静電容量
ソース: 龍 p. 陳博士は、物理学科 & 天文学、科学の大学、パーデュー大学、ウェスト ラファイエット, インディアナ
この実験は容量の概念を示すため商業コンデンサー、平行平板コンデンサーを使用します。コンデンサーは、反対の電荷の 2 つの導体、たとえば 2 つ反対、金属板をリードする 2 つの導…
1. コンデンサーの充電
- 商業コンデンサー容量 C を取得 = 470 μ F (またはいくつかの同様の値)、プログラマブル電圧ソースとアンプ メーター (または、電流を測定することができますマルチ メーター)。
- 電圧ソースと 0 V に設定、電圧源の「+」端子間にアンプ メーターと、コンデンサーの一つのターミナルに接続、電圧ソースの「−」端子図 1と同様に、もう一方の端子に接続します。クランプをケーブルで接続が可能またはコンデンサーと機器のポートの受信にバナナプラグします。
- 0 V から 1 V に電圧ソースを切り替える (約 1 秒)、現在のアンプ メーターの読み取り過渡現象を観察し、。2 V、5 V と 10 V で同じことを行う (各ターゲット電圧; つまり、0 V に戻る最初に行く、約 1 のターゲット電圧を切り替えて s)。期待どおりに過渡電流が大きいターゲットの電圧の大きいことに注意してください式 2.
- 電圧 0 V から 10 V の 5 s とレコード アンプ メートルの「定常状態」読書ランプの途中で電圧ランプを生成するためのプログラム。10 ランプの時間の繰り返し s、20 s および 30 s. プロット (V ・ s) で電圧ランプに入る率対電流が観測されました。
2. 容量のチューニング
- 電圧源をオフにして 300 V バッテリーに置き換えて、1 MΩ の抵抗によりアンプ メーターを交換 (回路の電流を制限するための余分な保護を提供するためにはこの抵抗の目的);またプレートの間の調節可能な分離と平行平板キャパシタに商業のコンデンサーを置き換えます。
- 高インピー ダンス電圧計 (または「電位計」) を取得し、(高インピー ダンスを妨げるコンデンサーの放電実験では、電位計が接続されているとき)、2 つのプレート間の電圧差 V を測定するそれを接続します。図 5を参照してください。
- 平行平板コンデンサーに 300 V のバッテリを接続、電位計 300 V (300 V のソースによっては、コンデンサーが充電) 今、定常状態に達するまで待ち、プレートから電圧ソースをすぐに切断します。図 6を参照してください。電位計は、300 V をまだ読むべきです。
- 今 5 mm、10 mm、15 mm などの大きい値に平板間の距離 d を高めるため観察し、対応する電圧 (V); 電位計の読書を記録d と V をプロットします。
- D バックを高める 〜 20 ミリメートル、2 つのプレート間のプラスチック板を挿入し、電位計で読み取り V に何が起こるかを観察します。V のコンデンサーの媒体としてプラスチック (空気比) の大きな誘電率 ε からプレート (電荷量 Q は、この場合は固定) と結果の間の削減 (方程式 1 および 3を参照)。
3. 並列とシリーズ キャパシタンス
- キャパシタンスメータ (「LCR メーター」または静電容量測定モードとマルチ メーター) を取得します。実験のこの部分で電気的接続が容易にブレッド ボードを取得します。
- 1 μ F の容量を持つ 2 つの商業「セラミック」コンデンサーを入手して、容量メーターを使用して、図 2のように、彼らの容量を確認します。
- 並行して、2 つのコンデンサーを接続し、(ポイント A と B は、図 3を参照) の間の静電容量を測定する静電容量計を使用します。
- シリーズでは、2 つのコンデンサーを接続し、(間ポイント A と B は、図 4を参照) の合計容量を測定に容量計を使用します。
図 3: 図を並列に接続したコンデンサーを 2 個表示します。
図 4: 図の示す直列接続したコンデンサーを 2 個。
図 5: 電位計で電圧を読みながら電圧ソースを使用するコンデンサーの充電を示す図。
図 6:図 5に電圧源をすばやく切断後電圧とコンデンサーの電荷が残るべきであります。
コンデンサは、導電性端子に等しい電荷と反対の電荷を蓄え、電圧供給が低下したときにエネルギーを供給することにより電圧の変化に耐えるため、回路に不可欠です。
コンデンサは、「平行プレートコンデンサ」の2つのプレートのように、絶縁材料またはギャップで区切られた2つの導電性端子で構成されています。コンデンサに電圧が印加されると、電流が流れます。これにより、電子は一方のプレートに蓄積し、もう一方のプレートには反発するため、2つのプレートに等しく反対の電荷が蓄積されます。
コンポーネントが電荷を蓄える能力はキャパシタンスと呼ばれ、ファラッドと呼ばれる単位で測定されます。
このビデオでは、並列プレートコンデンサを使用して、静電容量の概念と、その物理的要因とネットワーク構成への依存性について説明します。
回路に電源が印加されると、コンデンサは導体が完全に充電されるまで「充電電流」を流します。コンデンサが蓄えることができる電荷「Q」の量は、コンポーネントの静電容量「C」と供給される電圧「V」の大きさによって異なります。
電圧が低下すると、コンデンサの導体からの電荷が回路に流れ、蓄えられた電荷がなくなるまで電流が発生するため、電圧変動が安定します。電流は、料金額の変化率です。これを前の式と組み合わせると、コンデンサから流れ出る電流は、静電容量に電圧の変化率を掛けたものになると言えます。
Cの値は、特定のコンデンサに対して一定であり、CがA(プレート表面積)、d(ギャップ距離)、およびイプシロン(プレート間の絶縁材料の誘電率または「誘電率」)に正比例することを示すこの式を使用して取得できます。
誘電率は、材料が電場で分極する程度の尺度です。
したがって、イプシロンとC、およびCとQの関係を考えると、特定の電圧で誘電率が高いほど、コンデンサの電荷蓄積容量は高くなります。
真空の誘電率は8.85x10-12ファラッド/メートルで、?0で表されます。他の媒体は一般に誘電率の値が大きく、これは ?0 にスケーリングされ、媒体の「相対的な」誘電率と呼ばれます。例えば、空気の比誘電率は約1、ポリマーは2〜4の範囲、蒸留水は80です。
静電容量に影響を与える物理的特性について説明したので、個々の容量性要素またはネットワーク化された容量性要素の静電容量を測定する方法を見てみましょう。
まず、470マイクロファラッドに近い静電容量の商用コンデンサ、プログラム可能な電圧源、電流を測定できる電流計またはマルチメータの材料を収集します。
次に、電圧源を0 Vに設定した状態で、そのプラス端子をアンペアメーターに接続します。次に、amp メーターの他のポートをコンデンサに接続します、cl またはバナナプラグ付きのケーブル。これにより、コンデンサからの出力電流を測定できます。その後、電圧源のマイナスポートをコンデンサの他の端子に接続します。
次に、電圧源を0Vから1Vに切り替え、電流計で過渡電流の読み取り値を観察します。次に、電圧を0に調整してから、2 V、5 V、最後に10 Vに増やします。各ターゲット電圧について、異なるターゲット電圧への変更の間に0Vで1秒間の休止を確保します。電圧が変化するときの過渡電流を観察します。
この式で予測されるように、過渡電流は、目標電圧が大きいほど大きくなると予想されます。
最後に、0 Vから10 Vまでの電圧ランプを5秒間で生成するように電圧源をプログラムし、ランプの途中で「定常状態」の電流計の読み取り値を記録します。次に、10秒、20秒、30秒のランプ時間を繰り返します。
次に、プレート間の分離を調整できる平行プレートコンデンサを取得し、電圧源として300Vバッテリーを使用します。amp メーターを1メガオームの抵抗器に交換します。この抵抗器は、回路内の電流の流れを制限する追加の保護を提供します。
次に、電圧差を測定するために、2つのプレート間に高インピーダンス電圧計または電位計を接続します。
次に、バッテリーをコンデンサに接続し、電位計も300 Vの定常状態に達し、コンデンサが完全に充電されたことを示すまで待ちます。次に、バッテリーをプレートからすばやく外します。
プレート間の距離を15、10、5mmに減らした後、測定を繰り返します。
最後に、コンデンサプレートの距離を20mmにして、2つのプレートの間にプラスチックスラブを挿入し、電位計の電圧読み取りに何が起こるかを観察します。
商用コンデンサの場合、測定された電流対電圧ランプレートのプロットにより、2つのパラメータ間の線形関係が明らかになります。
これは、ビデオの前半で導き出したこの方程式によって前提となる関係に準拠しています。方程式によると、ラインの傾きは静電容量に等しくなります。
固定電荷の並列プレートコンデンサの場合、プレート間の電圧とプレート間の距離のプロットは線形です。これもまた、理論的な関係を裏付けています。静電容量とプレート距離は反比例することがわかっています。また、導体の電荷が固定されている場合、静電容量と電圧も反比例することもわかっています。これら2つの方程式を組み合わせると、電荷が固定されている場合、電圧とプレート距離は互いに正比例することがわかります。
この方程式は、固定電荷の場合、ギャップ媒体の誘電率が大きいほど、プレート間の電圧が低くなることも予測します。これは、ギャップ内の空気がプラスチックに置き換えられ、電圧計の読み取り値が低下したときに確認されました。
コンデンサは、電荷を貯蔵し、選択的に放電するために、さまざまなエンジニアリングおよび科学アプリケーションで使用されています。
コンデンサは電気信号処理に不可欠です。例えば、生物学者は、マウスが異なる超音波発声をどのように認識し、反応するかを評価するために、2択テストを使用しました。まず、生きたマウスからサウンドファイルを録音し、ハイパスフィルターを使用してトリミングし、周波数を選択します。
ハイパスフィルタ回路は、コンデンサプレート間の導通が一般に高周波で増加し、低周波数で減少するため、コンデンサを使用して低周波の振動をブロックします。次に、可変周波数の音が2つの別々の場所で同時に再生され、マウスが好みの発声に向かって移動できるようになります。
主電源は電流が変動するACですが、コンピューターなどの多くの電子機器はDC電源を必要とします。コンデンサは、AC電源アダプタ内で電気信号をフィルタリングし、DC電源を安定させるために使用されます。これにより、スムーズで中断のない電源が提供されます。
JoVEのコンデンサの紹介を見ました。これで、静電容量の概念、この物理パラメータの測定方法、およびプレート間の距離やギャップ材料などのプロパティが静電容量値にどのように影響するかを理解できました。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!
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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.