krátký úvod do kondenzátorů, vysvětlíme kapacitu a ponoříme se do rovnice, která řídí jejich chování.
Co je to kondenzátor
Kondenzátor je pasivní elektronická součástka se dvěma svorkami, která uchovává elektrickou energii v elektrickém poli. Struktura kondenzátoru se skládá ze dvou vodivých desek, obvykle složených z kovu, které jsou umístěny od sebe s dielektrickým materiálem mezi nimi. Když je na svorky kondenzátoru aplikován rozdíl napětí, akumuluje náboj na svých deskách a vytváří mezi nimi elektrické pole.
Co je kapacita
Kapacita je měřítkem toho, kolik elektrické energie lze uložit na jednotku napětí v zařízení nebo komponentě. Jednotkou kapacity je Farad.
Co je Charge
Náboj je popsán jako přítomnost elektrické energie. Jeho symbol je Q a jeho jednotka je Coulomb.
Práce kondenzátorů
Když je na svorky kondenzátoru zavedeno elektrické napětí, elektrické pole vytvořené mezi deskami zahájí pohyb elektronů. Záporná deska kondenzátoru se stává sběrným místem pro elektrony, které se přesunuly ze záporné svorky zdroje napětí.
Současně stejný počet elektronů opustí kladnou desku kondenzátoru a vrací se na kladnou svorku zdroje napětí.
Tato akumulace a redistribuce náboje pokračuje, dokud není kondenzátor plně nabit, v tomto okamžiku tok elektronů ustane, náboj uložený v kondenzátoru lze určit pomocí rovnice:
V dané rovnici „Q“ symbolizuje nabít nahromaděné v kondenzátor , „C“ označuje kapacitní a „V“ představuje aplikované napětí na kondenzátoru.
Tato rovnice zobrazuje proporcionální vztah mezi kapacitou a aplikovaným napětím, což ukazuje, že množství náboje drženého v kondenzátoru přímo souvisí s oběma těmito proměnnými. Proto zvýšení buď kapacity nebo napětí bude mít za následek vyšší akumulaci náboje.
Kapacita paralelního deskového kondenzátoru
Kapacita kondenzátoru je určena povrchem desek (A) a vzdáleností (d) mezi nimi, přičemž oba faktory ovlivňují jeho celkovou kapacitu. Čím větší je plocha desky, tím větší je kapacita, zatímco menší vzdálenost mezi deskami vede ke zvýšení kapacity. Tento vztah je popsán rovnicí:
Kondenzátory mají schopnost akumulovat elektrickou energii, přičemž množství uložené energie (U) je přímo úměrné druhé mocnině použitého napětí (V) a kapacitě (C) kondenzátoru. Rovnice pro energii uloženou v kondenzátoru je dána vztahem:
Znalost energie uložené v kondenzátoru je zásadní pro navrhování obvodů, zejména v aplikacích, kde jsou důležité požadavky na uvolnění energie nebo okamžité napájení.
Kapacita kulového kondenzátoru
Pro výpočet kapacity kulového kondenzátoru potřebujete znát poloměr vnitřní i vnější vodivé koule. Tvar kondenzátoru a permitivita materiálu umístěného mezi koulemi řídí kapacitu. Vzorec pro výpočet kapacity kulového kondenzátoru je:
Na druhé straně se symbol „εᵣ“ používá k reprezentaci relativní permitivity nebo dielektrické konstanty materiálu umístěného mezi koulemi. Kromě toho „r₁“ označuje poloměr vnitřní koule, zatímco „r₂“ označuje poloměr vnější koule.
Dosazením hodnot poloměru a permitivity materiálu můžete vypočítat kapacitu kulového kondenzátoru. Stojí za zmínku, že pokud má vnitřní koule zanedbatelný poloměr nebo je považována za bodový náboj, kapacitní vzorec se zjednoduší na:
V tomto případě je kapacita určena výhradně poloměrem vnější koule a permitivitou materiálu.
Kapacita válcového kondenzátoru
Pro výpočet kapacity válcového kondenzátoru potřebujete znát délku kondenzátoru (L), poloměr vnitřního vodiče (r₁) a poloměr vnějšího vodiče (r₂). Tvar kondenzátoru a permitivita materiálu umístěného mezi koulemi řídí kapacitu. Vzorec pro výpočet kapacity válcového kondenzátoru je:
Na druhé straně se symbol „εᵣ“ používá k reprezentaci relativní permitivity nebo dielektrické konstanty materiálu umístěného mezi koulemi. Kromě toho „r₁“ označuje poloměr vnitřní koule, zatímco „r₂“ označuje poloměr vnější koule.
Závěr
Kondenzátory jsou klíčové komponenty, pokud jde o elektroniku, umožňující akumulaci energie a regulaci napětí. Kapacita, měřená ve faradech (F), kvantifikuje schopnost kondenzátoru ukládat náboj. Je přímo úměrná uloženému náboji (Q) a nepřímo úměrná napětí (V) na svorkách kondenzátoru.