Kapasite
Kaynak: Yong P. Chen, PhD, Fen Fakültesi, Fen Fakültesi, Fizik ve Astronomi Bölümü, Purdue Üniversitesi, West Lafayette, IN
Bu deney, kapasitans kavra…
1. Bir Kondansatörü Şarj Etme
- Kapasitans C = 470 μF (veya benzer bir değer), programlanabilir bir voltaj kaynağı ve bir ampermetre (veya akımı ölçebilen multimetre) olan ticari bir kondansatör edinin.
- Voltaj kaynağı 0 V'a ayarlandığında, voltaj kaynağının "+" terminalini, amp-metre arada olacak şekilde kondansatörün bir terminaline bağlayın ve voltaj kaynağının "-" terminalini Şekil 1'deki gibi diğer terminale bağlayın. Bağlantı, kondansatör ve aletler üzerindeki alıcı portlara kelepçeli veya banana fişli kablolarla yapılabilir.
- Voltaj kaynağını 0 V ile 1 V arasında (yaklaşık 1 s içinde) değiştirin ve ampermetredeki geçici akım okumasını gözlemleyin. Aynısını 2 V, 5 V ve 10 V için de yapın (her hedef voltaj için; bu, önce 0 V'a geri dönün, ardından yaklaşık 1 saniye içinde hedef voltaja geçin anlamına gelir). Denklem 2'den beklendiği gibi daha büyük bir hedef voltaj için geçici akımın daha büyük olduğunu unutmayın.
- Voltaj kaynağını 5 saniyede 0 V ile 10 V arasında bir voltaj rampası oluşturacak şekilde programlayın ve rampanın ortasında ampermetrenin "kararlı durum" okumasını kaydedin. 10 sn, 20 sn ve 30 sn rampa süresi için tekrarlayın. Gözlemlenen akımı voltaj rampa hızına karşı çizin (V/s cinsinden).
2. Kapasitansın Ayarlanması
- Voltaj kaynağını kapatın ve 300 V'luk bir pil ile değiştirin ve ampermetreyi 1 MΩ'luk bir dirençle değiştirin (bu direncin amacı, devredeki akımı sınırlamak için ekstra koruma sağlamaktır); Ayrıca ticari kondansatörü, plakalar arasında ayarlanabilir bir ayrıma sahip paralel plakalı bir kondansatör ile değiştirin.
- Yüksek empedanslı bir voltmetre (veya "elektrometre") edinin ve iki plaka arasındaki voltaj farkını V ölçmek için bağlayın (yüksek empedans, elektrometre bağlandığında deney sırasında kapasitörün boşalmasını engeller). Bkz. Şekil 5.
- 300 V aküyü paralel plakalı kondansatöre bağlayın, elektrometre 300 V'luk sabit duruma ulaşana kadar bekleyin (şimdi kondansatör 300 V kaynak tarafından tamamen şarj edilmiştir) ve ardından voltaj kaynağını plakalardan hızlı bir şekilde ayırın. Bkz. Şekil 6. Elektrometre yine de 300 V okumalıdır.
- Şimdi plakalar arasındaki d mesafesini 15 mm, 10 mm ve 5 mm gibi daha büyük değerlere yükseltin ve elektrometrede (V) ilgili voltaj okumasını gözlemleyin ve kaydedin; arsa V ve d.
- D'yi tekrar ~ 20 mm'ye yükseltin, iki plaka arasına plastik bir levha yerleştirin ve elektrometre tarafından okunan V'ye ne olduğunu gözlemleyin. Plakalar arasındaki V'nin azalması (bu durumda Q yükü sabitlenmiş), kondansatörün ortamı olarak plastiğin (havaya kıyasla) daha büyük dielektrik sabit ε kaynaklanır (bkz. Denklem 1 ve 3).
3. Paralel ve Seri Kapasitanslar
- Bir kapasitans ölçer edinin (bir "LCR ölçer" veya kapasitans ölçüm modlu bir multimetre); Deneyin bu bölümündeki elektrik bağlantılarını kolaylaştırmak için bir devre tahtası edinin.
- 1 μF kapasitanslı iki ticari "seramik" kapasitör edinin ve Şekil 2'de olduğu gibi kapasitanslarını doğrulamak için kapasitans ölçeri kullanın.
- İki kondansatörü paralel olarak bağlayın ve toplam kapasitansı ölçmek için kapasitans ölçeri kullanın (A ve B noktaları arasında, bkz. Şekil 3).
- İki kondansatörü seri olarak bağlayın ve toplam kapasitansı ölçmek için kapasitans ölçeri kullanın (A ve B noktaları arasında, bkz. Şekil 4).
Şekil 3: Paralel bağlanmış iki kondansatörü gösteren diyagram.
Şekil 4: Seri bağlanmış iki kondansatörü gösteren diyagram.
Şekil 5: Bir elektrometre ile voltajı okurken bir voltaj kaynağı kullanarak bir kondansatörün şarj edilmesini gösteren diyagram.
Şekil 6: Şekil 5'deki voltaj kaynağının bağlantısını hızlı bir şekilde kestikten sonra, kondansatör üzerindeki voltaj ve yük kalmalıdır.
Devrelerde bir kondansatör önemlidir, çünkü iletken terminallerinde eşit ve zıt yükler depolayarak ve ardından voltaj beslemesi düştüğünde enerji sağlayarak voltaj değişikliklerine direnir.
Bir kondansatör, bir yalıtım malzemesi veya boşluk ile ayrılmış bir "paralel plakalı kondansatör" içindeki iki plaka gibi iki iletken terminalden oluşur. Bir kondansatöre voltaj uygulandığında, akım çeker. Bu, elektronların bir plaka üzerinde birikmesine ve diğerinde itilmesine neden olur, böylece iki plaka üzerinde eşit ve zıt yüklerin depolanmasına neden olur.
Bileşenin yük depolama yeteneğine kapasitans denir ve Farad adı verilen birimlerle ölçülür.
Bu video, kapasitans kavramını ve bunun fiziksel faktörlere ve ağ yapılandırmasına bağımlılığını göstermek için paralel plakalı bir kapasitör kullanır.
Bir devreye bir güç kaynağı uygulandığında, kondansatör, iletkenleri tamamen şarj olana kadar "şarj akımı" çeker. Bir kondansatörün depolayabileceği 'Q' yük miktarı, bileşenin 'C' kapasitansına ve sağlanan 'V' voltajının büyüklüğüne bağlıdır.
Voltaj düştüğünde, kondansatörün iletkenlerinden gelen yük devreye akar ve depolanan şarj bitene kadar akım üretir, böylece voltaj dalgalanmasını stabilize eder. Akım, şarj miktarındaki değişim oranıdır. Bunu önceki denklemle birleştirerek, kondansatörden çıkan akım akışının kapasitans çarpı voltajdaki değişim oranı olduğunu söyleyebiliriz.
C'nin değeri belirli bir kondansatör için sabittir ve bu denklem kullanılarak elde edilebilir, bu da C'nin A ile doğru orantılı olduğunu gösterir - plaka yüzey alanı, d - boşluk mesafesi ve epsilon - plakalar arasındaki yalıtım malzemesinin dielektrik sabiti veya "geçirgenliği".
Dielektrik sabiti, malzemenin bir elektrik alanında ne ölçüde polarize olduğunun bir ölçüsüdür.
Böylece, epsilon ve C ile C ve Q arasındaki ilişki göz önüne alındığında; Belirli bir voltajda, geçirgenlik ne kadar yüksek olursa, kapasitörün şarj depolama kapasitesi de o kadar yüksek olacaktır.
Vakumun dielektrik sabiti 8.85x10'dur.-metre başına 12 Farad, ?0 ile gösterilir. Diğer ortamlar genellikle ?0 olarak ölçeklendirilen ve ortamın "göreceli" geçirgenliği olarak adlandırılan daha büyük geçirgenlik değerlerine sahiptir. Örneğin, havanın nispi geçirgenliği yaklaşık olarak birdir, polimerler 2 ila 4 arasında değişir ve damıtılmış su 80'dir.
Kapasitansı etkileyen fiziksel özellikler açıklandığına göre, bireysel veya ağa bağlı kapasitif elemanlarda kapasitansın nasıl ölçüleceğine bir göz atalım.
Başlamak için aşağıdaki malzemeleri toplayın: 470 mikro farad'a yakın kapasitanslı ticari bir kapasitör, programlanabilir bir voltaj kaynağı ve akımı ölçebilen bir ampermetre veya multimetre.
Ardından, voltaj kaynağı 0 V'a ayarlandığında, pozitif terminalini ampermetreye bağlayın. Ardından, ampermetrenin diğer bağlantı noktasını, kelepçeli veya muz fişli kablolar kullanarak kapasitöre bağlayın. Bu, kondansatörden gelen çıkış akımının ölçülmesini sağlar. Bunu takiben, voltaj kaynağının negatif portunu kapasitörün diğer terminaline bağlayın.
Ardından, voltaj kaynağını 0 ila 1 V arasında değiştirin ve ampermetredeki geçici akım okumasını gözlemleyin. Ardından, 2 V, 5 V ve son olarak 10 V'a yükseltmeden önce voltajı tekrar 0'a ayarlayın. Her hedef voltaj için, farklı hedef voltajlardaki değişiklikler arasında 0 V'ta bir saniye dinlenmeye izin verin. Voltaj değiştikçe geçici akımı gözlemleyin.
Denklem tarafından tahmin edildiği gibi, geçici akımın daha büyük bir hedef voltaj için daha büyük olması beklenir.
Son olarak, voltaj kaynağını 5 saniye boyunca 0 V ile 10V arasında bir voltaj rampası oluşturacak şekilde programlayın ve rampanın ortasında "kararlı durum" ampermetre okumasını kaydedin. Ardından, 10 s, 20 sn ve 30 s'lik rampa süreleri için tekrarlayın.
Şimdi plakalar arasında ayarlanabilir ayrıma sahip paralel plakalı bir kondansatör edinin ve voltaj kaynağı olarak 300V'luk bir pil kullanın. Ampermetreyi 1 mega ohm'luk bir dirençle değiştirin. Bu direnç, devredeki akım akışını sınırlayan ekstra bir koruma sağlar.
İkinci olarak, voltaj farkını ölçmek için iki plaka arasına yüksek empedanslı bir voltmetre veya elektrometre bağlayın.
Ardından, pili kondansatöre bağlayın ve elektrometrenin de kapasitörün tamamen şarj olduğunu gösteren 300 V'luk sabit duruma ulaşmasını bekleyin. Ardından pili plakalardan hızlı bir şekilde çıkarın. Elektrometre yine de 300 V okumalıdır.
Plakalar arasındaki mesafeyi 15, 10 ve 5 mm'ye düşürdükten sonra ölçümü tekrarlayın.
Son olarak, 20 mm'lik bir kapasitör plakası mesafesi ile iki plaka arasına plastik bir levha yerleştirin ve elektrometre voltaj okumasına ne olduğunu gözlemleyin.
Ticari kondansatör için, ölçülen akıma karşı voltaj rampa hızı grafiği, iki parametre arasında doğrusal bir ilişki ortaya koymaktadır.
Bu, videoda daha önce elde ettiğimiz bu denklemin öngördüğü ilişkiye uygundur. Denkleme göre, çizginin eğimi kapasitansa eşittir.
Sabit şarjlı paralel plakalı kondansatör için, plakalar arasındaki voltaj grafiğine karşı plakalar arasındaki mesafe doğrusaldır. Bu da yine teorik ilişkileri destekler niteliktedir. Kapasitans ve plaka mesafesinin ters orantılı olduğunu biliyoruz. İletken yükü sabit olduğunda, kapasitans ve voltajın da ters orantılı olduğunu biliyoruz. Bu iki denklemi birleştirmek, yük sabit olduğunda voltaj ve plaka mesafesinin birbiriyle doğru orantılı olduğunu ortaya koymaktadır.
Bu denklem aynı zamanda sabit bir yük ile, boşluk ortamının dielektrik sabiti ne kadar büyükse, plakalar arasındaki voltajın o kadar düşük olacağını tahmin eder. Bu, boşluktaki hava plastikle değiştirildiğinde ve voltmetre okumasında bir düşüş gördüğümüzde doğrulandı.
Kondansatörler, elektriği depolamak, şarj etmek ve seçici olarak boşaltmak için çok çeşitli mühendislik ve bilimsel uygulamalarda kullanılır.
Kondansatörler, elektrik sinyalinin işlenmesi için gereklidir. Örneğin, biyologlar, farelerin farklı ultrasonik seslendirmeleri nasıl tanıdığını ve bunlara nasıl tepki verdiğini değerlendirmek için iki seçenekli bir test kullandılar. İlk olarak, ses dosyaları canlı farelerden kaydedilir ve frekansı seçmek için yüksek geçiren filtreler kullanılarak kırpılır.
Yüksek geçirgen filtre devreleri, düşük frekanslı salınımları engellemek için kapasitörler kullanır, çünkü kapasitör plakaları arasındaki iletim genellikle daha yüksek frekanslarda artar ve düşük frekanslarda azalır. Ardından, değişken frekanslı sesler aynı anda iki ayrı yerde çalınır ve farelerin tercih edilen seslendirmeye doğru göç etmesine izin verilir.
Şebeke kaynakları dalgalı akımlı AC iken, bilgisayarlar gibi birçok elektronik cihaz DC gücüne ihtiyaç duyar. Kondansatörler, elektrik sinyallerini filtrelemek ve DC beslemesini stabilize etmek için AC güç adaptörlerinde kullanılır ve sorunsuz, kesintisiz bir kaynak sağlar.
Az önce JoVE'nin kapasitörlerle tanışmasını izlediniz. Artık kapasitans kavramını, bu fiziksel parametrenin nasıl ölçüleceğini ve plakadan plakaya mesafe veya boşluk malzemesi gibi özelliklerin kapasitans değerini nasıl etkilediğini anlamalısınız. Her zaman olduğu gibi, izlediğiniz için teşekkürler!
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.