בדיוק כמו שסוללות מאפשרות אחסון אנרגיה נייד, קבלים מאפשרים אחסון אנרגיה זמני והם מרכיבים קריטיים במעגלים רבים.
הם מאפשרים להפריד בין כמויות גדולות של מטענים זה לזה ולשחררם בפרץ אנרגיה פתאומי, לשימוש במכשירים כמו מצלמות פלאש, כמו גם לתווך תהליכי אלקטרוניקה אחרים כמו המרה בין מקורות חשמל AC ו- DC או טעינה ופריקה של שדות מגנטיים, דבר שימושי בכוונון רדיו תחנות.
הגדרת קיבוליות
קיבוליות היא מדד ליכולתו של חומר שאינו מוליך לאגור אנרגיה על ידי יצירת הפרדת מטען על פני הפרש פוטנציאלי (מתח). החומר חייב להיות לא מוליך, כמו זכוכית או צינור PVC, כי אחרת המטענים יזרמו דרכו, ולא יוכלו להישאר מופרדים.
מתמטית, הקיבול של האובייקטגשווה ליחס המטעןשלמתחו.
C = \ frac {Q} {V}
יחידת הקיבול SI היא ה-פאראד(ו); של תשלום, אתקולומב(ג); ומתח,וולט(V).הפאראד, הקרוי על שמו של חלוץ האלקטרומגנטיות מייקל פאראדיי, מוגדר כך שפרדה אחת שווה ל -1 מגורה לכל וולט, או 1 F = 1 C / V.
כל חלק במעגל המפריד בין מטען בדרך זו נקרא aקַבָּל. לפיכך, בעקבות המשוואה לעיל, כל קיבול נתון של קבליםגמחובר לסוללה עם הפרש פוטנציאליו, יאחסנו מטען חשמליש.
קבלים לוח מקבילים
סוג נפוץ של קבלים הוא aקבל צלחות מקביל. במכשיר כזה, שתי צלחות של חומר הולכה (כמו מתכת) מוחזקות, כפי שהשם מרמז, במקביל זו לזו על פני מרחק כלשהו. בין הצלחות נמצא אחומר דיאלקטרי, נקרא גםחומר בידוד.
זה דבר שלא מאפשר למטענים לזרום דרכו וכך יכול להיות מקוטב - המטענים בתוכו מכוון מחדש כך שכל החיובי נמצא יחד מצד אחד וכל השליליות מצד שני - בנוכחות חשמל שדה.
כל אחד יכול ליצור קבל לוחית מקביל פשוט בעזרת שני גיליונות של נייר מתכת כצלחות וכמה גיליונות נייר כשהמבודד דחוק ביניהם.
הקיבול של קבל צלחות מקביל תלוי בשטח של צלחות אחת, אוא; ההפרדה ביניהםד; והקבוע הדיאלקטריκשל החומר ביניהם בצורה כזו:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
המונח ε0 ("אפסילון-שום דבר") הוא ההיתרשל שטח פנוי, שהוא קבוע השווה ל 8.854 × 10-12 פארדות למטר (F / m). הקבוע הדיאלקטריκהיא כמות ללא יחידה שניתן לחפש בטבלה, כמו זו המקושרת למאמר זה.
סוגים אחרים של קבלים
לא כל סוגי הקבלים דורשים לוחות מקבילים. חלקם גליליים, כמו כבל קואקסיאלי, או כדוריים, כמו קרום תא (שבסופו של דבר מחזיק מטען על ידי שאיבת יוני אשלגן חיוביים מהתא ויוני כלוריד שליליים לתוכו).
נעשה שימוש נרחב בכבל קואקסיאלי למסירת נתוני וידאו, שמע ותקשורת. העיצוב הגלילי שלה מורכב מכמה שכבות של חומרים דיאלקטריים מבודדים בין יריעות מוליכות חזקות, לרוב נחושת, כולן מגולגלות כמו גליל ג'לי.
זה מאפשר לכבל לשאת אפילו אותות חשמליים חלשים ללא השפלה למרחקים ארוכים. בנוסף, מכיוון ששכבות הבידוד והמוליכות מגולגלות, כבל קואקסיאלי מסוגל לספק אחסון אנרגיה זה במקום קטן יחסית - בוודאי בנפח קטן יותר מקבלים צלחתיים מקבילים פחית.
מעגלי RC
יישום נפוץ אחד של קבלים הוא במעגל RC, שנקרא כך מכיוון שהוא מכיל נגד וקבל. נניח ששני רכיבי מעגל מחוברים במקביל, כאשר מתג מאפשר למעגל להתחבר באחד משני לולאות בודדות אפשריות: מקור מתח בתוספת קבלים, או קבלים בתוספת נגד.
כאשר הקבל מחובר למקור המתח, הזרם זורם במעגל והוא מתחיל לבנות מטען מאוחסן. כאשר מתג הופעל והקבל מחובר לנגד, הוא יתפרק ויחמם את הנגד.
המתח, או ההבדל הפוטנציאלי, על פני הקבל כשהוא נטען הוא:
V_ {קבלים} = V_ {מקור} (1-e ^ {t / RC})
איפה ששניהםוקַבָּלוומָקוֹרהם מתח בוולטים וtהוא זמן בשניות. הזמן הקבועRCהוא תוצר ההתנגדות והקיבול של המעגל, מה שמרמז שככל שהנגד או הקבל גדול יותר, כך ייקח יותר זמן לטעון או לפרוק אותו. היחידה שלה נמצאת גם בשניות.
בתהליך הפוך (בעת פריקה), המשוואה דומה:
V_ {קבלים} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
איפהו0הוא המתח הראשוני והטעון של הקבל לפני שהוא מתחיל להתפרק.
מכיוון שלמטען לוקח זמן לבנות ולשחרר, והזמן הזה תלוי בתכונות של אלמנטים של המעגל, מעגל RC שימושי במכשירים חשמליים רבים הדורשים דיוק תִזמוּן. כמה דוגמאות נפוצות הן: מצלמות פלאש, קוצבי לב ומסנני שמע.
חישובים לדוגמא
דוגמה 1: מהו הקיבול של קבל צלחות מקביל עשוי משני 0.25 מ '2 לוחות אלומיניום מופרדים ב 0.1 מ 'עם טפלון ב 20 מעלות צלזיוס?
בהתחשב בשטח של צלחת אחת, ההפרדה והחומר הדיאלקטרי, התחל בחיפוש קבוע הדיאלקטרי של טפלון. בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס זה 2.1 (זכרו, אין לו יחידות!).
פתרון לקיבול:
דוגמה 2: כמה זמן יידרש לטעינה של 100 µF (10-6 קבלים לפארדים) ל -20 וולט כאשר הוא מחובר לסוללת 30 וולט ובמעגל עם נגד 10-kΩ (1,000 אוהם)?
התחל בהמרת הקיבול והתנגדות ליחידות ה- SI שלהם, ואז חישוב קבוע הזמן של RC:
C = 100 µF = 0.0001 F
R = 10 kΩ = 10,000 Ω
RC = 0.0001 F × 10,000 Ω = שנייה אחת
לאחר מכן, באמצעות הנוסחה לקבל טעינה ופתרון לזמןt:
V_ {קבל} = V_ {מקור} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ קו חדש 1/3 = e ^ t \ קו חדש ln (1/3) = ln (e ^ t) \ קו חדש 1.1 שניות = t
קבלים לעומת סוללות
קבלים וסוללות עשויים להיראות דומים מכיוון ששניהם מסוגלים לאחסן ולשחרר מטען אלקטרוני. אך יש להם כמה הבדלים מרכזיים המובילים להם יתרונות וחסרונות שונים.
ראשית, קבל אוגר אנרגיה בשדה חשמלי טעון ואילו סוללה אוגר אנרגיה בכימיקלים, ומשחרר אותה באמצעות תגובה כימית. בגלל ההבדלים החומריים הללו, סוללה יכולה לאגור יותר אנרגיה מקבל באותו גודל.
עם זאת, התגובה הכימית הדרושה לשחרור אנרגיה זו בדרך כלל איטית יותר משחרור מטענים דרך השדה החשמלי בקבל. אז, קבלים יכולים לטעון ולהתפרק הרבה יותר מהר מסוללה, ומספקים יותר חשמל בחשק קצר. קבל הוא בדרך כלל גם עמיד יותר מסוללה, מה שהופך אותו לידידותי יותר לסביבה.
מכל הסיבות הללו, מהנדסים מבקשים כיום להגדיל את גבולות האחסון של הקבלים ולהקטין את זמני הטעינה והפריקה של הסוללות. עד אז משתמשים לעתים קרובות במכשירים יחד. לדוגמא, פלאש של מצלמה וקוצב לב משתמשים בסוללה וקבל בכדי לספק אנרגיה ארוכת טווחולספק אותו בהתפרצויות מהירות במתח גבוה יותר.
יישומים
קבלים משמשים לעתים קרובות במעגלים כדי להחליק או לתווך את שינויי המתח שהמכשיר יחווה אחרת. לדוגמא, מרבית האנרגיה המועברת לבית מגיעה באספקת זרם חילופין (AC) המספקת מתח "מהמורות", אולם ברוב מכשירי החשמל הביתיים יש צורך באספקת זרם ישר (DC).
קבלים בקיר עוזרים להפוך את האות מ- AC ל- DC עבור מכשירים אלה. המתח הנכנס טוען את הקבל, וכאשר הוא מתחיל להתחלף למתח נמוך יותר, הקבל מתחיל לפרוק חלק מהאנרגיה המאוחסנת שלו. זה מאפשר למכשיר בצד השני להמשיך לחוות מתח קבוע יותר ממה שהיה עושה ללא הקבל.
קבלים שימושיים גם במכשירים שבהם ייתכן שיהיה צורך לסנן תדרים מסוימים של אותות אלקטרוניים, למשל מגבר רדיו או מערבל שמע. לדוגמא, קבלים במעגל יכולים להפנות צלילים בתדרים נמוכים ותדרים גבוהים לחלקים שונים של רמקול, כמו למשל תת-וופר או הטוויטר. לחלופין, רמקול רדיו המשתמש בקבלים להפרדת תדרים יכול להעצים חלקם אך לא אחרים, ובכך לחזק את האות של התחנה הרצויה אליה מכוון הרדיו.
ניתוק במעגל משולב.אחד השימושים הקיימים ביותר בקבל הוא במעגל משולב - המעגל הקטן לוח המכיל את כל הרכיבים החשמליים המשמשים להפעלת רוב האלקטרוניקה הצרכנית, כמו סמארטפונים. שם, הקבל משמש כמגן, המגן על רכיבים אלקטרוניים אחרים מפני פתאומי מתח יורד ומתנהג כמקורות חשמל קטנים וזמניים כאשר האספקה מופסקת לרגע, לעתים קרובות קורה.
בדומה לאופן שבו הם עוזרים לספק זרם ישר למכשירי חשמל ביתיים, קבלים משתנים במאגר שינויים באלקטרוניקה מעבר להם במעגל; הם "סופגים" מתח נוסף ובתורם משחררים את המתח העודף שלהם כאשר האספקה מתחילה לרדת.
קיבולי ניתוק במעגלים משולבים מסירים באופן ספציפי שינויים בתדירות גבוהה במתח (מכיוון שהם יכולים לספוג חלק משינוי המתח העובר דרכם). כתוצאה מכך שאר רכיבי המעגל חווים קלף מתח אחיד יותר ברמות הדרושות להפעלתם הנכונה.
קבלים כחיישנים.מכיוון שתכנון הקבלים תלוי בחומרים המשמשים, אשר בתורם יש תכונות מוליכות שונות בתנאים שונים, הקבלים הם מרכיבים חשובים בחיישנים אלקטרוניים.
לדוגמא, חיישן לחות משתמש בחומר דיאלקטרי כגון פלסטיק או פולימר המשנה את מוליכותו באופן אמין עם שינוי רמות הלחות. לפיכך, על ידי קריאת המוליכות על פני אותו דיאלקטרי, החיישן מסיק את הלחות היחסית.
באופן דומה, כמה חיישנים ברמת הדלק, כולל אלה שבמטוסים, משתמשים בקבלים כדי לאמוד כמה נותר דלק במיכל. במכשירים אלה הדלק עצמו משמש כחומר דיאלקטרי. ברגע שהוא יורד לרמה נמוכה מספיק, המוליכות משתנה והטייס מוזעק.
אולי אפילו נפוצים יותר הם מתגים קיבוליים המשמשים בהתקני מסך מגע. כאשר אצבעו של אדם נוגעת במסך, היא פורקת כמות קטנה של מטען, ובכך משנה את מוליכות המכשיר למדידה ומוצגת למיקום ספציפי. זה גם מסביר מדוע לבישת כפפות מפריעה לגלילה בסמארטפון - הצמר או הכותנה בכפפה הם מבודד נהדר, המונע מהמטענים באצבעות לקפוץ למסך.