Warum beeinflusst der Abstand zwischen den Platten eines Kondensators seine Kapazität?

Warum nimmt die Kapazität eines Kondensators zu, wenn seine Platten näher beieinander liegen?

Intuitiver Ansatz: Wenn der Abstand kein Faktor wäre, könnten Sie die Platten in einem unendlichen Abstand voneinander platzieren und trotzdem die gleiche Kapazität haben. Das macht keinen Sinn. Sie würden dann eine Kapazität von Null erwarten.
Wenn der Kondensator auf eine bestimmte Spannung aufgeladen wird, halten die beiden Platten Ladungsträger mit entgegengesetzter Ladung. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich gegenseitig an und erzeugen ein elektrisches Feld.

und die Anziehungskraft ist stärker, je näher sie sind. Wenn die Entfernung zu groß wird, spüren die Ladungen nicht mehr die Anwesenheit des anderen. Das elektrische Feld ist zu schwach.

BILD 1 bis 4: Kondensator:

Es ist offensichtlich, dass mit abnehmendem Abstand zwischen den Platten ihre Fähigkeit, Ladungen zu halten, zunimmt.

Abb.1 = Wenn zwischen den Platten ein unbegrenzter Abstand besteht, würde bereits eine einzige Ladung weitere Ladungen abwehren, um in die Platte einzudringen.

Abb.2 = Wenn die Distanz-Wettplatten abnehmen, können sie aufgrund der Anziehung von der gegenüberliegenden geladenen Platte mehr Ladungen halten.

Abb.4 = Bei minimalem Abstand zwischen den Platten ermöglicht die maximale Anziehungskraft zwischen beiden, dass beide die maximale Ladungsmenge aufnehmen können.

Da die Kapazität C = q / V ist, ändert sich C mit q, wenn V gleich bleibt (verbunden mit einer Stromquelle mit festem Potential). Mit abnehmendem Abstand nimmt also q zu, und so nimmt C zu.

Denken Sie daran, dass für jeden Parallelplattenkondensator V nicht vom Abstand beeinflusst wird, weil: V = W / q (Arbeit pro Ladungseinheit, um ihn von der Platte auf die andere zu bringen)

und W = F xd

und F = qx E.

also ist V = F xd / q = qx E xd / q

V = E xd Wenn also d (Distanz-) Wettplatten zunehmen, würde E (elektrische Feldstärke) drecrese und V gleich bleiben.

Die Kapazität ist eine Gebühr pro EMF. Speziell Farad sind Coulomb pro Volt. Wenn Sie die Platten bei derselben angelegten Spannung näher heranrücken, erhöht sich das E-Feld zwischen ihnen (Volt pro Meter) (Volt ist gleich, Meter werden kleiner). Dieses stärkere E-Feld kann mehr Ladungen auf den Platten halten. Denken Sie daran, dass sich die Ladungen auf den Tellern sonst gegenseitig abstoßen würden. Es braucht ein E-Feld, um sie dort zu halten, und je stärker das E-Feld ist, desto mehr Ladungen kann es dort halten. Die höhere Ladung bei gleicher Spannung bedeutet eine höhere Kapazität (mehr Coulomb bei gleicher Spannung).

Um technisch zu werden, sollten Sie sich das Coulombsche Gesetz ansehen . Dies besagt, dass

"Die Größe der elektrostatischen Wechselwirkungskraft zwischen zwei Punktladungen ist direkt proportional zur skalaren Multiplikation der Ladungsgrößen und umgekehrt proportional zum Quadrat der Abstände zwischen ihnen." - Wikipedia

Die Formel dafür lautet:

$F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}$

$F$$k_e$$r$$q_1$$q_2$

Es gibt andere Formen der Gleichung - wie diese speziell für ein elektrisches Feld:

$E = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{r^2}$

$r$$q$

Wenn Sie wirklich technisch werden möchten, müssen Sie sich über die Quantenmechanik und die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und den damit verbundenen Energien informieren.

Wenn zwei Teilchen (in diesem Fall beispielsweise Elektronen) interagieren, senden sie Quantenteilchen zwischen sich (Photonen). Diese benötigen wie die Ratten im Keller Energie, um sich zu bewegen. Je größer der Abstand, desto höher die Energie. Je höher die Energie ist, die zum Bewegen der Photonen benötigt wird, desto geringer ist die zwischen den beiden Platten verbleibende Ladung.

Das ist eine sehr vereinfachte Ansicht, und es gibt noch eine Menge mehr Details zu entdecken - wie Quantentunneln, Leptonen, Fermionen, Bosonen usw. Es ist faszinierend zu lesen, wenn Sie Zeit haben. Ich würde Steven Hawkings Eine kurze Geschichte der Zeit als guten Ausgangspunkt empfehlen . Folgen Sie dem mit F. David Peats Superstrings und der Suche nach der Theorie von allem und Sie werden nicht viel falsch machen. Während diese beiden Bücher jetzt ein bisschen in die Jahre kommen und sich die Theorien noch weiterentwickeln, geben sie gute Einblicke in die Funktionsweise des Universums auf subatomarer Ebene.

Es ist wichtig zu verstehen, dass wenn eine Platte mehr Elektronen ein- als ausgeht, eine negative Ladung aufgebaut wird, die dazu dient, mehr Elektronen vom Eintreffen abzuhalten (ebenfalls für eine Platte, bei der mehr Elektronen austreten als ankommen). . Es würde nicht sehr viele Elektronen brauchen, die in eine isolierte Platte kommen, damit sich die Ladung auf Millionen von Volt aufbaut. Wenn es jedoch eine positiv geladene Platte in der Nähe der negativ geladenen gibt, würde die positiv geladene Platte versuchen, Elektronen zu sich selbst und folglich zur negativen Platte zu ziehen (ebenso würde die negativ geladene Platte versuchen, Elektronen von sich wegzudrücken selbst und folglich von der positiven Platte entfernt). Die Kraft der positiven Platte, die versucht, Elektronen einzuziehen, kann die Kraft der negativen Platte, die versucht, sie wegzuschieben, nicht vollständig ausgleichen. Wenn die Platten nahe beieinander liegen, kann sie jedoch erheblich ausgeglichen werden. Wenn die Platten zu nahe beieinander liegen, können die Platten leider keine zu große Ladung aufbauen, bevor die Elektronen von einer Platte zur anderen springen.

Es stellt sich heraus, dass es einen Trick gibt, um dieses Problem zu lösen. Einige Materialien erlauben es Elektronen, sich in ihnen zu bewegen, aber sie lassen keine Elektronen ein- oder austreten. Das Platzieren eines solchen Materials (als Dielektrikum bezeichnet) zwischen den beiden Platten kann die Leistung eines Kondensators erheblich verbessern. Was im Wesentlichen passiert, ist, dass die Ladungsdifferenz zwischen der negativen und der positiven Platte die Elektronen im Dielektrikum in Richtung der positiven bewegt. Die Seite der Elektrik in Richtung der negativen Platte weist somit einen relativen Mangel an Elektronen auf, wodurch Elektronen in Richtung der negativen Platte gezogen werden, während die Seite in Richtung der positiven Platte einen Überschuss an Elektronen aufweist, wodurch Elektronen von der positiven Platte weggedrückt werden. Dieses Verhalten kann die Leistung eines Kondensators um viele Größenordnungen verbessern.