Fysiikka 6 – luku 3 Kondensaattori

Kondensaattori on sähkötekniikan komponentti, joka muodostuu kahdesta lähekkäin olevasta johdekappaleesta ja niiden välisestä eristekerroksesta. Kondensaattori voi olla levy- tai säätökondensaattori. Kondensaattorityyppejä ovat mm. polyesterikondensaattorit ja elektrolyyttikondensaattorit. Elektrolyyttikondensaattoreilla on suurempi sähkönvaraamiskyky kuin muilla ulkoisilta mitoiltaan samankokoisilla kondensaaattoreilla.

                                                                                                                                      

Kondensaattoreihin voidaan varastoida sähkövarausta ja energiaa. Niitä voidaan käyttää esim mittalaitteena tai virtakatkaisimissa estämään kipinöintiä katkaisuhetkellä.

Kapasitanssi

Kaksi varautunutta, lähekkäin olevaa johdelevyä muodostavat levykondensaattorin. Kun kondensaattoria ladataan tasajännitteellä, sen levyt varautuvat. Piirissä havaitaan virta vain silloin, kun kondensaattori latautuu tai purkautuu! Muista tämä! Tasavirta ei siis kulje kondensaattorin läpi! Kondensaattorin kapasitanssi on kondensaattorille ominainen suure, joka kuvaa kondensaattorin sähkönvaraamiskykyä. Kapasitanssi on

C = Q / U

misssä Q on kondensaattorin sähkövaraus ja U jännite. Kapasitanssin yksikkö on 1 F (faradi).

Solukalvot ovat elimistön omia kondensaattoreita

Laitetaampas vähän asiaa liittyvää biologiaa tähän fysiikan sekaan. Täytyy yrittää olla poikkitieteellinen. Niin, solukalvot ovat siis elimistön omia kondensaattoreita. Solukalvo  on eristekerros, jonka sisä- ja ulkopintojen välillä on millivolttien suuruusluokkaa oleva jännite. Jännite vaikuttaa molekyylien ja ionien virtaamiseen solukalvojen läpi ja siten solujen aineenvaihduntaan.

Levykondensaattori

Kondensaattorin levyjen välissä käytetään eristettä estämään varausten purkautuminen. Eristeen materiaali ja paksuus määräävät kondensaattorin jännitekeston eli rajajännitteen, jonka kondensaattori kestää niin, ettei levyjen välillä tapahdu läpilyöntiä eli sähkönpurkausta. Läpilyönnissä eristeen läpi iskevä kipinä purkaa levyjen varauksen ja rikkoo kondensaattorin. Levykondensaattorin kapasitanssi on

                                

joissa ɛ on eristeen permittiivisyys, ɛr eristeen suhteellinen permittiivisyys ja ɛ0 tyhjiön permittiivisyys. A on kondensaattorilevyn pinta-ala ja d levyjen välimatka.

Kondensaattorin energia

Kondensaattori voidaan varata jännitelähteen avulla. Sitä varattessa joudutaan tekemään työtä, koska levyillä jo olevat varaukset vastavat uusien varausten tuontia. Kondensaattoria ladattaessa tehty työ varastoituu metallilevyjen varattujen hiukkasten potentiaalienergiaksi eli kondensaattorin energiaksi. Kondensaattorin energia on

E = ½ QU tai E = ½ CU²

Pysähtynyt sydän voidaan elvyttää asettamalla rintakehälle elektrodit, joihin kytketään lyhyeksi ajaksi jännite. Sähköisku voi käynnistää sydämen. Kannettavissa elvytyslaitteissa, defibrillaattoreissa, sähköiskuihin tarvittava energia saadaan purkamalla kondensaattorin varaus.

Kondensaattorien kytkennät

Kondensaaattorien rinnankytkentä

C = C1 + C2 + C3 + ....+ Cn

Kondensaattorien sarjakytkentä

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...+ 1/Cn