Емкость

Конденсатор необходим в цепях, потому что он устойчив к изменениям напряжения, сохраняя равные и противоположные заряды на своих проводящих клеммах, а затем подает энергию при падении напряжения.

Конденсатор состоит из двух проводящих выводов, таких как две пластины в «параллельном пластинчатом конденсаторе», разделенных изоляционным материалом или зазором. Когда напряжение подается на конденсатор, он потребляет ток. Это приводит к тому, что электроны накапливаются на одной пластине, в то время как они отталкиваются на другой, таким образом, накапливая равные и противоположные заряды на двух пластинах.

Способность компонента накапливать заряд называется емкостью и измеряется в единицах, называемых фарадами.

В этом видео используется конденсатор с параллельной пластиной, чтобы проиллюстрировать концепцию емкости и ее зависимость от физических факторов и конфигурации сети.

Когда источник питания подается в цепь, конденсатор потребляет «зарядный ток» до тех пор, пока его проводники не будут полностью заряжены. Количество заряда 'Q', которое может хранить конденсатор, зависит от емкости 'C' компонента и величины подаваемого напряжения 'V'.

Когда напряжение падает, заряд от проводников конденсатора поступает в цепь, вырабатывая ток до тех пор, пока накопленный заряд не будет исчерпан, тем самым стабилизируя колебания напряжения. Ток – это скорость изменения суммы заряда. Объединив это с предыдущим уравнением, мы можем сказать, что ток, протекающий из конденсатора, равен емкости, умноженной на скорость изменения напряжения.

Значение C является постоянным для данного конденсатора и может быть получено с помощью этого уравнения, которое показывает, что C прямо пропорционально A — площади поверхности пластины, d — расстоянию зазора и эпсилону — диэлектрической проницаемости или «диэлектрической проницаемости» изоляционного материала между пластинами.

Диэлектрическая проницаемость — это мера степени, в которой материал поляризуется в электрическом поле.

Таким образом, учитывая связь между эпсилоном и С, а также С и Q; При данном напряжении, чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше будет емкость конденсатора для хранения заряда.

Вакуум имеет диэлектрическую проницаемость 8,85x10-12 фарад на метр, обозначаемую как ?0. Другие среды, как правило, имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, которые масштабируются до ?0 и называются «относительной» диэлектрической проницаемостью среды. Например, относительная диэлектрическая проницаемость воздуха составляет примерно единицу, полимеров — от 2 до 4, а дистиллированной воды — 80.

Теперь, когда физические свойства, влияющие на емкость, были объяснены, давайте рассмотрим, как измерить емкость в отдельных или сетевых емкостных элементах.

Для начала соберите следующие материалы: коммерческий конденсатор с емкостью близкой к 470 микрофарад, программируемый источник напряжения, а также амперметр или мультиметр, который может измерять ток.

Далее, установив источник напряжения на 0 В, подключите его плюсовую клемму к амперметру. Затем подключите другой порт ампер-метра к конденсатору, используя кабели с зажимами или банановые вилки. Это позволяет измерять выходной ток от конденсатора. После этого подключите отрицательный порт источника напряжения к другой клемме конденсатора.

Затем переключите источник напряжения с 0 на 1 В и понаблюдайте за показаниями переходного тока на амперметре. Затем отрегулируйте напряжение обратно на 0, прежде чем увеличить его до 2 В, 5 В и, наконец, 10 В. Для каждого целевого напряжения оставьте одну секунду отдыха при 0 В между изменениями различных целевых напряжений. Наблюдайте за переходным током при изменении напряжения.

Как и предсказывается уравнением, ожидается, что переходный ток будет больше при большем целевом напряжении.

Наконец, запрограммируйте источник напряжения на генерацию линейного напряжения от 0 В до 10 В в течение 5 секунд и запишите показания амперметра в «установившемся состоянии» в середине линейного изменения. Затем повторите для времени нарастания 10 с, 20 с и 30 с.

}

Теперь получите параллельный пластинчатый конденсатор с регулируемым разделением между пластинами и используйте батарею 300 В в качестве источника напряжения. Замените амперметр на резистор на 1 мегаом. Этот резистор обеспечивает дополнительную защиту, ограничивающую протекание тока в цепи.

Во-вторых, подключите высокоомный вольтметр или электрометр между двумя пластинами, чтобы измерить разность напряжений.

Затем подключите батарею к конденсатору и подождите, пока электрометр также не достигнет устойчивого состояния 300 В, указывающего на то, что конденсатор полностью заряжен. Затем быстро отсоедините аккумулятор от пластин. Электрометр все еще должен показывать 300 В.

Повторите измерение, уменьшив расстояние между пластинами до 15, 10 и 5 мм.

Наконец, с расстоянием между пластинами конденсатора 20 мм, вставьте пластиковую пластину между двумя пластинами и посмотрите, что происходит с показаниями напряжения электрометра.

Для коммерческого конденсатора график зависимости измеренного тока от скорости изменения напряжения показывает линейную зависимость между двумя параметрами.

Это согласуется с соотношением, основанным на этом уравнении, которое мы вывели ранее в видео. Согласно уравнению, наклон линии равен емкости.

Для конденсатора с параллельными пластинами с фиксированным зарядом график зависимости напряжения между пластинами от расстояния между пластинами является линейным. Это опять-таки подтверждает теоретические взаимосвязи. Мы знаем, что емкость и расстояние между пластинами обратно пропорциональны. Мы также знаем, что когда заряд проводника фиксирован, емкость и напряжение также обратно пропорциональны. Объединение этих двух уравнений показывает, что напряжение и расстояние между пластинами прямо пропорциональны друг другу при фиксированном заряде.

Это уравнение также предсказывает, что при фиксированном заряде, чем больше диэлектрическая проницаемость щелевой среды, тем ниже будет напряжение между пластинами. Это подтвердилось, когда воздух в зазоре был заменен на пластик и мы увидели падение показаний вольтметра.

Конденсаторы используются в самых разных инженерных и научных приложениях для хранения заряда и избирательного разряда электроэнергии.

Конденсаторы необходимы для обработки электрических сигналов. Например, биологи использовали тест с двумя вариантами ответа, чтобы оценить, как мыши распознают и реагируют на различные ультразвуковые вокализации. Во-первых, звуковые файлы записываются с живых мышей и обрезаются с помощью фильтров высоких частот для выбора частоты.

В схемах фильтра верхних частот конденсаторы используются для блокировки низкочастотных колебаний, поскольку проводимость между пластинами конденсатора обычно увеличивается на высоких частотах и уменьшается на низких частотах. Затем звуки переменной частоты одновременно воспроизводятся в двух отдельных местах, что позволяет мышам мигрировать в сторону предпочтительной вокализации.

В то время как питание от сети осуществляется от сети переменного тока с изменяющимся током, многие электронные устройства, такие как компьютеры, требуют постоянного тока. Конденсаторы используются в адаптерах питания переменного тока для фильтрации электрических сигналов и стабилизации источника постоянного тока, обеспечивая бесперебойную работу источника.

Вы только что посмотрели введение JoVE в конденсаторы. Теперь вы должны понять концепцию емкости, как измерить этот физический параметр и как такие свойства, как расстояние от пластины до пластины или материал зазора, влияют на значение емкости. Как всегда, спасибо за просмотр!