Gdzie gromadzi się ładunek kondensatora?

Każdy, kto uczył się fizyki i ma dobrą pamięć, na tytułowe pytanie odpowie: elektryczny ładunek gromadzi się na okładkach kondensatora. A na pewno tak odpowiedzą utytułowani specjaliści w dziedzinie fizyki -  z tytułem doktora lub profesora.

Ostatnio okazało się, że ta, wydawałoby się oczywista, odpowiedź jest błędna. Okazało się, że znaleźli się ludzie, którzy zwątpili w tę powszechnie przedstawianą w szkołach prawdę i sami przeprowadzili odpowiednie fizyczne doświadczenia. Te doświadczenia pokazały, że ładunek elektryczny kondensatora wcale nie gromadzi się na okładkach kondensatora, lecz w objętości dielektryka, który znajduje się między okładkami. Z doświadczeniami i ich wynikami można zapoznać się oglądając krótkie filmy na internetowych stronach:

https://www.youtube.com/watch?v=kmvhCYeRPV4   (od 7:41)

https://www.youtube.com/watch?v=PCae6jRw6Jg

https://www.youtube.com/watch?v=qUUtFaskDdc&t=225s   (od 3:56; po 5:46  - Andriej Tirtcha (Андрей Тиртха) powtarza doświadczenie)

Opisując krótko, ten fizyczny eksperyment wygląda następująco. Dwie metalowe płytki są oddzielone od siebie dielektrykiem w postaci szklanej płytki. Całość jest ustawiona na izolacyjnej podstawie. Ten prosty kondensator badacz podłącza na chwilę do źródła wysokiego napięcia. Po naładowaniu tego kondensatora płytki z obu stron szklanego dielektryka, z zachowaniem odpowiednich środków ostrożności, są usuwane. Zamiast nich są wstawiane podobne płytki metalowe, ale dotychczas elektrycznie nie ładowane. Po zmontowaniu nowego kondensatora, z "nowymi" płytkami (okładkami) i "starą" szklaną płytką, badacz za pomocą przewodu zwiera ze sobą metalowe płytki. Podczas zwierania następuje przeskok elektrycznej iskry, co świadczy o tym, że ładunek elektryczny przechował się w dielektryku, a nie na okładkach kondensatora.

Na podstawie wyników, jakie uzyskano w doświadczeniach z kondensatorem i jego wymiennymi okładkami, można wnioskować, że w kondensatorze energia jest gromadzona głównie w wyniku polaryzacji dielektryka między okładkami. Dielektryk, z powodu nadmiernie zwartej swojej strukturalnej budowy, nie ma zdolności do przewodzenia prądu. Taką zdolność może on uzyskać dopiero po podgrzaniu do bardzo wysokiej temperatury. Z tą zdolnością dielektryka do przewodzenia elektrycznego prądu w wysokiej temperaturze można zapoznać się oglądając krótki film (od 1:46) na

https://www.youtube.com/watch?v=8crSygWaySU&t=2s  W tym filmie Andriej Tirtcha zamyka elektryczny obwód za pomocą szklanej pałeczki, która zostaje rozgrzana do wysokiej temperatury.

Powstaje pytanie: jak zatem dochodzi do polaryzacji dielektryka w kondensatorze? Przebieg procesu polaryzacji dielektryka można porównać z procesem, jaki zachodzi w przewodniku podczas przepływu elektrycznego prądu. W przewodniku przepływ elektronów jest możliwy dzięki temu, że atomy w jego strukturze drgają na tyle intensywnie, że między nimi powstają duże luki (szczeliny), przez które pod wpływem przyłożonego elektrycznego napięcia w miarę swobodnie przepływają elektrony. A co dzieje się w dielektryku?

W dielektryku kondensatora atomy tworzą bardziej trwałe wiązania i drgają mniej intensywnie. Elektrony wchodzą w powstające gdzieniegdzie szczeliny miedzy atomami. Ale głębokość, na jaką mogą dotrzeć (licząc od powierzchni ujemnej elektrody - okładki), zależy od wielkości elektrycznego napięcia na okładkach kondensatora. W ten sposób gromadzenie się i nadmiar elektronów w dielektryku w pobliżu ujemnej elektrody jest w pewnym sensie skutkiem ich pompowania w materię dielektryka. Istniejący tam nadmiar elektronów stwarza niejako nadciśnienie elektronowej materii. To nadciśnienie istnieje tam, dopóki istnieje czynnik pompujący, czyli przyłożone do okładek kondensatora "zewnętrzne" elektryczne napięcie, lub dopóki nie powstanie możliwość rozładowania tego nadciśnienia - albo inaczej, rozładowania elektrycznego napięcia, które w dielektryku pozostaje także wówczas, gdy zostają usunięte okładki.

Rozładowanie powstającego w kondensatorze napięcia (nadciśnienia elektronów) może nastąpić także w pewnej szczególnej sytuacji. A mianowicie, rozładowanie kondensatora nastąpi wówczas, gdy przyłożone do okładek kondensatora "zewnętrzne" elektryczne napięcie osiągnie (lub przekroczy) pewną wielkość, przy której nastąpi elektryczne przebicie kondensatora. W takiej sytuacji nadciśnienie elektronów pokonuje strukturalne więzi między atomami dielektryka i w tym momencie w miejscu przebicia, na czas jego trwania, dotychczasowy dielektryk przestaje istnieć, a powstaje przewodnik elektrycznego prądu. Czyli powstaje sytuacja podobna do tej, jaka zaistniała w doświadczeniu A. Tirtchy, kiedy rozgrzany fragment szklanej pałeczki stawał się przewodnikiem i zamykał obwód elektryczny.

Na zakończenie można tu powrócić do wspomnianej na początku artykułu błędnej wiedzy, jaka jest przekazywana uczniom i studentom, a mianowicie, że elektryczny ładunek podczas ładowania kondensatora gromadzi się na jego okładkach. Tego błędu należy obecnie unikać. Teraz w dobie internetu wiedza o gromadzeniu się ładunku w kondensatorze może być szybko skorygowana. Uczniowie i studenci, którzy przeczytają niniejszy artykuł, mogą przekazywać poprawiona wiedzę swoim nauczycielom, doktorom i profesorom fizyki.

Polska, Legnica, 19.12.2018 r.

Bogdan Szenkaryk "Pinopa"