Stejně jako baterie umožňují přenosné skladování energie, kondenzátory umožňují dočasné skladování energie a jsou důležitými součástmi mnoha obvodů.
Umožňují oddělit velké množství nábojů od sebe a uvolnit je náhlým výbuchem energie pro použití v takových zařízeních, jako jsou bleskové fotoaparáty, a také zprostředkovává další procesy elektroniky, jako je převod mezi zdroji střídavého a stejnosměrného proudu nebo nabíjení a vybíjení magnetických polí, což je užitečné při ladění rádia stanic.
Definice Capacitance
Kapacita je měřítkem schopnosti nevodivého materiálu akumulovat energii vytvořením oddělení náboje přes potenciální rozdíl (napětí). Materiál musí být nevodivý, například sklo nebo trubka z PVC, protože jinak by jím procházely náboje, které by nemohly zůstat oddělené.
Matematicky kapacita objektuCse rovná poměru nábojeQna napětíPROTI.
C = \ frac {Q} {V}
SI kapacitní jednotka jefarad(F); poplatku,coulomb(C); a napětí,voltů(PROTI).Farad, pojmenovaný po průkopníkovi elektromagnetismu Michaelovi Faradayovi, je definován tak, že 1 farad se rovná 1 columb na volt, nebo 1 F = 1 C / V.
Jakákoli část obvodu, která odděluje náboj tímto způsobem, se nazývá akondenzátor. Podle výše uvedené rovnice tedy libovolná daná kapacita kondenzátoruCpřipojeno k baterii s potenciálním rozdílemPROTI, bude ukládat elektrický nábojQ.
Paralelní deskové kondenzátory
Jeden běžný typ kondenzátoru je aparalelní deskový kondenzátor. V takovém zařízení jsou dvě desky z vodivého materiálu (jako kov) drženy, jak název napovídá, navzájem rovnoběžně na určitou vzdálenost. Mezi deskami je adielektrický materiál, nazývané takéizolační materiál.
To je něco, co neumožňuje protékat náboji, a tím se může polarizovat - náboje v něm přeorientovat, takže všechna pozitiva jsou pohromadě na jedné straně a všechna negativa na straně druhé - v přítomnosti elektrického proudu pole.
Kdokoli může vytvořit jednoduchý paralelní deskový kondenzátor pomocí dvou listů kovové fólie jako desek a několika listů papíru jako izolátoru vloženého mezi ně.
Kapacita paralelního deskového kondenzátoru závisí na ploše jedné desky, neboA; oddělení mezi nimid; a dielektrická konstantaκmateriálu mezi nimi tímto způsobem:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Termín ε0 („epsilon-nic“) jepermitivitavolného prostoru, což je konstanta rovná 8,854 × 10-12 farady na metr (F / m). Dielektrická konstantaκje množství bez jednotky, které lze vyhledat v tabulce, jako je ta, která souvisí s tímto článkem.
Jiné typy kondenzátorů
Ne všechny typy kondenzátorů vyžadují paralelní desky. Některé jsou válcovité, jako koaxiální kabel, nebo sférické, jako buněčná membrána (která nakonec drží náboj tím, že čerpá pozitivní ionty draslíku z buňky a negativní ionty chloridu do něj).
Koaxiální kabel je široce používán k přenosu obrazových, zvukových a komunikačních dat. Jeho válcový design se skládá z několika vrstev izolačních dielektrických materiálů mezi silnými vodivými plechy, často měděnými, které jsou srolované jako želé.
To umožňuje kabelu přenášet i slabé elektrické signály bez degradace na velké vzdálenosti. Navíc, protože izolační a vodivé vrstvy jsou navinuty, je schopen poskytnout koaxiální kabel toto skladování energie v relativně malém prostoru - určitě v menším objemu než paralelní deskové kondenzátory umět.
RC obvody
Jedna běžná aplikace kondenzátorů je v RC obvodu, tak pojmenovaném, protože obsahuje rezistor a kondenzátor. Předpokládejme, že dvě součásti obvodu jsou zapojeny paralelně, s přepínačem, který umožňuje obvodu připojit se do jedné ze dvou možných jednoduchých smyček: zdroj napětí plus kondenzátor nebo kondenzátor plus odpor.
Když je kondenzátor připojen ke zdroji napětí, v obvodu proudí proud a začíná se hromadit nabitý náboj. Když je spínač otočen a kondenzátor je připojen k rezistoru, vybije se a zahřeje rezistor.
Napětí nebo potenciální rozdíl na kondenzátoru, když se nabíjí, je:
V_ {kondenzátor} = V_ {zdroj} (1-e ^ {t / RC})
Kde obaPROTIkondenzátoraPROTIzdrojjsou napětí ve voltech atje čas v sekundách. Časová konstantaRCje výsledkem odporu a kapacity obvodu, z čehož vyplývá, že čím větší je odpor nebo kondenzátor, tím více času bude trvat nabíjení nebo vybíjení. Jeho jednotka je také během několika sekund.
V opačném procesu (při vybíjení) je rovnice podobná:
V_ {kondenzátor} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
KdePROTI0je počáteční nabité napětí kondenzátoru před jeho vybitím.
Protože nabití trvá určitou dobu, než se vybuduje a uvolní, a ten čas závisí na vlastnostech prvky obvodu, RC obvod je užitečný v mnoha elektrických zařízeních, která vyžadují přesnost načasování. Mezi běžné příklady patří: blesky, kardiostimulátory a zvukové filtry.
Příklad výpočtů
Příklad 1: Jaká je kapacita paralelního deskového kondenzátoru vyrobeného ze dvou 0,25 m2 hliníkové desky oddělené 0,1 m teflonem při 20 stupních Celsia?
Vzhledem k ploše jedné desky, separaci a dielektrickému materiálu začněte vyhledáním dielektrické konstanty teflonu. Při 20 stupních Celsia je to 2,1 (pamatujte, že nemá žádné jednotky!).
Řešení pro kapacitu:
Příklad 2: Jak dlouho bude trvat nabití 100 µF (10-6 farads) kondenzátor na 20 V, když je připojen k 30-V baterii a v obvodu s odporem 10 kΩ (1 000 ohmů)?
Začněte převodem kapacity a odporu na jejich jednotky SI a poté výpočtem časové konstanty RC:
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekunda
Poté pomocí vzorce pro nabíjecí kondenzátor a řešení pro čast:
V_ {capacitor} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ nový řádek 1/3 = e ^ t \ nový řádek ln (1/3) = ln (e ^ t) \ nový řádek 1,1 sekundy = t
Kondenzátory vs. Baterie
Kondenzátory a baterie se mohou zdát podobné, protože jsou schopné ukládat a uvolňovat elektronický náboj. Ale mají několik klíčových rozdílů, které je vedou k odlišným výhodám a nevýhodám.
Nejprve kondenzátor ukládá energii v nabitém elektrickém poli, zatímco baterie ukládá energii v chemických látkách a uvolňuje ji chemickou reakcí. Kvůli těmto materiálovým rozdílům může baterie ukládat více energie než kondenzátor stejné velikosti.
Chemická reakce potřebná k uvolnění této energie je však obvykle pomalejší než uvolňování nábojů elektrickým polem v kondenzátoru. Kondenzátor se tedy může nabíjet a vybíjet mnohem rychleji než baterie, což poskytuje více elektrické energie v krátkém proudu. Kondenzátor je také obvykle odolnější než baterie, takže je šetrnější k životnímu prostředí.
Ze všech těchto důvodů se dnešní inženýři snaží zvýšit limity skladování kondenzátorů a zkrátit dobu nabíjení a vybíjení baterií. Do té doby se zařízení často používají společně. Například blesk fotoaparátu a kardiostimulátor používají k dlouhodobé dodávce energie baterii a kondenzátoradodávejte jej v rychlých dávkách při vyšším napětí.
Aplikace
Kondenzátory se často používají v obvodech k vyhlazení nebo zprostředkování změn napětí, které by zařízení jinak zažilo. Například většina energie dodávaná do domácnosti pochází ze zdroje střídavého proudu (AC), který poskytuje „hrbolaté“ napětí, přesto většina domácích spotřebičů vyžaduje napájení stejnosměrným proudem (DC).
Kondenzátory ve zdi pomáhají transformovat signál z AC na DC pro tato zařízení. Vstupní napětí nabíjí kondenzátor a když se začne střídat s nižším napětím, kondenzátor začne vybíjet část své uložené energie. To umožňuje, aby zařízení na druhé straně pokračovalo v konstantnějším napětí, než by bylo bez kondenzátoru.
Kondenzátory jsou také užitečné v zařízeních, kde může být nutné odfiltrovat určité frekvence elektronických signálů, například rádiový zesilovač nebo zvukový směšovač. Například kondenzátor v obvodu může směrovat nízkofrekvenční a vysokofrekvenční zvuky do různých částí reproduktoru, jako je subwoofer nebo výškový reproduktor. Nebo rádiový reproduktor používající kondenzátory k oddělení frekvencí může zesílit některé, ale jiné ne, a tím posílit signál požadované stanice, na kterou je rádio naladěno.
Odpojení v integrovaném obvodu.Jedno z nejvíce všudypřítomných použití kondenzátoru je v integrovaném obvodu - v malém obvodu deska obsahující všechny elektrické komponenty používané k napájení většiny spotřební elektroniky, jako chytré telefony. Tam kondenzátor slouží jako štít, chránící ostatní elektronické komponenty před náhlým poklesy napětí a při dočasném přerušení dodávky energie působí tak často jako malé dočasné zdroje energie se děje.
Podobně, jak pomáhají poskytovat stejnosměrný proud domácím spotřebičům, kondenzátory vyrovnávají změny napětí elektroniky za nimi v obvodu; „nasávají“ zvláštní napětí a zase uvolňují své nadměrné napětí, když začne klesat napájení.
Oddělení kondenzátorů v integrovaných obvodech specificky odstraňuje vysokofrekvenční změny napětí (protože mohou absorbovat některé změny napětí, které jimi procházejí). To má za následek, že ostatní součásti obvodu zažívají rovnoměrnější kýl napětí na úrovních potřebných pro jejich správnou funkci.
Kondenzátory jako senzory.Protože konstrukce kondenzátoru závisí na použitých materiálech, které mají za různých podmínek odlišné vodivé vlastnosti, jsou kondenzátory důležitými součástmi elektronických senzorů.
Například snímač vlhkosti používá dielektrický materiál, jako je plast nebo polymer, který spolehlivě mění svou vodivost se změnou úrovně vlhkosti. Čtením vodivosti napříč tímto dielektrikem tedy senzor odvodí relativní vlhkost.
Podobně některé snímače hladiny paliva, včetně snímačů v letadlech, používají kondenzátory k měření zbývajícího množství paliva v nádrži. V těchto zařízeních slouží samotné palivo jako dielektrikum. Jakmile poklesne na dostatečně nízkou úroveň, vodivost se změní a pilot je upozorněn.
Možná ještě častější jsou kapacitní přepínače používané v zařízeních s dotykovou obrazovkou. Když se prst osoby dotkne obrazovky, vybije malé množství náboje, čímž měřitelně změní vodivost zařízení a určí jej na konkrétní místo. To také vysvětluje, proč nošení rukavic narušuje rolování na smartphonu - vlna nebo bavlna v rukavici jsou skvělým izolátorem, který brání nábojům v prstech skákat na obrazovku.