Kapasitor elektrik ialah peranti pasif yang mampu mengumpul dan menyimpan tenaga elektrik. Ia terdiri daripada dua plat konduktif yang dipisahkan oleh bahan dielektrik. Penggunaan potensi elektrik tanda yang berbeza pada plat konduktif membawa kepada pemerolehan cas oleh mereka, yang positif pada satu plat dan negatif pada yang lain. Dalam kes ini, jumlah caj ialah sifar.
Artikel ini membincangkan isu sejarah dan definisi kemuatan pemuat.
Kisah Ciptaan
Pada Oktober 1745, saintis Jerman Ewald Georg von Kleist menyedari bahawa cas elektrik boleh disimpan jika penjana elektrostatik dan sejumlah air dalam bekas kaca disambungkan dengan kabel. Dalam eksperimen ini, tangan dan air von Kleist adalah konduktor, dan bekas kaca adalah penebat elektrik. Selepas saintis menyentuh wayar logam dengan tangannya, pelepasan kuat berlaku, iaitujauh lebih kuat daripada nyahcas penjana elektrostatik. Akibatnya, von Kleist membuat kesimpulan bahawa terdapat tenaga elektrik yang disimpan.
Pada tahun 1746, ahli fizik Belanda Pieter van Muschenbroek mencipta kapasitor, yang dipanggilnya botol Leiden sebagai penghormatan kepada Universiti Leiden tempat saintis itu bekerja. Daniel Gralat kemudian meningkatkan kemuatan kapasitor dengan menyambungkan beberapa botol Leiden.
Pada tahun 1749, Benjamin Franklin menyiasat kapasitor Leyden dan membuat kesimpulan bahawa cas elektrik tidak disimpan di dalam air, seperti yang dipercayai sebelum ini, tetapi di sempadan air dan kaca. Terima kasih kepada penemuan Franklin, botol Leyden dibuat dengan menutup bahagian dalam dan luar bekas kaca dengan plat logam.
Pembangunan Industri
Istilah "kapasitor" dicipta oleh Alessandro Volta pada tahun 1782. Pada mulanya, bahan seperti kaca, porselin, mika dan kertas biasa digunakan untuk membuat penebat kapasitor elektrik. Jadi, jurutera radio Guglielmo Marconi menggunakan kapasitor porselin untuk pemancarnya, dan untuk penerima - kapasitor kecil dengan penebat mika, yang dicipta pada tahun 1909 - sebelum Perang Dunia II, ia adalah yang paling biasa di AS.
Kapasitor elektrolitik pertama telah dicipta pada tahun 1896 dan merupakan elektrolit dengan elektrod aluminium. Perkembangan pesat elektronik bermula hanya selepas penciptaan pada tahun 1950 kapasitor tantalum miniatur denganelektrolit pepejal.
Semasa Perang Dunia Kedua, hasil daripada perkembangan kimia plastik, kapasitor mula muncul, di mana peranan penebat diberikan kepada filem polimer nipis.
Akhirnya, pada tahun 50-60an, industri supercapacitors berkembang, yang mempunyai beberapa permukaan konduktif yang berfungsi, yang menyebabkan kapasiti elektrik kapasitor meningkat sebanyak 3 susunan magnitud berbanding nilainya untuk kapasitor konvensional.
Konsep kemuatan pemuat
Caj elektrik yang disimpan dalam plat kapasitor adalah berkadar dengan voltan medan elektrik yang wujud di antara plat peranti. Dalam kes ini, pekali perkadaran dipanggil kemuatan elektrik kapasitor rata. Dalam SI (Sistem Unit Antarabangsa), kapasiti elektrik, sebagai kuantiti fizik, diukur dalam farad. Satu farad ialah kemuatan elektrik bagi sebuah kapasitor, voltan antara platnya ialah 1 volt dengan cas tersimpan 1 coulomb.
Kapasitansi elektrik 1 farad adalah besar, dan dalam amalan dalam kejuruteraan elektrik dan elektronik, kapasitor dengan kemuatan tertib picofarad, nanofarad dan mikrofarad biasanya digunakan. Satu-satunya pengecualian adalah supercapacitors, yang terdiri daripada karbon diaktifkan, yang meningkatkan kawasan kerja peranti. Ia boleh mencapai beribu-ribu farad dan digunakan untuk menggerakkan prototaip kenderaan elektrik.
Oleh itu, kapasitansi pemuat ialah: C=Q1/(V1-V2). Di sini C-kapasiti elektrik, Q1 - cas elektrik disimpan dalam satu plat pemuat, V1-V2- perbezaan antara potensi elektrik plat.
Formula untuk kemuatan kapasitor rata ialah: C=e0eS/d. Di sini e0dan e ialah pemalar dielektrik universal dan pemalar dielektrik bagi bahan penebat S ialah luas plat, d ialah jarak antara plat. Formula ini membolehkan anda memahami bagaimana kemuatan kapasitor akan berubah jika anda menukar bahan penebat, jarak antara plat atau kawasannya.
Jenis dielektrik terpakai
Untuk pembuatan kapasitor, pelbagai jenis dielektrik digunakan. Yang paling popular ialah yang berikut:
- Udara. Kapasitor ini adalah dua plat bahan konduktif, yang dipisahkan oleh lapisan udara dan diletakkan di dalam bekas kaca. Kapasiti elektrik kapasitor udara adalah kecil. Ia biasanya digunakan dalam kejuruteraan radio.
- Mika. Sifat mika (keupayaan untuk memisahkan menjadi kepingan nipis dan menahan suhu tinggi) sesuai untuk kegunaannya sebagai penebat dalam kapasitor.
- Kertas. Kertas berlilin atau bervarnis digunakan untuk melindungi daripada basah.
Tenaga Tersimpan
Apabila beza keupayaan antara plat kapasitor meningkat, peranti menyimpan tenaga elektrik disebabkan olehkehadiran medan elektrik di dalamnya. Jika beza keupayaan antara plat berkurangan, maka kapasitor dinyahcas, memberikan tenaga kepada litar elektrik.
Secara matematik, tenaga elektrik yang disimpan dalam jenis kapasitor arbitrari boleh dinyatakan dengan formula berikut: E=½C(V2-V 1)2, dengan V2 dan V1 ialah muktamad dan permulaan tegaskan antara pinggan.
Cas dan nyahcas
Jika kapasitor disambungkan kepada litar elektrik dengan perintang dan beberapa punca arus elektrik, maka arus akan mengalir melalui litar dan kapasitor akan mula mengecas. Sebaik sahaja ia dicas sepenuhnya, arus elektrik dalam litar akan berhenti.
Jika kapasitor bercas disambungkan selari dengan perintang, maka arus akan mengalir dari satu plat ke plat yang lain melalui perintang, yang akan berterusan sehingga peranti dinyahcas sepenuhnya. Dalam kes ini, arah arus nyahcas akan bertentangan dengan arah aliran arus elektrik semasa peranti sedang dicas.
Mengecas dan menyahcas kapasitor mengikut pergantungan masa yang eksponen. Sebagai contoh, voltan antara plat kapasitor semasa nyahcasnya berubah mengikut formula berikut: V(t)=Vie-t/(RC) , di mana V i - voltan awal pada kapasitor, R - rintangan elektrik dalam litar, t - masa nyahcas.
Menggabungkan dalam litar elektrik
Untuk menentukan kemuatan kapasitor yang terdapat di dalamnyalitar elektrik, harus diingat bahawa ia boleh digabungkan dalam dua cara berbeza:
- Sambungan bersiri: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Sambungan selari: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - jumlah kemuatan bagi n kapasitor. Jumlah kemuatan elektrik kapasitor ditentukan oleh formula yang serupa dengan ungkapan matematik untuk jumlah rintangan elektrik, hanya formula untuk sambungan siri peranti adalah sah untuk sambungan selari perintang dan sebaliknya.
