Elektrické obvody
Elektrické obvody (15/15) · 6:27

Dielektrikum v kondenzátorech Ukážeme si, proč do kondenzátorů přidáváme dielektrikum a jakým způsobem ovlivňuje kapacitu.

Navazuje na Elektřinu.
Ve většině kondenzátorů je nevodivý materiál vložen mezi 2 kovové kusy a dohromady tak tvoří kondenzátor. Jsou pro to 2 hlavní důvody. První je ten, že nevodivý materiál zabraňuje tomu, aby se kovové kusy vzájemně dotýkaly. To je důležité, protože kdyby se dotýkaly, neuložil by se žádný náboj, protože by se spojil obvod. Ale je tu i další výhoda vložení nevodivého materiálu mezi desky kondenzátoru. Pokaždé to zvýší jeho kapacitu. Tedy pokud se jedná o nevodivý materiál. Dokonce ani nezáleží, co je to za materiál. Pokud se nezmění velikost prostoru oddělujícího desky, tak vložení nevodivého materiálu vždy způsobí navýšení kapacity. Nevodivé materiály vkládané mezi desky kondenzátoru nazýváme dielektrikum. Ale proč dielektrikum zvyšuje kapacitu? Pojďme se podívat na příklad. Pokud připojíte baterii s napětím V ke kondenzátoru, způsobí to oddělení náboje. Teď řekněme, že odebereme baterii. Náboje zůstanou na deskách, protože se nemají jak dostat k sobě. Takže i po odpojení baterie zůstane náboj na deskách stejný. A napětí také zůstane stejné jako bylo napětí baterie, která je nabila. Nyní si představte vložení dielektrika mezi desky kondenzátoru. Dielektrický materiál je tvořený z atomů a molekul. Při vložení mezi desky nabitého kondenzátoru budou záporné náboje v dielektriku přitahovány ke kladné desce kondenzátoru. Ale tyto záporné náboje nemohou přejít do kladné desky, protože dielektrikum je z nevodivého materiálu. Záporné náboje se mobou pouze posunout nebo "naklonit" směrem ke kladné desce. To způsobí, že se náboj v atomech a molekulách uvnitř dielektrika zpolarizuje. Jinak řečeno, atom se v podstatě roztáhne, takže jeden konec bude zápornější a druhý kladnější. Může se také stát, že materiál dielektrika může být ze začátku polarizovaný, protože u některých molekul je to běžné. Například voda. Když je takové dielektrikum umístěno mezi nabité desky, tak přítažlivost mezi zápornou stranou polarizované molekuly a kladné desky kondenzátoru způsobí, že se polarizované molekuly otočí, čímž se záporné části dostanou o něco blíže ke kladně nabité desce kondenzátoru. Každopádně konečným výsledkem je, že negativní části atomů a molekul budou směřovat ke kladně nabité desce kondenzátoru a kladné části atomů a molekul budou směřovat k záporné desce. A jak tohle zvýší kapacitu? Důvodem ke zvýšení kapacity je to, že dojde k snížení napětí mezi deskami kondenzátoru. Napětí je snížené, protože ačkoliv je na deskách stále stejné množství nábojů, tak jejich vliv na napětí napříč deskami je částečně vyrušen. Jinými slovy, vliv některých kladných nábojů působících na desku je vyrušen, protože vedle nich je záporně nabitý náboj. Stejně tak na záporné straně je stejné množství záporných nábojů, ale vliv některých záporných nábojů na napětí je vyrušen, protože jsou hned vedle nich kladně náboje. Takže výsledný náboj kondenzátoru zůstane stejný, ale napětí napříč deskami bude sníženo díky polarizaci dielektrika. Když se podíváme na definici kapacity, uvidíme, že pokud náboj zůstane stejný a napětí se sníží, tak se kapacita zvýší, protože dělení napětí malým číslem povede k vyšší hodnotě kapacity. Takže vložení dielektrika v tomto případě zvýší kapacitu snížením napětí. Pojďma na další příklad vložení dielektrika. Opět necháme baterii s napětím V plně nabít kondenzátor. A nyní vložíme mezi desky dielektrikum. Ale tentokrát necháme baterii připojenou. Co se teď bude dít? No, stejně jako minule se atomy a molekuly v dielektriku začnou roztakovat a otáčet, takže záporné směřují ke kladné desce a kladné směřují k záporné desce, což opět zredukuje napětí mezi deskami. Ale nezapomeňme, že jsme ponechali baterii, a ta se bude velmi snažit, aby napětí napříč konenzátorem bylo stejné jako napětí V baterie. Protože to je to, co baterie dělají. Snaží se udržet konstantní napětí. Takže protože dielektrikum redukuje napětí zrušením vlivu některých nábojů, tak baterie způsobí ještě větší oddělení nábojů, dokud nebude napětí kondenzátoru opět stejné jako napětí baterie. Dojde tím ke zvýšení počtu nábojů v kondenzátoru, ale napětí zůstane stejné. Podle definice kapacity, dojde po vložení dielektrika ke zvýšení počtu nábojů. Ale napětí napříč deskami zůstane stejné, jelikož je stále připojena stejná baterie. Takže vložení dielektrika vede opět ke zvýšení kapacity, tentokrát uložením většího množství nábojů při stejném napětí. Abychom zjistili, o kolik jsme zvýšili kapacitu, musíme znát veličinu, kterou nazýváme dielektrická konstanta materiálu, který jsme vložili mezi desky kondenzátoru Dielektrická konstanta je často označována řeckým písmenem kappa, nebo prostě jen K. Vzorec pro zjištění toho, jak dielektrikum ovlivní kapacitu, je jednoduchý. Pokud označíme kapacitu před vložením dielektrika C, tak kapacita po vložení dielektrika je K krát C. Měli bychom poznamenat, že dielektrikum pokaždé vede ke zvýšení kapacity, takže konstanta K je pro nevodivé materiály vždy větší než 1. Například pokud do kondenzátoru s kapacitou 4 farady vložíme dielektrikum s dielektrickou konstantou 3, kapacita se zvýší na 12 faradů.
video