Blesk fotoaparátu a dotykový displej na telefonu nejsou bez kondenzátorů možné. Proč, ani jedno moderní zařízení nebude fungovat bez kondenzátoru. Hlavním parametrem kondenzátoru je elektrická kapacita, o které si budeme povídat.
· Aktualizováno 23. června 2023
Elektrická kapacita vodičů
Vodiče mohou nejen vést elektrický proud skrz sebe, ale také akumulovat náboj. Tato schopnost je charakterizována takovým parametrem, jako je elektrická kapacita.
Elektrická kapacita
C = q/φ
С — elektrická kapacita [F]
q — elektrický náboj [C]
φ — potenciál [V]
Kondenzátory
Schopnost ukládat náboj je užitečná věc, a proto lidé přišli s kondenzátory. Jedná se o zařízení, která pomáhají využít elektrickou kapacitu vodičů pro praktické účely.
Kondenzátor sestává ze dvou nebo více vodivých desek (desek) oddělených dielektrikem. Mezi vodivými deskami se vytváří elektrické pole, jehož všechny siločáry jdou z jedné desky na druhou.
Nabíjení kondenzátoru je proces akumulace náboje na jeho dvou deskách. Náboje na nich jsou stejné velikosti a opačného znaménka.
Elektrická kapacita kondenzátoru se měří poměrem náboje na jedné z desek k potenciálnímu rozdílu mezi deskami:
Kapacita kondenzátoru
C = q/U
С — elektrická kapacita [F]
q — elektrický náboj [C]
U — napětí (potenciální rozdíl) [V]
Podle zákona zachování náboje, pokud jsou desky nabitého kondenzátoru spojeny vodičem, pak jsou náboje neutralizovány a přecházejí z jedné desky na druhou. To se stane vybití kondenzátoru.
Každý kondenzátor má omezení napětí. Pokud se ukáže, že je příliš velký, stane se to dielektrický průraz, to znamená, že k výboji dojde přímo přes dielektrikum. Takový kondenzátor již nebude fungovat.
Typy kondenzátorů
Zvláštností elektrické kapacity je, že závisí na tvaru vodiče. Každý typ vodiče má svůj vlastní vzorec pro výpočet elektrické kapacity.
Nejjednodušší je vypočítat elektrickou kapacitu plochého kondenzátoru. Paralelní deskový kondenzátor se skládá ze dvou kovových desek, mezi kterými je umístěna dielektrická látka.
Elektrická kapacita plochého kondenzátoru
— relativní dielektrická konstanta média [—]
– plocha desky [m 2 ]
— vzdálenost mezi deskami [m]
Nejoblíbenější kondenzátor je válcový. Skládá se ze dvou kovových válců zasazených do sebe a dielektrika, které vyplňuje prostor mezi nimi. Uvažujme vzorec pro elektrickou kapacitu takového kondenzátoru.
Elektrická kapacita válcového kondenzátoru
— relativní dielektrická konstanta média [—]
— poloměry válců [m]
je přirozená logaritmická funkce, která závisí na poloměrech válců
Kulový kondenzátor se skládá ze dvou vodivých kuliček zasazených do sebe a nevodivé kapaliny, která vyplňuje prostor mezi nimi.
Elektrická kapacita kulového kondenzátoru
— relativní dielektrická konstanta média [—]
Pojďme si shrnout vše, co jsme se naučili, v cheat sheetu:
Energie kondenzátoru
Kondenzátor, jako každý systém nabitých těles, má energii. Pro nabití kondenzátoru je třeba oddělit záporné a kladné náboje. Podle zákona zachování energie bude tato práce přesně rovna energii kondenzátoru.
Není těžké dokázat, že nabitý kondenzátor má energii. K tomu budete potřebovat elektrický obvod obsahující žárovku a kondenzátor. Když se kondenzátor vybije, lampa bude blikat – to znamená, že energie kondenzátoru byla přeměněna na tepelnou a světelnou energii.
K odvození vzorce pro energii plochého kondenzátoru potřebujeme vzorec pro energii elektrostatického pole.
Energie elektrostatického pole
Wp = qEd
Wp — energie elektrostatického pole [J]
q — elektrický náboj [C]
E — intenzita elektrického pole [V/m]
d — vzdálenost od nabití [m]
V případě kondenzátoru d bude představovat vzdálenost mezi deskami.
Náboj na deskách kondenzátoru je stejně velký, takže můžeme uvažovat intenzitu pole vytvořenou pouze jednou z desek.
Síla pole jedné desky se rovná E/2Kde Е je intenzita pole v kondenzátoru.
V jednotném poli jedné desky je náboj q, distribuované po povrchu jiné desky.
Pak je energie kondenzátoru:
Wp = qEd/2
Potenciální rozdíl mezi deskami kondenzátoru může být reprezentován jako součin napětí a vzdálenosti:
U = Ed
Wp = qU/2
Tato energie se rovná práci, kterou vykoná elektrické pole, když se desky přiblíží k sobě.
Nahrazením rozdílu potenciálu nebo náboje ve vzorci pomocí výrazu pro elektrickou kapacitu kondenzátoru C = q/U, dostaneme tři různé vzorce pro energii kondenzátoru:
Energie kondenzátoru
Wp = qU/2
Wp — energie elektrostatického pole [J]
q — elektrický náboj [C]
U — napětí na kondenzátoru [V]
Energie kondenzátoru
Wp = q2/2C
Wp — energie elektrostatického pole [J]
q — elektrický náboj [C]
C — elektrická kapacita kondenzátoru [F]
Energie kondenzátoru
Wp = CU 2 /2
Wp — energie elektrostatického pole [J]
C — elektrická kapacita kondenzátoru [F]
U — napětí na kondenzátoru [V]
Tyto vzorce jsou platné pro jakýkoli kondenzátor.
Online škola pro Jednotnou státní zkoušku a Jednotnou státní zkoušku od Skyeng – příprava na klíč na rok s garancí 240+ bodů za 3 předměty Získejte konzultaci
Aplikace kondenzátorů
V každém moderním zařízení je kondenzátor. Podívejme se na dva nejzřetelnější příklady.
Příklad času – flash
Bez kondenzátoru by blesk ve fotoaparátu nefungoval tak, jak jsme zvyklí, ale s velkými prodlevami a také by rychle vybil baterii. Kondenzátor v tomto případě funguje jako baterie. Akumuluje náboj z baterie a uchovává jej, dokud není potřeba. Když potřebujeme záblesk, vybije se kondenzátor tak, že vystřelí a ptáček vyletí.
Příklad dva – dotyková obrazovka
Dotykový displej vašeho telefonu funguje na podobném principu jako kondenzátor. Samotný smartphone má samozřejmě také mnoho kondenzátorů, ale tento princip je mnohem zajímavější.
Lidské tělo totiž umí i elektřinu vést – má dokonce odpor a elektrickou kapacitu. Lidský prst tedy můžeme považovat za desku kondenzátoru – tělo je vodič, proč ne. Ale pokud přiložíte prst blízko ke kovové desce, dostanete špatný kondenzátor.
Do obrazovky telefonu je zabudována matrice mikroskopických destiček. Když na jeden z nich přiložíme prst, vytvoří se jakýsi kondenzátor. Když přiblížíme prst k druhé desce, je tam další kondenzátor. Telefon neustále kontroluje destičky, a pokud zjistí, že se náhle změnila elektrická kapacita některé z nich, znamená to, že je poblíž prst. Souřadnice desky se změněnou elektrickou kapacitou se přenesou do operačního systému telefonu a ten rozhodne, co s těmito souřadnicemi udělá.
Mimochodem, totéž lze udělat, pokud vezmete obyčejnou klobásu a přesunete ji po obrazovce smartphonu. Dotyková obrazovka bude reagovat na všechny kontakty, stejně jako reaguje na lidský prst.
Není to jediná možnost implementace dotykové obrazovky, ale jedna z nejlepších dnes. To je to, co iPhone používá.
Učit se fyziku na příkladech ze života může být velmi zajímavé. Vyzkoušejte to a přesvědčte se sami v klasickém kurzu fyziky pro 10. ročník.
