La fel cum bateriile permit stocarea portabilă a energiei, condensatoarele permit stocarea temporară a energiei și sunt componente critice ale multor circuite.
Acestea permit cantități mari de încărcături să fie separate una de cealaltă și eliberate într-o explozie bruscă de energie, pentru a fi utilizate în dispozitive precum camerele flash, precum și pentru a intermediază alte procese electronice, cum ar fi conversia între surse de curent alternativ și continuu sau încărcarea și descărcarea câmpurilor magnetice, ceea ce este util în reglarea radio stații.
Definiția Capacitance
Capacitatea este o măsură a capacității unui material neconductor de a stoca energie prin crearea unei separări de sarcină pe o diferență de potențial (tensiune). Materialul trebuie să fie neconductiv, cum ar fi sticla sau o țeavă din PVC, deoarece altfel sarcinile ar curge prin el, neputând rămâne separate.
Matematic, capacitatea unui obiectCeste egal cu raportul sarciniiÎla tensiuneV.
C = \ frac {Q} {V}
Unitatea SI de capacitate este
Orice parte a unui circuit care separă sarcina în acest mod se numește acondensator. Astfel, urmând ecuația de mai sus, orice capacitate dată a unui condensatorCconectat la o baterie cu o diferență de potențialV, va stoca încărcarea electricăÎ.
Condensatoare cu placă paralelă
Un tip comun de condensator este uncondensator cu placă paralelă. Într-un astfel de dispozitiv, două plăci de material de conducție (cum ar fi un metal) sunt ținute, așa cum sugerează și numele, paralele între ele pe o anumită distanță. Între plăci este unmaterial dielectric, numit și anmaterial izolant.
Acest lucru nu permite ca sarcinile să curgă prin el și astfel pot deveni polarizate - sarcinile din interiorul său reorientați astfel încât toate pozitivele să fie împreună pe o parte și toate negativele pe cealaltă - în prezența unui electric camp.
Oricine poate crea un condensator simplu de placă paralelă folosind două foi de folie de metal ca plăci și mai multe foi de hârtie ca izolator intercalat între ele.
Capacitatea unui condensator de placă paralelă depinde de aria unei plăci sauA; separarea dintre eid; iar constanta dielectricăκa materialului dintre ele în acest fel:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Termenul ε0 ("epsilon-naught") estepermitivitatede spațiu liber, care este o constantă egală cu 8.854 × 10-12 farade pe metru (F / m). Constanta dielectricăκeste o cantitate fără unitate care poate fi căutată într-un tabel, cum ar fi cea legată de acest articol.
Alte tipuri de condensatoare
Nu toate tipurile de condensatori necesită plăci paralele. Unele sunt cilindrice, ca un cablu coaxial, sau sferice, ca o membrană celulară (care ajunge să țină o sarcină pompând ioni pozitivi de potasiu din celulă și ioni negativi de clorură în ea).
Un cablu coaxial este utilizat pe scară largă pentru a furniza date video, audio și de comunicații. Designul său cilindric constă din mai multe straturi de materiale dielectrice izolante între foi puternice conductoare, adesea cupru, toate înfășurate ca o rolă de jeleu.
Acest lucru permite cablului să transporte chiar și semnale electrice slabe fără degradare pe distanțe mari. În plus, deoarece straturile izolante și conductoare sunt rulate, un cablu coaxial este capabil să furnizeze această stocare a energiei într-un spațiu relativ mic - cu siguranță într-un volum mai mic decât condensatoarele cu plăci paralele poate sa.
Circuite RC
O aplicație obișnuită a condensatorilor se află într-un circuit RC, numit astfel deoarece conține un rezistor și un condensator. Să presupunem că două componente ale circuitului sunt conectate în paralel, cu un comutator care permite circuitului să se conecteze într-unul din cele două bucle posibile: sursă de tensiune plus condensator sau condensator plus rezistor.
Când condensatorul este conectat la sursa de tensiune, curentul curge în circuit și începe să acumuleze o încărcare stocată. Când comutatorul este răsturnat și condensatorul este conectat la rezistor, acesta se va descărca și va încălzi rezistorul.
Tensiunea sau diferența de potențial pe condensator atunci când se încarcă este:
V_ {condensator} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC})
Unde amândouăVcondensatorșiVsursăsunt tensiuni în volți șiteste timpul în secunde. Constanta de timpRCeste produsul rezistenței și capacității circuitului, ceea ce înseamnă că cu cât rezistorul sau condensatorul sunt mai mari, cu atât va dura mai mult timp pentru încărcare sau descărcare. Unitatea sa este, de asemenea, în câteva secunde.
În procesul invers (la descărcare), ecuația este similară:
V_ {condensator} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
UndeV0este tensiunea inițială încărcată a condensatorului înainte de a începe descărcarea.
Deoarece încărcarea necesită timp pentru a se acumula și a se elibera, iar acest timp depinde de proprietățile elementele circuitului, un circuit RC este util în multe dispozitive electrice care necesită precizie sincronizare. Câteva exemple obișnuite sunt: camere flash, stimulatoare cardiace și filtre audio.
Exemple de calcule
Exemplul 1: Care este capacitatea unui condensator cu placă paralelă format din doi 0,25-m2 plăci de aluminiu separate cu 0,1 m cu teflon la 20 grade Celsius?
Având în vedere aria unei plăci, separarea și materialul dielectric, începeți prin căutarea constantei dielectrice a teflonului. La 20 de grade Celsius, este 2,1 (nu uitați, nu are unități!).
Rezolvare pentru capacitate:
Exemplul 2: Cât timp va dura încărcarea unui 100-µF (10-6 farads) condensator la 20 V când este conectat la o baterie de 30 V și în circuit cu un rezistor de 10 kΩ (1.000 Ohmi)?
Începeți prin a converti capacitatea și rezistența la unitățile lor SI și apoi calculați constanta de timp RC:
C = 100 uF = 0,0001 F.
R = 10 kΩ = 10.000 Ω
RC = 0.0001 F × 10.000 Ω = 1 secundă
Apoi, folosind formula pentru un condensator de încărcare și rezolvarea timpuluit:
V_ {condensator} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ newline 1/3 = e ^ t \ newline ln (1/3) = ln (e ^ t) \ newline 1.1 secunde = t
Condensatoare vs. Baterii
Condensatoarele și bateriile pot părea similare, deoarece ambele sunt capabile să stocheze și să elibereze încărcarea electronică. Dar au mai multe diferențe cheie care îi determină să aibă avantaje și dezavantaje diferite.
În primul rând, un condensator stochează energie într-un câmp electric încărcat, în timp ce o baterie stochează energie în substanțe chimice, eliberând-o prin reacție chimică. Datorită acestor diferențe de material, o baterie poate stoca mai multă energie decât un condensator de aceeași dimensiune.
Cu toate acestea, reacția chimică necesară pentru a elibera acea energie este de obicei mai lentă decât eliberarea de sarcini prin câmpul electric dintr-un condensator. Deci, un condensator se poate încărca și descărca mult mai repede decât o baterie, oferind mai multă energie electrică într-un scurt impuls. Un condensator este, de asemenea, mai durabil decât o baterie, ceea ce îl face mai ecologic.
Din toate aceste motive, inginerii de astăzi caută să mărească limitele de stocare a condensatoarelor și să reducă timpul de încărcare și descărcare a bateriilor. Până atunci, dispozitivele sunt adesea folosite împreună. De exemplu, blițul camerei și stimulatorul cardiac utilizează ambele o baterie și un condensator pentru a furniza energie de lungă duratășilivrați-l în rafale rapide la tensiuni mai mari.
Aplicații
Condensatoarele sunt adesea folosite în circuite pentru a netezi sau a media schimbările de tensiune pe care un dispozitiv le-ar experimenta altfel. De exemplu, cea mai mare parte a energiei livrate unei case vine într-o sursă de curent alternativ (AC), care asigură o tensiune „accidentată”, totuși majoritatea aparatelor electrocasnice necesită o alimentare cu curent continuu (DC) de energie.
Condensatoarele din perete ajută la transformarea semnalului de la AC la CC pentru aceste dispozitive. Tensiunea de intrare încarcă condensatorul și, când începe să alterneze cu o tensiune mai mică, condensatorul începe să descarce o parte din energia sa stocată. Acest lucru permite dispozitivului de cealaltă parte să continue să experimenteze o tensiune mai constantă decât ar face-o fără condensator.
Condensatoarele sunt, de asemenea, utile în dispozitivele în care este posibil să fie necesară filtrarea anumitor frecvențe ale semnalelor electronice, de exemplu, un amplificator radio sau un mixer audio. De exemplu, un condensator din circuit poate direcționa sunete de joasă frecvență și de înaltă frecvență către diferite părți ale unui difuzor, cum ar fi sub-wooferul sau tweeterul. Sau, un difuzor radio care utilizează condensatori pentru separarea frecvențelor poate amplifica unele, dar nu altele, consolidând astfel semnalul postului dorit în care este acordat radioul.
Decuplarea într-un circuit integrat.Una dintre cele mai omniprezente utilizări pentru un condensator este într-un circuit integrat - circuitul mic placă care conține toate componentele electrice utilizate pentru alimentarea majorității produselor electronice de larg consum, cum ar fi smartphone-uri. Acolo, condensatorul servește ca un fel de scut, protejând alte componente electronice de brusc căderi de tensiune și acționează ca surse de energie temporare mici, când alimentarea este întreruptă momentan, la fel de des se întâmplă.
Similar cu modul în care ajută la furnizarea de curent continuu la aparatele de uz casnic, condensatoarele modifică tensiunea tampon pentru electronice dincolo de acestea în circuit; „absorb” tensiunea suplimentară și, la rândul lor, își eliberează tensiunea în exces atunci când alimentarea începe să scadă.
Decuplarea condensatoarelor în circuite integrate elimină în mod specific modificările de înaltă frecvență ale tensiunii (deoarece pot absorbi o parte din schimbarea de tensiune care trece prin ele). Acest lucru are ca rezultat restul componentelor circuitului o tensiune mai uniformă la nivelurile necesare funcționării lor corecte.
Condensatori ca senzori.Deoarece proiectarea condensatorului depinde de materialele utilizate, care la rândul lor au proprietăți conductive diferite în condiții diferite, condensatoarele sunt componente importante în senzorii electronici.
De exemplu, un senzor de umiditate folosește un material dielectric, cum ar fi un material plastic sau un polimer, care își schimbă conductanța în mod fiabil cu modificarea nivelurilor de umiditate. Astfel, citind conductanța din acel dielectric, senzorul deduce umiditatea relativă.
În mod similar, unii senzori de nivel de combustibil, inclusiv cei din avioane, folosesc condensatori pentru a măsura cantitatea de combustibil rămasă în rezervor. În aceste dispozitive, combustibilul în sine servește ca dielectric. Odată ce scade la un nivel suficient de scăzut, conductivitatea se schimbă și pilotul este alertat.
Poate și mai frecvente sunt comutatoarele capacitive utilizate pe dispozitivele cu ecran tactil. Când degetul unei persoane atinge un ecran, acesta descarcă o cantitate mică de încărcare, schimbând astfel conductanța dispozitivului măsurabil și indicat într-o anumită locație. Acest lucru explică, de asemenea, de ce purtarea mănușilor interferează cu derularea pe un smartphone - lâna sau bumbacul dintr-o mănușă este un izolator excelent, împiedicând săriturile din degete să sară pe ecran.