Podobnie jak baterie pozwalają na przenośne magazynowanie energii, kondensatory umożliwiają tymczasowe magazynowanie energii i są kluczowymi elementami wielu obwodów.
Pozwalają na oddzielenie od siebie dużej ilości ładunków i uwolnienie ich w nagłym przypływie energii, do zastosowania w takich urządzeniach jak aparaty błyskowe, a także do pośredniczą w innych procesach elektronicznych, takich jak konwersja między źródłami zasilania AC i DC lub ładowanie i rozładowywanie pól magnetycznych, co jest przydatne w strojeniu radia stacje.
Definicja pojemności
Pojemność jest miarą zdolności materiału nieprzewodzącego do magazynowania energii poprzez tworzenie separacji ładunku poprzez różnicę potencjałów (napięcie). Materiał musi być nieprzewodzący, jak szkło lub rura PCV, ponieważ w przeciwnym razie przepływałyby przez niego ładunki, nie mogąc się rozdzielić.
Matematycznie pojemność obiektudojest równy stosunkowi ładunkuQdo napięciaV.
C=\frac{Q}{V}
Jednostką pojemności w układzie SI jestfarad(FA); opłata,
kulomb(DO); i napięcia,wolty(V).Farad, nazwany na cześć pioniera elektromagnetyzmu Michaela Faradaya, jest zdefiniowany tak, że 1 farad jest równy 1 słupkowi na wolt, czyli 1 F = 1 C/V.Każda część obwodu, która oddziela w ten sposób ładunek, nazywa się akondensator. Tak więc, zgodnie z powyższym równaniem, dowolna dana pojemność kondensatoradopodłączony do akumulatora z różnicą potencjałówV, będzie przechowywać ładunek elektrycznyQ.
Kondensatory płytowe równoległe
Jednym z powszechnych typów kondensatorów jestrównoległy kondensator płytowy. W takim urządzeniu dwie płytki materiału przewodzącego (jak metal) trzymane są, jak sama nazwa wskazuje, równolegle do siebie w pewnej odległości. Pomiędzy płytami jestmateriał dielektryczny,, zwany także anmateriał izolujący.
Jest to coś, co nie pozwala na przepływ ładunków, a tym samym może zostać spolaryzowane – ładunki w nim zawarte zmienić orientację, aby wszystkie pozytywy były razem po jednej stronie, a wszystkie negatywy po drugiej – w obecności elektryczności pole.
Każdy może stworzyć prosty kondensator z równoległymi płytami, używając dwóch arkuszy folii metalowej jako płyt i kilku arkuszy papieru jako izolatora umieszczonego między nimi.
Pojemność równoległego kondensatora płytowego zależy od powierzchni jednej płytki, lubZA; separacja między nimire; i stała dielektrycznaκmateriału między nimi w ten sposób:
C = \dfrac{κε_0A}{d}
Termin ε0 ("epsilon-nic") jestprzenikalność elektrycznawolnej przestrzeni, która jest stałą równą 8,854 × 10-12 farady na metr (F/m). Stała dielektrycznaκto ilość bez jednostek, którą można sprawdzić w tabeli, takiej jak ta połączona z tym artykułem.
Inne typy kondensatorów
Nie wszystkie typy kondensatorów wymagają płytek równoległych. Niektóre są cylindryczne, jak kabel koncentryczny, lub kuliste, jak błona komórkowa (która zatrzymuje ładunek, pompując dodatnie jony potasu z komórki i ujemne jony chlorkowe do niej).
Kabel koncentryczny jest szeroko stosowany do przesyłania danych wideo, audio i komunikacyjnych. Jego cylindryczna konstrukcja składa się z kilku warstw izolacyjnych materiałów dielektrycznych pomiędzy silnie przewodzącymi arkuszami, często miedzią, zwiniętych jak galaretka.
Dzięki temu kabel może przenosić nawet słabe sygnały elektryczne bez degradacji na duże odległości. Dodatkowo, ponieważ warstwy izolacyjne i przewodzące są zwinięte, kabel koncentryczny jest w stanie zapewnić: to magazynowanie energii na stosunkowo niewielkiej przestrzeni – na pewno w mniejszej objętości niż kondensatory z płytkami równoległymi mogą.
Obwody RC
Jednym z powszechnych zastosowań kondensatorów jest obwód RC, nazwany tak, ponieważ zawiera rezystor i kondensator. Załóżmy, że dwa elementy obwodu są połączone równolegle, z przełącznikiem umożliwiającym połączenie obwodu w jedną z dwóch możliwych pojedynczych pętli: źródło napięcia plus kondensator lub kondensator plus rezystor.
Gdy kondensator jest podłączony do źródła napięcia, w obwodzie płynie prąd i zaczyna gromadzić zmagazynowany ładunek. Gdy przełącznik jest odwrócony, a kondensator jest podłączony do rezystora, rozładuje się i nagrzeje rezystor.
Napięcie lub różnica potencjałów na kondensatorze podczas ładowania wynosi:
V_{kondensator} = V_{źródło}(1-e^{t/RC})
Gdzie obajVkondensatoriVźródłosą napięcia w woltach itto czas w sekundach. Stała czasowaRCjest iloczynem rezystancji i pojemności obwodu, co oznacza, że im większy rezystor lub kondensator, tym więcej czasu zajmie ładowanie lub rozładowanie. Jego jednostka jest również w sekundach.
W procesie odwrotnym (przy rozładowywaniu) równanie jest podobne:
V_{kondensator} = V_{0}e^{-t/RC}
GdzieV0jest początkowym, naładowanym napięciem kondensatora przed rozpoczęciem rozładowywania.
Ponieważ nagromadzenie i uwolnienie ładunku wymaga czasu, a czas ten zależy od właściwości elementów obwodu, obwód RC jest przydatny w wielu urządzeniach elektrycznych wymagających precyzji wyczucie czasu. Niektóre typowe przykłady to: lampy błyskowe, rozruszniki serca i filtry audio.
Przykładowe obliczenia
Przykład 1: Jaka jest pojemność równoległego kondensatora płytowego wykonanego z dwóch 0,25 m2 płyty aluminiowe oddzielone 0,1 m z teflonem w 20 stopniach Celsjusza?
Biorąc pod uwagę powierzchnię jednej płytki, separację i materiał dielektryczny, zacznij od sprawdzenia stałej dielektrycznej teflonu. Przy 20 stopniach Celsjusza wynosi 2,1 (pamiętaj, że nie ma jednostek!).
Rozwiązywanie na pojemność:
Przykład 2: Ile czasu zajmie naładowanie 100-µF (10-6 faradów) kondensator do 20 V, gdy jest podłączony do akumulatora 30 V i w obwodzie z rezystorem 10 kΩ (1000 omów)?
Zacznij od przeliczenia pojemności i rezystancji na ich jednostki SI, a następnie obliczenia stałej czasowej RC:
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekunda
Następnie, korzystając ze wzoru na kondensator ładujący i rozwiązując czast:
V_{kondensator} = V_{źródło}(1-e^{t/RC}) \newline 20 V = 30 V(1-e^{t/1}) \newline 2/3 =1-e^t \ nowa linia 1/3 = e^t \nowa linia ln (1/3) = ln (e^t) \nowa linia 1,1 sekundy = t
Kondensatory kontra Baterie
Kondensatory i baterie mogą wydawać się podobne, ponieważ oba są w stanie przechowywać i uwalniać ładunek elektroniczny. Ale mają kilka kluczowych różnic, które prowadzą do różnych zalet i wad.
Po pierwsze, kondensator przechowuje energię w naładowanym polu elektrycznym, podczas gdy akumulator przechowuje energię w chemikaliach, uwalniając ją w wyniku reakcji chemicznej. Z powodu tych różnic materiałowych bateria może przechowywać więcej energii niż kondensator tej samej wielkości.
Jednak reakcja chemiczna potrzebna do uwolnienia tej energii jest zwykle wolniejsza niż uwalnianie ładunków przez pole elektryczne w kondensatorze. Tak więc kondensator może ładować i rozładowywać się znacznie szybciej niż akumulator, zapewniając więcej energii elektrycznej w krótkim zrywie. Kondensator jest również zazwyczaj trwalszy niż bateria, co czyni go bardziej przyjaznym dla środowiska.
Z tych wszystkich powodów inżynierowie dążą dziś do zwiększenia limitów przechowywania kondensatorów i skrócenia czasu ładowania i rozładowywania akumulatorów. Do tego czasu urządzenia są często używane razem. Na przykład lampa błyskowa aparatu i rozrusznik serca wykorzystują baterię i kondensator do dostarczania długotrwałej energiiidostarczaj go w szybkich seriach przy wyższych napięciach.
Aplikacje
Kondensatory są często używane w obwodach, aby wygładzić lub pośredniczyć w zmianach napięcia, jakich w innym przypadku doświadczyłoby urządzenie. Na przykład większość energii dostarczanej do domu pochodzi z zasilania prądem zmiennym (AC), które zapewnia „nierówne” napięcie, jednak większość urządzeń domowych wymaga zasilania prądem stałym (DC).
Kondensatory w ścianie pomagają przekształcić sygnał z AC na DC dla tych urządzeń. Napięcie wejściowe ładuje kondensator, a kiedy zaczyna się zmieniać na niższe, kondensator zaczyna rozładowywać część zmagazynowanej energii. Dzięki temu urządzenie po drugiej stronie może nadal doświadczać bardziej stałego napięcia niż bez kondensatora.
Kondensatory są również przydatne w urządzeniach, w których niektóre częstotliwości sygnałów elektronicznych mogą wymagać odfiltrowania, powiedzmy, wzmacniacz radiowy lub mikser audio. Na przykład kondensator w obwodzie może kierować dźwięki o niskiej i wysokiej częstotliwości do różnych części głośnika, takich jak subwoofer lub głośnik wysokotonowy. Albo głośnik radiowy wykorzystujący kondensatory do oddzielania częstotliwości może wzmacniać niektóre, ale nie inne, wzmacniając w ten sposób sygnał żądanej stacji, do której dostrojone jest radio.
Odsprzęganie w układzie scalonym.Jednym z najbardziej powszechnych zastosowań kondensatora jest układ scalony – mały obwód płyta zawierająca wszystkie elementy elektryczne używane do zasilania większości elektroniki użytkowej, takich jak smartfony. Tam kondensator służy jako coś w rodzaju osłony, chroniącej inne elementy elektroniczne przed nagłym spadki napięcia i działanie jako małe, tymczasowe źródła zasilania, gdy zasilanie jest chwilowo przerywane, jak często dzieje się.
Podobnie jak w przypadku dostarczania prądu stałego do urządzeń domowych, kondensatory buforują zmiany napięcia dla elektroniki poza nimi w obwodzie; „wchłaniają” dodatkowe napięcie i z kolei uwalniają nadmierne napięcie, gdy zasilanie zaczyna spadać.
Kondensatory odsprzęgające w układach scalonych w szczególności usuwają zmiany napięcia o wysokiej częstotliwości (ponieważ mogą pochłaniać część zmian napięcia przechodzących przez nie). Powoduje to, że pozostałe elementy obwodu doświadczają bardziej równomiernego napięcia na poziomach potrzebnych do ich prawidłowego działania.
Kondensatory jako czujniki.Ponieważ konstrukcja kondensatora zależy od użytych materiałów, które z kolei mają różne właściwości przewodzące w różnych warunkach, kondensatory są ważnymi elementami czujników elektronicznych.
Na przykład czujnik wilgotności wykorzystuje materiał dielektryczny, taki jak plastik lub polimer, który niezawodnie zmienia swoją przewodność wraz ze zmieniającym się poziomem wilgoci. W ten sposób, odczytując przewodnictwo na tym dielektryku, czujnik określa wilgotność względną.
Podobnie niektóre czujniki poziomu paliwa, w tym te w samolotach, wykorzystują kondensatory do pomiaru ilości paliwa pozostałego w zbiorniku. W tych urządzeniach samo paliwo służy jako dielektryk. Gdy spadnie do wystarczająco niskiego poziomu, przewodność zmienia się i pilot zostaje zaalarmowany.
Być może jeszcze bardziej powszechne są przełączniki pojemnościowe stosowane w urządzeniach z ekranem dotykowym. Kiedy palec dotyka ekranu, rozładowuje niewielką ilość ładunku, zmieniając w ten sposób przewodność urządzenia w wymierny sposób i precyzyjnie dopasowując się do określonego miejsca. To wyjaśnia również, dlaczego noszenie rękawiczek przeszkadza w przewijaniu na smartfonie – wełna lub bawełna w rękawiczce jest świetnym izolatorem, powstrzymującym ładunki w palcach przed przeskakiwaniem na ekran.