Ο πυκνωτής είναι μια διάταξη που αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο και ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο αγωγούς που βρίσκονται κοντά και χωρίζονται μεταξύ τους από το κενό, τον αέρα, ή από άλλο μονωτή. Οι αγωγοί του σχήματος 3.34 αποτελούν ένα πυκνωτή. Οι δύο αγωγοί που αποτελούν τον πυκνωτή ονομάζονται οπλισμοί.

 

Πυκνωτής ονομάζεται σύστημα δύο γειτονικών αγωγών (οπλισμοί),

που χωρίζονται μεταξύ τους με κάποιο μονωτικό υλικό. Οι αγωγοί

φορτίζονται με φορτία +Q και -Q.

 

Φορτίο του πυκνωτή ονομάζεται το θετικό φορτίο του ενός από τους οπλισμούς του, ενώ  τάση του πυκνωτή, ονομάζεται η διαφορά δυναμικού V, μεταξύ των οπλισμών του. Σε έναν πυκνωτή αποθηκεύεται πολύ πιο εύκολα φορτίο, από ότι σε κάθε ένα μεμονωμένο αγωγό από αυτούς που αποτελούν τον πυκνωτή.

 

Σε κάθε πυκνωτή η τάση του είναι ανάλογη του φορτίου του, δηλαδή το πηλίκο του φορτίου προς την τάση είναι σταθερό. Το πηλίκο αυτό το ονομάζουμε χωρητικότητα του πυκνωτή.

 

Χωρητικότητα C ενός πυκνωτή ονομάζεται το σταθερό πηλίκο του

φορτίου του (Q) προς την τάση  του (V).

 

	C =	Q
		V

 

Μονάδα χωρητικότητας είναι το Farad, που συμβολίζεται με το F. 

1F=1 C/V.

 

Ονομάζεται έτσι προς τιμήν του Michael Faraday, ο οποίος μεταξύ των άλλων, ερεύνησε και το θέμα της χωρητικότητας. Το 1Farad είναι πολύ μεγάλη χωρητικότητα. Οι χωρητικότητες των πυκνωτών που χρησιμοποιούνται στην πράξη είναι της τάξης του μικροφαράντ, (1μF=10^-6F), του νανοφαράντ, (1nF=10^-99F) και του πικοφαράντ, (1pF=10^-12F).

Οι πυκνωτές παριστάνονται με δύο μικρές παράλληλες ισοϋψείς γραμμές, με ακροδέκτες συνδεδεμένους στο μέσον τους. -||-

 

Υπάρχουν πολλοί τύποι πυκνωτών. Στην εικόνα 3.6 φαίνονται μερικοί από αυτούς. Συνήθως παίρνουν το όνομά τους από το σχήμα των οπλισμών τους. Ο σφαιρικός πυκνωτής αποτελείται από δύο ομόκεντρους σφαιρικούς αγωγούς και ο κυλινδρικός από δύο ομοαξονικούς κυλινδρικούς αγωγούς. Ο επίπεδος πυκνωτής αποτελείται από δύο επίπεδες παράλληλες, μεταλλικές πλάκες, ίδιας επιφάνειας Α, που απέχουν μεταξύ τους απόσταση d και βρίσκονται η μια απέναντι στην άλλη.

 

Η χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή είναι ανάλογη της επιφάνειας Α των οπλισμών και αντίστροφα ανάλογη της απόστασης d μεταξύ των οπλισμών.

 

	C = εο	A
		d

 

Γενικότερα η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από τα γεωμετρικά στοιχεία της διάταξης ( δηλαδή από το μέγεθος, το σχήμα, τις σχετικές θέσεις των δύο αγωγών) και από το είδος του μονωτικού υλικού (ονομάζεται και διηλεκτρικό) ανάμεσα στους οπλισμούς του.

 

Οι πυκνωτές αποτελούν βασικά στοιχεία των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Όταν γυρίζουμε το κουμπί του ραδιοφώνου για να επιλέξουμε σταθμό μεταβάλλουμε τη χωρητικότητα ενός πυκνωτή. Το φως που εκπέμπει το φλας της φωτογραφικής μηχανής προέρχεται από την εκφόρτιση ενός πυκνωτή. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται ακόμα στους καθοδικούς σωλήνες, στα τσιπ των υπολογιστών και σε χιλιάδες άλλες εφαρμογές.

 

 

 

Οι οπλισμοί ενός επίπεδου πυκνωτή έχουν επιφάνεια Α=4cm² και η απόσταση τους είναι d=2mm.
Υπολογίστε:

α)         Τη χωρητικότητά του.

β)         Το φορτίο που θα αποκτήσει ο πυκνωτής αν συνδεθεί σε πηγή τάσης V=12V.

Δίνεται ε_o= 8,85 x 10^-12 C² / (N m²)

 

Απάντηση:

 

Η χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή δίνεται από τη σχέση:

	C = εo	A
		d

 

από την οποία, με αντικατάσταση, βρίσκουμε:

 

C = (8,85 x 10-12	C2	)	4 x 10-4m2	= 17,7 x 10-13 F = 1,77 pF
	N·m2		2 x 10-3m

 

To φορτίο του πυκνωτή, όταν συνδεθεί με την πηγή, θα είναι:

 

Q = CV = 1,77 pF 12V = 21,24 pC = 21,24 x 10-12 C

 

 

Ένας επίπεδος πυκνωτής έχει χωρητικότητα 10μF και φορτίζεται σε πηγή με τάση V=100V. Στη συνέχεια, αφού αποσυνδεθεί από την πηγή, οι οπλισμοί του απομακρύνονται έως ότου η απόσταση μεταξύ τους διπλασιαστεί. Να υπολογιστούν:

α)         η νέα χωρητικότητα του πυκνωτή και

β)         η τάση του μετά την απομάκρυνση των οπλισμών του.

 

Απάντηση:

 

Η αρχική χωρητικότητα του πυκνωτή υπολογίζεται από τη σχέση

	Co = εo	A	(5.42)
		d

Όταν διπλασιάσουμε την απόσταση των οπλισμών του, η χωρητικότητά του γίνεται

	C = εo	A	(5.43)
		2d

Διαιρώντας κατά μέλη τις σχέσεις (5.43) και (5.42) παίρνουμε:

	C =	Co	= 5 μF
		2

To φορτίο στους οπλισμούς του θα παραμείνει ίδιο και μετά την απομάκρυνση των οπλισμών. Εφόσον ο πυκνωτής δε συνδέεται με κάποιο κύκλωμα οι οπλισμοί του είναι απομονωμένοι αγωγοί και θα διατηρήσουν το φορτίο τους. Αφού με την απομάκρυνση των οπλισμών η χωρητικότητα μεταβάλλεται, αλλά το φορτίο μένει το ίδιο, θα αλλάξει η τάση στους οπλισμούς του πυκνωτή. Αν η νέα τάση του πυκνωτή είναι V΄ μπορούμε να γράψουμε

	C =	Q	(5.44)
		V'

Πριν την απομάκρυνση των οπλισμών του, η χωρητικότητα του πυκνωτή ήταν:

	Co =	Q	(5.45)
		V

Διαιρώντας κατά μέλη τις σχέσεις (5.45) και (5.44) παίρνουμε:

 

	Co	=	V'	ή    V' =	Co	V επομένως   V' = 200V
	C		V		C