Capaciteit
Bron: Yong P. Chen, PhD, Afdeling Fysica & Sterrenkunde, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Dit experiment zal commerciële cond…
1. Een condensator opladen
- Verkrijg een commerciële condensator met een capaciteit van C = 470 µF (of een vergelijkbare waarde), een programmeerbare spanningsbron en een ampèremeter (of multimeter die stroom kan meten).
- Stel de spanningsbron in op 0 V, sluit de "+" terminal van de spanningsbron aan op een terminal van de condensator, met de ampèremeter ertussen, en sluit de "−" terminal van de spanningsbron aan op de andere terminal, zoals in Figuur 1. De verbinding kan worden gemaakt met kabels met klemmen of banaanstekkers in ontvangstpoorten op de condensator en instrumenten.
- Schakel de spanningsbron van 0 V naar 1 V (in ongeveer 1 s) en observeer de transitor stroomwaarde op de ampèremeter. Doe hetzelfde voor 2 V, 5 V en 10 V (voor elke doelspanning; dit betekent eerst teruggaan naar 0 V, dan schakelen naar de doelspanning in ongeveer 1 s). Merk op dat de transitor stroom groter is voor een hogere doelspanning, zoals verwacht volgens Vergelijking 2.
- Programmeer de spanningsbron om een spanningsramp van 0 V naar 10 V te genereren in 5 s, en noteer de "stabiele toestand" waarde van de ampèremeter tijdens het midden van de ramp. Herhaal dit voor een ramptijd van 10 s, 20 s en 30 s. Plot de waargenomen stroom tegenover de spanningsrampsnelheid (in V/s).
2. De Capacitance afstemmen
- Schakel de spanningsbron uit en vervang deze door een 300 V batterij, en vervang de ampèremeter door een 1 MΩ weerstand (het doel van deze weerstand is om extra bescherming te bieden om de stroom in de circuit te beperken); vervang ook de commerciële condensator door een parallel plate condensator met een verstelbare afstand tussen de platen.
- Verkrijg een hoog-impedantie voltmeter (of "elektrometer") en sluit deze aan om de spanningsverschil V tussen de twee platen te meten (de hoge impedantie belemmert de ontlading van de condensator tijdens het experiment wanneer de elektrometer is aangesloten). Zie Figuur 5.
- Sluit de 300 V batterij aan op de parallel plate condensator, wacht tot de elektrometer de stabiele toestand van 300 V bereikt (nu is de condensator volledig opgeladen door de 300 V bron), en ontkoppel vervolgens snel de spanningsbron van de platen. Zie Figuur 6. De elektrometer zou nog steeds 300 V moeten lezen.
- Verhoog nu de afstand d tussen de platen naar grotere waarden zoals 15 mm, 10 mm en 5 mm, en observeer en noteer de overeenkomstige spanningswaarde op de elektrometer (V); plot V tegenover d.
- Verhoog d terug naar ~ 20 mm, plaats een plastic plaat tussen de twee platen en observeer wat er gebeurt met V gelezen door de elektrometer. De vermindering van V tussen de platen (met vaste lading Q in dit geval) komt door de grotere diëlektrische constante ε van het plastic (vergeleken met lucht) als medium van de condensator (verwijs naar Vergelijkingen 1 en 3).
3. Parallelle en serie condensators
- Verkrijg een capaciteitsmeter (een "LCR meter" of een multimeter met een capaciteitsmeetmodus); verkrijg een breadboard om de elektrische verbindingen in dit deel van het experiment te vergemakkelijken.
- Verkrijg twee commerciële "keramische" condensatoren met een capaciteit van 1 µF en gebruik de capaciteitsmeter om hun capaciteit te verifiëren, zoals in Figuur 2.
- Verbind de twee condensatoren parallel en gebruik de capaciteitsmeter om de totale capaciteit te meten (tussen punten A en B, zie Figuur 3).
- Verbind de twee condensatoren in serie en gebruik de capaciteitsmeter om de totale capaciteit te meten (tussen punten A en B, zie Figuur 4).
Figuur 3: Diagram dat twee condensatoren verbindt in parallel.
Figuur 4: Diagram dat twee condensatoren verbindt in serie.
Figuur 5: Diagram dat het opladen van een condensator toont met behulp van een spanningsbron, terwijl de spanning wordt gelezen met een elektrometer.
Figuur 6: Na snel ontkoppelen van de spanningsbron in Figuur 5, moet de spanning en lading op de condensator blijven.
Een condensator is essentieel in circuits omdat het veranderingen in spanning weerstaat door gelijke en tegengestelde ladingen op zijn geleidende terminalen op te slaan en vervolgens energie te leveren wanneer de spanningstoevoer daalt.
Een condensator bestaat uit twee geleidende terminalen, zoals de twee platen in een 'parallel platen condensator', gescheiden door een isolerend materiaal of opening. Wanneer spanning wordt toegepast over een condensator, trekt deze stroom. Dit veroorzaakt dat elektronen zich ophopen op de ene plaat terwijl ze op de andere worden afgestoten, waardoor gelijke en tegengestelde ladingen op de twee platen worden opgeslagen.
Het vermogen van het onderdeel om lading op te slaan wordt capaciteit genoemd en wordt gemeten in eenheden genaamd Farads.
Deze video gebruikt een parallel platen condensator om het concept van capaciteit en de afhankelijkheid ervan van fysieke factoren en netwerkconfiguratie te illustreren.
Wanneer een stroombron op een circuit wordt toegepast, trekt de condensator 'oplaadstromen' totdat zijn geleiders volledig opgeladen zijn. De hoeveelheid lading 'Q' die een condensator kan opslaan, hangt af van de capaciteit 'C' van het onderdeel en de grootte van de toegevoerde spanning 'V'.
Wanneer de spanning daalt, stroomt lading van de geleiders van de condensator naar het circuit, waardoor stroom wordt gegenereerd totdat de opgeslagen lading is uitgeput, waardoor spanningsschommelingen worden gestabiliseerd. Stroom is de veranderingssnelheid van de hoeveelheid lading. In combinatie met de vorige vergelijking kunnen we zeggen dat de stroom die uit de condensator stroomt, gelijk is aan de capaciteit maal de veranderingssnelheid van de spanning.
De waarde van C is constant voor een bepaalde condensator en kan worden verkregen door deze vergelijking te gebruiken, die laat zien dat C recht evenredig is aan A -- het oppervlak van de plaat, d -- de openingsafstand en epsilon -- de diëlektrische constante of 'permittiviteit' van het isolerende materiaal tussen de platen.
De diëlektrische constante is een maat voor de mate waarin het materiaal gepolariseerd raakt in een elektrisch veld.
Dus, gezien de relatie tussen epsilon en C, en C en Q; bij een gegeven spanning, hoe hoger de permittiviteit, hoe hoger zal de opslagcapaciteit van de condensator zijn.
Vacuum heeft een diëlektrische constante van 8,85x10-12 Farads per meter, aangeduid met ?0. Andere media hebben over het algemeen hogere permittiviteitswaarden, die zijn geschaald naar?0 en worden de 'relatieve' permittiviteit van het medium genoemd. Bijvoorbeeld, de relatieve permittiviteit van lucht is ongeveer een, polymeren variëren van 2 tot 4, en gedestilleerd water is 80.
Nu de fysieke eigenschappen die de capaciteit beïnvloeden zijn uitgelegd, laten we eens kijken hoe we de capaciteit in individuele of gekoppelde capacitieve elementen kunnen meten.
Om te beginnen, verzamel de volgende materialen: een commerciële condensator met een capaciteit dicht bij 470 micro farad, een programmeerbare spanningsbron en een ampèremeter of multimeter die stroom kan meten.
Vervolgens, met de spanningsbron ingesteld op 0 V, verbind de positieve aansluiting met de ampèremeter. Verbind vervolgens de andere poort van de ampèremeter met de condensator, met behulp van kabels met klemmen of bananapluggen. Dit maakt het mogelijk om de uitgangsstroom van de condensator te meten. Verbind daarna de negatieve aansluiting van de spanningsbron met de andere aansluiting van de condensator.
Schakel vervolgens de spanningsbron van 0 naar 1 V en observeer de tijdelijke stroomwaarde op de ampèremeter. Pas vervolgens de spanning terug aan naar 0 voordat u deze verhoogt naar 2 V, 5 V en uiteindelijk 10 V. Laat voor elke doelspanning een seconde rusten op 0 V tussen veranderingen naar verschillende doelspanningen. Observeer de tijdelijke stroom terwijl de spanning verandert.
Zoals voorspeld door de vergelijking zal de tijdelijke stroom groter worden verwacht voor een hogere doelspanning.
Ten slotte, programmeer de spanningsbron om een spanningsramp te genereren van 0 V naar 10V gedurende 5 seconden, en noteer de 'steady state' ampèremeterwaarde midden in de ramp. Herhaal vervolgens voor ramptijden van 10 s, 20 s en 30 s.
Verkrijg vervolgens een parallel platen condensator met instelbare afstand tussen de platen en gebruik een 300V batterij als spanningsbron. Vervang de ampèremeter door een 1 mega-ohm weerstand. Deze weerstand biedt extra bescherming door de stroom in het circuit te beperken.
Verbind vervolgens een hoog-impedantie voltmeter of elektrometer tussen de twee platen om het spanningsverschil te meten.
Verbind vervolgens de batterij met de condensator en wacht tot de elektrometer ook de vaste toestand van 300 V bereikt, wat aangeeft dat de condensator volledig is opgeladen. Ontkoppel vervolgens snel de batterij van de platen. De elektrometer zou nog steeds 300 V moeten aangeven.
Herhaal de meting na het verminderen van de afstand tussen de platen tot 15, 10 en 5 mm.
Ten slotte, met een afstand tussen de condensatorplaten van 20 mm, plaats een plastic plaat tussen de twee platen en observeer wat er gebeurt met de leeswaarde van de elektrometer.
Voor de commerciële condensator onthult de grafiek van gemeten stroom versus spanningsrampsnelheid een lineaire relatie tussen de twee parameters.
Dit komt overeen met de relatie die wordt voorspeld door deze vergelijking, die we eerder in de video hebben afgeleid. Volgens de vergelijking is de helling van de lijn gelijk aan de capaciteit.
Voor de parallel platen condensator met vaste lading is de grafiek van spanning tussen de platen versus afstand tussen de platen lineair. Dit ondersteunt opnieuw de theoretische relaties. We weten dat capaciteit en plaatafstand omgekeerd evenredig zijn. We weten ook dat wanneer de lading van de geleider constant is, capaciteit en spanning ook omgekeerd evenredig zijn. Het combineren van deze twee vergelijkingen onthult dat spanning en plaatafstand recht evenredig met elkaar zijn wanneer de lading vast is.
Deze vergelijking voorspelt ook dat met een vaste lading, hoe gro
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.