Точно так же, как батареи позволяют переносить энергию, конденсаторы позволяют временно хранить энергию и являются важными компонентами многих цепей.
Они позволяют отделить друг от друга большие количества зарядов и высвободить их в виде внезапного всплеска энергии для использования в таких устройствах, как фотовспышки, а также для посредничество в других электронных процессах, таких как преобразование между источниками питания переменного и постоянного тока или зарядка и разрядка магнитных полей, что полезно при настройке радио станции.
Определение емкости
Емкость - это мера способности непроводящего материала накапливать энергию путем разделения заряда по разности потенциалов (напряжению). Материал должен быть непроводящим, как стекло или труба из ПВХ, потому что в противном случае заряды будут проходить через него и не могут оставаться разделенными.
Математически емкость объектаCравно отношению зарядаQк напряжениюV.
C = \ frac {Q} {V}
Единица измерения емкости в системе СИ - этофарад(F); заряда,
Любая часть цепи, которая разделяет заряд таким образом, называетсяконденсатор. Таким образом, согласно приведенному выше уравнению, любая заданная емкость конденсатораCподключен к аккумулятору с разностью потенциаловV, будет хранить электрический зарядQ.
Параллельные пластинчатые конденсаторы
Один из распространенных типов конденсаторов - этоконденсатор с параллельными пластинами. В таком устройстве две пластины из проводящего материала (например, металла) удерживаются, как следует из названия, параллельно друг другу на некотором расстоянии. Между пластинами находитсядиэлектрический материал, также называемыйизоляционный материал.
Это то, что не позволяет зарядам проходить через него и, следовательно, может поляризоваться - заряды внутри него переориентируйте так, чтобы все плюсы были вместе с одной стороны, а все негативы - с другой - при наличии электрического поле.
Любой может создать простой конденсатор с параллельными пластинами, используя два листа металлической фольги в качестве пластин и несколько листов бумаги в качестве изолятора, зажатого между ними.
Емкость конденсатора с параллельными пластинами зависит от площади одной пластины, илиА; разделение между нимиd; и диэлектрическая проницаемостьκматериала между ними таким образом:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Член ε0 ("эпсилон-ноль") - этодиэлектрическая проницаемостьсвободного пространства, что является константой, равной 8,854 × 10-12 фарады на метр (Ф / м). Диэлектрическая проницаемостьκ- это безразмерное количество, которое можно найти в таблице, такой как та, которая связана с этой статьей.
Другие типы конденсаторов
Не для всех типов конденсаторов требуются параллельные пластины. Некоторые из них имеют цилиндрическую форму, как коаксиальный кабель, или сферические, как клеточная мембрана (которая в конечном итоге удерживает заряд, выкачивая положительные ионы калия из клетки и отрицательные ионы хлорида в нее).
Коаксиальный кабель широко используется для передачи видео, аудио и коммуникационных данных. Его цилиндрическая конструкция состоит из нескольких слоев изоляционных диэлектрических материалов между прочными проводящими листами, часто из меди, которые свернуты, как рулон желе.
Это позволяет кабелю передавать даже слабые электрические сигналы без ухудшения характеристик на большие расстояния. Кроме того, поскольку изолирующий и проводящий слои свернуты, коаксиальный кабель может обеспечить этот накопитель энергии в относительно небольшом пространстве - конечно, в меньшем объеме, чем конденсаторы с параллельными пластинами может.
RC схемы
Одно из распространенных применений конденсаторов - это RC-цепь, названная так потому, что она содержит резистор и конденсатор. Предположим, что два компонента схемы соединены параллельно, с переключателем, позволяющим схеме подключаться в один из двух возможных одиночных контуров: источник напряжения плюс конденсатор или конденсатор плюс резистор.
Когда конденсатор подключен к источнику напряжения, в цепи течет ток, и он начинает накапливать накопленный заряд. Когда переключатель повернут и конденсатор подключен к резистору, он разрядится и нагреет резистор.
Напряжение или разность потенциалов на конденсаторе во время его зарядки составляет:
V_ {конденсатор} = V_ {источник} (1-e ^ {t / RC})
Где обаVконденсатора такжеVисточникнапряжения в вольтах итвремя в секундах. Постоянная времениRCпредставляет собой произведение сопротивления цепи и емкости, что означает, что чем больше резистор или конденсатор, тем больше времени потребуется для зарядки или разрядки. Его единица измерения также в секундах.
В обратном процессе (при разрядке) уравнение аналогично:
V_ {конденсатор} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
ГдеV0- начальное напряжение заряда конденсатора перед его разрядкой.
Поскольку заряд требует времени для накопления и высвобождения, и это время зависит от свойств элементы схемы, RC-цепь полезна во многих электрических устройствах, требующих точной сроки. Вот несколько распространенных примеров: камеры со вспышкой, кардиостимуляторы и аудиофильтры.
Примеры расчетов
Пример 1: Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами, состоящего из двух 0,25-м2 алюминиевые пластины, разделенные на 0,1 м с тефлоном при 20 градусах Цельсия?
Учитывая площадь одной пластины, разделение и диэлектрический материал, начните с определения диэлектрической проницаемости тефлона. При 20 градусах Цельсия это 2,1 (помните, у него нет единиц измерения!).
Решение для емкости:
Пример 2: Сколько времени потребуется для зарядки 100 мкФ (10-6 фарад) на 20 В при подключении к батарее на 30 В и в цепи с резистором 10 кОм (1000 Ом)?
Начните с преобразования емкости и сопротивления в их единицы СИ, а затем вычислите постоянную времени RC:
C = 100 мкФ = 0,0001 Ф
R = 10 кОм = 10000 Ом
RC = 0,0001 Ф × 10,000 Ом = 1 секунда
Затем, используя формулу для зарядного конденсатора и решая для временит:
V_ {конденсатор} = V_ {источник} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ перевод строки 1/3 = e ^ t \ newline ln (1/3) = ln (e ^ t) \ newline 1.1 секунды = t
Конденсаторы vs. Аккумуляторы
Конденсаторы и батареи могут показаться похожими, поскольку они могут накапливать и высвобождать электронный заряд. Но у них есть несколько ключевых отличий, из-за которых они имеют разные преимущества и недостатки.
Во-первых, конденсатор накапливает энергию в заряженном электрическом поле, а батарея накапливает энергию в виде химических веществ, высвобождая ее в результате химической реакции. Из-за этих различий в материалах батарея может хранить больше энергии, чем конденсатор того же размера.
Однако химическая реакция, необходимая для высвобождения этой энергии, обычно происходит медленнее, чем высвобождение зарядов через электрическое поле в конденсаторе. Таким образом, конденсатор может заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем аккумулятор, обеспечивая большую электрическую мощность за короткий промежуток времени. Конденсатор обычно более долговечен, чем батарея, что делает его более экологически чистым.
По всем этим причинам инженеры сегодня стремятся увеличить пределы емкости конденсаторов и уменьшить время зарядки и разрядки батарей. До тех пор устройства часто используются вместе. Например, вспышка камеры и кардиостимулятор используют батарею и конденсатор для обеспечения долговременной энергии.а такжедоставляйте его быстрыми импульсами при более высоких напряжениях.
Приложения
Конденсаторы часто используются в цепях для сглаживания или смягчения изменений напряжения, которые в противном случае возникли бы в устройстве. Например, большая часть энергии, доставляемой в дом, поступает от источника переменного тока (AC), который обеспечивает «неровное» напряжение, однако для большинства бытовых приборов требуется подача энергии постоянным током (DC).
Конденсаторы в стене помогают преобразовать сигнал из переменного тока в постоянный для этих устройств. Поступающее напряжение заряжает конденсатор, и когда оно начинает меняться на более низкое напряжение, конденсатор начинает разряжать часть своей накопленной энергии. Это позволяет устройству на другой стороне продолжать работать с более постоянным напряжением, чем без конденсатора.
Конденсаторы также полезны в устройствах, где может потребоваться отфильтровать определенные частоты электронных сигналов, например, в радиоусилителе или аудиомикшере. Например, конденсатор в цепи может направлять низкочастотные и высокочастотные звуки в разные части динамика, такие как сабвуфер или твитер. Или радиодинамик, использующий конденсаторы для разделения частот, может усиливать одни, но не другие, тем самым усиливая сигнал желаемой станции, на которую настроено радио.
Развязка в интегральной схеме.Одно из наиболее распространенных применений конденсатора - это интегральная схема - малогабаритная схема. плата, содержащая все электрические компоненты, используемые для питания большинства бытовой электроники, например смартфоны. Там конденсатор служит чем-то вроде экрана, защищая другие электронные компоненты от внезапного падает напряжение и действует как небольшие временные источники питания при кратковременном отключении питания, что часто бывает.
Подобно тому, как они помогают подавать постоянный ток в бытовые приборы, конденсаторы буферизируют изменения напряжения для электроники за их пределами в цепи; они «впитывают» дополнительное напряжение и, в свою очередь, высвобождают свое избыточное напряжение, когда напряжение питания начинает падать.
Разделительные конденсаторы в интегральных схемах специально удаляют высокочастотные изменения напряжения (поскольку они могут поглощать часть проходящего через них изменения напряжения). Это приводит к тому, что остальные компоненты схемы испытывают более равномерное напряжение на уровнях, необходимых для их правильной работы.
Конденсаторы как датчики.Поскольку конструкция конденсатора зависит от используемых материалов, которые, в свою очередь, имеют разные проводящие свойства в разных условиях, конденсаторы являются важными компонентами электронных датчиков.
Например, датчик влажности использует диэлектрический материал, такой как пластик или полимер, который надежно изменяет свою проводимость при изменении уровня влажности. Таким образом, считывая проводимость через этот диэлектрик, датчик определяет относительную влажность.
Точно так же некоторые датчики уровня топлива, в том числе в самолетах, используют конденсаторы, чтобы измерить, сколько топлива осталось в баке. В этих устройствах само топливо служит диэлектриком. Как только он упадет до достаточно низкого уровня, электропроводность изменится, и пилот будет предупрежден.
Возможно, еще более распространены емкостные переключатели, используемые в устройствах с сенсорным экраном. Когда палец человека прикасается к экрану, он разряжает небольшое количество заряда, тем самым изменяя проводимость устройства и определяя его в определенном месте. Это также объясняет, почему ношение перчаток мешает прокрутке на смартфоне - шерсть или хлопок в перчатке являются отличным изолятором, удерживая заряды в пальцах от прыжка на экран.