02. Ładunek elektryczny i pojemność kondensatora

Ładunek elektryczny to podstawowa wielkość fizyczna opisująca właściwości materii związane z oddziaływaniami elektromagnetycznymi.

• Symbol: \( Q \)
• Jednostka w układzie SI: kulomb [C]
• Ładunek elementarny:

$$ e = 1{,}602 \times 10^{-19} \text{ C} $$ — jest to ładunek pojedynczego elektronu (ujemny) lub protonu (dodatni).

Ładunek elektryczny jest własnością cząstek elementarnych i ciał, które mogą oddziaływać elektromagnetycznie. Ładunki o tych samych znakach odpychają się, a o przeciwnych przyciągają.

Kondensator to element obwodu, który magazynuje ładunek elektryczny w polu elektrycznym między dwiema przewodzącymi okładkami oddzielonymi dielektrykiem.

• Symbol pojemności: \( C \)
• Jednostka: farad [F]
• Definicja pojemności:

$$ C = \frac{Q}{U} $$

gdzie:

1. \( Q \) — ładunek zgromadzony na okładkach kondensatora [C],
2. \( U \) — napięcie między okładkami [V].

Pojemność kondensatora określa, jak dużą wartość ładunku może zgromadzić przy określonym napięciu.

Dla kondensatora złożonego z dwóch równoległych płaskich okładek o powierzchni \( S \), oddzielonych dielektrykiem o grubości \( d \) i przenikalności elektrycznej względnej \( \varepsilon_r \), pojemność wyraża się wzorem:

$$ C = \varepsilon_0 \varepsilon_r \frac{S}{d} $$

gdzie:

• \( \varepsilon_0 \approx 8{,}854 \times 10^{-12} \, \text{F/m} \) — przenikalność elektryczna próżni,
• \( \varepsilon_r \) — względna przenikalność dielektryka,
• \( S \) — powierzchnia okładek [m²],
• \( d \) — odległość między okładkami [m].

• 1 farad (F) = 1 coulomb na wolt (C/V) — bardzo duża pojemność,
• częściej stosuje się podwielokrotności:
  1. mikrofarad (\( \mu F = 10^{-6} F \)),
  2. nanofarad (nF = \( 10^{-9} F \)),
  3. pikofarad (pF = \( 10^{-12} F \)).

• Kondensatory magazynują ładunek i energię elektryczną,
• Filtrują sygnały, wygładzają napięcia,
• W obwodach prądu zmiennego stanowią elementy reaktancyjne,
• Stosowane w układach czasowych, oscylatorach i wielu innych.

• Ładunek elektryczny to miara ilości elektryczności.
• Pojemność kondensatora definiuje zależność między ładunkiem a napięciem.
• Pojemność zależy od budowy kondensatora i właściwości dielektryka.