Τι καθορίζει την χωρητικότητα ενός πυκνωτή;

Ο πυκνωτής έχει σχεδιαστεί για προσωρινή αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με τη μορφή δυναμικής ενέργειας που χωρίζεται στο χώρο σε θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία, δηλαδή με τη μορφή ηλεκτρικού πεδίου στο χώρο μεταξύ τους. Κατά συνέπεια, ένας ηλεκτρικός πυκνωτής περιλαμβάνει τρία κύρια εξαρτήματα: δύο αγώγιμες πλάκες, στις οποίες βρίσκονται χωριστά φορτία σε έναν πυκνωτή φορτίου και ένα διηλεκτρικό στρώμα που βρίσκεται μεταξύ των πλακών.

Οι πλάκες πυκνωτών, ανάλογα με τον τύπο αυτού του ηλεκτρικού προϊόντος, μπορούν να κατασκευαστούν με διαφορετικούς τρόπους, από απλές πλάκες αλουμινίου τυλιγμένες σε ρολό με ενδιάμεση στρώση χαρτιού έως χημικά οξειδωμένες πλάκες ή επιμεταλλωμένο διηλεκτρικό στρώμα. Σε κάθε περίπτωση, υπάρχει ένα στρώμα διηλεκτρικού και μια πλάκα μεταξύ της οποίας είναι σφιχτά στερεωμένο - αυτός είναι βασικά ένας πυκνωτής.

Το διηλεκτρικό μπορεί να είναι χαρτί, μαρμαρυγία, πολυπροπυλένιο, ταντάλιο ή άλλο κατάλληλο ηλεκτρικό μονωτικό υλικό με την απαιτούμενη διηλεκτρική σταθερά και ηλεκτρική αντοχή.

Όπως γνωρίζετε, η ενέργεια των ηλεκτρικών φορτίων που διαχωρίζονται στο χώρο είναι ίση με το γινόμενο της ποσότητας φορτίου Q που μετατοπίζεται (από το ένα σώμα στο άλλο) από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των φορτισμένων σωμάτων U.

Έτσι, η ενέργεια των διαχωρισμένων φορτίων στις πλάκες πυκνωτών εξαρτάται όχι μόνο από τον αριθμό των διαχωρισμένων φορτίων, αλλά και από τις παραμέτρους των πλακών του και του διηλεκτρικού, καθώς το διηλεκτρικό, όταν πολώνεται, αποθηκεύει ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρικού πεδίου, η ισχύς του οποίου καθορίζει τη διαφορά δυναμικού U μεταξύ των διαχωρισμένων φορτίων που βρίσκονται στις πλάκες του πυκνωτή.

Επειδή η διαφορά δυναμικού μεταξύ των φορτίων που διαχωρίζονται στο χώρο εξαρτάται από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και από την απόσταση μεταξύ τους. Στην πραγματικότητα — στο πάχος του διηλεκτρικού μεταξύ των φορτισμένων πλακών όταν πρόκειται για έναν πυκνωτή.

Ταυτόχρονα, όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή επικάλυψης των πλακών Α και όσο μεγαλύτερη είναι η απόλυτη (και σχετική) διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού - τόσο ισχυρότερα έλκονται μεταξύ τους τα διαχωρισμένα φορτία που βρίσκονται στις πλάκες - τόσο περισσότερο σημαντική δυναμική τους ενέργεια—τόσο περισσότερη δουλειά θα απαιτηθεί από την πηγή EMF για να φορτίσει αυτόν τον πυκνωτή.

Διαχωρίζοντας φορτία κατά τη διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων από τη μια πλάκα στην άλλη, η πηγή EMF εκτελεί ακριβώς τέτοιο όγκο εργασίας στη φόρτιση του πυκνωτή, η ποσότητα του οποίου θα είναι πανομοιότυπη ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή.

Με αυτήν την ασυνέχεια, η ενέργεια του φορτισμένου πυκνωτή, εκτός από την ποσότητα φορτίου που μεταφέρεται από πλάκα σε πλάκα, (μπορεί να είναι διαφορετική) θα εξαρτηθεί από την επικαλυπτόμενη περιοχή των πλακών Α, από την απόσταση μεταξύ των πλακών d , και στην απόλυτη διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού e.

Αυτές οι καθοριστικές παράμετροι της κατασκευής ενός συγκεκριμένου πυκνωτή είναι σταθερές, ο συνολικός λόγος τους μπορεί να ονομαστεί χωρητικότητα του πυκνωτή C. Τότε μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ότι η χωρητικότητα του πυκνωτή C εξαρτάται από την επικαλυπτόμενη περιοχή των πλακών Α , στην απόσταση μεταξύ τους d και της διηλεκτρικής σταθεράς e.

Η εξάρτηση της χωρητικότητας από αυτές τις παραμέτρους είναι πολύ εύκολα κατανοητή αν λάβουμε υπόψη έναν επίπεδο πυκνωτή.

Όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή επικάλυψης των πλακών του, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή, αφού τα φορτία αλληλεπιδρούν σε μεγαλύτερη περιοχή.

Όσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των πλακών (στην πραγματικότητα, το πάχος του διηλεκτρικού στρώματος), τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή, επειδή η δύναμη αλληλεπίδρασης των φορτίων αυξάνεται καθώς πλησιάζουν.

Όσο μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού μεταξύ των πλακών, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή, γιατί τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ των πλακών.

Δείτε επίσης:Γιατί χρησιμοποιούνται πυκνωτές στα ηλεκτρικά κυκλώματα; καιΠυκνωτές και μπαταρίες - Ποια είναι η διαφορά;