Baš kao što baterije omogućuju prijenosno skladištenje energije, kondenzatori omogućuju privremeno skladištenje energije i ključne su komponente mnogih sklopova.
Omogućuju da se velike količine naboja međusobno odvoje i oslobode naglim naletom energije, za upotrebu u uređajima poput bljeskalica, kao i za posredovati u drugim elektroničkim procesima poput pretvorbe između izmjeničnih i istosmjernih izvora napajanja ili punjenja i pražnjenja magnetskih polja, što je korisno za podešavanje radija stanice.
Definicija kapacitivnosti
Kapacitet je mjera sposobnosti neprovodnog materijala da skladišti energiju stvaranjem odvajanja naboja preko potencijalne razlike (napona). Materijal mora biti neprovodljiv, poput stakla ili PVC cijevi, jer bi u protivnom naboji prolazili kroz njega, ne mogavši ostati odvojeni.
Matematički, kapacitet objektaCjednak je omjeru nabojaPna naponV.
C = \ frac {Q} {V}
SI jedinica kapacitivnosti jefarad(F); naboja,coulomb(C); i napona,volti(V).Farad, nazvan po pioniru elektromagnetizma Michaelu Faradayu, definiran je tako da je 1 farad jednak 1 kolunu po voltu ili 1 F = 1 C / V.
Bilo koji dio kruga koji na ovaj način odvaja naboj naziva se akondenzator. Dakle, slijedeći gornju jednadžbu, bilo koji zadani kapacitet kondenzatoraCspojen na bateriju s potencijalnom razlikomV, pohranit će električni nabojP.
Kondenzatori s paralelnim pločama
Jedna uobičajena vrsta kondenzatora jekondenzator paralelne ploče. U takvom uređaju, dvije pločice provodnog materijala (poput metala) drže se, kako i samo ime kaže, paralelno jedna uz drugu na nekoj udaljenosti. Između ploča jedielektrični materijal, koji se također naziva anizolacijski materijal.
To je nešto što ne dopušta da naboji prolaze kroz njega i tako mogu postati polarizirani - naboji unutar njega preusmjeriti, tako da su svi pozitivni dijelovi zajedno s jedne, a svi negativni s druge strane - u prisutnosti električne struje polje.
Svatko može stvoriti jednostavan kondenzator s paralelnim pločama pomoću dvaju listova metalne folije kao ploča i nekoliko listova papira kao izolatora smještenog između njih.
Kapacitet kondenzatora paralelne ploče ovisi o površini jedne ploče, iliA; razdvojenost između njihd; a dielektrična konstantaκmaterijala između njih na ovaj način:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Pojam ε0 ("epsilon-nught") jepermitivnostslobodnog prostora, što je konstanta jednaka 8.854 × 10-12 farad po metru (F / m). Dielektrična konstantaκje jedinica bez jedinice koja se može potražiti u tablici, poput one koja je povezana s ovim člankom.
Ostale vrste kondenzatora
Nisu sve vrste kondenzatora potrebne paralelne ploče. Neki su cilindrični, poput koaksijalnog kabela, ili sferni, poput stanične membrane (koja na kraju zadržava naboj pumpanjem pozitivnih kalijevih iona iz stanice i negativnih kloridnih iona u nju).
Koaksijalni kabel široko se koristi za isporuku video, audio i komunikacijskih podataka. Njegov cilindrični dizajn sastoji se od nekoliko slojeva izolacijskog dielektričnog materijala između jakih provodnih limova, često bakra, svi smotani poput žele valja.
To omogućuje kabelu da prenosi čak i slabe električne signale bez pogoršanja na velikim udaljenostima. Uz to, budući da su izolacijski i provodni slojevi smotani, koaksijalni kabel je u mogućnosti ovo skladištenje energije u relativno malom prostoru - sigurno u manjem volumenu od paralelnih pločastih kondenzatora limenka.
RC krugovi
Jedna od uobičajenih primjena kondenzatora je u RC krugu, nazvanom tako jer sadrži otpornik i kondenzator. Pretpostavimo da su dvije komponente kruga spojene paralelno, s prekidačem koji omogućuje povezivanje kruga u jednu od dvije moguće pojedinačne petlje: izvor napona plus kondenzator ili kondenzator plus otpor.
Kad je kondenzator spojen na izvor napona, struja struji u krugu i on počinje stvarati pohranjeni naboj. Kad se sklopka okrene i kondenzator spoji na otpornik, on će se isprazniti i zagrijati otpornik.
Napon ili razlika potencijala na kondenzatoru kada se puni je:
V_ {kondenzator} = V_ {izvor} (1-e ^ {t / RC})
Gdje obojeVkondenzatoriVizvorjesu naponi u voltima itje vrijeme u sekundama. Vremenska konstantaRCumnožak je otpora i kapacitivnosti kruga, što implicira da što je veći otpor ili kondenzator, to će trebati više vremena za punjenje ili pražnjenje. Njegova je jedinica također u sekundama.
U obrnutom postupku (prilikom pražnjenja) jednadžba je slična:
V_ {kondenzator} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
GdjeV0je početni, nabijeni napon kondenzatora prije nego što se počne prazniti.
Budući da za punjenje treba vremena da se izgradi i oslobodi, a to vrijeme ovisi o svojstvima elementi kruga, RC krug koristan je u mnogim električnim uređajima koji zahtijevaju preciznost mjerenje vremena. Neki od uobičajenih primjera su: bljeskalice, pacemakeri i audio filtri.
Primjeri izračuna
Primjer 1: Koliki je kapacitet paralelnog pločastog kondenzatora izrađenog od dva 0,25 m2 aluminijske ploče odvojene 0,1 m s teflonom na 20 Celzijevih stupnjeva?
S obzirom na površinu jedne ploče, razdvajanje i dielektrični materijal, započnite s traženjem dielektrične konstante teflona. Na 20 Celzijevih stupnjeva iznosi 2,1 (sjetite se, nema jedinica!).
Rješavanje kapacitivnosti:
Primjer 2: Koliko će trebati da se napuni 100 µF (10-6 farads) kondenzator na 20 V kad je spojen na bateriju od 30 V i u krugu s otpornikom od 10 kΩ (1.000 Ohma)?
Započnite s pretvaranjem kapaciteta i otpora u njihove SI jedinice, a zatim izračunavanjem RC vremenske konstante:
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekunda
Zatim, koristeći formulu za punjenje kondenzatora i rješavajući vrijemet:
V_ {kondenzator} = V_ {izvor} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ novi red 1/3 = e ^ t \ novi red ln (1/3) = ln (e ^ t) \ novi red 1,1 sekunde = t
Kondenzatori vs. Baterije
Kondenzatori i baterije mogu se činiti sličnima jer obje mogu pohraniti i osloboditi elektroničko punjenje. Ali oni imaju nekoliko ključnih razlika zbog kojih imaju različite prednosti i nedostatke.
Prvo, kondenzator pohranjuje energiju u nabijenom električnom polju, dok baterija pohranjuje energiju u kemikalije, oslobađajući je kemijskom reakcijom. Zbog ovih materijalnih razlika baterija može pohraniti više energije od kondenzatora iste veličine.
Međutim, kemijska reakcija potrebna za oslobađanje te energije obično je sporija od oslobađanja naboja kroz električno polje u kondenzatoru. Dakle, kondenzator se može napuniti i isprazniti mnogo brže od baterije, pružajući više električne energije u kratkom naletu. Kondenzator je također obično trajniji od baterije, što ga čini ekološki prihvatljivijim.
Iz svih ovih razloga, današnji inženjeri nastoje povećati ograničenja za pohranu kondenzatora i smanjiti vrijeme punjenja i pražnjenja baterija. Do tada se uređaji često koriste zajedno. Na primjer, bljeskalica fotoaparata i pacemaker koriste bateriju i kondenzator za opskrbu dugotrajnom energijomiisporučuju u brzim naletima pri višim naponima.
Prijave
Kondenzatori se često koriste u krugovima za ublažavanje ili posredovanje promjena napona koje bi uređaj inače doživio. Primjerice, većina energije koja se isporučuje kući dolazi s opskrbom izmjeničnom strujom (AC) koja osigurava "neravni" napon, no većina kućanskih uređaja zahtijeva opskrbu istosmjernom (DC) energijom.
Kondenzatori u zidu pomažu u transformiranju signala iz izmjeničnog u istosmjerni za ove uređaje. Dolazni napon puni kondenzator, a kad se počne izmjenjivati na niži napon, kondenzator počinje ispuštati dio svoje uskladištene energije. To omogućuje uređaju s druge strane da nastavi doživljavati konstantniji napon nego što bi bio bez kondenzatora.
Kondenzatori su također korisni u uređajima na kojima će možda trebati filtrirati određene frekvencije elektroničkih signala, recimo, radio pojačalo ili audio mikser. Na primjer, kondenzator u krugu može usmjeriti niskofrekventne i visokofrekventne zvukove na različite dijelove zvučnika, poput subwoofera ili visokotonca. Ili, radio zvučnik koji koristi kondenzatore za odvajanje frekvencija može pojačati neke, ali ne i druge, ojačavajući tako signal željene stanice na kojoj je radio podešen.
Odvajanje u integriranom krugu.Jedna od najprisutnijih primjena kondenzatora je integrirani krug - mali krug ploča koja sadrži sve električne komponente koje se koriste za napajanje većine potrošačke elektronike, poput pametnih telefona. Tamo kondenzator služi kao štit, štiteći druge elektroničke komponente od iznenadnih pojava pad napona i djeluju kao mali, privremeni izvori energije kad se opskrba na trenutak zaustavi, tako često događa se.
Slično kao što pomažu u pružanju istosmjerne struje kućanskim aparatima, kondenzatori umanjuju promjene napona elektronike izvan njih u krugu; oni "upijaju" dodatni napon i zauzvrat otpuštaju svoj višak napona kad opskrba počne padati.
Kondenzatori za odvajanje u integriranim krugovima posebno uklanjaju visokofrekventne promjene napona (jer mogu apsorbirati neke promjene napona koji prolaze kroz njih). To rezultira time da ostatak komponenata kruga doživljava ujednačeniji napon napona na razinama potrebnim za njihov ispravan rad.
Kondenzatori kao senzori.Budući da dizajn kondenzatora ovisi o upotrijebljenim materijalima, koji pak imaju različita vodljiva svojstva pod različitim uvjetima, kondenzatori su važne komponente u elektroničkim senzorima.
Na primjer, senzor vlage koristi dielektrični materijal poput plastike ili polimera koji pouzdano mijenja svoju vodljivost s promjenom razine vlage. Dakle, očitavanjem vodljivosti preko tog dielektrika, senzor utvrđuje relativnu vlažnost zraka.
Slično tome, neki senzori razine goriva, uključujući one u zrakoplovima, koriste kondenzatore za mjerenje količine goriva koje je ostalo u spremniku. U tim uređajima samo gorivo služi kao dielektrik. Jednom kad padne na dovoljno nisku razinu, provodljivost se mijenja i pilot se upozorava.
Možda su još češći kapacitivni prekidači koji se koriste u dodirnim zaslonima. Kad prst osobe dodirne zaslon, on isprazni malu količinu naboja, mjerljivo mijenjajući provodljivost uređaja i određujući ga na određeno mjesto. To također objašnjava zašto nošenje rukavica ometa pomicanje na pametnom telefonu - vuna ili pamuk u rukavicama izvrstan su izolator koji sprječava skokove punjenja u zaslon.