Kondensator – zdolność gromadzenia w nim energii

W cyklu o fundamentach elektroniki, nie tylko elektroniki przewodowej, ostatnio zacząłem opowiadać o najpopularniejszych elementach elektronicznych – o kondensatorach, które gromadzą energię w polu elektrycznym. W poniższym artykule zajmiemy się gromadzeniem energii oraz modelem hydraulicznym.

W poprzednim artykule tej serii wstępnie przedstawiłem kondensator z punktu widzenia elektronika. Otóż dla elektronika kondensator to element służący (głównie) do magazynowanie energii w polu elektrycznym. Podstawowym parametrem kondensatora jest jego, wyrażona w faradach, pojemność, którą warto rozumieć jako miarę zdolności gromadzenia energii. W poniższym artykule też koncentrujemy się na najważniejszym – na energii. Celowo skupiam się na energii i celowo unikam wzmianek o ładunku elektrycznym, żeby nie nawiązywać do fałszywych wyobrażeń, jakie mocno tkwią w naszych umysłach i nie pomagają, tylko wprowadzają zamieszanie w głowach mnóstwa elektroników.

Kondensator w analogii hydraulicznej

Źródłem właściwości kondensatora jest (nadal bardzo tajemnicze) pole elektryczne. Nie tylko początkujący mają kłopot ze zrozumieniem szczegółów dotyczących pola elektrycznego, jego wektorowego natężenia, jego skalarnego potencjału, konsekwencji występowania i ładunków dodatnich, i ujemnych, dlatego na początkowych etapach edukacji powszechnie wykorzystuje się modele, w szczególności modele hydrauliczne. Jak pisałem we wcześniejszych artykułach, wykorzystuje się co najmniej dwie analogie hydrauliczne – wodne: ciśnieniową (poziomą) oraz wysokościową (pionową). Obie są bardzo mocno niedoskonałe i obie mogą wprowadzić w błąd.

Tak, ale w miarę przystępnie pokazują niektóre ważne aspekty zagadnienia, dlatego pomimo wad warto je wykorzystać. W obu odpowiednikiem napięcia elektrycznego jest ciśnienie wody, a odpowiednikiem prądu elektrycznego – przepływ wody.

W literaturze można znaleźć modele hydrauliczne kondensatora, gdzie kluczową rolę odgrywa elastyczna membrana. Przykład pustej w środku kuli przedzielonej gumową membraną, z rysunku 1 pochodzi z interesującej strony, którą prowadzi W. Beaty (http://amasci.com/emotor/cap1.html). Ten model prawidłowo pokazuje, że przez kondensator nie może płynąć prąd stały. Pokazuje, jak należy rozumieć ładowanie i rozładowanie. Wielkość kuli i jej pojemność słusznie kojarzy się z pojemnością kondensatora. Oprócz tych zalet, model ten ma wiele poważnych ograniczeń, wad i może wprowadzić w błąd.

Pokrewny model pokazany jest na rysunku 2. Kondensator przedstawiony jest jako tłok poruszający się wewnątrz cylindra. Ma zalety poprzedniego, a obecność sprężyn wskazuje na magazynowanie w nich energii.

Dużo gorszy hydrauliczny model kondensatora (jako animowany GIF) można łatwo znaleźć w Wikipedii – rysunek 3. To elastyczna membrana zamontowana w rurze. Podstawowy problem, że tu nigdzie nie widać pojemności. To bardzo kiepski model.

Żaden z tych modeli nie ilustruje w przystępny sposób najważniejszych kwestii: związku prądu, napięcia i energii. Do tego zdecydowanie lepsza jest „wysokościowa” analogia kondensatora, która niestety, też ma liczne wady.

W analogii „wysokościowej” mamy dobry pod pewnymi względami model kondensatora w postaci pojemnika na wodę o kształcie pionowej rury, wysokiego walca – rysunek 4. Model ten też ma bardzo poważne wady: nie widać tu, iż przez kondensator nie może płynąć prąd stały. U dołu zbiornika narysowałem dwa dopływy/odpływy, ale wystarczyłby jeden.

W tej analogii „wysokościowej” napięcie między okładkami kondensatora, czyli „ciśnienie elektryczne”, reprezentowane jest oczywiście przez ciśnienie wody na dole zbiornika, wyznaczone przez wysokość słupa wody. Czyli napięcie na okładkach kondensatora reprezentuje tu wysokość wody w rurze.

Pojemność i zdolność magazynowania energii

Zacznijmy od „oczywistej oczywistości”: sam fakt, że mamy kondensator o jakiejś pojemności wcale nie znaczy jeszcze, że w kondensatorze tym zgromadzona jest energia. Kondensator to jedynie zbiornik na energię i oczywiście zbiornik ten może być pusty.
Zawiera energię wtedy, gdy w zbiorniku jest woda i występuje ciśnienie (napięcie) proporcjonalne do wysokości słupa wody. I aż się prosi uznać, że pojemność kondensatora jest reprezentowana przez pojemność – objętość zbiornika. NIE! Bo przecież poziom wody w zbiorniku reprezentuje tu napięcie kondensatora, czyli napięcie U między okładkami kondensatora.

Dlatego w pionowej analogii hydraulicznej pojemność C kondensatora reprezentuje przekrój poprzeczny zbiornika a nie jego objętość (pojemność).

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się we wrześniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2026). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2026 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.