קונדנסטור לוחות מקבילים: הגדרה נוסחה ומשתמשים

קונדנסטור לוחות מקבילים הוא מכשיר שיכול לאחסן מטען חשמלי ואנרגיה בצורה של קונדנסטור לוחות מקבילים שדה חשמלי בין שני לוחות מוליכים. הלוחות מופרדים במרחק קטן ומחוברים למקור מתח, כגון סוללה. המרחב בין הלוחות יכול להיות מלא אוויר, ריק או חומר דיילקטרי, שהוא מבודד שיכול להפוך לפולרי על ידי שדה חשמלי.

מהו קונדנסטור לוחות מקבילים?

קונדנסטור לוחות מקבילים מוגדר כהצבת שני לוחות מתכת שטח שווה A ומטען מנוגד Q, מופרדים מרחק d. הלוחות מחוברים למקור מתח V, שמייצר פוטנציאל חשמלי בין שניהם. השדה החשמלי E בין הלוחות אחיד והוא מאונך ללוחות, כפי שמוצג בתמונה 1.

השדה החשמלי E בין הלוחות נתון על ידי:

כאשר V הוא המתח בין הלוחות, d הוא המרחק בין הלוחות, σ הוא צפיפות המטען המשטחית על כל לוח, ו-ϵ0 היא התמיסותיות של החלל החופשי.

השדה החשמלי E מעורר פולריזציה P בחומר הדיילקטרי, שהיא המומנט הדיפוליה לשנייה נפח החומר. הפולריזציה P מפחיתה את השדה החשמלי האפקטיבי E בתוך הדיילקטרי ומגדילה את הקיבולת C של הקונדנסטור.

הקיבולת C של קונדנסטור לוחות מקבילים היא היחס בין המטען Q על כל לוח למתח V בין הלוחות:

הקיבולת C תלויה בגיאומטריה של הלוחות וחומר הדיילקטרי ביניהם. עבור קונדנסטור לוחות מקבילים עם אוויר או ריק בין הלוחות, הקיבולת C נתונה על ידי:

כאשר A הוא שטח כל לוח ו-d הוא המרחק בין הלוחות.

עבור קונדנסטור לוחות מקבילים עם חומר דיילקטרי בין הלוחות, הקיבולת C נתונה על ידי:

כאשר k הוא התמיסותיות היחסית או קבוע הדיילקטרי של החומר, שהוא גודל ללא ממד שמדד כמה בקלות ניתן לפולריזציה החומר על ידי שדה חשמלי.

התמיסותיות היחסית k של חומר דיילקטרי תמיד גדולה או שווה ל-1. ככל שהערך של k גבוה יותר, כך ניתן לאחסן יותר מטען על הקונדנסטור עבור מתח נתון, ובכך גבוהה יותר הקיבולת.

יישומים של קונדנסטורים לוחות מקבילים

קונדנסטורים לוחות מקבילים יש להם יישומים רבים בפרטי מדע ומהנדסה שונים. חלק מהם הם:

• סינון: קונדנסטורים לוחות מקבילים יכולים לשמש לסינון תדרים או רעש בלתי רצויים מסיגנל חשמלי. למשל, הם יכולים לחסום זרם ישיר (DC) ולאפשר מעבר של זרם חילופין (AC). הם יכולים גם לשמש להתחלת מתח בשמשות חשמל.

• כוונון: קונדנסטורים לוחות מקבילים יכולים לשמש לכוון מעגלים חשמליים לתדר רצוי. למשל, הם יכולים לשמש ברדיו, טלוויזיות ומכשירי תקשורת אחרים כדי לבחור ערוץ או פס תדרים ספציפיים.

• מדידה: קונדנסטורים לוחות מקבילים יכולים לשמש למדוד גדלים פיזיים כמו לחץ, טמפרטורה, לחות, הזזה וכדומה. למשל, הם יכולים לשמש במיקרופונים, מד טמפרטורה, מד לחות, אקסלומטרים וכדומה. הקיבולת של קונדנסטור לוחות מקבילים משתנה עם גדלים פיזיים אלה עקב שינויים במרחק בין הלוחות או בחומר הדיילקטרי ביניהם.

• אחסון אנרגיה: קונדנסטורים לוחות מקבילים יכולים לשמש לאחסון אנרגיה חשמלית בשדות החשמל שלהם. למשל, הם יכולים לשמש בפנסים, מצלמות, דפיברילטורים וכדומה. האנרגיה המאוחסנת בקונדנסטור לוחות מקבילים נתונה על ידי:

כאשר U היא האנרגיה המאוחסנת ביוטות (J), C היא הקיבולת בפארדים (F), ו-V הוא המתח בוולט (V).