Kapacitans: Definition, formel og enheder

Ligesom batterier muliggør bærbar energilagring, tillader kondensatorer midlertidig energilagring og er kritiske komponenter i mange kredsløb.

De gør det muligt at adskille store mængder opladninger fra hinanden og frigive dem i en pludselig udbrud af energi til brug i sådanne enheder som flash-kameraer samt til formidle andre elektronikprocesser som konvertering mellem vekselstrøms- og jævnstrømskilder eller opladning og afladning af magnetfelter, hvilket er nyttigt til tuning af radio stationer.

Kapacitans er et mål for et ikke-ledende materiales evne til at lagre energi ved at skabe en adskillelse af ladning på tværs af en potentiel forskel (spænding). Materialet skal være ikke-ledende, som glas eller et PVC-rør, for ellers strømmer ladningerne igennem det og kan ikke forblive adskilt.

Matematisk, et objekts kapacitansCer lig med forholdet mellem ladningQtil spændingV​.

SI-kapacitansenheden erfarad(F); af afgift, dencoulomb(C); og af spænding,volt

Enhver del af et kredsløb, der adskiller ladning på denne måde, kaldes akondensator. Således følger en ovenstående ligning en given kapacitans af en kondensatorCtilsluttet et batteri med en potentiel forskelV, gemmer elektrisk opladningQ​.

En almindelig type kondensator er enparallel pladekondensator. I en sådan anordning holdes to plader af ledningsmateriale (som et metal), som navnet antyder, parallelt med hinanden over en vis afstand. Mellem pladerne er der endielektrisk materiale, også kaldet enisoleringsmateriale​.

Dette er noget, der ikke tillader ladninger at strømme igennem det og dermed kan blive polariseret - ladningerne inde i det omorienterer så alle positive er sammen på den ene side og alle negativer på den anden - i nærværelse af en elektrisk Mark.

Alle kan oprette en simpel parallel pladekondensator ved hjælp af to ark metalfolie som pladerne og flere ark papir som isolatoren klemt imellem dem.

Kapacitansen for en parallel pladekondensator afhænger af arealet af en plade, ellerEN; adskillelsen mellem demd; og den dielektriske konstantκaf materialet mellem dem på denne måde:

Udtrykket ε₀ ("epsilon-intet") erpermittivitetaf ledig plads, som er en konstant lig med 8.854 × 10^-12 farads pr. meter (F / m). Den dielektriske konstantκer en enhedsfri mængde, der kan slås op i en tabel, som den der er knyttet til denne artikel.

Ikke alle typer kondensatorer kræver parallelle plader. Nogle er cylindriske, som et koaksialkabel eller sfæriske, som en cellemembran (som ender med at holde en ladning ved at pumpe positive kaliumioner ud af cellen og negative chloridioner i den).

Et koaksialkabel bruges i vid udstrækning til at levere video-, lyd- og kommunikationsdata. Dens cylindriske design består af flere lag af isolerende dielektriske materialer mellem stærkt ledende plader, ofte kobber, alle sammenrullet som en gelerulle.

Dette gør det muligt for kablet at bære selv svage elektriske signaler uden nedbrydning over lange afstande. Derudover er et koaksialkabel i stand til at tilvejebringe, fordi de isolerende og ledende lag er rullet sammen denne energilagring i et relativt lille rum - bestemt i et mindre volumen end parallelle pladekondensatorer kan.

En almindelig anvendelse af kondensatorer er i et RC-kredsløb, så navngivet, fordi det indeholder en modstand og en kondensator. Antag, at to kredsløbskomponenter er forbundet parallelt med en switch, der tillader kredsløbet at forbinde i en af ​​to mulige enkeltløkker: spændingskilde plus kondensator eller kondensator plus modstand.

Når kondensatoren er forbundet til spændingskilden, strømmer strømmen i kredsløbet, og den begynder at opbygge en lagret opladning. Når kontakten vendes, og kondensatoren er forbundet til modstanden, vil den aflade og varme op modstanden.

Spændingen eller potentialforskellen over kondensatoren, når den oplades, er:

Hvor beggeV_kondensatorogV_kildeer spændinger i volt ogter tid i sekunder. TidskonstantenRCer produktet af kredsløbets modstand og kapacitans, hvilket antyder, at jo større modstand eller kondensator, jo mere tid vil det tage at oplade eller aflade. Enheden er også på få sekunder.

I den omvendte proces (ved afladning) er ligningen ens:

HvorV₀er kondensatorens indledende, opladede spænding, før den begynder at aflade.

Fordi opladningen tager tid at opbygge og frigive, og den tid afhænger af egenskaberne af kredsløbets elementer, er et RC-kredsløb nyttigt i mange elektriske enheder, der kræver præcis timing. Nogle almindelige eksempler er: flash-kameraer, pacemakere og lydfiltre.

Eksempel 1: Hvad er kapacitansen for en parallel pladekondensator lavet af to 0,25-m² aluminiumplader adskilt med 0,1 m med Teflon ved 20 grader Celsius?

I betragtning af arealet af en plade, adskillelsen og det dielektriske materiale, start med at kigge op på den dielektriske konstant for Teflon. Ved 20 grader Celsius er den 2,1 (husk, den har ingen enheder!).

Løsning af kapacitans:

Eksempel 2: Hvor lang tid tager det at oplade en 100 µF (10^-6 farads) kondensator til 20 V, når den er tilsluttet et 30-V batteri og i kredsløb med en 10-kΩ (1.000 ohm) modstand?

Start med at konvertere kapacitans og modstand til deres SI-enheder og derefter beregne RC-tidskonstanten:

C = 100 µF = 0,0001 F

R = 10 kΩ = 10.000 Ω

RC = 0,0001 F × 10.000 Ω = 1 sekund

Brug derefter formlen til en opladningskondensator og løsning i tidet​:

Kondensatorer og batterier kan virke ens, da de begge er i stand til at gemme og frigive elektronisk opladning. Men de har flere vigtige forskelle, der får dem til at have forskellige fordele og ulemper.

For det første lagrer en kondensator energi i et ladet elektrisk felt, mens et batteri lagrer energi i kemikalier og frigiver det via kemisk reaktion. På grund af disse materialeforskelle kan et batteri gemme mere energi end en kondensator af samme størrelse.

Imidlertid er den kemiske reaktion, der er nødvendig for at frigive denne energi, typisk langsommere end frigivelsen af ​​ladninger gennem det elektriske felt i en kondensator. Så en kondensator kan oplade og aflade meget hurtigere end et batteri, hvilket giver mere strøm i en kort spurt. En kondensator er også typisk mere holdbar end et batteri, hvilket gør den mere miljøvenlig.

Af alle disse grunde søger ingeniører i dag at øge opbevaringsgrænserne for kondensatorer og reducere batteriets opladnings- og afladningstid. Indtil da bruges enhederne ofte sammen. For eksempel bruger et kameras blitz og en pacemaker begge et batteri og en kondensator til at levere langvarig energioglever det i hurtige bursts ved højere spændinger.

Kondensatorer bruges ofte i kredsløb til at udjævne eller formidle de spændingsændringer, som en enhed ellers ville opleve. For eksempel kommer det meste af energi leveret til et hjem i en vekselstrømsforsyning (AC), som giver en "ujævn" spænding, men alligevel kræver de fleste husholdningsapparater en jævnstrømsforsyning (DC).

Kondensatorer i væggen hjælper med at omdanne signalet fra AC til DC for disse enheder. Den indgående spænding oplader kondensatoren, og når den begynder at skifte til en lavere spænding, begynder kondensatoren at aflade noget af sin lagrede energi. Det gør det muligt for enheden på den anden side at fortsætte med at opleve en mere konstant spænding end den ville gjort uden kondensatoren.

Kondensatorer er også nyttige i enheder, hvor visse frekvenser af elektroniske signaler muligvis skal filtreres ud, for eksempel en radioforstærker eller en lydmixer. For eksempel kan en kondensator i kredsløbet dirigere lavfrekvente og højfrekvente lyde til forskellige dele af en højttaler, såsom subwooferen eller tweeteren. Eller en radiohøjttaler, der bruger kondensatorer til at adskille frekvenser, kan forstærke nogle, men ikke andre, og derved forstærke signalet fra den ønskede station, som radioen er indstillet til.

​Afkobling i et integreret kredsløb.En af de mest allestedsnærværende anvendelser til en kondensator er i et integreret kredsløb - det lille kredsløb bord, der indeholder alle de elektriske komponenter, der bruges til at drive de fleste forbrugerelektronik, som f.eks smartphones. Der fungerer kondensatoren som noget af et skjold, der beskytter andre elektroniske komponenter mod pludselig spændingsfald og fungerer som små, midlertidige strømkilder, når forsyningen midlertidigt afbrydes, så ofte sker.

På samme måde som de hjælper med at levere jævnstrøm til husholdningsapparater, ændres kondensatorbufferspændingsændringer for elektronik ud over dem i kredsløbet de "opsuger" ekstra spænding og frigiver igen deres overskydende spænding, når forsyningen begynder at falde.

Afkobling af kondensatorer i integrerede kredsløb fjerner specifikt højfrekvente ændringer i spændingen (da de kan absorbere noget af spændingsændringen, der passerer dem). Dette resulterer i, at resten af ​​kredsløbskomponenterne oplever en mere jævn spænding på de niveauer, der er nødvendige for deres korrekte drift.

​Kondensatorer som sensorer.Da kondensatordesign afhænger af de anvendte materialer, som igen har forskellige ledende egenskaber under forskellige forhold, er kondensatorer vigtige komponenter i elektroniske sensorer.

For eksempel bruger en fugtighedsføler et dielektrisk materiale, såsom en plast eller polymer, der ændrer dens ledningsevne pålideligt med skiftende fugtighedsniveauer. Ved at læse konduktansen på tværs af dette dielektrikum udleder sensoren således den relative fugtighed.

Tilsvarende bruger nogle sensorer på brændstofniveau, inklusive dem i fly, kondensatorer til at måle, hvor meget brændstof der er tilbage i tanken. I disse enheder tjener selve brændstoffet som dielektrikum. Når den først falder ned til et lavt niveau, ændres ledningsevnen, og piloten advares.

Måske endnu mere almindelige er kapacitive kontakter, der bruges i berøringsskærmenheder. Når en persons finger rører ved en skærm, aflades den en lille mængde opladning og derved ændres ledningsevnen af ​​enheden målbart og peget på et bestemt sted. Dette forklarer også, hvorfor brug af handsker forstyrrer rulning på en smartphone - uld eller bomuld i en handske er en stor isolator, hvilket holder ladningerne i fingrene fra at springe til skærmen.