Точно както батериите позволяват преносимо съхранение на енергия, кондензаторите позволяват временно съхранение на енергия и са критични компоненти на много вериги.
Те позволяват да се отделят големи количества заряди един от друг и да се освободят при внезапен изблик на енергия, за използване в такива устройства като светкавични камери, както и за да посредничи при други електронни процеси като преобразуване между източници на променлив и постоянен ток или зареждане и разреждане на магнитни полета, което е полезно при настройка на радио станции.
Определение на капацитета
Капацитетът е мярка за способността на непроводящ материал да съхранява енергия чрез създаване на разделяне на заряда върху потенциална разлика (напрежение). Материалът трябва да е непроводящ, като стъкло или PVC тръба, защото в противен случай зарядите биха преминали през него, неспособни да останат разделени.
Математически, капацитет на обекта° Се равно на съотношението на зарядаВъпрос:към напрежениеV.
C = \ frac {Q} {V}
Единицата за капацитет SI ефарад(F); на такса,кулон(° С); и на напрежение,волта(V).Фарадът, кръстен на пионера на електромагнетизма Майкъл Фарадей, е дефиниран така, че 1 фарад е равен на 1 колумб на волт или 1 F = 1 C / V.
Всяка част от верига, която разделя заряда по този начин, се нарича aкондензатор. Следователно, следвайки уравнението по-горе, всеки даден капацитет на кондензатор° Ссвързан към батерия с потенциална разликаV, ще съхранява електрически зарядВъпрос:.
Кондензатори с паралелни плочи
Един често срещан тип кондензатор еуспореден пластинен кондензатор. В такова устройство две плочи с проводим материал (като метал) се държат, както подсказва името, успоредно една на друга на известно разстояние. Между плочите има aдиелектричен материал, наричан още anизолационен материал.
Това е нещо, което не позволява на зарядите да преминават през него и по този начин могат да се поляризират - зарядите вътре в него преориентирайте, така че всички положителни елементи да са заедно от едната страна, а всички отрицателни от другата - в присъствието на електрическа поле.
Всеки може да създаде прост кондензатор с паралелни плочи, като използва два листа метално фолио като плочи и няколко листа хартия като изолатор, поставен между тях.
Капацитетът на паралелен пластинен кондензатор зависи от площта на една плоча, илиA; раздялата между тяхд; и диелектричната константаκна материала между тях по този начин:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Терминът ε0 ("epsilon-nič") едиелектрическа проницаемостсвободно пространство, което е константа, равна на 8,854 × 10-12 фаради на метър (F / m). Диелектричната константаκе количество без единица, което може да се търси в таблица, като тази, свързана с тази статия.
Други видове кондензатори
Не всички видове кондензатори изискват успоредни плочи. Някои са цилиндрични, като коаксиален кабел, или сферични, като клетъчна мембрана (която в крайна сметка задържа заряд чрез изпомпване на положителни калиеви йони от клетката и отрицателни хлоридни йони в нея).
Коаксиалният кабел се използва широко за доставяне на видео, аудио и комуникационни данни. Цилиндричният му дизайн се състои от няколко слоя изолационни диелектрични материали между здрави проводящи листове, често медни, всички навити като желирана ролка.
Това позволява на кабела да пренася дори слаби електрически сигнали без влошаване на големи разстояния. Освен това, тъй като изолационните и проводящите слоеве са навити, може да осигури коаксиален кабел това съхранение на енергия в относително малко пространство - със сигурност в по-малък обем от кондензаторите с паралелни плочи мога.
RC вериги
Едно често срещано приложение на кондензаторите е в RC верига, наречена така, защото съдържа резистор и кондензатор. Да предположим, че два компонента на веригата са свързани паралелно, с превключвател, позволяващ веригата да се свърже в един от двата възможни единични контура: източник на напрежение плюс кондензатор или кондензатор плюс резистор.
Когато кондензаторът е свързан към източника на напрежение, токът протича във веригата и той започва да натрупва запазен заряд. Когато превключвателят е обърнат и кондензаторът е свързан към резистора, той ще се разреди и ще нагрее резистора.
Напрежението или потенциалната разлика в кондензатора, когато се зарежда, е:
V_ {кондензатор} = V_ {източник} (1-e ^ {t / RC})
Където и дветеVкондензаториVизточникса напрежения във волта иTе времето в секунди. Константата на времетоRCе произведение на съпротивлението и капацитета на веригата, което означава, че колкото по-голям е резисторът или кондензаторът, толкова повече време ще е необходимо за зареждане или разреждане. Устройството му също е за секунди.
В обратния процес (при разреждане) уравнението е подобно:
V_ {кондензатор} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
КъдетоV0е първоначалното, заредено напрежение на кондензатора, преди той да започне да се разрежда.
Тъй като зареждането отнема време за натрупване и освобождаване и това време зависи от свойствата на елементите на веригата, RC верига е полезна в много електрически устройства, които изискват прецизно време. Някои често срещани примери са: флаш камери, пейсмейкъри и аудио филтри.
Примерни изчисления
Пример 1: Какъв е капацитетът на паралелен пластинен кондензатор, направен от два 0,25 m2 алуминиеви плочи, разделени на 0,1 м с тефлон при 20 градуса по Целзий?
Като се има предвид площта на една плоча, разделянето и диелектричният материал, започнете с търсенето на диелектричната константа на тефлона. При 20 градуса по Целзий е 2,1 (не забравяйте, че няма единици!).
Решаване на капацитет:
Пример 2: Колко време ще отнеме зареждането на 100 µF (10-6 farads) кондензатор до 20 V, когато е свързан към 30-V батерия и във верига с 10-kΩ (1000 ома) резистор?
Започнете с преобразуване на капацитета и съпротивлението в техните SI единици и след това изчисляване на RC константата на времето:
C = 100 µF = 0.0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 секунда
След това, използвайки формулата за зареждащ кондензатор и решаване за времеT:
V_ {кондензатор} = V_ {източник} (1-e ^ {t / RC}) \ нов ред 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ нов ред 2/3 = 1-e ^ t \ нов ред 1/3 = e ^ t \ нов ред ln (1/3) = ln (e ^ t) \ нов ред 1,1 секунди = t
Кондензатори срещу Батерии
Кондензаторите и батериите може да изглеждат сходни, тъй като и двете могат да съхраняват и освобождават електронно зареждане. Но те имат няколко ключови разлики, които ги карат да имат различни предимства и недостатъци.
Първо, кондензаторът съхранява енергия в заредено електрическо поле, докато батерията съхранява енергия в химикали, освобождавайки я чрез химическа реакция. Поради тези материални разлики батерията може да съхранява повече енергия от кондензатор със същия размер.
Химичната реакция, необходима за освобождаването на тази енергия, обикновено е по-бавна от освобождаването на заряди през електрическото поле в кондензатор. Така че кондензаторът може да се зарежда и разрежда много по-бързо от батерията, осигурявайки повече електрическа енергия за кратко изблик. Кондензаторът също обикновено е по-издръжлив от батерията, което го прави по-екологичен.
Поради всички тези причини днешните инженери се стремят да увеличат границите на съхранение на кондензаторите и да намалят времето за зареждане и разреждане на батериите. Дотогава устройствата често се използват заедно. Например светкавицата на фотоапарата и пейсмейкърът използват батерия и кондензатор, за да доставят дълготрайна енергияидоставяйте го на бързи изблици при по-високи напрежения.
Приложения
Кондензаторите често се използват във вериги за изглаждане или посредничество на промените в напрежението, които иначе би имало дадено устройство. Например, повечето енергия, доставяна в дома, се доставя с променлив ток (променлив ток), който осигурява "неравномерно" напрежение, но повечето домакински уреди се нуждаят от постоянен ток (постоянен ток).
Кондензаторите в стената помагат за трансформиране на сигнала от променлив в постоянен за тези устройства. Входящото напрежение зарежда кондензатора и когато започне да се редува към по-ниско напрежение, кондензаторът започва да разтоварва част от запасената си енергия. Това позволява на устройството от другата страна да продължи да изпитва по-постоянно напрежение, отколкото без кондензатора.
Кондензаторите са полезни и в устройства, при които може да се наложи да се филтрират определени честоти на електронните сигнали, да речем радио усилвател или аудио миксер. Например кондензатор във веригата може да насочва нискочестотни и високочестотни звуци към различни части на високоговорител, като например субуфера или пищялката. Или радио високоговорител, използващ кондензатори за разделяне на честоти, може да усили някои, но не и други, като по този начин засили сигнала на желаната станция, в която е настроен радиото.
Развързване в интегрална схема.Едно от най-повсеместните приложения на кондензатора е интегралната схема - малката верига платка, съдържаща всички електрически компоненти, използвани за захранване на повечето потребителска електроника, като смартфони. Там кондензаторът служи като нещо като щит, предпазващ други електронни компоненти от внезапно падането на напрежението и действа като малки, временни източници на захранване, когато захранването е прекъснато за момент, толкова често случва се.
Подобно на начина, по който те помагат за осигуряването на постоянен ток на домакинските уреди, кондензаторите буферират промените в напрежението на електрониката извън тях във веригата; те „попиват“ допълнително напрежение и от своя страна освобождават излишното си напрежение, когато захранването започне да пада.
Разделителните кондензатори в интегралните схеми специално премахват високочестотните промени в напрежението (тъй като те могат да поемат част от промяната на напрежението, преминаваща през тях). Това води до това, че останалите компоненти на веригата изпитват по-равномерно напрежение на нивата, необходими за правилната им работа.
Кондензатори като сензори.Тъй като конструкцията на кондензатора зависи от използваните материали, които от своя страна имат различни проводими свойства при различни условия, кондензаторите са важни компоненти в електронните сензори.
Например, датчик за влажност използва диелектричен материал като пластмаса или полимер, който променя надеждността си с променящите се нива на влага. По този начин, чрез отчитане на проводимостта през този диелектрик, сензорът определя относителната влажност.
По същия начин някои сензори за ниво на гориво, включително тези в самолетите, използват кондензатори, за да преценят колко гориво остава в резервоара. В тези устройства самото гориво служи като диелектрик. След като падне до достатъчно ниско ниво, проводимостта се променя и пилотът се предупреждава.
Може би дори по-често срещани са капацитивните превключватели, използвани в сензорните устройства. Когато пръстът на човек докосне екран, той разрежда малко количество заряд, като по този начин изменя измеримо проводимостта на устройството и се определя точно на определено място. Това също обяснява защо носенето на ръкавици пречи на превъртането на смартфон - вълната или памукът в ръкавица е чудесен изолатор, който предпазва зарядите в пръстите от скачане към екрана.