Prąd może istnieć w obwodzie z kondensatorem, mimo że elektrony nie przechodzą przez izolację między okładkami
Podczas ładowania kondensatora elektrony dopływają do jednej okładki i odpływają z drugiej, lecz idealny dielektryk między nimi nie przewodzi. Maxwell rozwiązał pozorną sprzeczność, dodając pojęcie prądu przesunięcia: zmienne pole elektryczne pomiędzy okładkami odgrywa w prawie Ampère’a rolę odpowiadającą prądowi przewodzenia w przewodach. Pojemność zależy od geometrii i materiału między okładkami, a zgromadzona energia jest związana z polem elektrycznym. To pozwala kondensatorom bardzo szybko przyjmować i oddawać energię oraz reagować na zmienne sygnały, ale oznacza też, że po odłączeniu zasilania napięcie nie musi zniknąć natychmiast.
Problem z klasycznym prawem Ampère’a
Można rozpiąć tę samą zamkniętą pętlę wokół przewodu dwiema różnymi powierzchniami: jedna przecina przewód z realnym prądem, druga przechodzi między okładkami kondensatora, gdzie żaden elektron nie przekracza szczeliny. Bez poprawki otrzymalibyśmy dwa różne pola magnetyczne dla tej samej pętli.
Maxwell dodał zmienny strumień pola
Prąd przesunięcia jest proporcjonalny do szybkości zmiany strumienia pola elektrycznego. W ładowanym idealnym kondensatorze jego wartość odpowiada prądowi dopływającemu przewodami. Dzięki temu równanie pola magnetycznego daje spójny wynik niezależnie od wybranej powierzchni.
To prowadzi do fal elektromagnetycznych
Poprawka Maxwella nie była tylko sztuczką rachunkową. Zmienny prąd elektryczny i zmienne pole elektryczne mogą wytwarzać pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Połączenie równań prowadzi do fal rozchodzących się z prędkością światła.
Kondensator nie jest małą baterią
Bateria utrzymuje napięcie dzięki procesom chemicznym, natomiast idealny kondensator magazynuje energię w konfiguracji ładunków i polu elektrycznym. Jego napięcie zmienia się wraz z ilością zgromadzonego ładunku. To odmienny mechanizm, dlatego kondensatory świetnie radzą sobie z szybkim przyjmowaniem i oddawaniem energii, ale nie są prostym odpowiednikiem ogniwa elektrochemicznego.
Pojemność opisuje geometrię i materiał
Pojemność C mówi, ile ładunku Q przypada na daną różnicę potencjałów V. W prostym kondensatorze rośnie wraz z powierzchnią okładek i przenikalnością dielektryka, a maleje przy zwiększaniu odstępu. Nie jest więc „ilością wolnego miejsca na elektrony”, lecz parametrem całego układu elektrycznego.
Dlaczego kondensatory są wszędzie
Układy zasilania używają ich do wygładzania napięcia, elektronika do sprzęgania sygnałów i ustalania czasów, aparaty mogą wykorzystywać je do szybkiego błysku, a czujniki mierzą zmianę pojemności wywołaną dotykiem lub ruchem. Ta sama prosta zależność między ładunkiem, napięciem i polem prowadzi więc do bardzo różnych funkcji technologicznych.
Pole pomiędzy okładkami jest częścią układu, nie pustą przerwą
Przestrzeń między okładkami może zawierać próżnię, powietrze albo dielektryk, a jej właściwości bezpośrednio zmieniają pojemność i rozkład pola. W dielektryku związane ładunki przesuwają się mikroskopijnie względem siebie, tworząc polaryzację. To nie oznacza swobodnego przepływu elektronów przez izolator, lecz zmianę odpowiedzi materiału na pole. W rezultacie dla tej samej geometrii można zgromadzić inny ładunek przy tym samym napięciu. Kondensator jest więc układem przewodników, pola i materiału pomiędzy nimi, a nie dwiema blaszkami z „pustą przestrzenią” pośrodku.
Dlaczego ładowanie i rozładowanie mają własny czas
Po połączeniu kondensatora przez rezystor napięcie nie musi zmienić się skokowo do wartości końcowej. Prąd stopniowo przesuwa ładunek na okładki, a rosnące napięcie kondensatora zmniejsza różnicę napędzającą dalszy przepływ. W najprostszym obwodzie RC charakterystyczną skalę czasu wyznacza iloczyn R·C. Ta zależność jest podstawą opóźnień, filtrów i układów czasowych. Pokazuje też, dlaczego kondensator po odłączeniu może długo zachować ładunek, jeśli nie ma skutecznej drogi rozładowania.