Kapacitans: Definition, formel och enheter

Precis som batterier möjliggör bärbar energilagring möjliggör kondensatorer tillfällig energilagring och är viktiga komponenter i många kretsar.

De gör det möjligt att separera stora mängder laddningar från varandra och släppas i en plötslig energiutbrott för användning i sådana enheter som blixtkameror, samt för att förmedla andra elektronikprocesser som att konvertera mellan växelström och likström eller ladda och urladda magnetfält, vilket är användbart för att ställa in radio stationer.

Kapacitans är ett mått på ett icke-ledande materials förmåga att lagra energi genom att skapa en laddningsseparation över en potentialskillnad (spänning). Materialet måste vara icke-ledande, som glas eller ett PVC-rör, för annars skulle laddningarna rinna genom det och inte kunna hålla sig åtskilda.

Matematiskt, ett objekts kapacitansCär lika med förhållandet mellan laddningFtill spänningV​.

SI-enheten med kapacitans ärfarad(F); avgift, dencoulomb(C); och av spänning,

Varje del av en krets som separerar laddning på detta sätt kallas akondensator. Följaktligen följer ekvationen ovan en given kapacitans hos en kondensatorCansluten till ett batteri med en potentialskillnadV, kommer att lagra elektrisk laddningF​.

En vanlig typ av kondensator är enparallellplattkondensator. I en sådan anordning hålls, som namnet antyder, två plattor av ledningsmaterial (som en metall) parallellt med varandra över ett visst avstånd. Mellan plattorna finns endielektriskt material, även kallad enisoleringsmaterial​.

Detta är något som inte tillåter laddningar att strömma genom det och därmed kan bli polariserat - laddningarna inuti det omorientera så att alla positiva är tillsammans på ena sidan och alla negativa på den andra - i närvaro av en elektrisk fält.

Vem som helst kan skapa en enkel parallellplatskondensator med två ark metallfolie som plattorna och flera pappersark som isolatorn inklämd mellan dem.

Kapacitansen hos en parallellplatskondensator beror på arean på en platta, ellerA; separationen mellan demd; och dielektricitetskonstantenκav materialet mellan dem på detta sätt:

Termen ε₀ ("epsilon-naught") ärpermittivitetav ledigt utrymme, vilket är en konstant lika med 8.854 × 10^-12 farader per meter (F / m). Den dielektriska konstantenκär en enhetsfri kvantitet som kan slås upp i en tabell, som den som är länkad till den här artikeln.

Inte alla typer av kondensatorer kräver parallella plattor. Vissa är cylindriska, som en koaxialkabel, eller sfäriska, som ett cellmembran (som slutar hålla en laddning genom att pumpa positiva kaliumjoner ut ur cellen och negativa kloridjoner i den).

En koaxialkabel används ofta för att leverera video-, ljud- och kommunikationsdata. Dess cylindriska design består av flera lager isolerande dielektriska material mellan starkt ledande ark, ofta koppar, alla rullade upp som en gelrulle.

Detta gör att kabeln kan bära även svaga elektriska signaler utan nedbrytning över långa sträckor. Dessutom, eftersom de isolerande och ledande skikten rullas upp, kan en koaxialkabel tillhandahålla denna energilagring i ett relativt litet utrymme - säkert i en mindre volym än kondensatorer med parallella plattor burk.

En vanlig tillämpning av kondensatorer är i en RC-krets, så kallad eftersom den innehåller ett motstånd och en kondensator. Antag att två kretskomponenter är anslutna parallellt, med en brytare som gör att kretsen kan anslutas i en av två möjliga enstaka slingor: spänningskälla plus kondensator eller kondensator plus motstånd.

När kondensatorn är ansluten till spänningskällan flyter ström i kretsen och den börjar bygga upp en lagrad laddning. När omkopplaren vänds och kondensatorn är ansluten till motståndet kommer den att urladdas och värma upp motståndet.

Spänningen, eller potentialskillnaden, över kondensatorn när den laddas är:

Där bådaV_kondensatorochV_källaär spänningar i volt ochtär tid i sekunder. Tiden konstantRCär produkten av kretsens motstånd och kapacitans, vilket antyder att ju större motståndet eller kondensatorn är, desto mer tid tar det att ladda eller urladda. Enheten är också på några sekunder.

I den omvända processen (vid urladdning) liknar ekvationen:

VarV₀är kondensatorns initiala laddade spänning innan den börjar urladdas.

Eftersom laddningen tar tid att bygga upp och frigöra, och den tiden beror på egenskaperna hos kretsens element, är en RC-krets användbar i många elektriska enheter som kräver exakt timing. Några vanliga exempel är: blixtkameror, pacemakers och ljudfilter.

Exempel 1: Vad är kapacitansen hos en parallellplatskondensator tillverkad av två 0,25-m² aluminiumplattor åtskilda med 0,1 m med Teflon vid 20 grader Celsius?

Med tanke på arean på en platta, separationen och det dielektriska materialet, börja med att leta upp den dielektriska konstanten för Teflon. Vid 20 grader Celsius är den 2,1 (kom ihåg att den inte har några enheter!).

Lösa för kapacitans:

Exempel 2: Hur lång tid tar det att ladda en 100 µF (10^-6 farads) kondensator till 20 V när den är ansluten till ett 30-V batteri och i krets med ett motstånd på 10 kΩ (1000 Ohm)?

Börja med att konvertera kapacitansen och motståndet till deras SI-enheter och beräkna sedan RC-tidskonstanten:

C = 100 uF = 0,0001 F

R = 10 kΩ = 10.000 Ω

RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekund

Använd sedan formeln för en laddningskondensator och lösa tident​:

Kondensatorer och batterier kan verka lika eftersom de båda kan lagra och frigöra elektronisk laddning. Men de har flera viktiga skillnader som leder till att de har olika fördelar och nackdelar.

För det första lagrar en kondensator energi i ett laddat elektriskt fält medan ett batteri lagrar energi i kemikalier, vilket frigör den via kemisk reaktion. På grund av dessa materialskillnader kan ett batteri lagra mer energi än en kondensator av samma storlek.

Emellertid är den kemiska reaktionen som behövs för att frigöra den energin typiskt långsammare än frisättningen av laddningar genom det elektriska fältet i en kondensator. Så, en kondensator kan ladda och urladdas mycket snabbare än ett batteri, vilket ger mer elektrisk kraft i en kort spurt. En kondensator är också vanligtvis mer hållbar än ett batteri, vilket gör den mer miljövänlig.

Av alla dessa skäl försöker ingenjörer idag öka lagringstakten för kondensatorer och minska laddningstiden och urladdningstiden för batterier. Fram till dess används enheterna ofta tillsammans. Till exempel använder en kameras blixt och en pacemaker båda ett batteri och en kondensator för att leverera långvarig energiochleverera den i snabba skurar vid högre spänningar.

Kondensatorer används ofta i kretsar för att jämna ut eller förmedla de spänningsförändringar som en enhet annars skulle uppleva. Till exempel kommer den mesta energin som levereras till ett hem i en växelström (AC), vilket ger en "ojämn" spänning, men de flesta hushållsapparater kräver likström (DC).

Kondensatorer i väggen hjälper till att omvandla signalen från AC till DC för dessa enheter. Den inkommande spänningen laddar kondensatorn och när den börjar växla till en lägre spänning börjar kondensatorn att urladda en del av sin lagrade energi. Det gör att enheten på andra sidan kan fortsätta uppleva en mer konstant spänning än den skulle göra utan kondensatorn.

Kondensatorer är också användbara i enheter där vissa frekvenser av elektroniska signaler kan behöva filtreras bort, till exempel en radioförstärkare eller en ljudmixer. Till exempel kan en kondensator i kretsen rikta lågfrekventa och högfrekventa ljud till olika delar av en högtalare, till exempel subwoofern eller diskanten. Eller en radiohögtalare som använder kondensatorer för att separera frekvenser kan förstärka vissa men inte andra, vilket förstärker signalen från den önskade stationen som radion är inställd på.

​Frikoppling i en integrerad krets.En av de mest allestädes närvarande användningarna för en kondensator är i en integrerad krets - den lilla kretsen kort som innehåller alla elektriska komponenter som används för att driva de flesta konsumentelektronik, t.ex. smartphones. Där fungerar kondensatorn som något av en skärm och skyddar andra elektroniska komponenter från plötsliga spänningsfall och fungerar som små, tillfälliga strömkällor när strömmen tillfälligt avbryts, så ofta händer.

På liknande sätt som de hjälper till att ge likström till hushållsapparater, ändras kondensatorbuffertens spänningsändringar för elektronik utanför dem i kretsen; de "suger upp" extra spänning och släpper i sin tur sin överspänning när matningen börjar sjunka.

Frikopplingskondensatorer i integrerade kretsar tar specifikt bort högfrekventa ändringar av spänningen (eftersom de kan absorbera en del av spänningsförändringen som passerar dem). Detta resulterar i att resten av kretskomponenterna upplever en jämnare spänning på de nivåer som behövs för att de ska fungera korrekt.

​Kondensatorer som sensorer.Eftersom kondensatordesign beror på material som används, vilket i sin tur har olika ledande egenskaper under olika förhållanden, är kondensatorer viktiga komponenter i elektroniska sensorer.

Till exempel använder en fuktighetssensor ett dielektriskt material såsom en plast eller polymer som ändrar dess konduktans på ett tillförlitligt sätt med förändrade fuktnivåer. Således, genom att läsa konduktansen över det dielektrikumet, drar sensorn den relativa fuktigheten.

På samma sätt använder vissa sensorer på bränslenivå, inklusive de i flygplan, kondensatorer för att mäta hur mycket bränsle som finns kvar i tanken. I dessa enheter fungerar själva bränslet som dielektrikum. När den väl sjunker till en tillräckligt låg nivå ändras konduktiviteten och piloten larmas.

Kanske ännu vanligare är kapacitiva switchar som används i pekskärmsenheter. När en persons finger rör vid en skärm laddar den ut en liten mängd laddning och därigenom ändras enhetens konduktans mätbart och fastställs till en specifik plats. Detta förklarar också varför man använder handskar stör rullning på en smartphone - ullen eller bomullen i en handske är en bra isolator, vilket gör att laddningarna i fingrarna inte hoppar till skärmen.