जैसे बैटरी पोर्टेबल ऊर्जा भंडारण की अनुमति देती है, कैपेसिटर अस्थायी ऊर्जा भंडारण की अनुमति देते हैं और कई सर्किटों के महत्वपूर्ण घटक होते हैं।
वे बड़ी मात्रा में आवेशों को एक दूसरे से अलग करने और ऊर्जा के अचानक फटने पर, फ्लैश कैमरों जैसे उपकरणों में उपयोग के लिए, साथ ही साथ जारी करने की अनुमति देते हैं। अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स प्रक्रियाओं में मध्यस्थता करें जैसे एसी और डीसी पावर स्रोतों के बीच कनवर्ट करना या चुंबकीय क्षेत्रों को चार्ज करना और डिस्चार्ज करना, जो रेडियो ट्यूनिंग में उपयोगी है स्टेशन।
समाई की परिभाषा
कैपेसिटेंस एक संभावित अंतर (वोल्टेज) में चार्ज को अलग करके ऊर्जा को स्टोर करने की गैर-संचालन सामग्री की क्षमता का एक उपाय है। सामग्री गैर-संचालक होनी चाहिए, जैसे कांच या पीवीसी पाइप, क्योंकि अन्यथा चार्ज इसके माध्यम से बहेंगे, अलग रहने में असमर्थ होंगे।
गणितीय रूप से, किसी वस्तु की धारितासीचार्ज के अनुपात के बराबर हैक्यूवोल्टेज के लिएवी.
C=\frac{Q}{V}
समाई की SI इकाई हैबिजली की एक विशेष नाप(एफ); प्रभारी,कूलम्ब(सी); और वोल्टेज की,वोल्ट(वी).विद्युत चुंबकत्व के अग्रणी माइकल फैराडे के नाम पर फैराड को इस तरह परिभाषित किया गया है कि 1 फैराड 1 कोलम्ब प्रति वोल्ट या 1 एफ = 1 सी/वी के बराबर है।
परिपथ का कोई भी भाग जो आवेश को इस प्रकार अलग करता है, कहलाता है aसंधारित्र. इस प्रकार, उपरोक्त समीकरण का अनुसरण करते हुए, किसी संधारित्र की दी गई धारितासीसंभावित अंतर वाली बैटरी से जुड़ा हैवी, इलेक्ट्रिक चार्ज स्टोर करेगाक्यू.
समानांतर प्लेट कैपेसिटर
एक सामान्य प्रकार का संधारित्र है aसमानांतर प्लेट संधारित्र. इस तरह के एक उपकरण में, चालन सामग्री की दो प्लेटें (एक धातु की तरह) रखी जाती हैं, जैसा कि नाम से पता चलता है, कुछ दूरी पर एक दूसरे के समानांतर। प्लेटों के बीच में है aढांकता हुआ सामग्री, जिसे एक भी कहा जाता हैरोधक सामग्री.
यह कुछ ऐसा है जो इसके माध्यम से आवेशों को बहने नहीं देता है और इस प्रकार ध्रुवीकृत हो सकता है - इसके अंदर के आवेश पुनरावर्तन ताकि सभी सकारात्मक एक तरफ एक साथ हों और दूसरी तरफ सभी नकारात्मक - एक बिजली की उपस्थिति में मैदान।
कोई भी एक साधारण समानांतर प्लेट कैपेसिटर बना सकता है जिसमें प्लेट के रूप में धातु की पन्नी की दो शीट और उनके बीच में इंसुलेटर के रूप में कागज की कई शीट का उपयोग किया जाता है।
एक समानांतर प्लेट संधारित्र की धारिता एक प्लेट के क्षेत्रफल पर निर्भर करती है, याए; उनके बीच अलगावघ; और ढांकता हुआ स्थिरांकκइस प्रकार उनके बीच की सामग्री का:
सी = \dfrac{κε_0A}{डी}
शब्द0 ("एप्सिलॉन-नॉट") हैपरावैद्युतांकमुक्त स्थान का, जो 8.854 × 10. के बराबर स्थिरांक है-12 फैराड प्रति मीटर (एफ/एम)। ढांकता हुआ स्थिरांकκएक इकाई-कम मात्रा है जिसे एक तालिका में देखा जा सकता है, जैसे कि इस आलेख से जुड़ा हुआ।
अन्य प्रकार के कैपेसिटर
सभी प्रकार के कैपेसिटर को समानांतर प्लेटों की आवश्यकता नहीं होती है। कुछ बेलनाकार होते हैं, एक समाक्षीय केबल की तरह, या गोलाकार, एक कोशिका झिल्ली की तरह (जो कोशिका से सकारात्मक पोटेशियम आयनों को पंप करके और उसमें नकारात्मक क्लोराइड आयनों को पंप करके चार्ज करता है)।
वीडियो, ऑडियो और संचार डेटा देने के लिए एक समाक्षीय केबल का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इसकी बेलनाकार डिजाइन में मजबूत संवाहक चादरों के बीच ढांकता हुआ सामग्री को इन्सुलेट करने की कई परतें होती हैं, अक्सर तांबा, सभी जेली रोल की तरह लुढ़क जाते हैं।
यह केबल को लंबी दूरी पर गिरावट के बिना कमजोर विद्युत संकेतों को भी ले जाने की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि इन्सुलेटिंग और कंडक्टिंग परतें लुढ़की हुई हैं, एक समाक्षीय केबल प्रदान करने में सक्षम है अपेक्षाकृत कम जगह में यह ऊर्जा भंडारण - निश्चित रूप से समानांतर प्लेट कैपेसिटर की तुलना में कम मात्रा में कर सकते हैं।
आरसी सर्किट
कैपेसिटर का एक सामान्य अनुप्रयोग RC सर्किट में होता है, इसलिए इसका नाम इसलिए रखा गया क्योंकि इसमें एक रेसिस्टर और एक कैपेसिटर होता है। मान लीजिए कि दो सर्किट घटक समानांतर में जुड़े हुए हैं, एक स्विच के साथ सर्किट को दो संभावित सिंगल लूपों में से एक में कनेक्ट करने की इजाजत देता है: वोल्टेज स्रोत प्लस कैपेसिटर, या कैपेसिटर प्लस प्रतिरोधी।
जब संधारित्र वोल्टेज स्रोत से जुड़ा होता है, तो सर्किट में करंट प्रवाहित होता है, और यह एक संग्रहित चार्ज का निर्माण शुरू कर देता है। जब स्विच को फ़्लिप किया जाता है और संधारित्र को रोकनेवाला से जोड़ा जाता है, तो यह प्रतिरोधक को डिस्चार्ज और गर्म कर देगा।
चार्ज होने पर संधारित्र में वोल्टेज, या संभावित अंतर है:
वी_{संधारित्र} = वी_{स्रोत}(1-ई^{टी/आरसी})
जहां दोनोंवीसंधारित्रतथावीस्रोतवोल्ट में वोल्टेज हैं औरतोसेकंड में समय है। समय स्थिरआर सीसर्किट के प्रतिरोध और समाई का उत्पाद है, जिसका अर्थ है कि रोकनेवाला या संधारित्र जितना बड़ा होगा, चार्ज या डिस्चार्ज होने में उतना ही अधिक समय लगेगा। इसकी इकाई भी सेकेंडों में होती है।
रिवर्स प्रक्रिया में (निर्वहन करते समय), समीकरण समान होता है:
V_{संधारित्र} = V_{0}e^{-t/RC}
कहा पेवी0निर्वहन शुरू होने से पहले संधारित्र का प्रारंभिक, आवेशित वोल्टेज है।
क्योंकि चार्ज बनने और रिलीज होने में समय लगता है, और वह समय. के गुणों पर निर्भर करता है सर्किट के तत्व, एक आरसी सर्किट कई विद्युत उपकरणों में उपयोगी होता है जिन्हें सटीक की आवश्यकता होती है समय। कुछ सामान्य उदाहरण हैं: फ्लैश कैमरा, पेसमेकर और ऑडियो फिल्टर।
उदाहरण गणना
उदाहरण 1: दो 0.25-m. के बने समानांतर प्लेट संधारित्र की धारिता क्या है2 20 डिग्री सेल्सियस पर टेफ्लॉन के साथ एल्यूमीनियम प्लेट्स 0.1 मीटर अलग हो जाती हैं?
एक प्लेट के क्षेत्र को देखते हुए, पृथक्करण और ढांकता हुआ सामग्री, टेफ्लॉन के ढांकता हुआ स्थिरांक को देखकर शुरू करें। 20 डिग्री सेल्सियस पर, यह 2.1 है (याद रखें, इसकी कोई इकाई नहीं है!)
समाई के लिए समाधान:
उदाहरण 2: 100-μF (10µ) को चार्ज करने में कितना समय लगेगा-6 फैराड्स) संधारित्र को 20 V तक बढ़ा देता है जब यह 30-V बैटरी से जुड़ा होता है और सर्किट में 10-kΩ (1,000 ओम) रोकनेवाला होता है?
समाई और प्रतिरोध को उनकी एसआई इकाइयों में परिवर्तित करके शुरू करें, और फिर आरसी समय स्थिरांक की गणना करें:
सी = १०० µ एफ = ०.०००१ एफ
आर = १० केΩ = १०,०००
आरसी = 0.0001 एफ × 10,000 = 1 सेकंड
फिर, चार्जिंग कैपेसिटर के सूत्र का उपयोग करके और समय के लिए हल करनातो:
V_{संधारित्र} = V_{स्रोत}(1-e^{t/RC}) \newline 20 V = 30 V(1-e^{t/1}) \newline 2/3 = 1-e^t \ न्यूलाइन 1/3 = ई ^ टी \ न्यूलाइन एलएन (1/3) = एलएन (ई ^ टी) \ न्यूलाइन 1.1 सेकेंड = टी
कैपेसिटर बनाम। बैटरियों
कैपेसिटर और बैटरी समान लग सकते हैं क्योंकि वे दोनों इलेक्ट्रॉनिक चार्ज को स्टोर और रिलीज करने में सक्षम हैं। लेकिन उनके कई महत्वपूर्ण अंतर हैं, जिससे उन्हें अलग-अलग फायदे और नुकसान होते हैं।
सबसे पहले, एक संधारित्र एक आवेशित विद्युत क्षेत्र में ऊर्जा संग्रहीत करता है जबकि एक बैटरी रसायनों में ऊर्जा को संग्रहीत करती है, इसे रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से मुक्त करती है। इन भौतिक अंतरों के कारण, एक बैटरी समान आकार के संधारित्र की तुलना में अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकती है।
हालांकि, उस ऊर्जा को मुक्त करने के लिए आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रिया आमतौर पर एक संधारित्र में विद्युत क्षेत्र के माध्यम से आवेशों की रिहाई की तुलना में धीमी होती है। तो, एक संधारित्र एक बैटरी की तुलना में अधिक तेज़ी से चार्ज और डिस्चार्ज कर सकता है, जिससे कम समय में अधिक विद्युत शक्ति प्रदान की जा सकती है। एक संधारित्र भी आमतौर पर बैटरी की तुलना में अधिक टिकाऊ होता है, जिससे यह अधिक पर्यावरण के अनुकूल हो जाता है।
इन सभी कारणों से, इंजीनियर आज कैपेसिटर की भंडारण सीमा बढ़ाने और बैटरी के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग समय को कम करने की मांग कर रहे हैं। तब तक, उपकरणों को अक्सर एक साथ उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, कैमरे का फ्लैश और पेसमेकर दोनों लंबे समय तक चलने वाली ऊर्जा की आपूर्ति के लिए बैटरी और कैपेसिटर का उपयोग करते हैंतथाइसे उच्च वोल्टेज पर त्वरित विस्फोटों में वितरित करें।
अनुप्रयोग
कैपेसिटर का उपयोग अक्सर सर्किट में वोल्टेज परिवर्तनों को सुचारू या मध्यस्थता करने के लिए किया जाता है जो एक उपकरण अन्यथा अनुभव करेगा। उदाहरण के लिए, एक घर को दी जाने वाली अधिकांश ऊर्जा एक प्रत्यावर्ती धारा (एसी) आपूर्ति में आती है, जो एक "ऊबड़" वोल्टेज प्रदान करती है, फिर भी अधिकांश घरेलू उपकरणों को ऊर्जा की प्रत्यक्ष धारा (डीसी) आपूर्ति की आवश्यकता होती है।
दीवार में लगे कैपेसिटर इन उपकरणों के लिए एसी से डीसी में सिग्नल को बदलने में मदद करते हैं। आने वाला वोल्टेज संधारित्र को चार्ज करता है, और जब यह कम वोल्टेज के लिए वैकल्पिक होने लगता है, तो संधारित्र अपनी कुछ संग्रहीत ऊर्जा का निर्वहन करना शुरू कर देता है। यह दूसरी तरफ डिवाइस को संधारित्र के बिना अधिक निरंतर वोल्टेज का अनुभव जारी रखने की अनुमति देता है।
कैपेसिटर उन उपकरणों में भी उपयोगी होते हैं जहां इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल की कुछ आवृत्तियों को फ़िल्टर करने की आवश्यकता हो सकती है, जैसे कि रेडियो एम्पलीफायर या ऑडियो मिक्सर। उदाहरण के लिए, सर्किट में एक संधारित्र कम-आवृत्ति और उच्च-आवृत्ति ध्वनियों को स्पीकर के विभिन्न हिस्सों, जैसे सब-वूफर या ट्वीटर को निर्देशित कर सकता है। या, आवृत्तियों को अलग करने के लिए कैपेसिटर का उपयोग करने वाला एक रेडियो स्पीकर कुछ को बढ़ा सकता है लेकिन दूसरों को नहीं, जिससे वांछित स्टेशन के सिग्नल को मजबूत किया जा सकता है जिसमें रेडियो ट्यून किया गया है।
एक एकीकृत परिपथ में डिकॉउलिंग।एक संधारित्र के लिए सबसे सर्वव्यापी उपयोगों में से एक एकीकृत परिपथ में है - छोटा परिपथ अधिकांश उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स को बिजली देने के लिए उपयोग किए जाने वाले सभी विद्युत घटकों वाले बोर्ड, जैसे स्मार्टफोन्स। वहां, संधारित्र एक ढाल के रूप में कार्य करता है, अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों को अचानक से बचाता है वोल्टेज गिरता है और छोटे, अस्थायी बिजली स्रोतों के रूप में कार्य करता है जब आपूर्ति क्षणिक रूप से बाधित होती है, जितनी बार हो जाता।
इसी तरह वे घरेलू उपकरणों को सीधे करंट प्रदान करने में मदद करते हैं, कैपेसिटर सर्किट में उनके परे इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बफर वोल्टेज परिवर्तन; वे अतिरिक्त वोल्टेज को "सोखते हैं" और बदले में आपूर्ति कम होने पर अपने अतिरिक्त वोल्टेज को छोड़ देते हैं।
एकीकृत परिपथों में डीकूपिंग कैपेसिटर विशेष रूप से वोल्टेज में उच्च-आवृत्ति परिवर्तनों को हटाते हैं (क्योंकि वे उनके माध्यम से गुजरने वाले कुछ वोल्टेज परिवर्तन को अवशोषित कर सकते हैं)। इसके परिणामस्वरूप शेष सर्किट घटकों को उनके सही संचालन के लिए आवश्यक स्तरों पर वोल्टेज की एक और भी उलटना का अनुभव होता है।
सेंसर के रूप में कैपेसिटर।क्योंकि संधारित्र डिजाइन उपयोग की जाने वाली सामग्रियों पर निर्भर करता है, जिसके बदले में अलग-अलग परिस्थितियों में अलग-अलग प्रवाहकीय गुण होते हैं, कैपेसिटर इलेक्ट्रॉनिक सेंसर में महत्वपूर्ण घटक होते हैं।
उदाहरण के लिए, एक आर्द्रता सेंसर एक प्लास्टिक या बहुलक जैसे ढांकता हुआ सामग्री का उपयोग करता है जो नमी के स्तर को बदलने के साथ अपने चालन को मज़बूती से बदलता है। इस प्रकार, उस ढांकता हुआ के पार चालन को पढ़कर, सेंसर सापेक्ष आर्द्रता को घटा देता है।
इसी तरह, कुछ ईंधन-स्तर के सेंसर, जिनमें हवाई जहाज भी शामिल हैं, कैपेसिटर का उपयोग करके यह पता लगाते हैं कि टैंक में कितना ईंधन बचा है। इन उपकरणों में, ईंधन ही ढांकता हुआ के रूप में कार्य करता है। एक बार जब यह काफी कम स्तर तक गिर जाता है, तो चालकता बदल जाती है और पायलट सतर्क हो जाता है।
टचस्क्रीन उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले कैपेसिटिव स्विच शायद और भी आम हैं। जब किसी व्यक्ति की उंगली स्क्रीन को छूती है, तो वह थोड़ी मात्रा में चार्ज का निर्वहन करती है, जिससे डिवाइस के संचालन को मापने के लिए बदल दिया जाता है और एक विशिष्ट स्थान पर इंगित किया जाता है। यह भी बताता है कि दस्ताने पहनने से स्मार्टफोन पर स्क्रॉल करने में बाधा क्यों आती है - दस्ताने में ऊन या कपास एक महान इन्सुलेटर है, जो स्क्रीन पर कूदने से उंगलियों में चार्ज रखता है।