Elektromos kapacitás

Az elektromos kapacitás vagy röviden kapacitás a kondenzátort, a több kondenzátorból álló kétpólust, illetve a magában álló, környezetétől elszigetelt elektromos vezetőt jellemző fizikai mennyiség. Jele a latin capacitas (befogadóképesség, tárolóképesség) alapján C. A kapacitás SI-mértékegysége a farad (F).

Kondenzátor kapacitása

Kapacitás elvének szemléltetése

Több féle kondenzátor

A kondenzátor két vezetőből, és a köztük elhelyezkedő szigetelőből álló elektromos alkatrész. A két vezetőt fegyverzetnek nevezik. Az egyik fegyverzeten található töltésmennyiség és a fegyverzetek közötti feszültség hányadosával meghatározott fizikai mennyiséget a kondenzátor kapacitásának nevezzük. Képlettel:

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

A kondenzátor kapacitása függ a fegyverzetek méreteitől, azok egymáshoz viszonyított helyzetétől és távolságától, továbbá a fegyverzeteket körülvevő (egyszerűbb esetekben a fegyverzetek között található) szigetelőanyag (dielektrikum) permittivitásától.

Több kondenzátorból álló kétpólus kapacitása

A kétpólus olyan elektromos áramkör, amelynek két kivezetése (csatlakozópontja) van. Több kondenzátorból álló kétpólus esetén az egyik kivezetésén található töltésmennyiség és a két kivezetés közti feszültség hányadosával meghatározott fizikai mennyiséget a kétpólus kapacitásának nevezzük. Képlettel:

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

Magában álló, környezetétől elszigetelt vezető kapacitása

A kapacitás egy magában álló, környezetétől elszigetelt vezető esetén is hasonlóan értelmezhető, mint a kondenzátor kapacitása. Ilyenkor úgy tekintjük, hogy a vizsgált vezető az egyik fegyverzet, a másik pedig ettől végtelen távol van, és így a feszültség szerepét a végtelen távoli ponthoz viszonyított feszültség, azaz a potenciál veszi át. Ennek megfelelően: A magában álló, környezetétől elszigetelt vezető esetén a vezetőn levő töltésmennyiség és a potenciál hányadosaként értelmezett fizikai mennyiséget a vezető kapacitásának nevezzük. Képlettel:

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

A magában álló, környezetétől elszigetelt vezető kapacitása függ a méreteitől, továbbá a vezetőt körülvevő szigetelőanyag (dielektrikum) permittivitásától.

A kapacitás mértékegységei

A kapacitás SI-mértékegysége a farad (ejtsd: farád), jele: F. Az elnevezés Michael Faraday angol fizikus nevéből származik. A kapacitás definíciójából adódóan:

${\displaystyle [C]={[Q] \over [U]}={{\mbox{C}} \over {\mbox{V}}}={\mbox{F}}}$.

A farad az SI-alapegységekkel kifejezve:

${\displaystyle \mathrm {F} =\mathrm {m} ^{-2}\cdot \mathrm {kg} ^{-1}\cdot \mathrm {s} ^{4}\cdot \mathrm {A} ^{2}}$.

A Föld kapacitása

A kapacitás további, a gyakorlatban használt SI-egységei a mikrofarad, a nanofarad és pikofarad. Az SI-ben használt prefixumok értékeinek megfelelően:

Név	Jel	Értéke
mikrofarad	µF	10^−6 F	0,000 001 F
nanofarad	nF	10^−9 F	0,000 000 001 F
pikofarad	pF	10^−12 F	0,000 000 000 001 F

Azt, hogy a farad a gyakorlatban túlzottan nagynak bizonyult, jól szemlélteti, hogy a 6371 km sugarú vezető gömbnek tekinthető Föld kapacitása is csupán 708 µF.

5000 cm kapacitású kondenzátor

A kapacitás CGS-mértékegysége a centiméter. A centiméter és a farad (illetve a pikofarad) közti kapcsolat:

1 cm ≈ 1,11·10⁻¹² F,

azaz

1 cm ≈ 1,11 pF.

Definíció szerint pontosan C = 1 cm a kapacitása egy vákuumban elhelyezkedő R = 1 cm sugarú fémgömbnek, az {R} cm sugarú gömb kapacitása pedig {R} cm. (Itt az {R} jelölés az R sugár centiméterben megadott értékének a mérőszámát jelenti.)

Néhány egyszerű rendszer kapacitása

Típus	Képlet	Magyarázat
Síkkondenzátor	${\displaystyle C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}}$
Körlap	${\displaystyle 8\cdot \varepsilon \cdot R}$
Gömb	${\displaystyle C=4\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot R}$
Gömbkondenzátor	${\displaystyle C={\frac {4\cdot \pi \cdot \varepsilon }{{\frac {1}{R_{1}}}-{\frac {1}{R_{2}}}}}}$
Hengerkondenzátor (koaxiális kábel)	${\displaystyle C=2\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot {\frac {l}{\ln \!\left({\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)}}}$
Két párhuzamos vezeték	${\displaystyle C={\frac {\pi \cdot \varepsilon \cdot l}{\operatorname {arcosh} \left({\frac {d}{2\cdot R}}\right)}}}$
Síkkal párhuzamos vezeték	${\displaystyle C={\frac {2\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot l}{\operatorname {arcosh} \left({\frac {d}{R}}\right)}}}$
Két gömb, egyenlő sugáral	${\displaystyle C=2\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot R\cdot \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sinh \left(\ln \left(D+{\sqrt {D^{2}-1}}\right)\right)}{\sinh \left(n\ln \left(D+{\sqrt {D^{2}-1}}\right)\right)}}=}$ ${\displaystyle =2\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot R\cdot \left\{1+{\frac {1}{2\cdot D}}+{\frac {1}{4\cdot D^{2}}}+{\frac {1}{8\cdot D^{3}}}+{\frac {1}{8\cdot D^{4}}}+{\frac {3}{32\cdot D^{5}}}+{\mathcal {O}}\left({\frac {1}{D^{6}}}\right)\right\}=}$ ${\displaystyle =2\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot R\cdot \left\{\ln 2+\gamma -{\frac {1}{2}}\ln \left(2\cdot D-2\right)+{\mathcal {O}}\left(2\cdot D-2\right)\right\}}$ ${\displaystyle C\approx 2\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot R\cdot \left(1+{\frac {R}{d}}\right)}$	${\displaystyle D={\frac {d}{2\cdot R}}>1}$ ${\displaystyle \gamma }$: Euler–Mascheroni-állandó
Gömb és sík	${\displaystyle C=4\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot R\cdot \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sinh \left(\ln \left(D+{\sqrt {D^{2}-1}}\right)\right)}{\sinh \left(n\ln \left(D+{\sqrt {D^{2}-1}}\right)\right)}}}$ ${\displaystyle C\approx 4\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot R\cdot \left(1+{\frac {R}{2\cdot d}}\right)}$	${\displaystyle D={\frac {d}{R}}>1}$
Vékony huzal	${\displaystyle C={\frac {2\cdot \pi \cdot \varepsilon \cdot l}{\Lambda }}\cdot \left\{1+{\frac {1}{\Lambda }}\cdot \left(1-\ln 2\right)+{\frac {1}{\Lambda ^{2}}}\cdot \left[1+\left(1-\ln 2\right)^{2}-{\frac {\pi ^{2}}{12}}\right]+{\mathcal {O}}\left({\frac {1}{\Lambda ^{3}}}\right)\right\}}$	${\displaystyle \Lambda =ln\left({\frac {l}{a}}\right)}$

Megjegyzés: Az ε minden képletben a szigetelő permittivitását jelöli.

Kondenzátorokból álló kétpólus eredő kapacitása

Az eredő kapacitás fogalma

Igazolható, hogy a kondenzátorokból álló kétpólus helyettesíthető egyetlen kondenzátorral úgy, hogy a kétpólust tartalmazó áramkör többi részén a helyettesítés következtében semmiféle változás ne történjen. Annak a kondenzátornak a kapacitását, amellyel a kétpólusú kondenzátorrendszer ily módon helyettesíthető, a rendszer (kétpólus) eredő kapacitásának nevezzük. Az eredő kapacitás jele C_e, de ha nem okoz félreértést, egyszerűen csak C-vel jelöljük. Belátható, hogy a kondenzátorokból álló kétpólus kapacitása ugyanakkora, mint az eredő kapacitása.

Párhuzamos kapcsolás

Kondenzátorok párhuzamos kapcsolása

Kondenzátorok párhuzamos kapcsolásánál minden kondenzátor egyik kivezetése a rendszer egyik kivezetéséhez, a másik kivezetése pedig a rendszer másik kivezetéséhez csatlakozik. Mérésekkel, illetve elméleti úton is igazolható, hogy párhuzamos kapcsolásnál a rendszer eredő kapacitása ugyanakkora, mint az egyes kondenzátorok kapacitásának összege. Képlettel:

${\displaystyle C_{\mathrm {e} }=C_{1}+C_{2}+\ ...\ +C_{\mathrm {n} }}$.

Speciálisan n db C kapacitású kondenzátor párhuzamos kapcsolásánál az eredő kapacitás:

${\displaystyle C_{\mathrm {e} }=n\cdot C}$.

Soros kapcsolás

Kondenzátorok soros kapcsolása

Kondenzátorok soros kapcsolásánál az egyes kondenzátorok elágazás nélkül kapcsolódnak egymáshoz. A rendszer két kivezetését az első és az utolsó kondenzátor szabadon maradó kivezetései alkotják. Mérésekkel, illetve elméleti úton is igazolható, hogy soros kapcsolásnál a rendszer eredő kapacitásának reciproka ugyanakkora, mint az egyes kondenzátorkapacitások reciprokának összege. Képlettel:

${\displaystyle {\frac {1}{C_{\mathrm {e} }}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+\ ...\ +{\frac {1}{C_{\mathrm {n} }}}}$.

Speciálisan n db C kapacitású kondenzátor soros kapcsolásánál az eredő kapacitás:

${\displaystyle C_{\mathrm {e} }={\frac {C}{n}}}$.

Igazolható, hogy két kondenzátor soros kapcsolásánál az eredő kapacitás közvetlenül az

${\displaystyle C_{\mathrm {e} }={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}}$

összefüggés alapján is kiszámítható.

Kondenzátor által tárolt energia

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}CU^{2}}$

Kapcsolódó szócikkek

• Kondenzátor (áramköri alkatrész)
• Változtatható kapacitású kondenzátor
• Dielektrikum
• Permittivitás
• Dielektromos állandó

Források

• Budó Ágoston: Kísérleti fizika II., Budapest, Tankönyvkiadó, 1971.
• Hans Breuer: SH atlasz – Fizika, Budapest, Springer-Verlag, 1993, ISBN 963 7775 58 7
• ifj. Zátonyi Sándor: Fizika 10., Budapest, Nemzeti Tankönyvkiadó, 2009. ISBN 978 963 19 6320 5

További információk

• Fizikakönyv.hu – Elektrosztatika