Czy kondensatory przewodzą prąd?

Spotkałem się ostatnio z takim pytaniem na jednej grupie. Powstała z tego spora dyskusja, był to niemalże spór akademicki. Padały tam argumenty na temat przewodzenia kondensatorów w obwodach wysokich częstotliwości, obwodach prądu przemiennego. Jednak jaka jest prawda?

Zacznijmy od zrozumienia podstawowych zjawisk. Przewodnictwa i prądu. Jak doskonałe wiemy ze szkoły podstawowej prąd jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Czynnikiem powodującym ten ruch jest pole elektryczne, wytwarzane przez siłę elektromotoryczną. Wyobrażamy to sobie jako poruszające się cząstki po torze(obwodzie). Takie wyobrażenie jest do pewnego stopnia poprawne, i nie będziemy wnikać jak to wygląda na poziomie kwantowym.

Przewodnictwo jest to pewna zdolność materiału do przenoszenia ładunku pod wpływem pola elektrycznego. I tak wyróżniamy dwa rodzaje przewodnictwa: elektronowe (przewodniki, półprzewodniki) i jonowe (izolatory). W przewodnictwie elektronowym jak sama nazwa mówi nośnikiem ładunków są elektrony. Zaś w jonowym przewodnictwie są to kationy i aniony.

Rozumiemy to raczej. Wróćmy więc do pytania. Trochę je zmodyfikujmy, to pozwoli nam zrozumieć co tak naprawdę się dzieje w kondensatorze. Czy przez kondensator przechodzą elektrony, gdy płynie prąd?

Otóż nie. Dzieje się zupełnie co innego. Gdy kondensator jest ładowany, elektrony napływają do jednej okładki i wypychają te znajdujące się na drugiej. Inaczej mówiąc zachodzi tu zjawisko indukcji elektrostatycznej. Indukcja elektrostatyczna zwana inaczej influencją polega na zdalnym oddziaływaniu na siebie ładunków. Oddziaływania te określa prawo Coulomba. I najważniejsza kwestia to jest fakt, iż nośnikiem oddziaływań elektrostatycznych są fotony. To one pośredniczą w odpychaniu i przyciąganiu ładunków. Działa to tak jakby ładunki wysyłały do siebie wiadomości w postaci fotonów o tym by się odpowiednio przesunęły. Żaden elektron normalnie nie przepływa przez izolator pod wpływem pola elektrycznego w kondensatorze.

Można oczywiście zrobić tak, by przepływały. Wystarczy przekroczyć pewne napięcie charakterystyczne dla danego izolatora. Dochodzi wtedy do przebicia elektrycznego, czyli przepływu elektronów przez izolator.

Podsumujmy. W gałęziach z kondensatorem płyną elektrony, ale nie przechodzą przez sam kondensator. Okładki kondensatora przekazują sobie energię dzięki zjawisku indukcji elektrostatycznej. Taki prąd płynący w gałęzi z kondensatorem nazywamy prądem przesunięcia.

Ciekawostka: Do roku 1862 prawo Ampera było niekompletne. Dopiero równania opracowane przez Jamesa Clerka Maxwella wniosły poprawkę do prawa Ampera w postaci prądu przesunięcia. Maxwell udowodnił tym samym, że zmienne pole elektryczne w kondensatorze może indukować pole magnetyczne. Zestawiając poprawione prawa Ampera i indukcji elektromagnetycznej Faradaya udało mu się przewidzieć istnienie fal elektromagnetycznych. Co zostało udowodnione w roku 1887 przez Heinricha Hertza. Prace obu tych panów stały się podwaliną pod technologię bezprzewodowej komunikacji.