Kapasitans

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk

Kapasitans er en fysisk-elektrisk egenskap for to nærliggende, isolerte elektriske ledere. Egenskapen kapasitans fører til at det må tilføres elektrisk energi for å legge en potensialforskjell (spenning) mellom lederne.

Ordbruken synes ikke helt fastlagt på norsk. Her i artikkelen er kondensatorens egenskap kalt kapasitans og kapasitansens størrelse er kalt kapasitet. Begrepet kapasitans brukes tidvis også for å beskrive størrelsen, her kapasiteten. På engelsk brukes capacitance og capacity om hverandre, svensk bruker kapacitans som mål og dansk bruker kapacitet.

Energien inneholdes i et elektrisk felt som oppstår mellom lederne. Feltet er ikke avhengig av stoff (materie) mellom lederne, men oppstår også i et vakuum. Stoffer mellom lederne forandrer likevel feltets egenskaper slik at kapasitansen øker. Et stoff som målbevisst brukes til dette, kalles et dielektrikum.

Egenskapen kapasitans utnyttes primært i elektriske komponenter som kalles kondensatorer. I en kondensator legges lederne nære hverandre og de har et felles areal.

Mengden av energi som må tilføres for å øke spenningen mellom lederne beskriver kapasitansens størrelse, kapasiteten. Denne måles i F, farad, en avledet SI-enhet som har symbolet C. Farad er oppkalt etter den engelske fysikeren Michael Faraday (1791 til 25. august 1867). I CGS-systemet (Centimeter-Gram-Sekund) blir kapasitet målt i cm (centimeter), hvor 1 cm tilsvarer 1.113 pF i SI-systemet.

Energien i feltet holdes av en elektrisk ladning, som tilsvarer et antall elektroner. Den ene lederen har et overskudd og den andre et underskudd av elektroner. Ladningen måles i As (ampere-sekunder) og har symbolet Q.

Matematisk er sammenhengen mellom kapasitet, ladning og spenning gitt av:

C = \frac{Q}{U}

Forholdet mellom en påtrykt sinusformet vekselspenning mellom platene, og den resulterende vekselstrømmen gjennom tilledningene er gitt av

\ X = {-j\over {2\pi f C}} = {-j\over {\omega C}}

Forholdet kalles generelt reaktansen og spesielt kapasitansen, siden fortegnet alltid er negativt. Et positivt fortegn viser til en induktans. Den imaginære operatoren j viser til at strømmen og spenningen alltid er faseforskjøvet med 90 grader. Strømmen ligger foran spenningen i tidsplanet. Kapasitansen X måles i Ohm og kan kalles vekselstrømsmotstanden. Dens tallverdi er frekvensavhengig og omvendt proporsjonal med frekvensen.

Det elektriske feltet mellom lederne oppstår på grunn av spenningsdifferansen og har en feltstyrke gitt av spenningen og avstanden mellom lederne. Feltstyrken måles i V/m.

F er en meget stor enhet. Et SI-prefiks benyttes så godt som alltid for kapasitetsangivelse, med μ som den normalt største benyttede enhet. Man oppgir kapasiteten på en stor kondensator som 47 000 μF i stedet for den mere nærliggende betegnelsen 47 mF. Prefikser ned til pico, som i pF, benyttes. 1 pF er den minste komponentverdien i bruk, 10 F eller så den største. Inni integrerte kretser regnes små kapasiteter i fF, femtofarad, tusendels pF.

Kapasiteten bestemmes fysisk av platenes areal A i m², avstanden mellom dem d i m og permittiviteten \epsilon (-) til stoffet mellom platene og vakuumets permittivitet \epsilon_0 i F/m. Se kondensator for utdypelse.

\ C = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon \cdot {A\over d}

hvor A >> d2.

\varepsilon_0 er vakuumets permittivitet (F/m)
\varepsilon er dieklektrikumets permittivitet (ubenevnt)
A er det felles arealet (m²)
d er avstanden mellom platene (m)

Kapasitans er den ene av to eksisterende former for elektrisk reaktans. Den andre formen kalles induktans. Komponenter som bygges for å oppvise en reaktanser kalles kondensator for kapasitans og spole for induktans.