Диелектрици в кондензатори

При повечето кондензатори един не-провеждаш материал е поставен между двете парченца метал, които създават този кондензатор. Има две причини за това. Първо, не-провеждащият материал не позволява на парченцата метал да се докоснат, което е важно, понеже ако парченцата метал се докосваха, нямаше да бъде съхранен заряд, тъй като завършваш веригата. Но има друг бонус за това да вмъкнеш не-провеждащ материал между плочките на един кондензатор. Това винаги увеличава капацитета на кондензатора. Стига материалът да не е провеждащ, няма значение какъв е той. Стига да не променяш площта или разделението между плочките, вмъкването на не-провеждащ материал винаги ще увеличи капацитета. Името, което даваме на не-провеждащите материали, поставени между плочките на един кондензатор, е диелектрик. Но защо един диелектрик увеличава капацитета? За да разберем, нека разгледаме този пример. Когато свържеш една батерия с напрежение V към един кондензатор, зарядът ще бъде разделен. Да кажем, че махнеш батерията. Зарядът е "заседнал" върху плочките, тъй като отрицателните заряди нямат път, по който да се върнат обратно към положителните заряди. Дори след премахването на батерията, зарядът на плочките ще остане същият. Напрежението също ще остане същото, каквото е напрежението на батерията, която го е заредила. Представи си, че поставяш един диелектрик между плочките на кондензатора. Материалът на диелектрика е направен от атоми и молекули и когато е поставен между плочките на този зареден кондензатор, отрицателните заряди в диелектрика ще бъдат привлечени към положителната плочка на кондензатора. Но тези отрицателни заряди не могат да отидат до положителната плочка, тъй като този диелектрик е не-провеждащ материал. Но отрицателните заряди могат да се преместят или "облегнат" към положителната плочка. Това кара зарядът в атомите и молекулите на диелектрика да стане поляризиран. Да го кажем по друг начин, атомът се разтяга и единият край става отрицателен, а другият край става положителен. Също е възможно материалът на диелектрика да е бил поляризиран от самото начало, понеже някои молекули естествено са поляризирани, като водата. В този случай, когато диелектрикът е поставен между заредените плочки на кондензатора, привличането между отрицателната страна на поляризираната молекула и положителната плочка на кондензатора ще накара поляризираните молекули да се въртят, което позволява да отрицателните заряди да са малко по-близо до положително заредената плочка на кондензатора. Във всеки случай крайният резултат е, че отрицателните заряди в атомите и молекулите ще са насочени към положителната плочка на кондензатора и положителните заряди в атомите и молекулите ще са насочени към отрицателната плочка на кондензатора. Как това увеличава капацитета? Причината това да увеличава капацитета е, понеже това намалява напрежението между плочките на кондензатора. Това намалява напрежението, понеже дори въпреки че все още има точно толкова заряди на плочките на кондензатора, това, което те допринасят, за напрежението по плочките, бива частично неутрализирано. С други думи, това, което допринасят положителните заряди на плочката на кондензатора за напрежението, бива частично неутрализирано от факта, че точно до тях сега има отрицателен заряд. Подобно, от отрицателната страна има точно толкова отрицателен заряд, колкото имаше, но това, което отрицателните заряди допринасят към напрежението, бива неутрализирано от факта, че точно до тях има положителен заряд. Общият заряд на този кондензатор е останал същият, но напрежението по плочките е било намалено поради поляризацията на диелектрика. Ако разгледаме дефиницията на капацитет, виждаме, че ако зарядът остане същият, а напрежението намалява, капацитетът ще се увеличи, понеже деленето на по-малко число за напрежението ще доведе до по-голяма стойност за капацитета. В този случай вмъкването на един диелектрик увеличава капацитета като намалява напрежението. Нека разгледаме друг случай за вмъкване на диелектрика. Представи си, че отново оставим една батерия с напрежение V напълно да зареди този кондензатор. И нека вмъкнем един диелектрик между плочките. Но този път нека оставим батерията свързана. Какво ще се случи сега? Точно както преди, атомите и молекулите на диелектрика ще се разтегнат и ще се ориентират така, че отрицателните заряди да са насочени към положителната плочка, а положителните заряди да са насочени към отрицателната плочка, което, отново, намалява напрежението между двете плочки на кондензатора. Но помни, оставихме батерията свързана и тази батерия ще опита да направи, това, което трябва да направи, за да се увери, че напрежението по кондензатора е същото като напрежението на батерията, V. Понеже това правят батериите. Те опитват да поддържат постоянно напрежение. Тъй като диелектрикът намали напрежението като неутрализира част от това, което зарядите допринасят, батерията ще направи така, че още повече заряди ще бъдат разделени, докато напрежението по кондензатора отново е същото като напрежението на батерията. Зарядът, съхранен в кондензатора, ще се увеличи, но напрежението ще остане същото. Като гледаме определението на капацитета, зарядът на кондензатора се увеличи, след като сложихме диелектрика. Но напрежението по плочките на кондензатора остана същото, тъй като това все още е свързано със същата батерия. Ефектът на вмъкването на един диелектрик, отново, е да увеличи капацитета, този път като съхранява повече заряд за същото количество напрежение. За да намериш с колко увеличи капацитета, трябва да знаеш това, което се нарича диелектрична константа на материала, който вмъкна между плочките на кондензатора. Диелектричната константа често се представя с гръцката буква капа или просто К. Формулата за намиране на това как диелектрикът ще промени капацитета е проста. Ако капацитетът на един кондензатор преди да вмъкнем диелектрика беше С, тогава капацитетът след вмъкване на диелектрика ще е просто k*С. Трябва да отбележим, че тъй като един диелектрик винаги увеличава капацитета, диелектричната константа k за един не-провеждащ материал винаги е по-голяма от 1. Например ако един кондензатор има капацитет от 4 фарада, когато вмъкнеш един диелектрик с диелектрична константа 3, капацитетът ще стане 12 фарада.