Hlavní obsah

Kurz: Fyzika - elektřina a magnetismus > Kapitola 2

Lekce 5: Kondenzátory

Kondenzátory

Co jsou kondenzátory?

Kondenzátory ukládají elektrickou energii tím, že na jedné vodivé destičce udržují kladný náboj a na druhé, která je od té první oddělena izolačním materiálem, udržují náboj záporný. Tyto náboje se přirozeně přitahují, ale izolace jim brání v tom, aby se přiblížily. V kondenzátoru je tak uložena potenciální energie a k jejímu uvolnění dojde v okamžiku, kdy je nábojům umožněno se dostat k sobě. V nejjednodušším případě nabijeme kondenzátor tak, že z jedné (kladné) destičky přemístíme elektrony na druhou (zápornou).

Nabitá tělesa kolem sebe vytvářejí elektrická pole směřující od oblastí s kladnými náboji k záporně nabitým částem. V jednoduchém deskovém kondenzátoru míří elektrické pole skrz izolační vrstvu mezi oběma rovnoběžnými destičkami. Elektrická pole jdou ruku v ruce s rozdíly potenciálů, takže není divu, že na každé z destiček je jiné napětí. Velikost tohoto napětí (

U

) odpovídá množství náboje (

Q

) uloženého na destičkách.

Q = C U

Konstanta C se nazývá kapacita kondenzátoru. Závisí na ní množství náboje, které je kondenzátor schopen pojmout pod určitým napětím. Kondenzátoru s velkou kapacitou stačí malé napětí k tomu, aby na svých destičkách uložil velké množství náboje

Q

Jakmile máme v kondenzátoru uložený náboj, můžeme jej přimět konat práci jednoduše tím, že kondenzátor připojíme do elektrického obvodu. Náboj jím projde v podobě elektrického proudu a cestou vykoná práci, například rozsvícením žárovky. Celková energie nabitého kondenzátoru souvisí s jeho kapacitou

C

a napětím

U

, a je dána vztahem:

W = C U^{2} / 2

Připojíme-li kondenzátor s kapacitou

C

ke zdroji napětí

U

, pomalu se na každé destičce nahromadí náboj

Q

. Po odpojení zdroje tento náboj může setrvat na destičkách teoreticky nekonečně dlouhou dobu, dokud kondenzátor nezapojíme do elektrického obvodu, kde se vybije. Kondenzátory fungují podobně jako nabíjecí baterie. Neuchovávají ale energii pomocí chemických reakcí, ale na základě fyzikálního principu, který brání jejich kladným a záporným nábojům ve vzájemném pohybu. Proto se nabíjejí i vybíjejí mnohem rychleji a jsou tedy užívány tam, kde potřebujeme rychlé a velké toky elektrického náboje, jako například v blescích fotoaparátů.

Ukládá se na kondenzátorech náboj?

Kondenzátory neukládají elektrický náboj, ale spíš rozdíl náboje. Je-li na jedné destičce kondenzátoru náboj 1 coulombu, bude na druhé destičce náboj -1 coulombu, takže celkový náboj (po sečtení obou destiček) je nulový. Pokud kondenzátor zkratujeme vodivým spojením obou destiček, uvidíme rychlý záblesk proudu (podle velikosti kondenzátoru může jít doslova o malý blesk), jak se elektrony z destičky s -1 coulombem hrnou na destičku s +1 coulombem. Tím se uvolní veškerá energie, která je v kondenzátoru uložená.

Abychom pochopili princip deskových kondenzátorů, představme si tuto situaci: začínáme se dvěma nenabitými kovovými deskami (

Q = 0

). Připojíme zdroj napětí, který pošle na jednu stranu kondenzátoru jediný elektron. Tento elektron má elektrické pole, které odpuzuje ostatní elektrony, včetně těch na protilehlé destičce. Tím na ní indukuje kladný náboj. Tím pádem má naše první destička náboj

- 1 e

a druhá destička

+ 1 e

, kde

e

je elementární náboj elektronu.

Teď si představme, že celý proces opakujeme tak dlouho, až se na jedné destičce nahromadí spousta záporného náboje, která indukuje stejné množství kladného náboje v druhé destičce. Za nějakou dobu je na první destičce tolik záporného náboje, že odpudí každý další elektron, který se na ní pokusíme přivést. Tak to vypadá, když je kondenzátor plně nabitý. Tento maximální náboj

Q

odpovídá koncovému napětí kondenzátoru podle vzorce

Q = C V

Jaký má na tento proces vliv tvar kondenzátoru?

Vzdálenost mezi deskami: Čím dál od sebe obě desky jsou, tím méně pociťují elektrony na druhé desce odpudivou sílu elektronů na desce první. Tím pádem je těžší přidávat na zápornou první desku elektrony: kdyby desky byly nekonečně daleko od sebe, snažili bychom se vlastně jenom tlačit záporně nabité částice na záporně nabitý povrch, což je dost obtížné. Dáme-li desky k sobě, máme vlastně zkratovaný obvod, kterým elektrony procházejí velice snadno. To všechno znamená, že kapacita deskového kondenzátoru je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi jeho deskami.

Plocha desek: Čím větší destičky máme, tím snazší je na ně přivést další náboj. Na dvou širokých deskách se vzájemně odpuzující náboje mohou rozprostřít, zatímco malé desky se brzy zaplní. Z toho můžeme usoudit, že kapacita kondenzátoru musí být přímo úměrná ploše jeho desek.

Tuto závislost můžeme vyjádřit vzorcem kapacity deskového kondenzátoru:

C = ɛ S / d

S

je obsah plochy jedné desky a

d

je vzájemná vzdálenost desek. ɛ je konstanta zvaná permitivita, která určuje, jak snadné je pro elektrické pole projít materiálem izolační vrstvy. Různé materiály mají různou hodnotu této konstanty. Čím vyšší tuto konstantu materiál má, tím lepší zpravidla je pro výrobu kondenzátorů. Jednotkou kapacity je 1 F (farad).

Praktické využití: srdeční defibrilátory

Někdy člověku přestane bít srdce pravidelně. Ukazuje se, že nejlepší způsob, jak jej přimět ke správné činnosti je pomocí obřího kondenzátoru. Když srdce pacienta nebije se správnou frekvencí (tomu se říká fibrilace), medici připojí k jeho hrudi dvě elektrody. Ty jsou napojeny na defibrilátor, který vlastně není nic jiného než baterie a kondenzátor s obrovskou kapacitou. Baterie nabíjí desky poměrně pomalu a na "restart" srdce nestačí. Když se ale nabije kondenzátor, ten při vybití pošle elektrodami a hrudí pacienta silný elektrický výboj, který má šanci srdeční rytmus stabilizovat.

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení

Setřídit podle:

Zatím žádné příspěvky.

Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.