Kapasitans , bir sistemin elektrik yükünü depolama yeteneğini içeren, elektrostatikte temel bir kavramdır. Belirli bir elektrik potansiyeli için depolanan elektrik yükü miktarının bir ölçüsüdür. Kapasitans, elektrik enerjisini depolayan ve serbest bırakan bileşenler olan kapasitörler de dahil olmak üzere çok çeşitli elektronik cihazların tasarımında ve işleyişinde çok önemlidir.
Kapasitans, her bir iletken üzerindeki elektrik yükünün ( \(Q\) ) aralarındaki potansiyel farkına ( \(V\) ) oranı olarak tanımlanır. Kapasitans formülü ( \(C\) ) şu şekilde ifade edilir:
\(C = \frac{Q}{V}\)Kapasitans birimi Michael Faraday'ın adını taşıyan Farad'dır (F). Bir Farad kapasitansa sahip bir kapasitör, plakaları arasında bir voltluk potansiyel farkına sahip olduğunda bir coulomb elektrik yükü depolar.
Temel bir kapasitör, dielektrik olarak bilinen bir yalıtım malzemesiyle ayrılmış iki iletkenden oluşur. İletkenler plaka, küre veya silindir gibi çeşitli şekillerde olabilir. Dielektrik malzeme, elektrik yükü akışına direnerek kapasitörün kapasitansını belirlemede çok önemli bir rol oynar ve kapasitörün yük depolama kapasitesini artırır.
Paralel plakalı bir kapasitör için kapasitans aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
\(C = \epsilon \frac{A}{d}\)burada \(C\) kapasitanstır, \(\epsilon\) dielektrik malzemenin geçirgenliğidir, \(A\) plakalardan birinin alanıdır ve \(d\) plakalar arasındaki mesafedir .
Bir kapasitör, plakaları arasında oluşturulan elektrik alanında enerji depolar. Yüklü bir kapasitörde depolanan enerji ( \(U\) ) aşağıdaki denklemle verilir:
\(U = \frac{1}{2} CV^{2}\)Bu denklem, bir kapasitörde depolanan enerjinin, üzerindeki voltajın karesiyle orantılı ve kapasitansıyla doğru orantılı olduğunu gösterir. Bu prensip, çeşitli elektronik cihazlarda enerjiyi gerektiği gibi depolamak ve serbest bırakmak için kullanılır.
Bir kapasitörün plakaları arasındaki dielektrik yalnızca bir yalıtkan değildir; aynı zamanda elektrik alanına tepki olarak polarizasyon yaparak kapasitansı da etkiler. Bu polarizasyon, kapasitör içindeki etkili elektrik alanını azaltır ve kapasitörün yük depolama kapasitesini artırır. Dielektrik sabiti ( \(\kappa\) ) bu etkinin bir ölçüsüdür; daha yüksek değerler daha büyük kapasitansı gösterir.
Kapasitörler seri olarak bağlandığında, toplam kapasitans ( \(C_{total}\) ), karşılıkların toplamı formülünün tersi kullanılarak hesaplanan bireysel kapasitansların herhangi birinden daha azdır:
\(\frac{1}{C_{total}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + ... + \frac{1}{C_n}\)Tersine, kapasitörler paralel bağlandığında, toplam kapasitans bireysel kapasitansların toplamıdır:
\(C_{total} = C_1 + C_2 + ... + C_n\)Bu konfigürasyon, her bir kapasitörün şarj depolama kapasitesinin daha yüksek bir toplam depolama kapasitesi sağlayacak şekilde toplanmasıyla devrenin genel kapasitansında bir artışa olanak tanır.
Kapasitansı anlamaya yönelik bir deney, bir kapasitör tarafından farklı voltajlarda depolanan yükün ölçülmesini içerir. Değişken bir güç kaynağına bir kapasitör bağlayarak ve çeşitli voltajlarda biriken yükü hassas bir ampermetre ile ölçerek, \(C = \frac{Q}{V}\) ilişkisini kullanarak kapasitörün kapasitansı belirlenebilir.
Bir kapasitörün plakaları arasındaki elektrik alanı ( \(E\) ), plakalardaki yük yoğunluğu ( \(\sigma\) ) ve dielektrikin geçirgenliği ( \(\epsilon\) ) ile aşağıdaki denklemle ilişkilidir: :
\(E = \frac{\sigma}{\epsilon}\)Elektrik alanı plakaların yakınında en güçlüdür ve plakalardan uzaklaştıkça zayıflar. Bu alan, kapasitör şarj edildiğinde enerjiyi depolar; bu nedenle kapasitör, elektrik alanı çöktüğünde enerji açığa çıkarabilir.
Kondansatörler elektronik devrelerin ve cihazların ayrılmaz bileşenleridir. Şunlarda kullanılırlar:
Kapasitans, elektrostatik ve elektronikte bir sistemin elektrik enerjisini depolama ve serbest bırakma yeteneğini temsil eden önemli bir kavramdır. İletken plakaların boyutu, aralarındaki mesafe, kullanılan dielektrik malzemenin türü gibi faktörlerden etkilenir. Kapasitanstan yararlanan kapasitörler enerji depolama, güç düzenleme ve sinyal işleme alanlarında geniş uygulama alanı bulur. Kapasitansı anlamak, elektronik devreler ve cihazlar tasarlamak ve bunlarla çalışmak için çok önemlidir.
