Dlaczego odległość między płytkami kondensatora wpływa na jego pojemność?

Dlaczego pojemność kondensatora wzrasta, gdy jego płytki są bliżej siebie?

Intuicyjne podejście: jeśli odległość nie byłaby czynnikiem, można by umieścić płyty w nieskończonej odległości od siebie i nadal mieć taką samą pojemność. To nie ma sensu. Spodziewałbyś się wtedy zerowej pojemności.
Jeśli kondensator jest naładowany do określonego napięcia, dwie płyty utrzymują nośniki ładunku o przeciwnym ładunku. Przeciwne ładunki przyciągają się, tworząc pole elektryczne,

i atrakcja jest silniejsza, im bliżej są. Jeśli odległość staje się zbyt duża, ładunki nie czują się już wzajemnie; pole elektryczne jest za słabe.

RYS. 1 do 4: Kondensator:

Oczywiste jest, że wraz ze zmniejszaniem się odległości między płytami rośnie ich zdolność do utrzymywania ładunków.

Ryc. 1 = Jeśli istnieje nieograniczona odległość między płytkami, nawet pojedynczy ładunek odepchnie kolejne ładunki, aby wejść na płytę.

Ryc. 2 = jeśli zmniejszy się liczba zakładów na odległość, mogą one utrzymywać więcej ładunków z powodu przyciągania z przeciwnie naładowanej płyty.

Ryc. 4 = przy minimalnej odległości między płytami, maksymalne przyciąganie między nimi umożliwia oboje utrzymywanie maksymalnej ilości ładunków.

Ponieważ pojemność C = q / V, C zmienia się z q, jeśli V pozostaje taki sam (podłączony do źródła potencjalnego prądu stałego). Zatem wraz ze zmniejszoną odległością wzrasta q, a więc wzrasta C.

Pamiętaj, że dla żadnego równoległego kondensatora płytowego odległość nie ma wpływu na V, ponieważ: V = W / q (praca wykonana na ładunek jednostkowy przy przenoszeniu go z płyty na drugą)

i W = F xd

i F = qx E

więc V = F xd / q = qx E xd / q

V = E xd Tak więc, jeśli d (odległość) stawki wzrosną, E (siła pola elektrycznego) będzie senny, a V pozostanie taki sam.

Pojemność jest naliczana według EMF. W szczególności Farady są kulombami na wolt. Gdy przesuniesz płytki bliżej przy tym samym przyłożonym napięciu, pole E między nimi (wolty na metr) wzrasta (wolty są takie same, liczniki stają się mniejsze). To silniejsze pole E może pomieścić więcej ładunków na płytach. Pamiętaj, że ładunki na talerzach wzajemnie się odpychały. Aby je tam utrzymać, potrzeba pola E, a im silniejsze pole E, tym więcej ładunków może tam utrzymać. Wyższe ładowanie przy tym samym napięciu oznacza wyższą pojemność (więcej kulomb przy tych samych woltach).

Aby uzyskać wiedzę techniczną, chcesz zapoznać się z prawem Coulomba . To stwierdza, że

„Wielkość siły elektrostatycznej oddziaływania między dwoma ładunkami punktowymi jest wprost proporcjonalna do skalarnego zwielokrotnienia wielkości ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi”. - Wikipedia

Wzór na to jest następujący:

$F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}$

$F$$k_e$$r$$q_1$$q_2$

Istnieją inne formy równania - takie jak to specjalnie dla pola elektrycznego:

$E = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{r^2}$

$r$$q$

Jeśli chcesz zacząć naprawdę technicznie, musisz zacząć czytać o mechanice kwantowej i interakcjach między cząstkami i energiami w niej zaangażowanymi.

Kiedy dwie cząstki (w tym przypadku elektrony) oddziałują, wysyłają między sobą cząstki kwantowe (fotony). Te, podobnie jak szczury w piwnicy, wymagają energii do poruszania się. Im większa odległość, tym wyższa energia. Im wyższa energia pobrana do poruszenia fotonów, tym niższy ładunek pozostały między dwiema płytkami.

To bardzo uproszczone spojrzenie na ten temat i do odkrycia jest o wiele więcej szczegółów - takie jak tunelowanie kwantowe, leptony, fermiony, bozony itp. Czytanie, jeśli masz czas, jest fascynujące. Polecam Krótką historię czasu Stevena Hawkinga jako dobry punkt wyjścia. Kontynuuj to z superstrunami F. Davida Peata i Poszukiwanie teorii wszystkiego, a nie popełnisz błędu. Chociaż obie te książki mają teraz trochę czasu na ząb i wszystkie teorie wciąż się rozwijają, dają one dobry wgląd w funkcjonowanie wszechświata na poziomie subatomowym.

Kluczową rzeczą do zrozumienia jest to, że jeśli na płytce jest więcej elektronów wchodzących niż wychodzących, to wytworzy ładunek ujemny, który posłuży do powstrzymania kolejnych elektronów przed wejściem (podobnie dla płyty z większą liczbą elektronów wychodzących niż przybywających) . Nie zajmie wiele elektronów wchodzących w izolowaną płytkę, aby ładunek narastał do milionów woltów. Jeśli jednak w pobliżu ujemnie naładowanej znajduje się dodatnio naładowana płytka, dodatnio naładowana płytka spróbuje przyciągnąć elektrony do siebie, a w konsekwencji do ujemnej (podobnie ujemnie naładowana płytka spróbuje odepchnąć elektrony od sama, a tym samym z dala od płyty dodatniej). Siła z płyty dodatniej, która próbuje wciągnąć elektrony, nie może całkowicie zrównoważyć siły płyty ujemnej, która próbuje je odepchnąć, ale jeśli płytki są blisko siebie, może to znacznie zrównoważyć. Niestety, jeśli płytki są zbyt blisko siebie, nie będą w stanie wytworzyć zbyt dużego ładunku, zanim elektrony zaczną przeskakiwać z jednej płyty na drugą.

Okazuje się, że istnieje pewien sposób na złagodzenie tego problemu. Niektóre materiały pozwalają na poruszanie się w nich elektronów, ale nie pozwalają elektronom na wejście lub wyjście. Umieszczenie takiego materiału (zwanego dielektrykiem) między dwiema płytami może znacznie poprawić wydajność kondensatora. Zasadniczo dzieje się tak, że różnica ładunku między płytkami ujemną i dodatnią przesuwa elektrony w dielektryku w kierunku dodatniego. Strona elektryczna w kierunku płytki ujemnej ma zatem względny niedobór elektronów, przyciągając elektrony w kierunku płytki ujemnej, podczas gdy strona w kierunku płyty dodatniej ma nadwyżkę elektronów, odsuwając elektrony od płyty dodatniej. Takie zachowanie może poprawić wydajność kondensatora o wiele rzędów wielkości.