Kapasitans: definisjon, formel og enheter

Akkurat som batterier tillater bærbar energilagring, tillater kondensatorer midlertidig energilagring og er kritiske komponenter i mange kretser.

De tillater at store mengder ladninger skilles fra hverandre og frigjøres i en plutselig utbrudd av energi, for bruk i slike enheter som blitskameraer, samt formidle andre elektronikkprosesser som konvertering mellom vekselstrøm og likestrømskilder eller lading og utlading av magnetfelt, noe som er nyttig for å stille inn radio stasjoner.

Kapasitans er et mål på et ikke-ledende materiales evne til å lagre energi ved å skape en separasjon av ladning over en potensiell forskjell (spenning). Materialet må være ledende, som glass eller et PVC-rør, fordi ellers vil ladningene strømme gjennom det og ikke kunne holde seg atskilt.

Matematisk, et objekts kapasitansCer lik forholdet mellom ladningSpørsmåltil spenningV​.

SI-enheten med kapasitans erfarad(F); av kostnad, dencoulomb(C); og av spenning,volt(V).Farad, oppkalt etter elektromagnetismepioner Michael Faraday, er definert slik at 1 farad er lik 1 columb per volt, eller 1 F = 1 C / V.

Enhver del av en krets som skiller ladning på denne måten kalles akondensator. Dermed, i følge ligningen ovenfor, en hvilken som helst gitt kapasitans til en kondensatorCkoblet til et batteri med potensiell forskjellV, vil lagre elektrisk ladningSpørsmål​.

En vanlig type kondensator er enparallellplatekondensator. I en slik innretning holdes to plater av ledningsmateriale (som et metall), som navnet antyder, parallelt med hverandre over en viss avstand. Mellom platene er det endielektrisk materiale, også kalt enisolasjonsmateriale​.

Dette er noe som ikke lar ladninger strømme gjennom det og dermed kan bli polarisert - ladningene inni det reorienter så alle positive er sammen på den ene siden og alle negativene på den andre - i nærvær av en elektrisk felt.

Hvem som helst kan lage en enkel parallellplatekondensator ved bruk av to ark metallfolie som platene og flere ark papir som isolatoren ligger mellom dem.

Kapasitansen til en parallellplatekondensator avhenger av arealet til en plate, ellerEN; skillet mellom demd; og dielektrisk konstantκav materialet mellom dem på denne måten:

Begrepet ε₀ ("epsilon-naught") erpermittivitetav ledig plass, som er en konstant lik 8.854 × 10^-12 farader per meter (F / m). Den dielektriske konstantenκer en enhetsfri mengde som kan slås opp i en tabell, som den som er knyttet til denne artikkelen.

Ikke alle typer kondensatorer krever parallelle plater. Noen er sylindriske, som en koaksialkabel, eller sfæriske, som en cellemembran (som ender med å holde en ladning ved å pumpe positive kaliumioner ut av cellen og negative kloridioner inn i den).

En koaksialkabel brukes mye til å levere video-, lyd- og kommunikasjonsdata. Den sylindriske utformingen består av flere lag med isolerende dielektriske materialer mellom sterke ledende ark, ofte kobber, alt sammenrullet som en gelerulle.

Dette gjør at kabelen kan bære selv svake elektriske signaler uten forringelse over lange avstander. I tillegg, fordi de isolerende og ledende lagene er rullet opp, er en koaksialkabel i stand til å gi denne energilagringen på et relativt lite rom - absolutt i et mindre volum enn parallelle platekondensatorer kan.

En vanlig anvendelse av kondensatorer er i en RC-krets, så navngitt fordi den inneholder en motstand og en kondensator. Anta at to kretskomponenter er koblet parallelt, med en bryter som gjør at kretsen kan kobles til i en av to mulige enkeltløkker: spenningskilde pluss kondensator eller kondensator pluss motstand.

Når kondensatoren er koblet til spenningskilden, strømmer strømmen i kretsen, og den begynner å bygge opp en lagret ladning. Når bryteren vendes og kondensatoren er koblet til motstanden, vil den tømme og varme opp motstanden.

Spenningen, eller potensialforskjellen, over kondensatoren når den lades er:

Hvor beggeV_kondensatorogV_kildeer spenninger i volt ogter tid i sekunder. TidskonstantenRCer produktet av kretsens motstand og kapasitans, noe som betyr at jo større motstand eller kondensator, jo mer tid vil det ta å lade eller avlaste. Enheten er også på få sekunder.

I omvendt prosess (ved utladning) er ligningen lik:

HvorV₀er kondensatorens innledende, ladede spenning før den begynner å tømmes.

Fordi ladingen tar tid å bygge opp og frigjøre, og den tiden avhenger av egenskapene til kretsens elementer, er en RC-krets nyttig i mange elektriske enheter som krever presis timing. Noen vanlige eksempler er: flash-kameraer, pacemakere og lydfiltre.

Eksempel 1: Hva er kapasitansen til en parallellplatekondensator laget av to 0,25-m² aluminiumsplater skilt med 0,1 m med Teflon ved 20 grader Celsius?

Gitt arealet til en plate, separasjonen og det dielektriske materialet, begynn med å slå opp den dielektriske konstanten til Teflon. Ved 20 grader Celsius er den 2,1 (husk, den har ingen enheter!).

Løsning for kapasitans:

Eksempel 2: Hvor lang tid vil det ta å lade en 100 µF (10^-6 farads) kondensator til 20 V når den er koblet til et 30-V batteri og i krets med en 10-kΩ (1000 Ohm) motstand?

Start med å konvertere kapasitans og motstand til SI-enhetene, og deretter beregne RC-tidskonstanten:

C = 100 uF = 0,0001 F

R = 10 kΩ = 10.000 Ω

RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekund

Deretter bruker du formelen for en ladekondensator og løser for tidt​:

Kondensatorer og batterier kan virke like, da de begge kan lagre og frigjøre elektronisk ladning. Men de har flere viktige forskjeller som fører til at de har forskjellige fordeler og ulemper.

For det første lagrer en kondensator energi i et ladet elektrisk felt mens et batteri lagrer energi i kjemikalier, og frigjør den via kjemisk reaksjon. På grunn av disse materialforskjellene kan et batteri lagre mer energi enn en kondensator av samme størrelse.

Imidlertid er den kjemiske reaksjonen som trengs for å frigjøre den energien vanligvis langsommere enn frigjøringen av ladninger gjennom det elektriske feltet i en kondensator. Så, en kondensator kan lade og lade ut mye raskere enn et batteri, og gir mer elektrisk kraft i en kort spurt. En kondensator er også vanligvis mer holdbar enn et batteri, noe som gjør den mer miljøvennlig.

Av alle disse grunnene søker ingeniører i dag å øke lagringsgrensene for kondensatorer og redusere ladetiden og utladningstiden til batterier. Inntil da blir enhetene ofte brukt sammen. For eksempel bruker et kameras blits og en pacemaker et batteri og en kondensator for å levere langvarig energioglevere den i raske brister ved høyere spenninger.

Kondensatorer brukes ofte i kretser for å glatte eller formidle spenningsendringene en enhet ellers ville oppleve. For eksempel kommer mest energi levert til et hjem i en vekselstrømforsyning, som gir en "humpete" spenning, men de fleste husholdningsapparater krever likestrøm (DC).

Kondensatorer i veggen hjelper til med å transformere signalet fra AC til DC for disse enhetene. Den innkommende spenningen lader kondensatoren, og når den begynner å veksle til en lavere spenning, begynner kondensatoren å lade ut noe av den lagrede energien. Det gjør at enheten på den andre siden kan fortsette å oppleve en mer konstant spenning enn den ville gjort uten kondensatoren.

Kondensatorer er også nyttige i enheter der visse frekvenser av elektroniske signaler kanskje må filtreres ut, for eksempel en radioforsterker eller en lydmikser. For eksempel kan en kondensator i kretsen lede lavfrekvente og høyfrekvente lyder til forskjellige deler av en høyttaler, for eksempel subwooferen eller diskanthøyttaleren. Eller en radiohøyttaler som bruker kondensatorer for å skille frekvenser, kan forsterke noen, men ikke andre, og forsterke derved signalet til ønsket stasjon radioen er innstilt på.

​Koble fra i en integrert krets.En av de mest allestedsnærværende bruksområdene for en kondensator er i en integrert krets - den lille kretsen som inneholder alle de elektriske komponentene som brukes til å drive mest mulig forbrukerelektronikk, som smarttelefoner. Der fungerer kondensatoren som noe av et skjold, og beskytter andre elektroniske komponenter mot plutselig spenningsfall og fungerer som små, midlertidige strømkilder når strømmen avbrytes, så ofte skjer.

I likhet med hvordan de hjelper til med å gi likestrøm til husholdningsapparater, endres kondensatorens bufferspenningsendringer for elektronikk utenfor dem i kretsen; de "suger opp" ekstra spenning og frigjør i sin tur overflødig spenning når forsyningen begynner å synke.

Frakobling av kondensatorer i integrerte kretser fjerner spesifikt høyfrekvente endringer i spenningen (siden de kan absorbere noe av spenningsendringen som går gjennom dem). Dette resulterer i at resten av kretskomponentene opplever en jevnere kjøl av spenning på nivåene som er nødvendige for riktig drift.

​Kondensatorer som sensorer.Fordi kondensatordesign avhenger av materialene som brukes, som igjen har forskjellige ledende egenskaper under forskjellige forhold, er kondensatorer viktige komponenter i elektroniske sensorer.

For eksempel bruker en fuktighetssensor et dielektrisk materiale som en plast eller polymer som endrer konduktansen pålitelig med endrede fuktighetsnivåer. Ved å lese konduktansen over det dielektrikumet trekker føleren ut den relative fuktigheten.

På samme måte bruker noen sensorer på drivstoffnivå, inkludert de i fly, kondensatorer for å måle hvor mye drivstoff som er igjen i tanken. I disse enhetene fungerer selve drivstoffet som dielektrikum. Når den faller ned til et lavt nok nivå, endres konduktiviteten og piloten blir varslet.

Kanskje enda mer vanlig er kapasitive brytere som brukes i berøringsskjermenheter. Når en persons finger berører en skjerm, lades den ut en liten mengde ladning, og endrer dermed konduktansen til enheten målbart og peker til et bestemt sted. Dette forklarer også hvorfor bruk av hansker forstyrrer rulling på en smarttelefon - ull eller bomull i hansken er en flott isolator, og holder ladningene i fingrene fra å hoppe til skjermen.