Kondenzatori i vezivanje

🎯 Cilj lekcije
  • Objasniti ulogu kondenzatora i izračunati kapacitet pločastog kondenzatora.
  • Odrediti ekvivalentni kapacitet serijske i paralelne veze.
  • Objasniti raspodjelu naboja i napona u obje vrste veze.
  • Prepoznati primjenu kondenzatora u svakodnevnim uređajima.

1. Kondenzator i kapacitet

Kondenzator je uređaj od dvije metalne ploče razdvojene izolatorom. Kada ga priključiš na izvor, jedna ploča dobije naboj +Q, a druga −Q. Kondenzator ne prenosi naboj kao žica — on ga skladišti, zajedno s električnom energijom.

Za dati kondenzator količnik naboja i napona je stalan. Tu veličinu zovemo kapacitet:

C = QU    1 F = 1 C/V

Kapacitet od 1 F znači da kondenzator pri naponu 1 V primi naboj 1 C. Farad je vrlo velika jedinica, pa se u praksi sreću mikrofaradi (1 µF = 10⁻⁶ F), nanofaradi (1 nF = 10⁻⁹ F) i pikofaradi (1 pF = 10⁻¹² F).

Kondenzatori se koriste svuda: u blicu fotoaparata, u filterima za zvuk, u pokretanju motora, u elektronskim kolima i u defibrilatorima. Kondenzator prima i predaje energiju. Brzina punjenja i pražnjenja zavisi od kola; bljeskalica energiju predaje veoma brzo.

2. Pločasti kondenzator

Najjednostavniji kondenzator su dvije paralelne ploče površine S, razdvojene izolatorom debljine d. Njegov kapacitet računamo ovako:

C = ε · Sd

Oznaka ε je permitivnost izolatora između ploča. Za vakuum je ε₀ ≈ 8,85·10⁻¹² F/m, a za druge materijale ε je nekoliko puta veće. Iz izraza se vidi tri stvari:

  • Veće ploče (veće S) daju veći kapacitet.
  • Manje rastojanje (manje d) daje veći kapacitet.
  • Izolator veće permitivnosti (veće ε) daje veći kapacitet.

Upravo zato su kondenzatori u elektronskim kolima često namotani u cilindar: tako se na malom prostoru dobije velika površina ploča.

💡 Zapamti Kapacitet ne zavisi od napona. Kad napon poraste, razmjerno poraste i naboj, a količnik C = Q/U ostaje isti.

3. Serijsko vezivanje

Kod serijske veze kondenzatori su poredani jedan za drugim, u istu granu. Naboj koji dođe do prve ploče potiskuje isti iznos naboja dalje, pa svi kondenzatori u seriji imaju isti naboj:

Q₁ = Q₂ = … = Q

Napon se pri tome dijeli: zbir napona na kondenzatorima jednak je naponu izvora. Za dva kondenzatora vrijedi:

1C = 1C₁ + 1C₂   ⇒   C = C₁ · C₂C₁ + C₂

Ekvivalentni kapacitet serijske veze uvijek je manji od najmanjeg pojedinačnog kapaciteta. To je lako zapamtiti: kondenzatori u seriji se ponašaju suprotno od otpornika.

4. Paralelno vezivanje

Kod paralelne veze svi kondenzatori su priključeni na iste dvije tačke, pa na svakom vlada isti napon:

U₁ = U₂ = … = U

Naboji se pri tome sabiraju, jer izvor puni svaki kondenzator posebno. Zato je ekvivalentni kapacitet jednak zbiru:

C = C₁ + C₂ + …

Ekvivalentni kapacitet paralelne veze uvijek je veći od najvećeg pojedinačnog kapaciteta. Ako želiš veći kapacitet pri istom naponu, kondenzatore vežeš paralelno.

VeličinaSerijska vezaParalelna veza
naboj Qisti na svimasabira se
napon Usabira seisti na svima
kapacitet C1/C = 1/C₁ + 1/C₂C = C₁ + C₂
ekvivalentmanji od najmanjegveći od najvećeg

5. Isprobaj: prebaci vezu iz serije u paralelu

Mijenjaj kapacitete i napon, pa prebaci vezu s paralelne na serijsku. Gledaj ekvivalentni kapacitet te raspodjelu naboja i napona. Kapaciteti su uvijek najmanje 1 µF, pa dijeljenje nikada nije nulom.

+ − C₁ C₂ serija: isti naboj, naponi se sabiraju + − C₁ C₂ paralela: isti napon, naboji se sabiraju crtež je šematski, simboli su dogovoreni

Serijska veza: oba kondenzatora imaju isti naboj, a naponi se sabiraju do napona izvora.

Šta ostaje stalno kada odspojiš kondenzator?

Poredimo dva jednaka idealna pločasta kondenzatora. Na početku oba imaju d₀ = 1 mm, C₀ = 2 nF, U₀ = 6 V i iznose naelektrisanja ploča Q₀ = 12 nC. Prvi ostaje na idealnom izvoru od 6 V, drugi napunimo pa potpuno odspojimo. Površina ploča i izolator ostaju isti.

Predvidi prije razmicanja ploča.

Razmak ploča dijeli isti razmjer u oba crteža: 1 mm ↔ 32 jedinice crteža. Ostali dijelovi su šematski. Oznake +Q i −Q označavaju suprotne naboje, ne broj pojedinačnih elektrona.

UslovCUQ (iznos)
Zaključak korak po korak i novi slučaj

1. Veći razmak uz istu površinu i izolator smanjuje kapacitet: C = C₀·d₀/d. 2. Uz izvor je U = 6 V, pa se Q = C·U mijenja razmjenom naelektrisanja s izvorom. 3. Nakon odspajanja nema puta za razmjenu: Q = 12 nC ostaje, a U = Q/C se mijenja. Novi slučaj: pri d = 3 mm kapacitet je trećina početnog; uz izvor Q pada na trećinu, dok izolovanom U raste tri puta. Model isključuje curenje, proboj i rubne efekte. Ploče pomjera vanjska sila; ovaj ogled ne računa energiju niti zanemaruje njen rad.

6. Korak po korak: serijska veza

Zadatak: „Kondenzatori C₁ = 6 µF i C₂ = 3 µF vezani su serijski na napon 12 V. Odredi ekvivalentni kapacitet, naboj i napon na svakom kondenzatoru.“

1.Zapiši podatke C₁ = 6 µF, C₂ = 3 µF, U = 12 V. Sve kapacitete ostavljamo u µF, pa će naboj ispasti u µC.
2.Ekvivalentni kapacitet Za seriju: 1/C = 1/C₁ + 1/C₂, odnosno C = C₁C₂/(C₁ + C₂).
C=(6 · 3) / (6 + 3) = 2 µF Rezultat je manji od najmanjeg kapaciteta, kako serija i zahtijeva.
Q=C · U = 2 µF · 12 V = 24 µC U seriji je to naboj svakog kondenzatora, ne samo ukupni.
U₁=Q / C₁ = 24 µC / 6 µF = 4 V Veći kapacitet dobija manji napon, jer je U = Q/C.
U₂=24 µC / 3 µF = 8 V Manji kondenzator nosi veći napon.
Provjera⇒4 V + 8 V = 12 V Zbir napona jednak je naponu izvora, pa je račun ispravan.

7. Riješeni primjeri

Dva tipa zadatka: serijska i paralelna veza. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.

Tip 1: serijska veza

Primjer 1: dva jednaka kondenzatora

Dva kondenzatora od po 2 µF vezana su serijski. Koliki je ekvivalentni kapacitet?

Podaci:C₁ = C₂ = 2 µF Kapaciteti su jednaki, pa se račun pojednostavljuje.
Formula:1/C = 1/C₁ + 1/C₂ Kod serije se sabiraju recipročne vrijednosti kapaciteta.
Uvrštavanje:1/C = 1/2 + 1/2 = 1 Jedinica je 1/µF, jer smo kapacitete ostavili u mikrofaradima.
Račun:C = 1 µF Recipročna vrijednost od 1 je 1, pa je kapacitet 1 µF.
Provjera⇒upola manji od 2 µF Dva jednaka kondenzatora u seriji daju tačno polovinu kapaciteta jednog.

Primjer 2: različiti kapaciteti

C₁ = 6 µF i C₂ = 3 µF vezani su serijski. Koliki je ekvivalentni kapacitet?

Podaci:C₁ = 6 µF, C₂ = 3 µF Kapaciteti su različiti, pa koristimo oblik s umnoškom i zbirom.
Formula:C = C₁C₂ / (C₁ + C₂) Ovaj oblik vrijedi samo za dva kondenzatora u seriji.
Uvrštavanje:C = (6 · 3) / (6 + 3) Brojnik je 18, a nazivnik 9.
Račun:C = 2 µF Ekvivalentni kapacitet je 2 µF, dakle manji od 3 µF.
Provjera⇒C < C₂ Serijska veza uvijek daje manji kapacitet od najmanjeg pojedinačnog.

Primjer 3: naponi u seriji

C₁ = 10 µF i C₂ = 10 µF vezani su serijski na 12 V. Odredi ekvivalentni kapacitet, naboj i napon na svakom.

Podaci:C₁ = C₂ = 10 µF, U = 12 V Jednaki kapaciteti olakšavaju provjeru rezultata.
C=10 · 10 / 20 = 5 µF Dva jednaka u seriji daju polovinu kapaciteta jednog.
Q=C · U = 5 µF · 12 V = 60 µC Isti naboj ima svaki kondenzator u seriji.
U₁=60 µC / 10 µF = 6 V Zbog jednakih kapaciteta napon se dijeli na pola.
U₂=60 µC / 10 µF = 6 V I drugi kondenzator dobija isti napon.
Provjera⇒6 V + 6 V = 12 V Zbir napona odgovara naponu izvora, pa je rezultat smislen.

Tip 2: paralelna veza

Primjer 1: sabiranje kapaciteta

C₁ = 2 µF i C₂ = 3 µF vezani su paralelno. Koliki je ekvivalentni kapacitet?

Podaci:C₁ = 2 µF, C₂ = 3 µF Kod paralelne veze svi kondenzatori imaju isti napon.
Formula:C = C₁ + C₂ Kapaciteti se u paraleli prosto sabiraju.
Uvrštavanje:C = 2 + 3 Jedinica ostaje mikrofarad.
Račun:C = 5 µF Ekvivalent je veći od svakog pojedinačnog kapaciteta.
Provjera⇒5 µF > 3 µF Paralelna veza uvijek daje kapacitet veći od najvećeg pojedinačnog.

Primjer 2: ukupan naboj u paraleli

C₁ = 10 µF i C₂ = 40 µF vezani su paralelno na 12 V. Odredi ekvivalentni kapacitet i ukupan naboj.

Podaci:C₁ = 10 µF, C₂ = 40 µF, U = 12 V Napon je isti na oba kondenzatora.
C=10 + 40 = 50 µF Paralela sabira kapacitete.
Formula:Q = C · U Ukupan naboj dobijemo iz ekvivalentnog kapaciteta i napona.
Q=50 µF · 12 V = 600 µC Mikrofaradi pomnoženi s voltima daju mikrokulone: µF · V = µC.
Provjera:Q₁ = 120 µC, Q₂ = 480 µC Zbir 120 + 480 = 600 µC potvrđuje ukupan naboj.

Primjer 3: raspodjela naboja

C₁ = 6 µF i C₂ = 12 µF vezani su paralelno na 6 V. Odredi naboj na svakom kondenzatoru i ukupan naboj.

Podaci:C₁ = 6 µF, C₂ = 12 µF, U = 6 V U paraleli svaki kondenzator ima puni napon izvora.
Q₁=C₁ · U = 6 µF · 6 V = 36 µC Naboj računamo za svaki kondenzator posebno.
Q₂=12 µF · 6 V = 72 µC Veći kapacitet prima i veći naboj pri istom naponu.
Q=36 + 72 = 108 µC Ukupan naboj je zbir naboja na oba kondenzatora.
Provjera⇒C · U = 18 µF · 6 V = 108 µC Isti rezultat dobijemo preko ekvivalentnog kapaciteta 18 µF.
⚠️ Česte greške
  • „U seriji se sabiraju kapaciteti.“ U seriji se sabiraju recipročne vrijednosti, pa je ekvivalent manji od najmanjeg kapaciteta.
  • „U seriji se naboji sabiraju.“ U seriji je naboj isti na svim kondenzatorima; sabiraju se naponi.
  • „U paraleli se sabiraju naponi.“ U paraleli je napon isti, a sabiraju se naboji i kapaciteti.
  • Miješanje jedinica µF i F. 10 µF je 10·10⁻⁶ F. Ako u račun uđe 10 F umjesto 10 µF, rezultat je milion puta veći.

✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)

1. Šta je zajedničko kondenzatorima vezanim serijski?

2. Kako se računa ekvivalentni kapacitet paralelne veze?

3. Dva kondenzatora od 4 µF i 12 µF vežemo serijski. Kakav je ekvivalentni kapacitet?

4. Kako povećati kapacitet pločastog kondenzatora?

8. Primijeni i objasni

Samostalan zadatak: Tri kondenzatora imaju kapacitete 2 µF, 4 µF i 6 µF. Prvo ih veži paralelno, pa serijski. Odredi ekvivalentni kapacitet u oba slučaja i objasni zašto se rezultati toliko razlikuju.
Provjeri rješenje i obrazloženje

Paralelno: C = 2 + 4 + 6 = 12 µF. Serijski: 1/C = (6 + 3 + 2)/12 = 11/12 (1/µF). Zato je C = 12/11 µF ≈ 1,1 µF. Razlomak zadržavamo do kraja, pa zaokružujemo samo rezultat. Paralelna veza daje kapacitet veći od najvećeg pojedinačnog jer izvor puni svaki kondenzator posebno, a naboj se sabira pri istom naponu. Serijska veza daje kapacitet manji od najmanjeg jer je naboj isti na svima, a naponi se sabiraju — svaki kondenzator dobija samo dio ukupnog napona. Zato je razlika više od deset puta, iako su u oba slučaja upotrijebljeni isti kondenzatori.

Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, u simulaciji postavi 2 µF i 4 µF i uporedi ispis za obje veze.

Veza s programom

Ključni sadržaji koje ovdje učiš: pločasti kondenzator, kapacitet, serijsko i paralelno vezivanje kondenzatora te primjena kondenzatora.

9. razred, oblast D (Elektricitet i magnetizam) — elektrostatika. Predmetni kurikulum KS, Fizika, 9. razred — oblast D, štampana stranica 23 (u PDF-u stranica 24). Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.