מה קובע את הקיבול של קבל?

הקבל מיועד לאחסון זמני של אנרגיה חשמלית בצורת אנרגיה פוטנציאלית המחולקת במרחב למטענים חשמליים חיוביים ושליליים, כלומר בצורה של שדה חשמלי בחלל שביניהם. בהתאם לכך, קבל חשמלי כולל שלושה מרכיבים עיקריים: שני לוחות מוליכים, עליהם ממוקמים מטענים נפרדים בקבל מטען, ושכבה דיאלקטרית הממוקמת בין הלוחות.

צלחות קבלים, בהתאם לסוג המוצר החשמלי הזה, יכולות להתבצע בדרכים שונות, החל מלוחות אלומיניום פשוטים מפותלים על גליל עם שכבת ביניים של נייר, ועד צלחות מחומצנות כימית או שכבה דיאלקטרית מתכתית. בכל מקרה, יש שכבה של דיאלקטרי ופלטה שביניהם היא מקובעת היטב - זה בעצם קבל.

הדיאלקטרי עשוי להיות נייר, נציץ, פוליפרופילן, טנטלום או חומר בידוד חשמלי מתאים אחר עם הקבוע הדיאלקטרי הנדרש וחוזק חשמלי.

כידוע, האנרגיה של מטענים חשמליים המופרדים במרחב שווה למכפלת כמות המטען Q שנעקר (מגוף אחד למשנהו) בהפרש הפוטנציאל בין הגופים הטעונים U.

אז, האנרגיה של מטענים מופרדים על לוחות הקבל תלויה לא רק במספר המטענים המופרדים, אלא גם בפרמטרים של הלוחות שלו ושל הדיאלקטרי, שכן הדיאלקטרי, כאשר הוא מקוטב, אוגר אנרגיה בצורה של שדה חשמלי, החוזק של זה קובע את ההבדל הפוטנציאלי U בין המטענים המופרדים הממוקמים על לוחות הקבל.

מכיוון שהפרש הפוטנציאל בין מטענים המופרדים במרחב תלוי בעוצמת השדה החשמלי ובמרחק ביניהם. למעשה - על עובי הדיאלקטרי בין הלוחות הטעונים כשמדובר בקבל.

יחד עם זאת, ככל ששטח החפיפה של הלוחות A גדול יותר וככל שהקבוע הדיאלקטרי המוחלט (והיחסי) של הדיאלקטרי גדול יותר - ככל שהמטענים המופרדים הממוקמים על הלוחות נמשכים זה לזה יותר האנרגיה הפוטנציאלית שלהם משמעותית - כך תידרש עבודה רבה יותר ממקור EMF כדי לטעון את הקבל הזה.

על ידי הפרדת מטענים בתהליך העברת אלקטרונים מלוח אחד לאחר, מקור ה-EMF מבצע בדיוק נפח כזה של עבודה על טעינת הקבל, שכמותו תהיה זהה אנרגיה של קבל טעון.

עם אי רציפות זו, האנרגיה של הקבל הטעון, בנוסף לכמות המטען המועברת מלוח ללוח, (היא יכולה להיות שונה) תהיה תלויה באזור החפיפה של הלוחות A, במרחק בין הלוחות d. , ועל הקבוע הדיאלקטרי המוחלט של הדיאלקטרי ה.

הפרמטרים הקובעים הללו של בניית קבל מסוים הם קבועים, היחס המצטבר שלהם יכול להיקרא הקיבול של הקבל C. אז נוכל לומר בביטחון כי הקיבול של הקבל C תלוי באזור החפיפה של הלוחות A , על המרחק ביניהם d ושל הקבוע הדיאלקטרי e.

קל מאוד להבין את התלות של הקיבול בפרמטרים אלה אם ניקח בחשבון קבל שטוח.

ככל ששטח החפיפה של הלוחות שלו גדול יותר, כך קיבולת הקבל גדולה יותר, שכן המטענים פועלים על פני שטח גדול יותר.

ככל שהמרחק בין הלוחות קטן יותר (למעשה, עובי השכבה הדיאלקטרית), כך קיבולת הקבל גדולה יותר, מכיוון שכוח האינטראקציה של המטענים גדל ככל שהם מתקרבים.

ככל שהקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי בין הלוחות גדול יותר, כך הקיבול של הקבל גדול יותר, מכיוון שעוצמת השדה החשמלי בין הלוחות גדול יותר.

ראה גם:מדוע משתמשים בקבלים במעגלים חשמליים? וקבלים וסוללות - מה ההבדל?