Condensatoren zijn fundamentele componenten op het gebied van elektronica en spelen een cruciale rol in verschillende elektronische schakelingen. Het begrijpen van de concepten capaciteit en lading is essentieel voor iedereen die zich wil verdiepen in het domein van elektrotechniek. In dit artikel geven we een korte inleiding tot condensatoren, leggen we de capaciteit uit en gaan we dieper in op de vergelijking die hun gedrag bepaalt.
Wat is een condensator
Een condensator is een passieve elektronische component met twee aansluitingen die elektrische energie opslaat in een elektrisch veld. De structuur van een condensator bestaat uit twee geleidende platen, meestal van metaal, die uit elkaar zijn geplaatst met daartussen een diëlektrisch materiaal. Wanneer een spanningsverschil wordt aangelegd over de klemmen van een condensator, accumuleert het lading op zijn platen, waardoor er een elektrisch veld tussen ontstaat.
Wat is capaciteit
Capaciteit is een maat voor hoeveel elektrische energie kan worden opgeslagen per spanningseenheid over een apparaat of component. De eenheid van capaciteit is Farad.
Wat is lading
De lading wordt beschreven als de aanwezigheid van elektrische energie. Het symbool is Q en de eenheid is Coulomb.
Werking van condensatoren
Wanneer een elektrische spanning wordt geïntroduceerd over de klemmen van een condensator, initieert het elektrische veld tussen de platen de beweging van elektronen. De negatieve plaat van de condensator wordt een verzamelpunt voor elektronen die zijn verplaatst van de negatieve pool van de spanningsbron.
Tegelijkertijd verlaat een gelijk aantal elektronen de positieve plaat van de condensator en keert terug naar de positieve pool van de spanningsbron.
Deze accumulatie en herverdeling van lading gaat door totdat de condensator volledig is opgeladen, waarna de stroom van elektronen stopt. De lading die in een condensator is opgeslagen, kan worden bepaald met behulp van de vergelijking:
In de gegeven vergelijking symboliseert 'Q' de aanval verzameld binnen de condensator , 'C' staat voor de capaciteit , en 'V' staat voor de aangelegde spanning over de condensator.
Deze vergelijking geeft een proportioneel verband weer tussen de capaciteit en de aangelegde spanning, wat aantoont dat de hoeveelheid lading in een condensator direct verband houdt met beide variabelen. Daarom zal het verhogen van de capaciteit of de spanning resulteren in een hogere ladingsaccumulatie.
Capaciteit van een parallelle plaatcondensator
De capaciteit van een condensator wordt bepaald door het oppervlak van de platen (A) en de scheidingsafstand (d) daartussen, waarbij beide factoren van invloed zijn op de totale capaciteit. Hoe groter het plaatoppervlak, hoe groter de capaciteit, terwijl een kleinere afstand tussen de platen leidt tot een grotere capaciteit. Deze relatie wordt beschreven door de vergelijking:
Condensatoren hebben de mogelijkheid om elektrische energie op te slaan, waarbij de hoeveelheid opgeslagen energie (U) recht evenredig is met zowel het kwadraat van de aangelegde spanning (V) als de capaciteit (C) van de condensator. De vergelijking voor energie opgeslagen in een condensator wordt gegeven door:
Het kennen van de energie die in een condensator is opgeslagen, is van vitaal belang voor het ontwerpen van circuits, vooral in toepassingen waar energieafgifte of onmiddellijke stroomvereisten belangrijk zijn.
Capaciteit van een sferische condensator
Om de capaciteit van een bolvormige condensator te berekenen, moet u de straal van zowel de binnenste als de buitenste geleidende bollen kennen. De vorm van de condensator en de diëlektrische constante van het materiaal dat zich tussen de bollen bevindt, bepalen de capaciteit. De formule voor het berekenen van de capaciteit van een sferische condensator is:
Aan de andere kant wordt het symbool 'εᵣ' gebruikt om de relatieve permittiviteit of diëlektrische constante weer te geven van het materiaal dat zich tussen de bollen bevindt. Bovendien geeft 'r₁' de straal van de binnenbol aan, terwijl 'r₂' de straal van de buitenbol aangeeft.
Door de waarden van de straal en de diëlektrische constante van het materiaal te vervangen, kunt u de capaciteit van de sferische condensator berekenen. Het is vermeldenswaard dat als de binnenbol een verwaarloosbare straal heeft of als een puntlading wordt beschouwd, de capaciteitsformule vereenvoudigt tot:
In dit geval wordt de capaciteit uitsluitend bepaald door de straal van de buitenste bol en de diëlektrische constante van het materiaal.
Capaciteit van een cilindrische condensator
Om de capaciteit van een cilindrische condensator te berekenen, moet u de lengte van de condensator (L), de straal van de binnenste geleider (r₁) en de straal van de buitenste geleider (r₂) weten. De vorm van de condensator en de diëlektrische constante van het materiaal dat zich tussen de bollen bevindt, bepalen de capaciteit. De formule voor het berekenen van de capaciteit van een cilindrische condensator is:
Aan de andere kant wordt het symbool 'εᵣ' gebruikt om de relatieve permittiviteit of diëlektrische constante weer te geven van het materiaal dat zich tussen de bollen bevindt. Bovendien geeft 'r₁' de straal van de binnenbol aan, terwijl 'r₂' de straal van de buitenbol aangeeft.
Conclusie
Condensatoren zijn cruciale componenten als het gaat om elektronica, die energieopslag en spanningsregeling mogelijk maken. Capaciteit, gemeten in farad (F), kwantificeert het vermogen van een condensator om lading op te slaan. Het is recht evenredig met de opgeslagen lading (Q) en omgekeerd evenredig met de spanning (V) over de klemmen van de condensator.