Tako kot baterije omogočajo prenosno shranjevanje energije, tudi kondenzatorji omogočajo začasno shranjevanje energije in so ključne sestavine številnih vezij.
Omogočajo, da se velike količine nabojev ločijo med seboj in sprostijo v nenadnem izbruhu energije, tako za uporabo v napravah, kot so bliskavice, kot tudi za posredujejo v drugih elektronskih procesih, kot je pretvorba med izmeničnimi in enosmernimi viri energije ali polnjenje in praznjenje magnetnih polj, kar je koristno pri nastavljanju radia postaje.
Opredelitev kapacitivnosti
Zmogljivost je merilo sposobnosti neprevodnega materiala, da shranjuje energijo z ustvarjanjem ločitve naboja med potencialno razliko (napetostjo). Material mora biti neprevoden, na primer steklo ali PVC cev, ker bi v nasprotnem primeru naboji tekli skozi njega in ne bi mogli ostati ločeni.
Matematično, kapacitivnost predmetaCje enako razmerju nabojaVna napetostV.
C = \ frac {Q} {V}
Enota kapacitivnosti SI jefarad(F); naboja,coulomb(C); in napetosti,voltov(V)
Vsak del vezja, ki ločuje naboj na ta način, se imenuje akondenzator. Torej, po zgornji enačbi, katera koli kapacitivnost kondenzatorjaCpriključen na baterijo z potencialno razlikoV, bo shranil električni nabojV.
Vzporedni ploščni kondenzatorji
Ena najpogostejših vrst kondenzatorjev jekondenzator vzporedne plošče. V taki napravi se dve plošči prevodnega materiala (kot kovina) držita, kot že ime pove, vzporedno med seboj na neki razdalji. Med ploščami je adielektrični material, imenovano tudi anizolacijski material.
To je tisto, kar ne dopušča, da se skozi njega pretakajo naboji in se tako lahko polarizira - naboji v njem preusmeriti, tako da so vsi pozitivni elementi na eni strani in vsi negativni na drugi strani - ob prisotnosti elektrike polje.
Vsakdo lahko ustvari preprost paralelni kondenzator z dvema listoma kovinske folije kot ploščami in več listov papirja kot izolatorja med njimi.
Kapaciteta kondenzatorja vzporedne plošče je odvisna od površine ene plošče, ozA; ločitev med njimad; in dielektrična konstantaκmateriala med njimi na ta način:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Izraz ε0 ("epsilon-nič") jepropustnostprostega prostora, kar je konstanta, ki je enaka 8.854 × 10-12 farad na meter (F / m). Dielektrična konstantaκje količina brez enote, ki jo lahko poiščemo v tabeli, na primer tisto, ki je povezana s tem člankom.
Druge vrste kondenzatorjev
Vse vrste kondenzatorjev ne zahtevajo vzporednih plošč. Nekateri so valjasti, kot koaksialni kabel, ali sferični, kot je celična membrana (ki na koncu zadrži naboj s črpanjem pozitivnih kalijevih ionov iz celice in negativnih kloridnih ionov vanjo).
Koaksialni kabel se pogosto uporablja za prenos video, avdio in komunikacijskih podatkov. Njegova valjasta oblika je sestavljena iz več plasti izolacijskih dielektričnih materialov med močnimi prevodnimi ploščami, pogosto bakrenimi, ki so vse zvite kot žele žele.
To omogoča kablu, da prenaša tudi šibke električne signale brez poslabšanja na velike razdalje. Poleg tega, ker so izolacijski in prevodni sloji zviti, lahko koaksialni kabel to shranjevanje energije v razmeroma majhnem prostoru - zagotovo v manjši prostornini kot vzporedni ploščni kondenzatorji lahko.
RC vezja
Ena najpogostejših aplikacij kondenzatorjev je v RC vezju, imenovanem tako, ker vsebuje upor in kondenzator. Recimo, da sta dve komponenti vezja povezani vzporedno, s stikalom, ki omogoča vezje, da se poveže v eno od dveh možnih enojnih zank: vir napetosti plus kondenzator ali kondenzator plus upor.
Ko je kondenzator priključen na vir napetosti, tok teče v tokokrogu in začne kopičiti shranjen naboj. Ko stikalo obrnete in kondenzator priključite na upor, se bo upor izpraznil in ogrel.
Napetost ali potencialna razlika na kondenzatorju med polnjenjem je:
V_ {kondenzator} = V_ {vir} (1-e ^ {t / RC})
Kjer obojeVkondenzatorinVvirso napetosti v voltih intje čas v sekundah. Časovna konstantaRCje zmnožek upora in kapacitivnosti vezja, kar pomeni, da večji kot je upor ali kondenzator, več časa bo potreben za polnjenje ali praznjenje. Njegova enota je prav tako v nekaj sekundah.
V obratnem postopku (pri praznjenju) je enačba podobna:
V_ {kondenzator} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
KjeV0je začetna, napolnjena napetost kondenzatorja, preden se začne prazniti.
Ker polnjenje traja nekaj časa, da se nabere in sprosti, ta čas pa je odvisen od lastnosti elementov vezja, RC vezje je uporabno v mnogih električnih napravah, ki zahtevajo natančnost merjenje časa. Nekateri pogosti primeri so: bliskavice, srčni spodbujevalniki in zvočni filtri.
Primeri izračunov
Primer 1: Kolikšna je kapacitivnost vzporednega ploščnega kondenzatorja, izdelanega iz dveh 0,25 m2 aluminijaste plošče, ločene za 0,1 m s teflonom pri 20 stopinjah Celzija?
Glede na površino ene plošče, ločitev in dielektrični material, začnite tako, da poiščete dielektrično konstanto teflona. Pri 20 stopinjah Celzija je 2,1 (ne pozabite, da nima enot!).
Reševanje kapacitivnosti:
Primer 2: Koliko časa bo trajalo polnjenje 100 µF (10-6 farads) kondenzator na 20 V, ko je priključen na 30-V baterijo in v tokokrogu z uporom 10 kΩ (1.000 ohmov)?
Najprej pretvorite kapacitivnost in upor v njihove enote SI in nato izračunajte RC časovno konstanto:
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10.000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekunda
Nato z uporabo formule za polnilni kondenzator in reševanjem časat:
V_ {kondenzator} = V_ {vir} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ nova vrstica 1/3 = e ^ t \ nova vrstica ln (1/3) = ln (e ^ t) \ nova vrstica 1,1 sekunde = t
Kondenzatorji vs. Baterije
Kondenzatorji in baterije so morda podobni, saj lahko oba shranjujejo in sproščajo elektronski naboj. Imajo pa več ključnih razlik, zaradi katerih imajo različne prednosti in slabosti.
Najprej kondenzator shranjuje energijo v napolnjenem električnem polju, baterija pa energijo v kemikalijah in jo sprošča s kemično reakcijo. Zaradi teh materialnih razlik lahko baterija shrani več energije kot kondenzator enake velikosti.
Vendar pa je kemična reakcija, potrebna za sproščanje te energije, običajno počasnejša od sproščanja nabojev skozi električno polje v kondenzatorju. Kondenzator se torej lahko napolni in izprazni veliko hitreje kot baterija in tako zagotovi več električne energije v kratkem sunku. Kondenzator je običajno tudi bolj trpežen kot baterija, zaradi česar je okolju prijaznejši.
Zaradi vseh teh razlogov današnji inženirji skušajo povečati omejitve skladiščenja kondenzatorjev in skrajšati čas polnjenja in praznjenja baterij. Do takrat se naprave pogosto uporabljajo skupaj. Na primer, bliskavica fotoaparata in srčni spodbujevalnik uporabljata baterijo in kondenzator za dobavo dolgotrajne energijeinoddajte v hitrih rafalih pri višjih napetostih.
Aplikacije
Kondenzatorji se pogosto uporabljajo v vezjih za glajenje ali posredovanje napetostnih sprememb, ki bi jih naprava sicer doživela. Na primer, večina energije, dostavljene domu, je na voljo z izmeničnim tokom (AC), ki zagotavlja "nerodno" napetost, vendar večina gospodinjskih aparatov potrebuje enosmerni tok (DC).
Kondenzatorji v steni pomagajo transformirati signal iz izmeničnega v enosmerni tok za te naprave. Prihajajoča napetost napolni kondenzator in ko se začne izmenično spreminjati na nižjo napetost, začne kondenzator odvajati nekaj svoje shranjene energije. To omogoča napravi na drugi strani še naprej konstantnejšo napetost, kot bi bila brez kondenzatorja.
Kondenzatorji so uporabni tudi v napravah, kjer bo morda treba filtrirati določene frekvence elektronskih signalov, recimo radijski ojačevalnik ali mešalnik zvoka. Na primer, kondenzator v vezju lahko usmerja nizkofrekvenčne in visokofrekvenčne zvoke na različne dele zvočnika, na primer nizkotonec ali visokotonec. Ali pa lahko radijski zvočnik, ki uporablja kondenzatorje za ločevanje frekvenc, nekatere ojača, druge pa ne, s čimer okrepi signal želene postaje, na katero je radio nastavljen.
Ločevanje v integriranem vezju.Eden najbolj razširjenih načinov uporabe kondenzatorja je v integriranem vezju - majhnem vezju plošča, ki vsebuje vse električne komponente, ki se uporabljajo za napajanje večine potrošniške elektronike, na primer pametne telefone. Tam kondenzator služi kot nekakšen ščit in ščiti druge elektronske komponente pred nenadami napetost pade in deluje kot majhen, začasen vir energije, kadar je oskrba trenutno prekinjena, tako pogosto se zgodi.
Podobno kot pomagajo zagotavljati enosmerni tok gospodinjskim aparatom, kondenzatorji blažijo spremembe napetosti elektronike zunaj njih v vezju; "vpijejo" dodatno napetost in nato sprostijo svojo presežno napetost, ko začne dovod upadati.
Ločilni kondenzatorji v integriranih vezjih posebej odstranijo visokofrekvenčne spremembe napetosti (saj lahko absorbirajo nekatere spremembe napetosti, ki potekajo skozi njih). Posledica tega je, da imajo ostale komponente vezja enakomernejšo napetost na nivojih, potrebnih za njihovo pravilno delovanje.
Kondenzatorji kot senzorji.Ker je zasnova kondenzatorja odvisna od uporabljenih materialov, ki imajo v različnih pogojih različne prevodne lastnosti, so kondenzatorji pomembni sestavni deli elektronskih senzorjev.
Senzor vlage na primer uporablja dielektrični material, kot je plastika ali polimer, ki s spreminjanjem ravni vlage zanesljivo spreminja svojo prevodnost. Tako senzor z odčitavanjem prevodnosti skozi ta dielektrik izračuna relativno vlažnost.
Podobno nekateri senzorji nivoja goriva, vključno s tistimi v letalih, s kondenzatorji merijo, koliko goriva ostane v rezervoarju. V teh napravah gorivo samo služi kot dielektrik. Ko pade na dovolj nizko raven, se prevodnost spremeni in pilot se opozori.
Morda so še bolj pogosta kapacitivna stikala, ki se uporabljajo v napravah z zaslonom na dotik. Ko se prst osebe dotakne zaslona, ta izprazni majhno količino naboja, s čimer se merjenje prevodnosti naprave izmeri in natančno določi na določeno mesto. To tudi pojasnjuje, zakaj nošenje rokavic ovira drsenje po pametnem telefonu - volna ali bombaž v rokavico je odličen izolator, ki zadržuje naboje v prstih, da ne skočijo na zaslon.
