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).
