Kondenzátor s rovnoběžnými deskami: Definice, vzorec a aplikace

Kondenzátor s rovnoběžnými deskami je zařízení, které může ukládat elektrický náboj a energii ve formě kondenzátoru s rovnoběžnými deskami mezi dvěma vodičovými deskami. Desky jsou odděleny malou vzdáleností a jsou připojeny k napětí, jako je baterie. Mezera mezi deskami může být vyplněna vzduchem, vakuem nebo dielektrikem, což je izolátor, který se dá polarizovat elektrickým polem.

Co je kondenzátor s rovnoběžnými deskami?

Kondenzátor s rovnoběžnými deskami je definován jako uspořádání dvou kovových desek stejné plochy A a opačného náboje Q, oddělených vzdáleností d. Desky jsou připojeny ke zdroji napětí V, který vytváří elektrický potenciál mezi nimi. Elektrické pole E mezi deskami je rovnoměrné a kolmé na desky, jak je znázorněno na obrázku 1.

Elektrické pole E mezi deskami je dáno:

kde V je napětí mezi deskami, d je vzdálenost mezi deskami, σ je povrchová hustota náboje na každé desce a ϵ0 je permitivita volného prostoru.

Elektrické pole E indukuje polarizaci P v dielektriku, která je dipólový moment na jednotku objemu materiálu. Polarizace P snižuje efektivní elektrické pole E uvnitř dielektrika a zvyšuje kapacitu C kondenzátoru.

Kapacita C kondenzátoru s rovnoběžnými deskami je poměr náboje Q na každé desce k napětí V mezi deskami:

Kapacita C závisí na geometrii desek a dielektriku mezi nimi. Pro kondenzátor s rovnoběžnými deskami s vzduchem nebo vakuem mezi deskami je kapacita C dána:

kde A je plocha každé desky a d je vzdálenost mezi deskami.

Pro kondenzátor s rovnoběžnými deskami s dielektrikem mezi deskami je kapacita C dána:

kde k je relativní permitivita nebo dielektrická konstanta materiálu, což je bezrozměrná veličina, která měří, jak snadno lze materiál polarizovat elektrickým polem.

Relativní permitivita k dielektrika je vždy větší nebo rovna 1. Čím vyšší hodnota k, tím více náboje lze uložit v kondenzátoru pro dané napětí a tedy čím vyšší kapacita.

Použití kondenzátorů s rovnoběžnými deskami

Kondenzátory s rovnoběžnými deskami mají mnoho aplikací v různých oblastech vědy a inženýrství. Některé z nich jsou:

• Filtrace: Kondenzátory s rovnoběžnými deskami lze použít k vyfiltrování nežádoucích frekvencí nebo rušivých signálů z elektrického signálu. Například mohou blokovat přímý proud (DC) a umožnit průchod střídavým střídavým proudem (AC). Mohou také sloužit k vyhlazování fluktuací napětí v zdrojích napájení.

• Nastavení frekvence: Kondenzátory s rovnoběžnými deskami lze použít k nastavení elektrických obvodů na rezonanci na požadovanou frekvenci. Například lze je použít v rádiích, televizích a jiných komunikačních zařízeních k výběru specifického kanálu nebo frekvenčního pásma.

• Senzorování: Kondenzátory s rovnoběžnými deskami lze použít k měření fyzikálních veličin, jako jsou tlak, teplota, vlhkost, posun, atd. Například lze je použít v mikrofonech, teploměrech, hygrometrech, akcelerometrech, atd. Kapacita kondenzátoru s rovnoběžnými deskami se mění s těmito fyzikálními veličinami kvůli změnám vzdálenosti mezi deskami nebo dielektrika mezi nimi.

• Ukládání energie: Kondenzátory s rovnoběžnými deskami lze použít k ukládání elektrické energie v jejich elektrickém poli. Například lze je použít v bleskových lampách, fotoaparátech, defibrilátorech, atd. Energie uložená v kondenzátoru s rovnoběžnými deskami je dána:

kde U je uložená energie v joulech (J), C je kapacita v faradech (F) a V je napětí v voltách (V).

Daruji