Parallel Plate Capacitor: Definitie, Formule en Toepassingen
Een platencapacitor is een apparaat dat elektrische lading en energie kan opslaan in de vorm van een elektrisch veld tussen twee geleidende platen. De platen zijn gescheiden door een kleine afstand en verbonden met een spanningsbron, zoals een batterij. De ruimte tussen de platen kan gevuld zijn met lucht, een vacuüm of een dielectrisch materiaal, wat een isolator is die gepolariseerd kan worden door een elektrisch veld.
Wat is een platencapacitor?
Een platencapacitor wordt gedefinieerd als een arrangement van twee metalen platen met gelijke oppervlakte A en tegengestelde lading Q, gescheiden door een afstand d. De platen zijn verbonden met een spanningsbron V, die een elektrisch potentiaalverschil tussen hen creëert. Het elektrisch veld E tussen de platen is uniform en loodrecht op de platen, zoals getoond in figuur 1.
Het elektrisch veld E tussen de platen wordt gegeven door:
waarbij V de spanning over de platen is, d de afstand tussen de platen, σ de oppervlaktedichtheid van de lading op elke plaat, en ϵ0 de permeabiliteit van de lege ruimte.
Het elektrisch veld E induceert een polarisatie P in het dielectrische materiaal, wat het dipoolmoment per volume-eenheid van het materiaal is. De polarisatie P vermindert het effectieve elektrisch veld E binnen het dielectrische materiaal en verhoogt de capaciteit C van de condensator.
De capaciteit C van een platencapacitor is het verhoudingsgetal van de lading Q op elke plaat tot de spanning V over de platen:
De capaciteit C hangt af van de geometrie van de platen en het dielectrische materiaal ertussen. Voor een platencapacitor met lucht of vacuüm tussen de platen, wordt de capaciteit C gegeven door:
waarbij A de oppervlakte van elke plaat is en d de afstand tussen de platen.
Voor een platencapacitor met een dielectrisch materiaal tussen de platen, wordt de capaciteit C gegeven door:
waarbij k de relatieve permittiviteit of dielectrische constante van het materiaal is, wat een dimensieloze grootheid is die meet hoe gemakkelijk het materiaal gepolariseerd kan worden door een elektrisch veld.
De relatieve permittiviteit k van een dielectrisch materiaal is altijd groter dan of gelijk aan 1. Hoe hoger de waarde van k, hoe meer lading er op de condensator kan worden opgeslagen voor een bepaalde spanning, en dus hoe hoger de capaciteit.
Toepassingen van platencapacitoren
Platencapacitoren hebben veel toepassingen in verschillende vakgebieden van wetenschap en techniek. Enkele daarvan zijn:
Filtering: Platencapacitoren kunnen gebruikt worden om ongewenste frequenties of ruis uit een elektrisch signaal te filteren. Bijvoorbeeld, ze kunnen directe stroom (DC) signalen blokkeren en wisselstroom (AC) signalen laten passeren. Ze kunnen ook gebruikt worden om spanningsschommelingen in voedingen glad te maken.
Afstemmen: Platencapacitoren kunnen gebruikt worden om elektrische circuits af te stemmen op een gewenste frequentie. Bijvoorbeeld, ze kunnen gebruikt worden in radio's, televisies en andere communicatieapparatuur om een specifiek kanaal of frequentieband te selecteren.
Sensoren: Platencapacitoren kunnen gebruikt worden om fysieke grootheden zoals druk, temperatuur, luchtvochtigheid, verplaatsing, etc. te meten. Bijvoorbeeld, ze kunnen gebruikt worden in microfoons, thermometers, hygrometers, accelerometers, etc. De capaciteit van een platencapacitor verandert met deze fysieke grootheden door veranderingen in de afstand tussen de platen of het dielectrisch materiaal ertussen.
Energieopslag: Platencapacitoren kunnen gebruikt worden om elektrische energie op te slaan in hun elektrische velden. Bijvoorbeeld, ze kunnen gebruikt worden in zaklampen, camera's, defibrillatoren, etc. De opgeslagen energie in een platencapacitor wordt gegeven door:
waarbij U de opgeslagen energie in joules (J) is, C de capaciteit in farad (F) en V de spanning in volt (V).
Samenvatting
