Kondensatorius (elektra)

Kondensatorius – dviejų laidininkų, vadinamu elektrodais, sistema, kuri turi savybę kaupti energiją tarp tų elektrodų sukurtame elektriniame lauke. Prijungus įtampą ant elektrodų (arba „plokštelių“) kaupiasi krūviai, kurių absoliutinės vertės lygios, tik priešingi ženklai.

Kondensatorių žymėjimas elektrinėse grandinėse.

Istorija

Pirmąjį kondensatorių 1745 m. sukūrė ir išbandė Leideno universiteto fizikas Piteris Mušenbrukas (1692–1761).^[1]

Tipai

Pagal formą kondensatoriai skirstomi į:

• Plokščiuosius
• Sferinius
• Cilindrinius

Pagal naudojamą dielektriką dažniausiai skirstomi į dvi grupes:

• Elektrolitinius
• Keramikinius

Sandara

Plokščiasis kondensatorius. E – elektrinis laukas tarp plokštelių, d – atstumas tarp plokštelių, +q, -q – plokštelių krūviai.

Kondensatorius sudarytas iš dviejų laidininkų, vadinamų elektrodais. Tarpe tarp elektrodų gali būti dielektrikas, kuris naudojamas kondensatoriaus talpai padidinti.

Plokščiajame kondensatoriuje elektrodų vaidmenį atlieka dvi plokštelės, sferiniame – dvi bendraašės sferos, cilindriniame – du cilindrai.

Sferinis kondensatorius yra daugiau teorinis matematinis modelis, o praktikoje naudojami plokštieji ir cilindriniai kondensatoriai.

Talpa

Kondensatoriaus elektrinė talpa apibrėžiama panašiai, kaip ir pavienio laidininko: ji lygi vieno elektrodo krūvio ir potencialų skirtumo tarp elektrodų santykio moduliui. Modulis imamas dėl to, jog elektros krūvis gali būti tiek teigiamas, tiek neigiamas, o kondensatoriaus elektrinė talpa yra tik teigiamas dydis:

${\displaystyle C={\frac {q}{U}}}$

kur

C – elektrinė talpa;

q – vieno elektrodo krūvis;

U – potencialų skirtumas tarp elektrodų.

Talpos matavimo vienetas SI sistemoje – faradas (F). Kadangi faradas yra gana didelis dydis, dažniausiai kondensatoriaus talpa nusakoma mikrofaradais (µF), nanofaradais (nF), pikofaradais (pF)

Plokščiojo kondensatoriaus talpa

${\displaystyle C={\frac {\epsilon _{0}\epsilon S}{d}}}$

kur

ε₀ – elektrinė konstanta;

S – kondensatoriaus plokštelių bendras plotas;

d – atstumas tarp elektrodų.

ε – dielektrinė skvarba;

Padidinus atstumą d, talpa sumažėja. Jei kondensatorius tuo metu įkrautas, įtampa padidėja. Šiuo principu veikia kondensatorinis mikrofonas.

Sferinio kondensatoriaus talpa

${\displaystyle C={\frac {4\pi \epsilon _{0}}{{\frac {1}{R_{1}}}-{\frac {1}{R_{2}}}}}}$

kur

ε₀ – elektrinė konstanta;

R₁, R₂ – kondensatorių sudarančių sferų spinduliai.

Cilindrinio kondensatoriaus talpa

${\displaystyle C={\frac {2\pi \epsilon _{0}l}{\ln({\frac {R_{2}}{R_{1}}})}}}$

kur

ε₀ – elektrinė konstanta;

R₁, R₂ – kondensatorių sudarančių cilindrų spinduliai.

l – cilindrų ilgis.

Jei kondensatoriuose naudojamas dielektrikas, visose formulėse ε₀ reikia padauginti iš dielektriko dielektrinės skvarbos ε (vietoj ε₀ – ε₀ε).

Kondensatoriaus sukaupta energija

Energija sukaupta kondensatoriuje:

${\displaystyle W_{c}={\frac {CU^{2}}{2}}={\frac {qU}{2}}={\frac {q^{2}}{2C}};}$

kur

W_c – energija [J];

C – talpa [F];

U – įtampa [V];

q - krūvis [C].

Kondensatoriaus reaktyvioji varža

${\displaystyle X_{c}={\frac {1}{2\pi fC}};}$

kur

X_c – varža [Ω];

f – srovės dažnis [Hz];

C – talpa [F].

Kondensatoriaus ypatumai

Jei kondensatorius įkrautas ir atjungtas, krūvis yra pastovus ${\displaystyle (q=const)}$.

Jei kondensatorius prijungtas prie šaltinio, įtampa yra pastovi ${\displaystyle (U=const)}$.

Kondensatoriai tarpusavyje gali būti jungiami tiek nuosekliai, tiek lygiagrečiai:

Kondensatorių tarpusavio jungimas

Nuoseklus jungimas	Lygiagretus jungimas
Nuosekliai sujungti kondensatoriai	Lygiagrečiai sujungti kondensatoriai
${\displaystyle C^{-1}=C_{1}^{-1}+C_{2}^{-1}+...+C_{n}^{-1}}$	${\displaystyle C=C_{1}+C_{2}+...+C_{n}}$
${\displaystyle q=const}$	${\displaystyle U=const}$

Taip pat skaitykite

• Elektrinė talpa

Šaltiniai

1. TARASONIS, Vytautas. Fizika: vadovėlis XI–XII klasei . Vilnius: Mokslo ir enciklopedijų leidykla, 1995, 104 p. ISBN 5-420-00253-1.