Vodič a izolant v elektrickém poli, kondenzátor

Téma: Vodič a izolant v elektrickém poli, kondenzátor

Předmět: Elektronika

Přidal(a): David Veselík

Obsah: vodič a izolant v elektrickém poli, kondenzátory, druhy, části, výpočet, použití.

Vodič v elektrickém poli

a) Je-li vodič v elektrickém poli a je-li zajištěna trvalá dodávka elektronů z jedné strany a únik z druhé strany, prochází vodičem trvalý elektrický proud.
b) Je-li vodič v elektrickém poli, ale není spojen se zdrojem napětí, vzniká jev nazvaný elektrická (elektrostatická) indukce. Elektrickou indukcí lze přemístit volné elektrony v přímém vodiči.
- Vodičem proběhne krátkodobý proud, způsobený tím, že vnější pole působí silou na volné elektrony. Po chvíli se stav ustálí a proud již vodičem neprochází.
- Ve vodiči se na opačných koncích nahromadí dva náboje (tzv. indukovaný náboj). Jsou stejně velké, ale jeden je kladný a druhý záporný.
- Nově rozdělené náboje uvnitř vodiče vytvoří vlastní elektrické pole, které působí proti vnějšímu elektrickému poli a výsledná intenzita pole uvnitř vodiče se pak rovná nule.
- Aby k indukci došlo, musí se vodič nacházet v místech s různým elektrickým potenciálem (musí na něj působit vnější pole). Pokud by celý vodič ležel v prostoru se stejným potenciálem, indukovaný náboj by nevznikl.

Izolant na rozdíl od vodiče neobsahuje volné elektrony (nebo jen naprosté minimum), proto jím elektrický proud za běžných podmínek neprochází.
Při vložení do elektrického pole nastává jev zvaný polarizace dielektrika. V atomech nebo molekulách izolantu dojde vlivem elektrické síly k nesymetrickému rozložení nábojů (vychýlení elektronových obalů vůči jádru) a vznikají elektrické dipóly.
Tyto uspořádané dipóly vytvoří vlastní vnitřní elektrické pole, které působí proti původnímu vnějšímu poli, čímž se celková intenzita elektrického pole v izolantu oslabí. Míru tohoto oslabení udává relativní permitivita daného materiálu.

Je to pasivní elektronická součástka, která udržuje (akumuluje) určitý elektrický náboj (Q) při určitém napětí (U).
Charakteristická veličina kondenzátoru je kapacita – značíme ji C a jednotkou je farad (F).
Základní vztah definující kapacitu je C = Q / U.
Kapacita kondenzátoru je závislá na jeho rozměrech, konstrukci a permitivitě izolantu mezi deskami.
Základní vztah pro výpočet kapacity rovinného kondenzátoru je C = ε · S / d (kde ε je permitivita dielektrika, S je účinná plocha desek a d je vzdálenost desek).
Platí přitom, že ε = ε₀ · ε_r (kde ε₀ je permitivita vakua a ε_r je relativní permitivita izolantu).
Základní vlastnost: Kondenzátor nepropouští stejnosměrný proud (představuje přerušení obvodu), kdežto střídavý proud jím prochází (díky neustálému přebíjení desek).

Při nabíjení kondenzátoru koná zdroj práci, která se následně uchovává ve formě energie elektrického pole kondenzátoru.
Tuto energii (E) lze vypočítat pomocí vzorce: E = 1/2 · C · U² (případně lze použít odvozené tvary E = 1/2 · Q · U nebo E = 1/2 · Q² / C).

Podle tvaru: deskové, válcové, kulové, svitkové (svinutý dlouhý vodivý pás oddělený izolantem).
Podle možnosti změny kapacity:
- Pevné: mají pevnou (neměnnou) hodnotu kapacity.
- Proměnné (otočné): kapacitu lze plynule měnit (např. ladění frekvence v rádiu). Zpravidla bývají vzduchové.
- Kapacitní trimry: dolaďovací kondenzátory pro jednorázové pevné nastavení.
- Kapacitní dioda (varikap): polovodičová součástka, jejíž kapacita se mění v závislosti na přiloženém závěrném napětí.
Podle použitého dielektrika:
- Vzduchový: převážně u otočných kondenzátorů.
- Papírový / z metalizovaného papíru: často papír napuštěný voskem (svitkové).
- S plastovou fólií: moderní obdoba papírových.
- Slídový a keramický: vyznačují se velkou přesností a stabilitou.
- Elektrolytický: dielektrikem je tenká oxidační vrstva na jedné z elektrod, druhou elektrodu tvoří samotný vodivý elektrolyt. Mají obrovskou kapacitu, ale musí se u nich dodržet polarita zapojení (+ a -), jinak hrozí jejich zničení nebo exploze.

Každý kondenzátor se skládá ze tří hlavních částí: dvou vodivých desek, dielektrika a vývodů.
Desky (elektrody): většinou hliníkové (často tenká vrstva fólie). Slouží k nahromadění elektrického náboje.
Dielektrikum (izolant): je nevodivé (např. kondenzátorový papír, vzduch, plast) a zabraňuje průchodu proudu a případnému elektrickému průrazu (zkratu) mezi deskami.
Vývody: jsou dva, každý je vodivě spojen s jednou z desek a slouží k připojení součástky do elektrického obvodu.

Blesk fotoaparátu: rychlé vybití naakumulované energie do výbojky.
Paměť PC: dynamické paměti (RAM) uchovávají informaci (jedničky a nuly) v podobě náboje na miniaturních kondenzátorech.
Zdroje napětí: usměrňovače zdrojů pro vyhlazení (filtraci) pulzujícího stejnosměrného napětí.
Filtry a odrušení: praktické využití u radiopřijímačů, televizí, magnetofonů a v automobilech (slouží k odrušování elektrických zařízení a filtraci signálu).
Ladící obvody: ve spojení s cívkou tvoří oscilační obvod (rezonanční LC obvod).

Sériové (za sebou): Výsledná kapacita se zmenšuje. Všechny kondenzátory mají stejný elektrický náboj, ale celkové napětí se na nich dělí. Výpočet celkové kapacity se řídí převrácenými hodnotami: 1/C = 1/C₁ + 1/C₂ + … + 1/C_n.
Paralelní (vedle sebe): Výsledná kapacita se zvětšuje. Všechny kondenzátory mají stejné napětí, ale celkový náboj se dělí. Kapacity se prostě sčítají: C = C₁ + C₂ + … + C_n.