Подібно до того, як акумулятори дозволяють переносити енергію, конденсатори дозволяють тимчасово накопичувати енергію і є важливими компонентами багатьох ланцюгів.
Вони дозволяють відокремлювати велику кількість зарядів один одному і раптово спалахувати енергією для використання в таких пристроях, як флеш-камери, а також для опосередковувати інші електронні процеси, такі як перетворення між джерелами змінного та постійного струму або зарядження та розрядження магнітних полів, що корисно для налаштування радіо станцій.
Визначення ємності
Ємність є мірою здатності непровідного матеріалу накопичувати енергію, створюючи поділ заряду по різниці потенціалів (напруги). Матеріал повинен бути непровідним, як скло або труба з ПВХ, тому що в іншому випадку заряди будуть протікати через нього, не в змозі залишатися відокремленими.
Математично - ємність об’єктаC.дорівнює відношенню зарядуПитаннядо напругиV.
C = \ frac {Q} {V}
Одиницею ємності SI єфарад(F); заряду,кулон(С); і напруги,вольт(V).Фарад, названий на честь піонера електромагнетизму Майкла Фарадея, визначається таким чином, що 1 фарад дорівнює 1 колумбу на вольт, або 1 F = 1 C / V.
Будь-яка частина ланцюга, що розділяє заряд таким чином, називається аконденсатор. Таким чином, дотримуючись наведеного вище рівняння, будь-яка ємність конденсатораC.підключений до акумулятора з різницею потенціалівV, буде зберігати електричний зарядПитання.
Паралельні пластинчасті конденсатори
Одним із поширених типів конденсаторів єпаралельний пластинчастий конденсатор. У такому пристрої дві пластини провідного матеріалу (як метал) тримаються, як випливає з назви, паралельно одна одній на деякій відстані. Між плитами є aдіелектричний матеріал, який також називають anізоляційний матеріал.
Це те, що не дозволяє зарядам протікати через нього і, отже, може поляризуватися - заряди всередині нього переорієнтувати, щоб усі позитивні сторони були разом з одного боку, а всі негативні - з іншого - за наявності електричного поле.
Будь-хто може створити простий паралельний пластинковий конденсатор, використовуючи два листи металевої фольги в якості пластин і кілька аркушів паперу в якості ізолятора, укладеного між ними.
Ємність конденсатора паралельної пластини залежить від площі однієї пластини, абоA; розділення між нимиd; і діелектрична проникністьκматеріалу між ними таким чином:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Термін ε0 ("епсилон-ніщо") - цедіелектрична проникністьвільного простору, що є константою, що дорівнює 8,854 × 10-12 фарад на метр (F / m). Діелектрична проникністьκє одиничною величиною, яку можна переглянути в таблиці, наприклад, тій, що пов’язана з цією статтею.
Інші типи конденсаторів
Не всі типи конденсаторів вимагають паралельних пластин. Деякі з них циліндричні, як коаксіальний кабель, або сферичні, як клітинна мембрана (яка в підсумку утримує заряд, відкачуючи позитивні іони калію з клітини і негативні іони хлориду в неї).
Коаксіальний кабель широко використовується для передачі відео-, аудіо- та комунікаційних даних. Його циліндрична конструкція складається з декількох шарів ізолюючих діелектричних матеріалів між міцними провідними листами, часто мідними, всі згорнуті, як холодець.
Це дозволяє кабелю нести навіть слабкі електричні сигнали без погіршення стану на великі відстані. Крім того, оскільки ізолюючий та провідний шари згорнуті, здатний забезпечити коаксіальний кабель це накопичення енергії у відносно невеликому просторі - безумовно, в меншому обсязі, ніж паралельні пластинкові конденсатори може.
RC схеми
Одним із загальних застосувань конденсаторів є схема RC, названа так, оскільки вона містить резистор і конденсатор. Припустимо, два компоненти схеми з'єднані паралельно, з перемикачем, що дозволяє ланцюгу підключатися в одній з двох можливих одиночних петель: джерело напруги плюс конденсатор або конденсатор плюс резистор.
Коли конденсатор підключений до джерела напруги, в ланцюзі протікає струм, і він починає накопичувати накопичений заряд. Коли перемикач перевернений і конденсатор підключений до резистора, він розрядиться і нагріє резистор.
Напруга або різниця потенціалів на конденсаторі, коли він заряджається, становить:
V_ {конденсатор} = V_ {джерело} (1-e ^ {t / RC})
Де обидваVконденсаторіVджерело- напруги у вольтах іт- час у секундах. Постійна часуRCє добутком опору та ємності ланцюга, маючи на увазі, що чим більший резистор або конденсатор, тим більше часу буде потрібно для зарядки або розряду. Його одиниця вимірювання також знаходиться в секундах.
У зворотному процесі (при розряді) рівняння має подібний вигляд:
V_ {конденсатор} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
ДеV0- початкова, заряджена напруга конденсатора до його розрядки.
Оскільки заряд вимагає часу для накопичення і вивільнення, і цей час залежить від властивостей елементів ланцюга, схема RC корисна в багатьох електричних приладах, які вимагають точної роботи терміни. Деякі загальні приклади: флеш-камери, кардіостимулятори та аудіофільтри.
Приклади розрахунків
Приклад 1: Яка ємність конденсатора паралельної пластини, виготовленого з двох 0,25 м2 алюмінієві пластини, розділені 0,1 м з тефлоном при 20 градусах Цельсія?
Враховуючи площу однієї пластини, розділення та діелектричний матеріал, почніть з пошуку діелектричної проникності тефлону. При 20 градусах Цельсія це 2,1 (пам’ятайте, у нього немає одиниць виміру!).
Вирішення щодо ємності:
Приклад 2: Скільки часу знадобиться для зарядки 100 мкФ (10-6 фарад) конденсатор до 20 В, коли він підключений до акумулятора 30 В і в ланцюзі з резистором 10 кОм (1000 Ом)?
Почніть з перетворення ємності та опору в одиниці СІ, а потім обчисліть постійну часу RC:
C = 100 мкФ = 0,0001 F
R = 10 кОм = 10000 Ом
RC = 0,0001 F × 10 000 Ом = 1 секунда
Потім, використовуючи формулу для зарядного конденсатора і вирішуючи част:
V_ {конденсатор} = V_ {джерело} (1-е ^ {т / RC}) \ новий рядок 20 В = 30 В (1-е ^ {т / 1}) \ новий рядок 2/3 = 1-е ^ т \ новий рядок 1/3 = e ^ t \ новий рядок ln (1/3) = ln (e ^ t) \ новий рядок 1,1 секунди = t
Конденсатори проти Батареї
Конденсатори та акумулятори можуть здаватися схожими, оскільки вони обидва можуть зберігати та розряджати електронний заряд. Але вони мають кілька ключових відмінностей, що змушують їх мати різні переваги та недоліки.
По-перше, конденсатор зберігає енергію в зарядженому електричному полі, тоді як акумулятор зберігає енергію в хімічних речовинах, виділяючи її в результаті хімічної реакції. Через ці матеріальні відмінності акумулятор може зберігати більше енергії, ніж конденсатор однакового розміру.
Однак хімічна реакція, необхідна для вивільнення цієї енергії, зазвичай повільніша, ніж вивільнення зарядів через електричне поле в конденсаторі. Отже, конденсатор може заряджатися і розряджатися набагато швидше, ніж акумулятор, забезпечуючи більшу електричну потужність за короткий стрибок. Конденсатор також зазвичай довговічніший за батарею, що робить його більш екологічним.
З усіх цих причин сьогоднішні інженери прагнуть збільшити межі зберігання конденсаторів та зменшити час зарядки та розрядки акумуляторів. До цього часу пристрої часто використовуються разом. Наприклад, спалах камери та кардіостимулятор використовують батарею та конденсатор для забезпечення тривалої енергіїідоставляйте його швидкими спалахами при більш високій напрузі.
Програми
Конденсатори часто використовуються в ланцюгах для згладжування або опосередкування змін напруги, які інший пристрій може зазнати. Наприклад, більшість енергії, яка доставляється додому, надходить із джерелом змінного струму (змінного струму), що забезпечує "вибоїсту" напругу, проте більшість побутових приладів потребують постійного струму (постійного струму).
Конденсатори в стіні допомагають трансформувати сигнал від змінного до постійного струму для цих пристроїв. Вхідна напруга заряджає конденсатор, і коли він починає чергуватися до нижчої напруги, конденсатор починає розряджати частину накопиченої енергії. Це дозволяє пристрою з іншого боку продовжувати відчувати більш постійну напругу, ніж без конденсатора.
Конденсатори також корисні в пристроях, де певні частоти електронних сигналів можуть бути відфільтровані, скажімо, радіопідсилювач або аудіомікшер. Наприклад, конденсатор в ланцюзі може направляти низькочастотні та високочастотні звуки на різні частини динаміка, такі як сабвуфер або високочастотний динамік. Або радіодинамік, що використовує конденсатори для розділення частот, може посилити деякі, але не інші, посилюючи тим самим сигнал бажаної станції, на яку налаштовано радіо.
Роз'єднання в інтегральній схемі.Одне з найбільш повсюдних застосувань конденсатора - це інтегральна схема - мала схема плата, що містить усі електричні компоненти, що використовуються для живлення більшості побутової електроніки, наприклад смартфони. Там конденсатор служить як щось екраном, захищаючи інші електронні компоненти від раптових випадків падіння напруги та, як часто, тимчасові джерела живлення, що працюють як невеликі тимчасові джерела живлення трапляється.
Подібно до того, як вони допомагають забезпечити постійний струм побутових приладів, конденсатори буферизують зміни напруги електроніки поза ними в ланцюзі; вони «вбирають» додаткову напругу і, у свою чергу, випускають свою надлишкову напругу, коли подача починає падати.
Роз'єднуючі конденсатори в інтегральних схемах спеціально усувають високочастотні зміни напруги (оскільки вони можуть поглинати деякі зміни напруги, що проходять через них). Це призводить до того, що решта компонентів схеми відчувають більш рівномірний кіль напруги на рівнях, необхідних для їх правильної роботи.
Конденсатори як датчики.Оскільки конструкція конденсатора залежить від використовуваних матеріалів, які в свою чергу мають різні провідні властивості за різних умов, конденсатори є важливими компонентами електронних датчиків.
Наприклад, датчик вологості використовує діелектричний матеріал, такий як пластик або полімер, який надійно змінює свою провідність із зміною рівня вологості. Таким чином, зчитуючи провідність по цьому діелектрику, датчик визначає відносну вологість.
Подібним чином деякі датчики рівня палива, в тому числі в літаках, використовують конденсатори, щоб виміряти, скільки пального залишається в баку. У цих пристроях саме паливо служить діелектриком. Як тільки він падає до досить низького рівня, провідність змінюється, і пілот отримує попередження.
Можливо, ще більш поширеними є ємнісні перемикачі, що використовуються в сенсорних пристроях. Коли палець людини торкається екрану, він розряджає невелику кількість заряду, тим самим помітно змінюючи провідність приладу та визначаючи його у певному місці. Це також пояснює, чому носіння рукавичок заважає прокручувати смартфон - шерсть або бавовна в рукавичці є чудовим ізолятором, утримуючи заряди в пальцях від стрибка на екран.