Rovnako ako batérie umožňujú prenosné uskladnenie energie, kondenzátory umožňujú dočasné uskladnenie energie a sú dôležitými súčasťami mnohých obvodov.
Umožňujú oddeliť veľké množstvo poplatkov od seba a uvoľniť ich náhlym výbuchom energie na použitie v takých zariadeniach, ako sú fotoaparáty s bleskom, ako aj na sprostredkovávajú ďalšie procesy elektroniky, ako je konverzia medzi zdrojmi striedavého a jednosmerného prúdu alebo nabíjanie a vybíjanie magnetických polí, čo je užitočné pri ladení rádia stanice.
Definícia kapacity
Kapacita je mierou schopnosti nevodivého materiálu ukladať energiu vytvorením oddelenia náboja cez potenciálny rozdiel (napätie). Materiál musí byť nevodivý, napríklad ako sklo alebo rúra z PVC, pretože inak by ním pretekali nálože, ktoré by nemohli zostať oddelené.
Matematicky kapacita objektuC.sa rovná pomeru nábojaQna napätieV..
C = \ frac {Q} {V}
Jednotkou kapacity SI jefarad(F); bezplatne,coulomb(C); a napätia,voltov(V).Farad, pomenovaný po priekopníkovi elektromagnetizmu Michaelovi Faradayovi, je definovaný tak, že 1 farad sa rovná 1 columbu na volt alebo 1 F = 1 C / V.
Akákoľvek časť obvodu, ktorá týmto spôsobom oddeľuje náboj, sa nazýva akondenzátor. Podľa vyššie uvedenej rovnice teda platí, že akákoľvek daná kapacita kondenzátoraC.pripojený k batérii s potenciálnym rozdielomV., bude ukladať elektrický nábojQ.
Paralelné doskové kondenzátory
Jeden bežný typ kondenzátora je aparalelný doskový kondenzátor. V takomto zariadení sú dve dosky z vodivého materiálu (ako kov) držané, ako to naznačuje názov, navzájom rovnobežne na určitú vzdialenosť. Medzi doskami je adielektrický materiál, nazývaný tiežizolačný materiál.
To je niečo, čo neumožňuje prúdenie nábojov cez ňu a tým pádom môže dôjsť k polarizácii - náboje v jej vnútri preorientovať, takže všetky pozitíva sú spolu na jednej strane a všetky negatíva na druhej strane - za prítomnosti elektrického prúdu lúka.
Ktokoľvek môže vytvoriť jednoduchý paralelný doskový kondenzátor pomocou dvoch listov kovovej fólie ako dosiek a niekoľkých listov papiera ako izolátora vloženého medzi ne.
Kapacita paralelného doskového kondenzátora závisí od plochy jednej dosky, prípA; medzi nimid; a dielektrická konštantaκmateriálu medzi nimi týmto spôsobom:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Pojem ε0 („epsilon-nič“) jepermitivitavoľného priestoru, čo je konštanta rovná 8 854 × 10-12 farads na meter (F / m). Dielektrická konštantaκje množstvo bez jednotky, ktoré je možné vyhľadať v tabuľke, napríklad v tabuľke súvisiacej s týmto článkom.
Ostatné typy kondenzátorov
Nie všetky typy kondenzátorov vyžadujú paralelné dosky. Niektoré sú valcovité, napríklad ako koaxiálny kábel, alebo sférické, ako bunková membrána (ktorá nakoniec drží náboj tým, že čerpá pozitívne ióny draslíka z bunky a negatívne chloridové ióny do nej).
Koaxiálny kábel sa široko používa na prenos obrazových, zvukových a komunikačných údajov. Jeho valcový tvar pozostáva z niekoľkých vrstiev izolačných dielektrických materiálov medzi silnými vodivými doskami, často z medi, ktoré sú všetky zvinuté ako rôsolovitý zvitok.
To umožňuje káblu prenášať aj slabé elektrické signály bez degradácie na veľké vzdialenosti. Ďalej, pretože izolačné a vodivé vrstvy sú zrolované, je schopný poskytnúť koaxiálny kábel toto skladovanie energie v relatívne malom priestore - určite v menšom objeme ako paralelné doskové kondenzátory môcť.
RC obvody
Jedna z bežných aplikácií kondenzátorov je v RC obvode, ktorý je pomenovaný tak, že obsahuje rezistor a kondenzátor. Predpokladajme, že dve súčasti obvodu sú zapojené paralelne. Prepínač umožňuje zapojenie obvodu do jednej z dvoch možných samostatných slučiek: zdroj napätia plus kondenzátor alebo kondenzátor plus odpor.
Keď je kondenzátor pripojený k zdroju napätia, prúdi v obvode prúd a ten začne vytvárať nahromadený náboj. Keď je spínač otočený a kondenzátor je pripojený k odporu, vybije sa a zahreje odpor.
Napätie alebo rozdiel potenciálov na kondenzátore, ktorý sa nabíja, je:
V_ {kondenzátor} = V_ {zdroj} (1-e ^ {t / RC})
Kde obajaV.kondenzátoraV.zdrojsú napätia vo voltoch atje čas v sekundách. Časová konštantaRCje produktom odporu a kapacity obvodu, z čoho vyplýva, že čím väčší je odpor alebo kondenzátor, tým viac času bude treba na nabitie alebo vybitie. Jeho jednotka je tiež v priebehu niekoľkých sekúnd.
V opačnom procese (pri vybíjaní) je rovnica podobná:
V_ {kondenzátor} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
KdeV.0je počiatočné nabité napätie kondenzátora predtým, ako sa začne vybíjať.
Pretože nabíjanie si vyžaduje istý čas a uvoľnenie, a tento čas závisí od jeho vlastností prvky obvodu, obvod RC je užitočný v mnohých elektrických zariadeniach, ktoré vyžadujú presnosť načasovanie. Bežné príklady sú: blesky, kardiostimulátory a zvukové filtre.
Príklady výpočtov
Príklad 1: Aká je kapacita paralelného doskového kondenzátora vyrobeného z dvoch 0,25 m2 hliníkové platne oddelené 0,1 m teflónom pri 20 stupňoch Celzia?
Ak vezmeme do úvahy plochu jednej platne, separáciu a dielektrický materiál, začnite vyhľadaním dielektrickej konštanty teflónu. Pri 20 stupňoch Celzia je 2,1 (pamätajte, že nemá žiadne jednotky!).
Riešenie pre kapacitu:
Príklad 2: Ako dlho bude trvať nabitie 100 µF (10-6 farads) kondenzátor na 20 V, keď je pripojený k 30-V batérii a v obvode s odporom 10 kΩ (1 000 Ohmov)?
Začnite konverziou kapacity a odporu na ich jednotky SI a potom výpočtom časovej konštanty RC:
C = 100 uF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekunda
Potom pomocou vzorca pre nabíjací kondenzátor a časovo vyriešimet:
V_ {kondenzátor} = V_ {zdroj} (1-e ^ {t / RC}) \ nový riadok 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ nový riadok 2/3 = 1-e ^ t \ nový riadok 1/3 = e ^ t \ nový riadok ln (1/3) = ln (e ^ t) \ nový riadok 1,1 sekundy = t
Kondenzátory vs. Batérie
Kondenzátory a batérie sa môžu zdať podobné, pretože sú schopné ukladať aj uvoľňovať elektronický náboj. Majú ale niekoľko kľúčových rozdielov, ktoré ich vedú k odlišným výhodám a nevýhodám.
Po prvé, kondenzátor ukladá energiu v nabitom elektrickom poli, zatiaľ čo batéria ukladá energiu v chemikáliách a uvoľňuje ju chemickou reakciou. Kvôli týmto materiálovým rozdielom môže batéria uchovávať viac energie ako kondenzátor rovnakej veľkosti.
Chemická reakcia potrebná na uvoľnenie tejto energie je však zvyčajne pomalšia ako uvoľňovanie nábojov cez elektrické pole v kondenzátore. Kondenzátor sa teda môže nabíjať a vybíjať oveľa rýchlejšie ako batéria a v krátkom okamihu poskytne viac elektrickej energie. Kondenzátor je tiež zvyčajne odolnejší ako batéria, vďaka čomu je ekologickejší.
Z týchto dôvodov sa dnešní inžinieri snažia zvýšiť úložné limity kondenzátorov a skrátiť doby nabíjania a vybíjania batérií. Dovtedy sa zariadenia často používajú spoločne. Napríklad blesk fotoaparátu a kardiostimulátor používajú na dodanie dlhotrvajúcej energie batériu a kondenzátoradodávať v rýchlych dávkach pri vyššom napätí.
Aplikácie
Kondenzátory sa často používajú v obvodoch na vyhladenie alebo sprostredkovanie zmien napätia, ktoré by zariadenie inak zažilo. Napríklad väčšina energie dodávanej do domu pochádza zo zdroja striedavého prúdu (AC), ktorý poskytuje „hrboľaté“ napätie, napriek tomu väčšina domácich spotrebičov vyžaduje napájanie jednosmerným prúdom (DC).
Kondenzátory v stene pomáhajú pri transformácii signálu z týchto zariadení na striedavý prúd. Prichádzajúce napätie nabíja kondenzátor a keď začne striedať nižšie napätie, kondenzátor začne vybíjať časť svojej akumulovanej energie. To umožňuje zariadeniu na druhej strane, aby naďalej prežívalo konštantnejšie napätie, ako by bolo bez kondenzátora.
Kondenzátory sú tiež užitočné v zariadeniach, kde môže byť potrebné odfiltrovať určité frekvencie elektronických signálov, napríklad rádiový zosilňovač alebo zvukový mixér. Napríklad kondenzátor v obvode môže smerovať nízkofrekvenčné a vysokofrekvenčné zvuky do rôznych častí reproduktora, ako je napríklad subwoofer alebo výškový reproduktor. Alebo rádiový reproduktor, ktorý na oddelenie frekvencií používa kondenzátory, môže zosilniť niektoré, ale iné nie, a tým posilniť signál požadovanej stanice, na ktorú je rádio naladené.
Oddelenie v integrovanom obvode.Jedno z všadeprítomných použití kondenzátora je v integrovanom obvode - malom obvode doska obsahujúca všetky elektrické komponenty používané na napájanie väčšiny spotrebnej elektroniky, napr smartphony. Kondenzátor tam slúži ako štít, ktorý chráni ďalšie elektronické súčasti pred náhlym poklesy napätia a časté fungovanie ako malé dočasné zdroje energie pri krátkodobom prerušení dodávky energie stane sa.
Podobne, ako pomáhajú pri zabezpečovaní jednosmerného prúdu pre domáce spotrebiče, kondenzátory vyrovnávajú zmeny napätia elektroniky mimo nich v obvode; „Nasajú“ dodatočné napätie a následne uvoľnia svoje nadmerné napätie, keď začne klesať napájanie.
Oddelením kondenzátorov v integrovaných obvodoch sa osobitne odstraňujú vysokofrekvenčné zmeny napätia (pretože môžu absorbovať niektoré zmeny napätia prechádzajúce nimi). To vedie k tomu, že zvyšok komponentov obvodu zažíva rovnomernejší kmeň napätia na úrovniach potrebných pre ich správnu činnosť.
Kondenzátory ako snímače.Pretože konštrukcia kondenzátora závisí od použitých materiálov, ktoré majú za rôznych podmienok odlišné vodivé vlastnosti, sú kondenzátory dôležitými komponentmi elektronických senzorov.
Napríklad snímač vlhkosti používa dielektrický materiál, ako je plast alebo polymér, ktorý spoľahlivo mení svoju vodivosť pri zmene úrovne vlhkosti. Čítaním vodivosti naprieč týmto dielektrikom teda snímač odvodzuje relatívnu vlhkosť.
Podobne niektoré snímače hladiny paliva, vrátane senzorov v lietadlách, používajú kondenzátory na meranie toho, koľko paliva v nádrži zostáva. V týchto zariadeniach slúži samotné palivo ako dielektrikum. Akonáhle poklesne na dostatočne nízku hladinu, zmení sa vodivosť a pilot je upozornený.
Možno ešte bežnejšie sú kapacitné prepínače používané v zariadeniach s dotykovou obrazovkou. Keď sa prst človeka dotkne obrazovky, vybije sa malé množstvo náboja, a tým sa merateľne zmení vodivosť zariadenia a bude sa presne určiť jeho konkrétne miesto. To tiež vysvetľuje, prečo nosenie rukavíc prekáža pri rolovaní na smartfóne - vlna alebo bavlna v rukavici sú skvelým izolátorom, ktorý bráni nábojom v prstoch preskočiť na obrazovku.