Баш као што батерије омогућавају преносно складиштење енергије, кондензатори омогућавају привремено складиштење енергије и кључне су компоненте многих кола.
Омогућавају одвајање великих количина наелектрисања и пуштање у наглом налету енергије, за употребу у уређајима као што су блиц камере, као и за посредују у другим електроничким процесима попут конверзије између извора напајања наизменичном и једносмерном струјом или пуњења и пражњења магнетних поља, што је корисно за подешавање радија станице.
Дефиниција капацитивности
Капацитет је мера способности непроводљивог материјала да складишти енергију стварањем раздвајања наелектрисања преко потенцијалне разлике (напона). Материјал мора бити непроводљив, попут стакла или ПВЦ цеви, јер би у супротном наелектрисали кроз њега, не могавши да остану одвојени.
Математички, капацитет објектаЦ.једнак је односу наелектрисањаКна напонВ..
Ц = \ фрац {К} {В}
СИ јединица капацитивности јефарад(Ф); наплате,цоуломб(Ц); и напона,волти(В).Фарад, назван по пиониру електромагнетизма, Мајклу Фарадеју, дефинисан је тако да је 1 фарад једнак 1 колуну по волту или 1 Ф = 1 Ц / В.
Било који део кола који на овај начин раздваја наелектрисање назива се акондензатор. Дакле, следећи горњу једначину, било који дати капацитет кондензатораЦ.повезан са батеријом са потенцијалном разликомВ., складиштиће електрично пуњењеК.
Кондензатори са паралелним плочама
Једна уобичајена врста кондензатора јекондензатор паралелне плоче. У таквом уређају, две плоче проводног материјала (попут метала) држе се, као што и само име каже, паралелно једна другој на некој удаљености. Између плоча је адиелектрични материјал, такође назван анизолациони материјал.
То је нешто што не дозвољава да наелектрисања пролазе кроз њега и тако могу постати поларизована - наелектрисања унутар њега преоријентисати тако да су сви позитивни елементи заједно на једној, а сви негативни на другој страни - у присуству електричне струје поље.
Свако може створити једноставан кондензатор паралелних плоча користећи два листа металне фолије као плоче и неколико листова папира као изолатор који је утиснут између њих.
Капацитет кондензатора паралелне плоче зависи од површине једне плоче, илиА.; раздвајање међу њимад; а диелектрична константаκматеријала између њих на овај начин:
Ц = \ дфрац {κε_0А} {д}
Термин ε0 ("епсилон-нугхт") јепермитивностслободног простора, што је константа једнака 8.854 × 10-12 фараде по метру (Ф / м). Диелектрична константаκје јединица без јединице која се може потражити у табели, попут оне која је повезана са овим чланком.
Остале врсте кондензатора
Нису све врсте кондензатора потребне паралелне плоче. Неки су цилиндрични, попут коаксијалног кабла, или сферни, попут ћелијске мембране (која на крају задржава наелектрисање пумпањем позитивних јона калијума из ћелије и негативних хлоридних јона у њу).
Коаксијални кабл се широко користи за испоруку видео, аудио и комуникационих података. Његов цилиндрични дизајн састоји се од неколико слојева изолационих диелектричних материјала између јаких проводних лимова, често бакра, сви смотани као желе ваљак.
Ово омогућава каблу да преноси чак и слабе електричне сигнале без пропадања на велике удаљености. Поред тога, пошто су изолациони и проводни слојеви смотани, коаксијални кабл је у могућности да то обезбеди ово складиштење енергије на релативно малом простору - свакако у мањој запремини од паралелних плочастих кондензатора моћи.
РЦ кругови
Једна уобичајена примена кондензатора је у РЦ колу, названом тако јер садржи отпорник и кондензатор. Претпоставимо да су две компоненте кола повезане паралелно, са прекидачем који омогућава да се коло повеже у једну од две могуће појединачне петље: извор напона плус кондензатор или кондензатор плус отпорник.
Када је кондензатор повезан са извором напона, струја струји у кругу и он почиње да ствара ускладиштено пуњење. Када се прекидач пребаци и кондензатор повеже са отпорником, он ће се испразнити и загрејати отпорник.
Напон или разлика потенцијала на кондензатору када се пуни је:
В_ {кондензатор} = В_ {извор} (1-е ^ {т / РЦ})
Где обојеВ.кондензаториВ.изворсу напони у волтима итје време у секундама. Временска константаРЦје производ отпора и капацитивности кола, што имплицира да што је већи отпорник или кондензатор, то ће бити потребно више времена за пуњење или пражњење. Његова јединица је такође у секундама.
У обрнутом процесу (при пражњењу), једначина је слична:
В_ {кондензатор} = В_ {0} е ^ {- т / РЦ}
ГдеВ.0је почетни, наелектрисани напон кондензатора пре него што почне да се празни.
Будући да је пуњењу потребно време да се изгради и ослободи, а то време зависи од својстава елемената кола, РЦ коло је корисно у многим електричним уређајима који захтевају прецизност тајминг. Неки од уобичајених примера су: блиц камере, пејсмејкери и аудио филтри.
Примери прорачуна
Пример 1: Колики је капацитет паралелног плочастог кондензатора направљеног од два 0,25 м2 алуминијумске плоче раздвојене 0,1 м са тефлоном на 20 степени Целзијуса?
С обзиром на површину једне плоче, раздвајање и диелектрични материјал, започните са тражењем диелектричне константе тефлона. На 20 степени Целзијуса износи 2,1 (упамтите, нема јединице!).
Решење за капацитет:
Пример 2: Колико ће требати да се напуни 100 µФ (10-6 фарадс) кондензатор на 20 В када је повезан на батерију од 30 В и у колу са отпорником од 10 кΩ (1.000 Ома)?
Почните претварањем капацитивности и отпора у њихове СИ јединице, а затим израчунавањем РЦ временске константе:
Ц = 100 µФ = 0.0001 Ф.
Р = 10 кΩ = 10.000 Ω
РЦ = 0,0001 Ф × 10 000 Ω = 1 секунда
Затим, користећи формулу за пуњење кондензатора и решавајући времет:
В_ {кондензатор} = В_ {извор} (1-е ^ {т / РЦ}) \ нова линија 20 В = 30 В (1-е ^ {т / 1}) \ нова линија 2/3 = 1-е ^ т \ нови ред 1/3 = е ^ т \ нови ред лн (1/3) = лн (е ^ т) \ нови ред 1,1 секунде = т
Кондензатори вс. Батерије
Кондензатори и батерије могу изгледати слично јер могу складиштити и ослобађати електронско пуњење. Али они имају неколико кључних разлика због којих имају различите предности и недостатке.
Прво, кондензатор складишти енергију у наелектрисаном електричном пољу, док батерија складишти енергију у хемикалијама, ослобађајући је хемијском реакцијом. Због ових материјалних разлика, батерија може да ускладишти више енергије од кондензатора исте величине.
Међутим, хемијска реакција потребна за ослобађање те енергије је обично спорија од ослобађања наелектрисања кроз електрично поље у кондензатору. Дакле, кондензатор може да се пуни и празни много брже од батерије, пружајући више електричне енергије у кратком налету. Кондензатор је такође обично издржљивији од батерије, што га чини еколошки прихватљивијим.
Из свих ових разлога, данашњи инжењери теже повећању ограничења складиштења кондензатора и смањењу времена пуњења и пражњења батерија. До тада се уређаји често користе заједно. На пример, блиц фотоапарата и пејсмејкер користе батерију и кондензатор за снабдевање дуготрајном енергијомииспоручују у брзим налетима при већим напонима.
Апликације
Кондензатори се често користе у струјним круговима за изравнавање или посредовање промена напона које би уређај иначе доживео. На пример, већина енергије која се испоручује кући долази у напајању наизменичном струјом (наизменичном струјом), која обезбеђује „квргави“ напон, али већина кућних апарата захтева напајање једносмерном (ДЦ) енергијом.
Кондензатори у зиду помажу да се трансформише сигнал из наизменичне у једносмерну струју за ове уређаје. Долазни напон пуни кондензатор, а када почне да се мења на нижи напон, кондензатор почиње да празни део своје ускладиштене енергије. То омогућава уређају на другој страни да настави да доживљава константнији напон него што би био без кондензатора.
Кондензатори су такође корисни у уређајима код којих ће можда бити потребно филтрирати одређене фреквенције електронских сигнала, рецимо, радио појачало или аудио миксер. На пример, кондензатор у колу може да усмери нискофреквентне и високофреквентне звукове на различите делове звучника, попут субвоофера или високотонца. Или, радио звучник који користи кондензаторе за одвајање фреквенција може да појача неке, али не и друге, ојачавајући тако сигнал жељене станице у коју је радио подешен.
Одвајање у интегрисаном колу.Једна од најприсутнијих примена кондензатора је интегрисано коло - мали круг плоча која садржи све електричне компоненте које се користе за напајање већине потрошачке електронике, на пример паметни телефони. Тамо кондензатор служи као штит, штитећи друге електронске компоненте од изненадних појава пад напона и делују као мали, привремени извори енергије када се напајање на тренутак прекида, тако често дешава се.
Слично као што помажу у пружању једносмерне струје кућним апаратима, кондензатори баферирају промене напона електронике изван њих у колу; они "упијају" додатни напон и заузврат отпуштају свој вишак напона када напајање почне да опада.
Кондензатори за одвајање у интегрисаним круговима посебно уклањају високофреквентне промене напона (јер могу да апсорбују неке промене напона који пролазе кроз њих). То резултира тиме да остатак компонената кола доживљава уједначенији напон напона на нивоима потребним за њихов исправан рад.
Кондензатори као сензори.Будући да дизајн кондензатора зависи од употребљених материјала, који заузврат имају различита проводна својства под различитим условима, кондензатори су важне компоненте у електронским сензорима.
На пример, сензор влажности користи диелектрични материјал попут пластике или полимера који поуздано мења своју проводљивост с променом нивоа влаге. Дакле, очитавањем проводљивости преко тог диелектрика, сензор утврђује релативну влажност.
Слично томе, неки сензори нивоа горива, укључујући оне у авионима, користе кондензаторе за мерење количине горива које је остало у резервоару. У овим уређајима само гориво служи као диелектрик. Једном када падне на довољно низак ниво, проводљивост се мења и пилот се упозорава.
Можда су још чешћи капацитивни прекидачи који се користе у додирним екранима. Када прст особе додирне екран, он испразни малу количину наелектрисања, чиме се проводи проводљивост уређаја мерљиво и тачно одређује на одређено место. Ово такође објашњава зашто ношење рукавица омета помицање на паметном телефону - вуна или памук у рукавицама одличан су изолатор који спречава пуњење у прстима да скоче на екран.
