Kapazität
Quelle: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics & Astronomie, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Dieses Experiment wird kommer…
1. Aufladen eines Kondensators
- Erhalten Sie einen kommerziellen Kondensator mit der Kapazität C = 470 µF (oder einen ähnlichen Wert), eine programmierbare Spannungsquelle und einen Amp-Meter (oder Multimeter, die aktuellen messen können).
- Mit der Spannungsquelle auf 0 V, schließen Sie die Klemme "+" die Spannungsquelle ein Anschluss des Kondensators mit dem Amp-Meter dazwischen, und "−" Terminal von der Spannungsquelle zum anderen Terminal, wie in Abbildung 1zu verbinden. Die Verbindung mit Kabel hergestellt werden kann, mit Klemmen oder Banane Stecker in Häfen über Kondensator und Instrumente erhalten.
- Wechseln Sie die Spannungsquelle von 0 V bis 1 V (in ca. 1 s), und beobachten Sie die Transient aktuelle Lektüre auf dem Amp-Meter. Machen Sie dasselbe für 2 V, 5 V und 10 V (für jedes Ziel Spannung; Dies bedeutet Anhieb wieder auf 0 V, dann wechseln Sie auf die Ziel-Spannung bei etwa 1 s). Beachten Sie, dass der transiente Strom für eine größere Ziel Spannung größer ist erwartungsgemäß von Gleichung 2.
- Programm der Spannungsquelle eine Spannungsrampe von 0 V bis 10 V 5 s und Aufzeichnung der "Steady State" Lesung der Amp-Meter in der Mitte der Rampe zu generieren. Wiederholung für eine Rampe 10 s, 20 s und 30 S. Handlung der beobachteten Strom im Vergleich zu der Spannung Rampe Rate (in V/s).
(2) tuning die Kapazität
- Schalten Sie die Spannungsquelle und ersetzen Sie es mit einem 300-V-Batterie und ersetzt das Amp-Messgerät durch eine 1 MΩ-Widerstand (Widerstand dient zum zusätzlichen Schutz um den Strom im Stromkreis zu begrenzen); auch ersetzen Sie den kommerziellen Kondensator durch einen parallelen Platten-Kondensator mit einer verstellbaren Trennung zwischen den Platten.
- Erhalten Sie einen hochohmigen Voltmeter (oder "Elektrometer") und verbinden Sie es um die Spannungsdifferenz V zwischen den beiden Platten messen (die hohe Impedanz behindert die Entladung des Kondensators während des Versuchs, wenn das Elektrometer verbunden ist). Siehe Abbildung 5.
- Anschließen Sie 300 V Akku mit parallelen Platten Kondensator, warten Sie, bis das Elektrometer die Steady-State von 300 V erreicht (jetzt der Kondensator durch die 300 V Quelle aufgeladen ist), und trennen Sie dann schnell die Spannungsquelle von den Platten. Siehe Abbildung 6. Das Elektrometer sollte noch 300 V lesen.
- Jetzt erhöhen Sie die Abstand d zwischen den Platten, größere Werte wie 15 mm, 10 mm und 5 mm zu und beobachten Sie und notieren Sie die entsprechende Spannung Lesung am Elektrometer (V); Grundstück V gegen d.
- D zurück zu erhöhen ~ 20 mm, Kunststoff Platte zwischen den beiden Platten einsetzen und beobachten, was passiert mit V von der Elektrometer gelesen. Die Reduktion von V zwischen die Platten (mit Ladung Q in diesem Fall fixiert) Ergebnisse aus den größeren Dielektrizitätskonstante ε des Kunststoffs (im Vergleich zu Luft) als Medium des Kondensators (siehe Gleichungen 1 und 3).
(3) Parallel und Serie Kapazitäten
- Erhalten Sie einen Kapazität Meter ("LCR-Meter" oder ein Multimeter mit einer Kapazität Messmodus); erhalten Sie ein Steckbrett um die elektrischen Anschlüsse in diesem Teil des Experiments zu erleichtern.
- Erhalten Sie zwei kommerzielle "keramische"-Kondensatoren mit einer Kapazität von 1 µF, und verwenden Sie die Kapazität Messgerät, um ihre Kapazität, wie in Abbildung 2zu überprüfen.
- Verbinden Sie die zwei Kondensatoren parallel, und verwenden Sie die Kapazität-Messgerät zur Messung der gesamten Kapazität (zwischen den Punkten A und B, siehe Abbildung 3).
- Verbinden Sie die zwei Kondensatoren in Serie, und verwenden Sie die Kapazität-Messgerät zur Messung der gesamten Kapazität (zwischen den Punkten A und B, siehe Abbildung 4).
Abbildung 3: Diagramm mit zwei Kondensatoren parallel geschaltet.
Abbildung 4: Abbildung zeigt zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet.
Abbildung 5: Diagramm auftauchend das Aufladen eines Kondensators mit einer Spannungsquelle, während des Lesens der Spannungs mit einem Elektrometer.
Abbildung 6: nach dem schnell trennen die Spannungsquelle in Abbildung 5, die Spannung und Ladung auf dem Kondensator bleiben sollte.
Ein Kondensator ist in Schaltkreisen unerlässlich, da er Spannungsänderungen widersteht, indem er gleiche und entgegengesetzte Ladungen an seinen leitenden Anschlüssen speichert und dann Energie liefert, wenn die Spannungsversorgung abfällt.
Ein Kondensator besteht aus zwei leitfähigen Anschlüssen, wie z. B. den beiden Platten in einem "Parallelplattenkondensator", die durch ein Isoliermaterial oder einen Spalt getrennt sind. Wenn an einen Kondensator Spannung angelegt wird, zieht er Strom. Dies führt dazu, dass sich Elektronen auf einer Platte ansammeln, während sie auf der anderen abgestoßen werden, wodurch gleiche und entgegengesetzte Ladungen auf den beiden Platten gespeichert werden.
Die Fähigkeit der Komponente, Ladung zu speichern, wird als Kapazität bezeichnet und in Einheiten gemessen, die Farad genannt werden.
In diesem Video wird ein Kondensator mit paralleler Platte verwendet, um das Konzept der Kapazität und ihre Abhängigkeit von physikalischen Faktoren und der Netzwerkkonfiguration zu veranschaulichen.
Wenn eine Stromquelle an einen Stromkreis angelegt wird, zieht der Kondensator "Ladestrom", bis seine Leiter vollständig geladen sind. Die Menge an Ladung 'Q', die ein Kondensator speichern kann, hängt von der Kapazität 'C' des Bauteils und der Größe der zugeführten Spannung 'V' ab.
Wenn die Spannung abfällt, fließt die Ladung von den Leitern des Kondensators in den Stromkreis und erzeugt Strom, bis die gespeicherte Ladung erschöpft ist, wodurch die Spannungsschwankungen stabilisiert werden. Strom ist die Änderungsrate der Lademenge. Kombiniert man dies mit der vorherigen Gleichung, so kann man sagen, dass der Stromfluss aus dem Kondensator die Kapazität mal der Änderungsrate der Spannung ist.
Der Wert von C ist für einen gegebenen Kondensator konstant und kann mit dieser Gleichung erhalten werden, die zeigt, dass C direkt proportional zu A - der Plattenoberfläche, d - dem Spaltabstand und Epsilon - der Dielektrizitätskonstante oder "Permittivität" des Isoliermaterials zwischen den Platten - ist.
Die Dielektrizitätskonstante ist ein Maß dafür, wie stark das Material in einem elektrischen Feld polarisiert wird.
Gegeben von der Beziehung zwischen Epsilon und C und C und Q; Bei einer gegebenen Spannung ist die Permittivität umso höher, je höher die Ladungsspeicherkapazität des Kondensators ist.
Das Vakuum hat eine Dielektrizitätskonstante von 8,85x10-12 Farad pro Meter, was als 0 bezeichnet wird. Andere Medien haben im Allgemeinen höhere Permittivitätswerte, die auf ?0 skaliert und als "relative" Permittivität des Mediums bezeichnet werden. Zum Beispiel beträgt die relative Permittivität von Luft ungefähr eins, Polymere reichen von 2 bis 4 und destilliertes Wasser beträgt 80.
Nachdem nun die physikalischen Eigenschaften, die die Kapazität beeinflussen, erläutert wurden, werfen wir einen Blick darauf, wie die Kapazität in einzelnen oder vernetzten kapazitiven Elementen gemessen werden kann.
Sammeln Sie zunächst die folgenden Materialien: einen handelsüblichen Kondensator mit einer Kapazität von nahe 470 Mikrofarad, eine programmierbare Spannungsquelle und ein Amperemeter oder Multimeter, das den Strom messen kann.
Wenn die Spannungsquelle auf 0 V eingestellt ist, verbinden Sie als Nächstes den Pluspol mit dem Amperemeter. Verbinden Sie dann den anderen Anschluss des Amperemeters mit dem Kondensator mit Kabeln mit Klemmen oder Bananensteckern. Dies ermöglicht die Messung des Ausgangsstroms vom Kondensator. Verbinden Sie anschließend den Minuspol der Spannungsquelle mit dem anderen Anschluss des Kondensators.
Schalten Sie dann die Spannungsquelle von 0 auf 1 V um und beobachten Sie die transiente Stromanzeige am Amperemeter. Stellen Sie anschließend die Spannung wieder auf 0 ein, bevor Sie sie auf 2 V, 5 V und schließlich 10 V erhöhen. Erlauben Sie für jede Zielspannung eine Sekunde Pause bei 0 V zwischen den Änderungen auf unterschiedliche Zielspannungen. Beobachten Sie den transienten Strom, wenn sich die Spannung ändert.
Wie durch die Gleichung vorhergesagt, wird erwartet, dass der transiente Strom bei einer größeren Zielspannung größer ist.
Programmieren Sie abschließend die Spannungsquelle so, dass sie über einen Zeitraum von 5 Sekunden eine Spannungsrampe von 0 V auf 10 V erzeugt, und zeichnen Sie den "stationären" Amperemeterwert in der Mitte der Rampe auf. Wiederholen Sie den Vorgang für Rampenzeiten von 10 s, 20 s und 30 s.
Besorgen Sie sich nun einen parallelen Plattenkondensator mit einstellbarem Abstand zwischen den Platten und verwenden Sie eine 300-V-Batterie als Spannungsquelle. Ersetzen Sie das Amperemeter durch einen 1-Megaohm-Widerstand. Dieser Widerstand bietet einen zusätzlichen Schutz, der den Stromfluss in der Schaltung begrenzt.
Schließen Sie zweitens ein hochohmiges Voltmeter oder Elektrometer zwischen die beiden Platten an, um die Spannungsdifferenz zu messen.
Schließen Sie anschließend die Batterie an den Kondensator an und warten Sie, bis das Elektrometer ebenfalls den stationären Zustand von 300 V erreicht hat, um anzuzeigen, dass der Kondensator vollständig geladen ist. Trennen Sie dann schnell die Batterie von den Platten. Das Elektrometer sollte immer noch 300 V anzeigen.
Wiederholen Sie die Messung, nachdem Sie den Abstand zwischen den Platten auf 15, 10 und 5 mm verringert haben.
Setzen Sie abschließend bei einem Abstand der Kondensatorplatte von 20 mm eine Kunststoffplatte zwischen die beiden Platten ein und beobachten Sie, was mit dem Spannungsmesswert des Elektrometers passiert.
Für den kommerziellen Kondensator zeigt das Diagramm des gemessenen Stroms im Vergleich zur Spannungsrampenrate eine lineare Beziehung zwischen den beiden Parametern.
Dies entspricht der Beziehung, die durch diese Gleichung vorausgesagt wird, die wir weiter oben in diesem Video abgeleitet haben. Gemäß der Gleichung ist die Steigung der Linie gleich der Kapazität.
Für den parallelen Plattenkondensator mit fester Ladung ist das Diagramm der Spannung zwischen den Platten gegenüber dem Abstand zwischen den Platten linear. Dies stützt wiederum die theoretischen Zusammenhänge. Wir wissen, dass Kapazität und Plattenabstand umgekehrt proportional sind. Wir wissen auch, dass bei fester Leiterladung Kapazität und Spannung auch umgekehrt proportional sind. Die Kombination dieser beiden Gleichungen zeigt, dass Spannung und Plattenabstand direkt proportional zueinander sind, wenn die Ladung festgelegt ist.
Diese Gleichung sagt auch voraus, dass bei einer festen Ladung die Spannung zwischen den Platten umso niedriger wäre, je größer die Dielektrizitätskonstante des Lückenmediums ist. Dies bestätigte sich, als die Luft im Spalt durch Kunststoff ersetzt wurde und wir einen Abfall des Voltmeter-Messwerts sahen.
Kondensatoren werden in einer Vielzahl von technischen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt, um Strom zu speichern, zu laden und selektiv zu entladen.
Kondensatoren sind für die elektrische Signalverarbeitung unerlässlich. Biologen untersuchten beispielsweise mit einem Zwei-Choice-Test, wie Mäuse verschiedene Ultraschalllaute erkennen und darauf reagieren. Zuerst werden Sounddateien von lebenden Mäusen aufgenommen und mit Hochpassfiltern getrimmt, um die Frequenz auszuwählen.
Hochpassfilterschaltungen verwenden Kondensatoren, um niederfrequente Schwingungen zu blockieren, da die Leitung zwischen den Kondensatorplatten im Allgemeinen bei höheren Frequenzen zunimmt und bei niedrigen Frequenzen abnimmt. Dann werden Töne mit variabler Frequenz gleichzeitig an zwei getrennten Stellen abgespielt, so dass die Mäuse in Richtung der bevorzugten Lautäußerung wandern können.
Während die Netzversorgung Wechselstrom mit schwankendem Strom ist, benötigen viele elektronische Geräte, wie z. B. Computer, Gleichstrom. Kondensatoren werden in AC-Netzteilen verwendet, um elektrische Signale zu filtern und die DC-Versorgung zu stabilisieren, um eine gleichmäßige, unterbrechungsfreie Quelle zu gewährleisten.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Kondensatoren gesehen. Sie sollten nun das Konzept der Kapazität verstehen, wie dieser physikalische Parameter gemessen wird und wie sich Eigenschaften wie der Abstand von Platte zu Platte oder das Spaltmaterial auf den Kapazitätswert auswirken. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!
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Q1: What is capacitance and how does a capacitor store charge?
Capacitance is the ability of a capacitor to store charge, measured in Farads. A capacitor consists of two conductive plates separated by an insulating material. When voltage is applied, electrons accumulate on one plate while being repelled from the other, creating equal and opposite charges. This charge storage stabilizes voltage fluctuations in circuits.
Q2: How does plate separation affect capacitance in a parallel plate capacitor?
Capacitance is inversely proportional to the distance between plates. As the gap distance decreases, capacitance increases, allowing the capacitor to store more charge at the same voltage. This relationship is described by the equation C = εA/d, where d is the plate separation, A is plate area, and ε is the dielectric constant.
Q3: What role does dielectric material play in capacitor performance?
The dielectric material between capacitor plates determines the permittivity, or dielectric constant, which directly affects charge storage capacity. Materials with higher permittivity values, such as distilled water with a relative permittivity of 80 compared to air's value of one, enable capacitors to store significantly more charge at a given voltage.
Q4: How is current related to voltage changes in a capacitor?
Current flowing through a capacitor equals capacitance multiplied by the rate of voltage change over time. When voltage changes rapidly, larger transient currents flow. This relationship explains why capacitors pass high-frequency signals while blocking low-frequency oscillations, making them useful in high-pass filter circuits for resistor capacitor resistor inductor and inductor capacitor circuits.
Q5: What happens when a capacitor discharges after the voltage supply is removed?
When voltage is disconnected, stored charge flows from the capacitor's conductors back into the circuit, generating current until the charge is depleted. This discharge process stabilizes voltage fluctuations by supplying energy when the external voltage supply drops, making capacitors essential for maintaining steady electrical signals.
Q6: How do capacitors function in AC power adapters and signal processing?
Capacitors filter electrical signals and stabilize DC supplies in AC power adapters, providing smooth, uninterrupted power to devices like computers. In signal processing, capacitors in high-pass filter circuits block low-frequency oscillations while allowing higher frequencies to pass, enabling selective frequency filtering in applications like ultrasonic vocalization analysis.
Q7: What physical factors determine the capacitance value of a parallel plate capacitor?
Capacitance depends on three physical factors: plate surface area (A), gap distance (d), and the dielectric constant (ε) of the insulating material. The relationship is C = εA/d, showing capacitance increases with larger plate area and higher permittivity, but decreases as the gap distance increases.