|
Een condensator met een capaciteit van 220 nF. U gebruikt dit gezegde waarschijnlijk dagelijks in uw elektronica praktijk. Maar wat is een condensator? En waarom heeft een condensator capaciteit? Ga weer mee op expeditie door de grondbeginselen van uw elektronica hobby! |
Wat is capaciteit?
Definitie met woorden
Onder capaciteit verstaat men de verhouding tussen de lading op een geleider en zijn potentiaal ten opzichte van de aarde. Die verhoudingsfactor heeft als symbool C en als eenheid de Farad F. Deze eenheid is genoemd naar de wetenschapper Faraday, die zo veel heeft bijgedragen aan de inzichtvorming rond lading en veld. Een tijdgenoot karakteriseerde Faraday met 'Prometheus heeft, zegt men, ons mensen het vuur geschonken. Aan Faraday danken wij de elektriciteit'.
U zou dus kunnen samenvatten dat de capaciteit van een geleider een maat is voor hoeveel lading die geleider kan bevatten bij een gegeven potentiaal. Hoe groter de capaciteit, hoe meer lading er in de geleider opgeslagen kan worden!
 |
| Michael Faraday, 22/09/1791 - 25/08/1867, die wij eren met de eenheid van capaciteit, de farad. (© Wikimedia Commons) |
| FORMULES IN DIT ARTIKEL |
|---|
| VERMENIGVULDIGEN:
Het vermenigvuldigingsteken wordt voorgesteld door een bullet tussen de factoren: a • b = c DELEN: Het gedeeld door teken wordt voorgesteld door een schuine streep: a / b = c |
Definitie met wiskunde
Onder de vorm van een formule uitgedrukt kunt u deze definitie kort en krachtig samenvatten met:
Q = C • V
of:
C = Q / V
De Farad
Een geleider heeft een capaciteit van 1 F(arad) als er tussen deze geleider en de aarde een potentiaal van 1 V staat en de geleider opgeladen is tot een lading van 1 C. Nu is deze eenheid veel te groot, zodat u in de dagelijkse praktijk van de elektronica steeds met de deelfactoren µF, nF en pF zult werken. Voluit staan deze afkortingen voor microfarad, nanofarad en picofarad:
- 1 µF = 0,000.001 F
- 1 nF = 0,000.000.001 F
- 1 pF = 0,000.000.000.001 F
Het diëlektricum
De stof tussen twee geleiders
Tot nu toe hebben wij steeds aangenomen dat geleiders leven in een ruimte waar niets aanwezig is, het zogenoemde absolute vacuüm. In de praktijk zal dat natuurlijk nooit het geval zijn. Tussen de geleiders bevindt zich bijvoorbeeld lucht of een of andere isolator. De stof die tussen de geleiders zit noemt men het 'diëlektricum'. Dit feit heeft tot gevolg dat alle formules die zijn opgesteld voor het vacuüm niet meer gelden.
Diëlektrische polarisatie
Want wat is het geval? Zoals uit onderstaande figuur blijkt zullen de atomen en moleculen, waaruit het diëlektricum is samengesteld, een invloed ondervinden van het elektrisch veld tussen beide geladen geleiders. Vrije ladingsdragers, die ook in absolute isolatoren toch nog steeds aanwezig zijn, zullen zich onder invloed van het veld gaan richten. Er ontstaan zogenoemde molecuul dipolen. Het verschijnsel waardoor deze dipolen ontstaan noemt men 'diëlektrische polarisatie'. Door deze polarisatie wordt een deel van de op de geleiders aanwezige ladingen geneutraliseerd. Het gevolg is dat het potentiaal van de ene geleider ten opzichte van de andere gaat dalen. U kunt dit ook anders uitdrukken: als de lading tussen de geleiders identiek blijft, dan heeft dit tot gevolg dat het potentiaalverschil groter wordt.
 |
| De invloed van het diëlektricum op de eigenschappen van twee geladen geleiders. (© 2017 Jos Verstraten) |
De invloed van het diëlektricum kan (gelukkig) ingecalculeerd worden door slechts één extra factor in de formules op te nemen. Deze factor noemt men de 'diëlektrische constante', die wordt voorgesteld door het Griekse symbool epsilon, ε. In feite bestaat deze term uit twee deelfactoren, de absolute diëlektrische constante ε0 en de relatieve diëlektrische constante εr.
In formulevorm:
ε = εo • εr
De absolute constante is geldig als wordt gerekend aan capaciteiten die lucht als diëlektricum hebben, de relatieve constante geeft aan hoeveel keer de capaciteit vergroot moet worden om identieke ladingen te krijgen als u iets anders gebruikt dan lucht als diëlektricum. Het zal dus duidelijk zijn dat εr voor lucht gelijk is aan 1.
De eenheid van ε
De eenheid van de diëlektrische constante is F/m, Farad per meter. De waarde van de absolute diëlektrische constante wordt gegeven door:
εo = 10-9 / 36 • π (F/m)
Hierin is π uiteraard pi, het bekende getal van Pythagoras, gelijk aan 3,1416....
Uitgerekend levert dit een waarde voor ε0 op van 8,885 • 10-12 F/m.
Berekenen van de capaciteit ten opzichte van de aarde
De capaciteit tussen een ruimtelijk voorwerp en de aarde is alleen afhankelijk van de afmetingen van het voorwerp en de diëlektrische constante van het materiaal tussen de geleider en de aarde. Zelfs als de vorm van het voorwerp relatief eenvoudig is en dus wiskundig goed te beschrijven, zijn de toe te passen formules toch nog heel ingewikkeld.
De condensator
Van puntlading naar ruimtelading
De wet van Coulomb geldt alleen voor puntladingen in het absolute vacuüm. Nu is dat een voorbeeld dat u zelden of nooit in de praktijk zult aantreffen. In de meeste gevallen zullen ladingen ruimtelijk over minstens twee voorwerpen verdeeld zijn. Twee geleidende voorwerpen, die op een bepaalde afstand van elkaar staan opgesteld, noemt men een 'condensator'. De afstand tussen beide platen is natuurlijk weer opgevuld met een of ander diëlektricum.
De vlakke condensator
De meest eenvoudige uitvoering van een condensator is de vlakke condensator. Deze condensator bestaat uit twee even grote volledig vlakke geleidende platen, die bovendien evenwijdig ten opzichte van elkaar staan opgesteld. Tussen de platen zit een diëlektricum. Natuurlijk kunnen deze twee platen opgeladen worden en de vraag die aan de orde komt is hoe het dan zit met de capaciteit tussen beide platen. Nu kan immers niet meer een punt op de aarde of in het oneindige als nulreferentie worden gebruikt. In onderstaande figuur is een dergelijke vlakke condensator getekend.
 |
| De vlakke condensator bestaat uit twee vlakke geleiders, platen genoemd, van elkaar gescheiden door het diëlektricum. (© 2017 Jos Verstraten) |
De capaciteit van zo'n condensator kunt u berekenen met de formule die in bovenstaande figuur is weergegeven. Hierin stelt A het oppervlak van de platen voor en d de afstand tussen beide platen.
De lading over een vlakke condensator
De lading over een vlakke condensator wordt nog steeds gegeven door de reeds bekende formule:
Q = C • V
Het elektrisch veld over een vlakke condensator
Het elektrisch veld is tussen beide platen aanwezig onder de vorm van evenwijdig lopende veldlijnen. Aan de randen van de platen lopen de veldlijnen steeds meer cirkelvormig weg. Het veld in en rond een vlakke condensator is getekend in onderstaande figuur.
 |
| De verdeling van de veldlijnen in en rond een vlakke condensator. (© 2017 Jos Verstraten) |
Deze grootheid wordt gegeven door de uitdrukking:
E = U / d
Hierin staat U staat voor het potentiaalverschil over de condensator en d voor de afstand tussen de platen.
|
|
Klasse A hoofdtelefoon buizen versterker
