Kapasitans: Tanım, Formül ve Birimler

Pillerin taşınabilir enerji depolamasına izin vermesi gibi, kapasitörler de geçici enerji depolamasına izin verir ve birçok devrenin kritik bileşenleridir.

Flaş kameralar gibi cihazlarda kullanım için büyük miktarda yükün birbirinden ayrılmasını ve ani bir enerji patlamasında serbest bırakılmasını sağlarlar. AC ve DC güç kaynakları arasında dönüştürme veya radyoyu ayarlamada yararlı olan manyetik alanları şarj etme ve boşaltma gibi diğer elektronik işlemlere aracılık etmek istasyonlar.

Kapasitans, iletken olmayan bir malzemenin potansiyel bir fark (voltaj) boyunca bir yük ayrımı oluşturarak enerji depolama yeteneğinin bir ölçüsüdür. Malzeme, cam veya PVC boru gibi yalıtkan olmalıdır, çünkü aksi takdirde yükler içinden akar ve ayrı kalamazlar.

Matematiksel olarak, bir nesnenin kapasitansıCşarj oranına eşittirSgerilimeV​.

SI kapasitans birimi,farad(F); ücretli,kulomb(C); ve gerilim,volt(V).Adını elektromanyetizma öncüsü Michael Faraday'den alan farad, 1 farad volt başına 1 sütuna veya 1 F = 1 C/V'ye eşit olacak şekilde tanımlanır.

Yükü bu şekilde ayıran devrenin herhangi bir parçasına denir.kapasitör. Böylece, yukarıdaki denklemi takiben, bir kapasitörün herhangi bir verilen kapasitansıCpotansiyel farkı olan bir aküye bağlıV, elektrik yükünü depolayacakS​.

Yaygın bir kapasitör türü,paralel plakalı kondansatör. Böyle bir cihazda, adından da anlaşılacağı gibi, iki iletken malzeme levhası (metal gibi) belli bir mesafede birbirine paralel tutulur. Plakalar arasında birdielektrik malzeme, ayrıca denirİzolasyon malzemesi​.

Bu, yüklerin içinden akmasına izin vermeyen ve dolayısıyla kutuplaşabilen bir şeydir - içindeki yükler yeniden yönlendirin, böylece tüm pozitifler bir tarafta ve tüm negatifler diğer tarafta bir arada - bir elektrik varlığında alan.

Plakalar olarak iki yaprak metal folyo ve aralarında yalıtkan olarak birkaç yaprak kağıt kullanarak herkes basit bir paralel plakalı kondansatör oluşturabilir.

Paralel plakalı bir kondansatörün kapasitansı, bir plakanın alanına bağlıdır veyabir; aralarındaki ayrılıkd; ve dielektrik sabitiκaralarındaki malzemenin bu şekilde:

ε terimi₀ ("epsilon-naught")geçirgenlik8.854 × 10'a eşit bir sabit olan boş alan^-12 metre başına farad (F/m). dielektrik sabitiκbu makaleye bağlı olan gibi bir tabloda aranabilen birimsiz bir miktardır.

Tüm kapasitör türleri paralel plakalar gerektirmez. Bazıları koaksiyel kablo gibi silindirik veya hücre zarı gibi küreseldir (hücreden pozitif potasyum iyonlarını ve hücreye negatif klorür iyonlarını pompalayarak bir yük tutar).

Video, ses ve iletişim verilerini iletmek için yaygın olarak bir koaksiyel kablo kullanılır. Silindirik tasarımı, tümü bir jöle rulosu gibi sarılmış, genellikle bakır olan güçlü iletken levhalar arasında birkaç yalıtkan dielektrik malzeme katmanından oluşur.

Bu, kablonun uzun mesafelerde bozulma olmadan zayıf elektrik sinyallerini bile taşımasını sağlar. Ek olarak, yalıtkan ve iletken katmanlar sarıldığı için, bir koaksiyel kablo şunları sağlayabilir: nispeten küçük bir alanda bu enerji depolaması - kesinlikle paralel plakalı kapasitörlerden daha küçük bir hacimde Yapabilmek.

Kondansatörlerin yaygın bir uygulaması, bir direnç ve bir kapasitör içerdiği için bir RC devresidir. İki devre bileşeninin paralel olarak bağlandığını ve devrenin iki olası tek döngüden birine bağlanmasına izin veren bir anahtarla bağlandığını varsayalım: voltaj kaynağı artı kapasitör veya kapasitör artı direnç.

Kondansatör voltaj kaynağına bağlandığında, devrede akım akar ve depolanmış bir yük oluşturmaya başlar. Anahtar çevrildiğinde ve kondansatör dirence bağlandığında, rezistörü boşaltır ve ısıtır.

Şarj olurken kapasitördeki voltaj veya potansiyel fark:

her ikisi de neredeV_kapasitörveV_kaynakvolt cinsinden voltajlardır vetsaniye cinsinden zamandır. zaman sabitiuzaktan kumandadevrenin direncinin ve kapasitansının ürünüdür, yani direnç veya kapasitör ne kadar büyükse, şarj etmek veya boşaltmak için o kadar fazla zaman alır. Birimi de saniye cinsindendir.

Ters işlemde (boşaltma sırasında), denklem benzerdir:

NeredeV₀kapasitörün boşalmaya başlamadan önceki ilk şarj gerilimidir.

Çünkü yükün oluşması ve serbest bırakılması zaman alır ve bu süre, ürünün özelliklerine bağlıdır. devrenin elemanları, bir RC devresi, hassas gerektiren birçok elektrikli cihazda kullanışlıdır. zamanlama. Bazı yaygın örnekler şunlardır: flaş kameralar, kalp pilleri ve ses filtreleri.

Örnek 1: İki 0.25 m'lik paralel plakalı bir kondansatörün kapasitansı nedir?² 20 santigrat derecede Teflon ile 0,1 m ile ayrılmış alüminyum plakalar?

Bir plakanın alanı göz önüne alındığında, ayırma ve dielektrik malzeme, Teflon'un dielektrik sabitine bakarak başlayın. 20 santigrat derecede 2,1'dir (unutmayın, birimi yoktur!).

Kapasitans için çözüm:

Örnek 2: 100 µF'yi (10) şarj etmek ne kadar sürer?^-6 farads) kapasitör 30 V'luk bir aküye bağlandığında ve 10 kΩ (1.000 Ohm) dirençle devredeyken 20 V'a?

Kapasitans ve direnci SI birimlerine dönüştürerek ve ardından RC zaman sabitini hesaplayarak başlayın:

C = 100 µF = 0.0001 F

R = 10 kΩ = 10.000 Ω

RC = 0.0001 F × 10.000 Ω = 1 saniye

Ardından, bir şarj kapasitörü formülünü kullanarak ve zaman için çözmet​:

Kapasitörler ve piller, elektronik yükü depolayabildikleri ve serbest bırakabildikleri için benzer görünebilir. Ancak, farklı avantaj ve dezavantajlara sahip olmalarına neden olan birkaç önemli farklılıkları vardır.

İlk olarak, bir kapasitör enerjiyi yüklü bir elektrik alanında depolarken, bir pil enerjiyi kimyasallarda depolayarak kimyasal reaksiyon yoluyla serbest bırakır. Bu malzeme farklılıkları nedeniyle, bir pil aynı boyuttaki bir kapasitörden daha fazla enerji depolayabilir.

Bununla birlikte, bu enerjiyi serbest bırakmak için gereken kimyasal reaksiyon, bir kapasitördeki elektrik alanı yoluyla yüklerin serbest bırakılmasından tipik olarak daha yavaştır. Böylece, bir kondansatör, bir pilden çok daha hızlı şarj ve deşarj olabilir, bu da kısa sürede daha fazla elektrik gücü sağlar. Bir kapasitör ayrıca tipik olarak bir pilden daha dayanıklıdır ve bu da onu daha çevre dostu yapar.

Tüm bu nedenlerle günümüz mühendisleri, kapasitörlerin depolama limitlerini artırmanın ve pillerin şarj ve deşarj sürelerini kısaltmanın yollarını arıyorlar. O zamana kadar, cihazlar genellikle birlikte kullanılır. Örneğin, bir kameranın flaşı ve bir kalp pili, uzun süreli enerji sağlamak için hem pil hem de kapasitör kullanır.vedaha yüksek voltajlarda hızlı patlamalar halinde teslim edin.

Kondansatörler genellikle devrelerde, bir cihazın aksi takdirde karşılaşacağı voltaj değişikliklerini yumuşatmak veya aracılık etmek için kullanılır. Örneğin, bir eve verilen enerjinin çoğu, "inişli çıkışlı" bir voltaj sağlayan bir alternatif akım (AC) kaynağıyla gelir, ancak çoğu ev aleti bir doğru akım (DC) enerji kaynağı gerektirir.

Duvardaki kapasitörler, bu cihazlar için sinyali AC'den DC'ye dönüştürmeye yardımcı olur. Gelen voltaj kapasitörü şarj eder ve daha düşük bir voltajla değişmeye başladığında, kapasitör depoladığı enerjisinin bir kısmını boşaltmaya başlar. Bu, diğer taraftaki cihazın kapasitör olmadan olduğundan daha sabit bir voltaj yaşamaya devam etmesini sağlar.

Kapasitörler, örneğin bir radyo amplifikatörü veya bir ses mikseri gibi belirli elektronik sinyal frekanslarının filtrelenmesinin gerekebileceği cihazlarda da yararlıdır. Örneğin, devredeki bir kapasitör, düşük frekanslı ve yüksek frekanslı sesleri subwoofer veya tweeter gibi bir hoparlörün farklı bölümlerine yönlendirebilir. Veya, frekansları ayırmak için kapasitörler kullanan bir radyo hoparlörü, bazılarını yükseltebilir, ancak diğerlerini değil, böylece radyonun ayarlandığı istenen istasyonun sinyalini güçlendirebilir.

​Entegre devrede ayırma.Bir kondansatörün en yaygın kullanımlarından biri entegre devredir - küçük devre gibi çoğu tüketici elektroniğine güç sağlamak için kullanılan tüm elektrikli bileşenleri içeren kart akıllı telefonlar. Orada, kapasitör bir tür kalkan görevi görerek diğer elektronik bileşenleri ani darbelerden korur. Besleme anlık olarak kesintiye uğradığında voltaj düşer ve küçük, geçici güç kaynakları gibi davranır, sıklıkla olur.

Ev aletlerine doğru akım sağlamaya nasıl yardımcı olduklarına benzer şekilde, kapasitörler devredeki elektronikler için voltaj değişikliklerini tamponlar; fazla voltajı "emerler" ve besleme düşmeye başladığında aşırı voltajlarını serbest bırakırlar.

Entegre devrelerdeki dekuplaj kapasitörleri, voltajdaki yüksek frekanslı değişiklikleri özel olarak ortadan kaldırır (çünkü içlerinden geçen voltaj değişikliğinin bir kısmını emebilirler). Bu, devre bileşenlerinin geri kalanının doğru çalışması için gereken seviyelerde daha eşit bir voltaj dalgalanması yaşamasına neden olur.

​Sensör olarak kapasitörler.Kondansatör tasarımı, farklı koşullar altında farklı iletken özelliklere sahip olan kullanılan malzemelere bağlı olduğundan, kapasitörler elektronik sensörlerde önemli bileşenlerdir.

Örneğin, bir nem sensörü, değişen nem seviyeleri ile iletkenliğini güvenilir bir şekilde değiştiren plastik veya polimer gibi bir dielektrik malzeme kullanır. Böylece, bu dielektrik boyunca iletkenliği okuyarak sensör, bağıl nemi çıkarır.

Benzer şekilde, uçaklardakiler de dahil olmak üzere bazı yakıt seviyesi sensörleri, depoda ne kadar yakıt kaldığını ölçmek için kapasitörler kullanır. Bu cihazlarda, yakıtın kendisi dielektrik görevi görür. Yeterince düşük bir seviyeye düştüğünde iletkenlik değişir ve pilot uyarılır.

Belki daha da yaygın olanı, dokunmatik ekranlı cihazlarda kullanılan kapasitif anahtarlardır. Bir kişinin parmağı bir ekrana dokunduğunda, az miktarda şarj boşaltır, böylece cihazın iletkenliğini ölçülebilir bir şekilde değiştirir ve belirli bir konuma tam olarak işaret eder. Bu aynı zamanda eldiven takmanın akıllı telefonda gezinmeyi neden engellediğini de açıklıyor; eldivendeki yün veya pamuk, parmaklardaki yüklerin ekrana sıçramasını önleyerek harika bir yalıtkandır.