Talpa: apibrėžimas, formulė ir vienetai

Panašiai kaip baterijos leidžia kaupti energiją, kondensatoriai leidžia laikinai kaupti energiją ir yra svarbūs daugelio grandinių komponentai.

Jie leidžia atskirti didelius krūvių kiekius ir staigiai plūstelėjus energijai išleisti, skirti naudoti tokiuose prietaisuose kaip „flash“ kameros, taip pat tarpininkauti kitiems elektronikos procesams, pvz., konvertuoti kintamosios ir nuolatinės srovės šaltinius arba įkrauti ir iškrauti magnetinius laukus, o tai naudinga derinant radiją stotys.

Talpa yra nelaidžios medžiagos gebėjimo kaupti energiją matas sukuriant krūvio atskyrimą per potencialų skirtumą (įtampą). Medžiaga turi būti nelaidi, pavyzdžiui, stiklas ar PVC vamzdis, nes priešingu atveju per ją tekėtų krūviai, negalintys likti atskirti.

Matematiškai objekto talpaCyra lygus krūvio santykiuiKlausimasiki įtamposV​.

SI talpos vienetas yrafaradas(F); mokestis,kulona(C); ir įtampos,voltai(V).Faradas, pavadintas elektromagnetizmo pradininko Michaelo Faraday vardu, apibrėžiamas taip, kad 1 faradas yra lygus 1 columb vienai voltai arba 1 F = 1 C / V.

Bet kuri grandinės dalis, kuri tokiu būdu atskiria krūvį, vadinama akondensatorius. Taigi, vadovaujantis aukščiau pateikta lygtimi, bet kokia kondensatoriaus talpaCprijungtas prie akumuliatoriaus su potencialų skirtumuV, kaups elektros krūvįKlausimas​.

Vienas iš įprastų kondensatorių tipų yra alygiagretus plokštelinis kondensatorius. Tokiame įtaise laikomos dvi laidžios medžiagos plokštės (kaip metalas), lygiagrečios viena kitai tam tikru atstumu, kaip rodo pavadinimas. Tarp plokščių yra adielektrinė medžiaga, dar vadinamasizoliacinė medžiaga​.

Tai neleidžia per jį tekėti krūviams ir taip gali tapti poliarizuotais - krūviai jo viduje persiorientuoti, todėl visi teigiami dalykai yra vienoje pusėje, o visi neigiami - kitoje - esant elektrinei srityje.

Kiekvienas gali sukurti paprastą lygiagrečią plokščių kondensatorių, naudodamas du metalinės folijos lakštus kaip plokštes ir kelis popieriaus lapus kaip izoliatorių, įspaustą tarp jų.

Lygiagrečios plokštės kondensatoriaus talpa priklauso nuo vienos plokštės ploto, arbaA; atskyrimas tarp jųd; ir dielektrinė konstantaκmedžiagos tarp jų tokiu būdu:

Terminas ε₀ ("epsilon-naught") yrapralaidumaslaisvos vietos, kuri yra konstanta, lygi 8.854 × 10^-12 faradai metrui (F / m). Dielektrinė konstantaκyra kiekis be vieneto, kurio galima ieškoti lentelėje, pavyzdžiui, susietoje su šiuo straipsniu.

Ne visų tipų kondensatoriams reikalingos lygiagrečios plokštės. Kai kurie yra cilindriniai, pavyzdžiui, koaksialinis kabelis, arba sferiniai, kaip ląstelės membrana (kuri galiausiai sulaiko krūvį, iš ląstelės pumpuodama teigiamus kalio jonus ir į ją neigiamus chlorido jonus).

Koaksialinis kabelis yra plačiai naudojamas vaizdo, garso ir ryšių duomenims perduoti. Jo cilindro formos konstrukcija susideda iš kelių izoliuojančių dielektrinių medžiagų sluoksnių tarp stiprių laidžių lakštų, dažnai vario, kurie visi suvynioti kaip želė ritinys.

Tai leidžia kabeliui pernešti net silpnus elektros signalus, nesugedus dideliais atstumais. Be to, kadangi izoliaciniai ir laidūs sluoksniai yra suvynioti, koaksialinis kabelis gali užtikrinti šios energijos kaupimas santykinai mažoje erdvėje - tikrai mažesnio tūrio nei lygiagrečių plokščių kondensatoriai gali.

Vienas įprastas kondensatorių pritaikymas yra RC grandinėje, taip pavadintas, nes jame yra rezistorius ir kondensatorius. Tarkime, kad du grandinės komponentai yra sujungti lygiagrečiai su jungikliu, leidžiančiu grandinei prisijungti vienoje iš dviejų galimų viengubų kilpų: įtampos šaltinio ir kondensatoriaus arba kondensatoriaus ir rezistoriaus.

Prijungus kondensatorių prie įtampos šaltinio, grandinėje teka srovė ir jis pradeda kaupti kaupiamą krūvį. Kai jungiklis yra apverstas ir kondensatorius prijungtas prie rezistoriaus, jis iškrauna ir pašildo rezistorių.

Įkrovimo metu kondensatoriaus įtampa arba potencialų skirtumas yra:

Kur abuV_{kondensatorius}irV_šaltinisyra įtampos voltais irtyra laikas sekundėmis. Laiko konstantaRCyra grandinės varžos ir talpos sandauga, o tai reiškia, kad kuo didesnis rezistorius ar kondensatorius, tuo daugiau laiko reikės įkrauti ar iškrauti. Jo vienetas taip pat yra per kelias sekundes.

Atvirkštinio proceso metu (iškraunant) lygtis yra panaši:

KurV₀yra pradinė įkrauta kondensatoriaus įtampa prieš jam pradedant iškrauti.

Kadangi krūviui kaupti ir išsiskirti reikia laiko, ir tas laikas priklauso nuo grandinės elementai, RC grandinė yra naudinga daugelyje elektros prietaisų, kuriems reikia tikslumo laikas. Keletas įprastų pavyzdžių: „flash“ kameros, širdies stimuliatoriai ir garso filtrai.

1 pavyzdys: Kokia yra lygiagrečios plokštės kondensatoriaus, pagaminto iš dviejų 0,25 m, talpa² aliuminio plokštės, atskirtos teflonu, esant 20 laipsnių Celsijaus temperatūrai?

Atsižvelgiant į vienos plokštės plotą, atskyrimą ir dielektrinę medžiagą, pirmiausia ieškokite teflono dielektrinės konstantos. Esant 20 laipsnių Celsijaus temperatūrai, jis yra 2,1 (atminkite, kad jis neturi vienetų!).

Talpos sprendimas:

2 pavyzdys: kiek laiko užtruks 100 µF (10^-6 kondensatorius iki 20 V, kai jis prijungtas prie 30 V akumuliatoriaus ir grandinėje su 10 kΩ (1000 omų) rezistoriumi?

Pradėkite konvertuodami talpą ir varžą į savo SI vienetus ir paskaičiuodami RC laiko konstantą:

C = 100 µF = 0,0001 F

R = 10 kΩ = 10 000 Ω

RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekundė

Tada, naudojant įkrovimo kondensatoriaus formulę ir sprendžiant laikąt​:

Kondensatoriai ir baterijos gali atrodyti panašios, nes jomis galima kaupti ir atlaisvinti elektroninį įkrovimą. Tačiau jie turi keletą pagrindinių skirtumų, dėl kurių jie turi skirtingus pranašumus ir trūkumus.

Pirma, kondensatorius kaupia energiją įkrautame elektriniame lauke, o akumuliatorius kaupia energiją cheminėse medžiagose, išskirdamas ją cheminės reakcijos metu. Dėl šių medžiagų skirtumų akumuliatorius gali sukaupti daugiau energijos nei to paties dydžio kondensatorius.

Tačiau cheminė reakcija, reikalinga šiai energijai išlaisvinti, paprastai yra lėtesnė nei krūvių išsiskyrimas per elektrinį lauką kondensatoriuje. Taigi, kondensatorius gali įkrauti ir iškrauti daug greičiau nei akumuliatorius, suteikdamas daugiau elektros energijos per trumpą spurtą. Kondensatorius taip pat paprastai yra patvaresnis nei baterija, todėl jis yra ekologiškesnis.

Dėl visų šių priežasčių šiandien inžinieriai siekia padidinti kondensatorių saugojimo ribas ir sutrumpinti akumuliatorių įkrovimo ir išsikrovimo laiką. Iki tol prietaisai dažnai naudojami kartu. Pavyzdžiui, fotoaparato blykstė ir širdies stimuliatorius tiek akumuliatorių, tiek kondensatorių tiekia ilgalaikę energijąirpristatykite jį greitai, didesne įtampa.

Kondensatoriai dažnai naudojami grandinėse, norint išlyginti įtampos pokyčius, kuriuos kitu atveju patirtų prietaisas. Pavyzdžiui, daugiausia energijos, tiekiamos į namus, gaunama iš kintamosios srovės (kintamosios srovės) maitinimo šaltinio, kuris suteikia „duobėtą“ įtampą, tačiau daugumai buitinių prietaisų reikia tiekti nuolatinę (nuolatinę) srovę.

Sienoje esantys kondensatoriai padeda transformuoti šių prietaisų signalą iš kintamosios srovės į nuolatinę. Gaunama įtampa įkrauna kondensatorių, o kai jis pradeda keistis į mažesnę įtampą, kondensatorius pradeda išleisti dalį sukauptos energijos. Tai leidžia kitoje pusėje esančiam prietaisui ir toliau patirti pastovesnę įtampą nei be kondensatoriaus.

Kondensatoriai taip pat naudingi įrenginiuose, kuriuose gali tekti filtruoti tam tikrus elektroninių signalų dažnius, tarkime, radijo stiprintuvą ar garso maišytuvą. Pavyzdžiui, grandinės kondensatorius gali nukreipti žemo dažnio ir aukšto dažnio garsus į skirtingas garsiakalbio dalis, pavyzdžiui, žemųjų dažnių garsiakalbį ar aukštų dažnių garsiakalbį. Arba radijo garsiakalbis, naudodamas kondensatorius dažnių atskyrimui, gali sustiprinti vienus, bet ne kitus, taip sustiprindamas norimos stoties, į kurią radijas yra derinamas, signalą.

​Atsiejimas integruotoje grandinėje.Vienas iš labiausiai paplitusių kondensatoriaus naudojimo būdų yra integruota grandinė - mažoji grandinė plokštė, kurioje yra visi elektriniai komponentai, naudojami daugumai buitinių elektronikos elementų, pvz išmanieji telefonai. Kondensatorius yra tarsi ekranas, apsaugantis kitus elektroninius komponentus nuo staigaus įtampa krinta ir veikia kaip maži, laikini energijos šaltiniai, kai tiekimas trumpam nutrūksta, kaip dažnai atsitinka.

Panašiai, kaip jie padeda tiekti nuolatinę buitinių prietaisų srovę, kondensatorių buferinės įtampos pokyčiai elektronikai už jų grandinėje; jie „sugeria“ papildomą įtampą ir savo ruožtu atleidžia savo perteklinę įtampą, kai pradeda kristi tiekimas.

Kondensatorių atjungimas integruotose grandinėse specialiai pašalina aukšto dažnio įtampos pokyčius (nes jie gali sugerti dalį per juos praeinančių įtampos pokyčių). Dėl to likusieji grandinės komponentai patiria tolygesnį įtampos kilį lygyje, reikalingo jų teisingam veikimui.

​Kondensatoriai kaip jutikliai.Kadangi kondensatoriaus konstrukcija priklauso nuo naudojamų medžiagų, kurios savo ruožtu turi skirtingas laidumo savybes esant skirtingoms sąlygoms, kondensatoriai yra svarbūs elektroninių jutiklių komponentai.

Pavyzdžiui, drėgmės jutiklyje naudojama dielektrinė medžiaga, pavyzdžiui, plastikas ar polimeras, kuris, keisdamas drėgmės lygį, patikimai keičia savo laidumą. Taigi, skaitydamas dielektriko laidumą, jutiklis nustato santykinę drėgmę.

Panašiai kai kurie degalų lygio jutikliai, įskaitant lėktuvuose esančius, naudoja kondensatorius, kad nustatytų, kiek kuro liko bake. Šiuose įtaisuose pats kuras yra dielektrikas. Kai jis nukrenta iki pakankamai žemo lygio, laidumas pasikeičia ir pilotas įspėjamas.

Galbūt dar dažnesni yra talpiniai jungikliai, naudojami jutiklinio ekrano įrenginiuose. Kai žmogaus pirštas paliečia ekraną, jis išsikrauna nedideliu krūvio kiekiu, tokiu būdu išmatuojamai pakeisdamas prietaiso laidumą ir nukreipdamas jį į konkrečią vietą. Tai taip pat paaiškina, kodėl dėvint pirštines trukdoma slinkti išmaniajame telefone - vilna ar medvilnė pirštinėse yra puikus izoliatorius, neleidžiantis pirštais krūviams šokinėti į ekraną.