kapacitor

Tre almindelige typer af kapacitorer. Til venstre en keramisk kapacitor, i midten en mylarkapacitor, og til højre en elektrolytkapacitor. Ternene på papiret de ligger på, er 5 mm på hver led.

Kapacitorer

Af Niels Hertel.

Licens: CC BY SA 3.0

En kapacitor er en elektrisk komponent, der udviser kapacitans, dvs. besidder evnen til at oplagre elektrisk ladning. I sin simpleste form er en kapacitor to metalplader adskilt af luft, vakuum eller et tyndt lag dielektrikum. En kapacitor karakteriseres ved sin kapacitans, der måles i enheden farad (F). Farad er en meget stor enhed, og typiske kapacitorer har kapaciteter fra 1pF (Picofarad = 10^-12 F) til nogle 1000μF (Mikrofarad = 10^-6F).

Faktaboks

Etymologi: Ordet er fra engelsk capacitor, hvor det i begyndelsen af 1900-tallet blev dannet af ordet capacity i betydningen 'plads, rum' (oprindelig 'kapacitet, evne (til at rumme)'; i sidste ende fra latin capacitas) med endelsen -itor.
Også kendt som: kondensator i daglig tale

Kapacitorens funktion

Når spændingen over en kapacitor stiger, øges mængden af oplagret ladning i kapacitoren, hvilket vil modvirke stigningen i spænding. Ved faldende spænding sker det modsatte: Kapacitoren vil afgive ladning og dermed modvirke faldet i spænding. Jo hurtigere spændingen over komponenten ændres, jo større strøm giver oplagringen af ladning anledning til. Dvs. at en kapacitor simpelt kan siges at være en frekvensafhængig elektrisk resistor, hvor resistansen falder med stigende frekvens. Frekvensafhængig resistans benævnes reaktans; se mere om kapacitorens reaktans sidst i denne artikel.

Det kan undre, at en kapacitor kan lede en tidsligt varierende elektrisk strøm, på trods af at de to poler ikke er elektrisk forbundne. Dette blev forklaret med den såkaldte forskydningsstrøm, som blev indført af den skotske fysiker James Clerk Maxwell (se Maxwell-ligningerne), og som udtrykker, at et tidsligt varierende elektrisk felt er ækvivalent med en elektrisk strøm.

En jævnspænding over kapacitoren ændrer ikke på mængden af oplagret ladning; altså er en kapacitor i det tilfælde en isolator.

Anvendelse

Nogle få typiske anvendelser af kapacitorer:

I filtre for at skabe en ønsket frekvensopførsel af fx lydsignaler i en forstærker eller for at udvælge en bestemt frekvens i en radio- eller tv-modtager. Her anvendes kapacitorer ofte sammen med induktorer.
Udjævning af spændingsvariationer i kredsløb, der omformer vekselspænding til jævnspænding.
Dæmpning af meget hurtige spændingsvariationer, når især digitale enheder ændrer tilstand. Uden dæmpning kan disse støjimpulser lave forstyrrelser i andre dele af det kredsløb, de er en del af.

Kapacitorer ses overalt i ethvert kredsløb, der anvendes med varierende spændinger.

Opbygning

Den simpleste kapacitor er to metalplader adskilt af et isolerende materiale. Jo større areal pladerne har, og jo tyndere det isolerende lag er, jo større er enhedens kapacitet. I praksis anvendes oftest tynde folier, der sammen med et tyndt lag dielektrikum vikles op, således at man kan have et stort areal af leder på kun lidt plads.

Typer af kapacitorer

De tre mest almindelige typer af kapacitorer er:

keramiske kapacitorer, som er meget anvendt, da de er små og billige, men som regel har lille kapacitans, typisk fra 1 pF (picofarad = 10^-12F) til nogle nF (nanofarad = 10^-9 F);
mylarkapacitorer (polyester-kapacitorer), der anvender metalliseret kunststoffolie, en type, der har god nøjagtighed og fås til lav pris. Kapaciteten af en mylarkapacitor er normalt i området 1nF (nanofarad = 10^-9F) til 50 μF;
elektrolytkapacitorer, der som leder anvender oxideret metalfolie, hvilket isolerer lederen. Lederen vikles op med en elektrolyt mellem hvert lag. Dette giver meget stor kapacitans i forhold til enhedens størrelse. Kapaciteten af en elektrolytkapacitor er typisk fra 1μF til 1F. Denne type kapacitor er polariseret, dvs. at den kræver, at den ene tilledning altid er positiv i forhold til den anden.Elektrolytkapacitorer anvendes specielt i strømforsyninger.Elektrolytkapacitorer har dog begrænset levetid, ofte typisk 10-20 år, afhængigt af driftstemparaturen. Problemer med brum i forstærkere skyldes ofte, at en elektrolytkapacitor i forstærkerens strømforsyning er ophørt med at fungere, som den skal.

Kapacitorens reaktans

Her vises strøm og spænding i en kapacitor. Det ses, at strømmen (blå kurve) er 90° bagefter spøndingen (rød kurve)

Spænding/strøm fase i en kapacitor

Af Niels Hertel.

Licens: CC BY SA 3.0

En kapacitors størrelse betegnes ofte C og måles i farad, og med en spænding på V volt mellem kapacitorens plader og ladning ±Q coulomb på pladerne er kapaciteten defineret som C=Q/V.

Ovenstående udtryk kan også skrives Q=CV, og hvis man betragter ændringen i ladning som funktion af tiden, kan man få et udtryk for strømmen, I, i en kapacitor: I = dQ/dt = CdV/dt.

I en resistor er strømmen, jævnfør Ohms lov, proportional med spændingen over resistoren, men for en kapacitor er strømmen proportional med spændingens ændring pr. tidsenhed. Det vil sige, at der for en jævnspænding, hvor dV/dt=0, ingen strøm går gennem kondensatoren: Ladningen på pladerne er konstant, så den er en isolator. Jo hurtigere spændingen ændrer sig over kapacitoren, jo mere strøm går der. Man kan dermed kalde en kapacitor for en frekvensafhængig modstand.

Hvis man betragter en vekselspænding med en vinkelfrekvens på ω rad/s, kan spændingen over kapacitoren, V_c, skrives V_c=V cos(ωt). dV/dt bliver så Vωsin ωt, og dermed er I=CVωsin(ωt), som kan skrives I=CVωcos(ωt-π/2). Vinklen ωt-π/2 i udtrykket for strømmen betyder, at strømmen er ude af fase med spændingen, og at faseforskellen er -π/2 = 90°. Det betyder, at stømmens fase er en kvart bølgelængde bagud i forhold til spændingen.

Kapacitiv reaktans

Hvis man ser bort fra faseændringen og blot betragter amplituden af strøm og spænding, finder man (jævnfør ovenfor), at I=C·V·ω, eller V=I/(C·ω). Hvis man betragter Ohms lov, V=IR, ses at den frekvensafhængige resistans af en kapacitor er 1/Cω. Dette kaldes også kapacitorens reaktans, X_C.

I et kredsløb med både kapacitorer og induktorer, hvor kredsløbets impedans, dvs. den samlede frekvensafhængige modstand, skal beregnes, kræver det at man medtager fasedrejningen i komponenterne.

Her er det bekvemt at regne med den komplekse reaktans, der for en kapacitor lyder X_C=-i/Cω, hvor i er den imaginære enhed (i²=-1). At fortegnet er negativt betyder, at strømmen er 90° bagefter spændingen, eller med andre ord, at der er en faseforskel mellem strøm og spænding på 90°.

Eksempel

En kapacitor med en kapacitet på 1μF med en 1kHz vekselspænding vil have en reaktans på 1/(10^-6*10³*2π) = 159Ω. Hvis frekvensen er 100kHz, vil reaktansen være 1,59Ω.

Læs mere i Lex

kapacitans
farad
kondensator (i elektricitetslære eller elektroteknik)
reaktans
induktor
impedans

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

Fagansvarlig for Elektromagnetisme, elektron- og ionoptik

Niels Hertel

Acceleratorfysiker, ph.d., Aarhus Universitet