Kondensatory są podstawowymi elementami w dziedzinie elektroniki i odgrywają kluczową rolę w różnych obwodach elektronicznych. Zrozumienie pojęć pojemności i ładunku jest niezbędne dla każdego, kto chce zagłębić się w dziedzinę elektrotechniki. W tym artykule przedstawimy krótkie wprowadzenie do kondensatorów, wyjaśnimy pojemność i zagłębimy się w równanie rządzące ich zachowaniem.
Co to jest kondensator
Kondensator jest pasywnym elementem elektronicznym z dwoma zaciskami, który przechowuje energię elektryczną w polu elektrycznym. Struktura kondensatora składa się z dwóch płyt przewodzących, zwykle wykonanych z metalu, które są umieszczone oddzielnie, a pomiędzy nimi znajduje się materiał dielektryczny. Kiedy różnica napięcia jest przykładana do zacisków kondensatora, gromadzi on ładunek na swoich okładkach, tworząc między nimi pole elektryczne.
Co to jest pojemność
Pojemność jest miarą tego, ile energii elektrycznej można zmagazynować na jednostkę napięcia w urządzeniu lub komponencie. Jednostką pojemności jest Farad.
Co to jest opłata
Ładunek jest opisany jako obecność energii elektrycznej. Jego symbolem jest Q, a jednostką jest kulomb.
Działanie kondensatorów
Kiedy napięcie elektryczne jest doprowadzane do zacisków kondensatora, pole elektryczne powstałe między okładkami inicjuje ruch elektronów. Płyta ujemna kondensatora staje się punktem zbierania elektronów, które przemieściły się z ujemnego zacisku źródła napięcia.
Jednocześnie taka sama liczba elektronów opuszcza dodatnią okładkę kondensatora i wraca do dodatniego bieguna źródła napięcia.
To gromadzenie i redystrybucja ładunku trwa do momentu pełnego naładowania kondensatora, w którym to momencie ustaje przepływ elektronów, ładunek zmagazynowany w kondensatorze można określić za pomocą równania:
W podanym równaniu „Q” symbolizuje opłata zgromadzone w ciągu kondensator , „C” oznacza pojemność , a „V” reprezentuje przyłożone napięcie na kondensatorze.
To równanie pokazuje proporcjonalną zależność między pojemnością a przyłożonym napięciem, pokazując, że ilość ładunku utrzymywanego w kondensatorze jest bezpośrednio związana z obiema tymi zmiennymi. W związku z tym zwiększenie pojemności lub napięcia spowoduje większą akumulację ładunku.
Pojemność równoległego kondensatora płytowego
Pojemność kondensatora zależy od pola powierzchni okładek (A) i odległości między nimi (d), przy czym oba te czynniki wpływają na jego całkowitą pojemność. Im większa powierzchnia płytki, tym większa pojemność, podczas gdy mniejsza odległość między płytkami prowadzi do zwiększenia pojemności. Zależność tę opisuje równanie:
Kondensatory posiadają zdolność magazynowania energii elektrycznej, przy czym ilość zmagazynowanej energii (U) jest wprost proporcjonalna zarówno do kwadratu przyłożonego napięcia (V), jak i pojemności (C) kondensatora. Równanie energii zmagazynowanej w kondensatorze jest określone wzorem:
Znajomość energii zmagazynowanej w kondensatorze jest niezbędna do projektowania obwodów, zwłaszcza w zastosowaniach, w których ważne jest uwalnianie energii lub wymagania dotyczące mocy chwilowej.
Pojemność kondensatora sferycznego
Aby obliczyć pojemność kondensatora sferycznego, musisz znać promień zarówno wewnętrznej, jak i zewnętrznej sfery przewodzącej. Kształt kondensatora i przenikalność materiału umieszczonego między kulkami kontrolują pojemność. Wzór na obliczenie pojemności kondensatora sferycznego to:
Z drugiej strony symbol „εᵣ” jest używany do reprezentowania względnej przenikalności elektrycznej lub stałej dielektrycznej materiału znajdującego się między kulkami. Dodatkowo „r₁” oznacza promień sfery wewnętrznej, podczas gdy „r₂” oznacza promień sfery zewnętrznej.
Podstawiając wartości promienia i przenikalności materiału, możesz obliczyć pojemność kondensatora sferycznego. Warto zauważyć, że jeśli wewnętrzna sfera ma znikomy promień lub jest uważana za ładunek punktowy, wzór na pojemność upraszcza się do:
W tym przypadku pojemność jest określona wyłącznie przez promień zewnętrznej kuli i przenikalność materiału.
Pojemność kondensatora cylindrycznego
Aby obliczyć pojemność cylindrycznego kondensatora, musisz znać długość kondensatora (L), promień wewnętrznego przewodnika (r₁) i promień zewnętrznego przewodnika (r₂). Kształt kondensatora i przenikalność materiału umieszczonego między kulkami kontrolują pojemność. Wzór na obliczenie pojemności kondensatora cylindrycznego to:
Z drugiej strony symbol „εᵣ” jest używany do reprezentowania względnej przenikalności elektrycznej lub stałej dielektrycznej materiału znajdującego się między kulkami. Dodatkowo „r₁” oznacza promień sfery wewnętrznej, podczas gdy „r₂” oznacza promień sfery zewnętrznej.
Wniosek
Kondensatory to kluczowe elementy elektroniki, umożliwiające magazynowanie energii i regulację napięcia. Pojemność mierzona w faradach (F) określa ilościowo zdolność kondensatora do magazynowania ładunku. Jest wprost proporcjonalny do zgromadzonego ładunku (Q) i odwrotnie proporcjonalny do napięcia (V) na zaciskach kondensatora.