ความจุไฟฟ้าคืออะไรวัดอะไรและขึ้นอยู่กับอะไร

ความจุไฟฟ้าเป็นหนึ่งในแนวคิดพื้นฐานของไฟฟ้าสถิต คำนี้หมายถึงความสามารถในการสะสมประจุไฟฟ้า คุณสามารถพูดคุยเกี่ยวกับความจุของตัวนำที่แยกจากกัน คุณสามารถพูดคุยเกี่ยวกับความจุของระบบที่มีตัวนำตั้งแต่สองตัวขึ้นไป กระบวนการทางกายภาพมีความคล้ายคลึงกัน

แนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับความจุไฟฟ้า

หากตัวนำได้รับประจุ q จะมีค่า φ เกิดขึ้น ศักยภาพนี้ขึ้นอยู่กับรูปทรงและสภาพแวดล้อม - สำหรับตัวนำและเงื่อนไขที่แตกต่างกัน ประจุเดียวกันจะทำให้เกิดศักย์ต่างกัน แต่ φ เป็นสัดส่วนกับ q เสมอ:

φ=Cq

ค่าสัมประสิทธิ์ C เรียกว่าความจุไฟฟ้าหากเรากำลังพูดถึงระบบของตัวนำหลายตัว (โดยปกติคือสองตัว) ดังนั้นเมื่อมีการจ่ายประจุให้กับตัวนำ (จาน) ตัวเดียว จะเกิดความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้า U:

U=Cq ดังนั้น С=U/q

ความจุสามารถกำหนดเป็นอัตราส่วนของความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นกับประจุที่ก่อให้เกิด หน่วย SI สำหรับความจุคือฟารัด (พวกเขาเคยพูดว่าฟารัด) 1 F \u003d 1 V / 1 C. กล่าวอีกนัยหนึ่ง ระบบมีความจุ 1 ฟารัด ซึ่งเมื่อมีการจ่ายประจุ 1 คูลอมบ์ จะมีความต่างศักย์ 1 โวลต์เกิดขึ้น 1 Farad มีค่ามาก ในทางปฏิบัติค่าเศษส่วนมักใช้บ่อยที่สุด - picofarad, nanofarad, microfarad

ในทางปฏิบัติ การเชื่อมต่อดังกล่าวทำให้ได้แบตเตอรี่ที่สามารถทนต่อแรงดันพังทลายของอิเล็กทริกได้ดีกว่าเซลล์เดียว

การคำนวณความจุของตัวเก็บประจุ

ในทางปฏิบัติ เป็นองค์ประกอบที่มีความจุไฟฟ้าปกติ มักใช้ ตัวเก็บประจุประกอบด้วยตัวนำแบนสองตัว (แผ่น) คั่นด้วยไดอิเล็กตริก สูตรคำนวณความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุดังกล่าวมีลักษณะดังนี้:

C=(S/d)*ε*ε₀

ที่ไหน:

• C - ความจุ, F;
• S คือพื้นที่หันหน้า ตร.ม.
• d คือระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก m;
• ε₀ - ค่าคงที่ทางไฟฟ้า คงที่ 8.854 * 10⁻¹² f/m;
• ε คือค่าความยอมทางไฟฟ้าของอิเล็กทริก ซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ

จากนี้ไปเป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจว่าความจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ของแผ่นเปลือกโลกและเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างตัวนำ นอกจากนี้ ความจุยังได้รับผลกระทบจากวัสดุที่แยกเพลต

เพื่อให้เข้าใจว่าปริมาณที่กำหนดความจุส่งผลต่อความสามารถของตัวเก็บประจุในการจัดเก็บประจุอย่างไร คุณสามารถทำการทดลองทางความคิดเพื่อสร้างตัวเก็บประจุที่มีความจุมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

1. คุณสามารถลองเพิ่มพื้นที่ของจาน ซึ่งจะส่งผลให้ขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เพื่อลดขนาดของเยื่อบุด้วยอิเล็กทริกแยกพวกเขา พวกเขาจะถูกรีด (เป็นหลอด ก้อนแบน ฯลฯ)
2. อีกวิธีหนึ่งคือการลดระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก ไม่สามารถวางตัวนำไว้ใกล้ ๆ ได้เสมอไป เนื่องจากชั้นอิเล็กทริกต้องทนต่อความต่างศักย์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก ยิ่งความหนาน้อย ความเป็นฉนวนของฉนวนก็จะยิ่งต่ำลง หากคุณใช้เส้นทางนี้ จะมีเวลาที่การใช้งานจริงของตัวเก็บประจุดังกล่าวจะไม่มีความหมาย - สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำมากเท่านั้น
3. เพิ่มการซึมผ่านไฟฟ้าของอิเล็กทริก เส้นทางนี้ขึ้นอยู่กับการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตที่มีอยู่ในขณะนี้ วัสดุฉนวนต้องไม่เพียง แต่มีค่าการซึมผ่านสูง แต่ยังมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีและรักษาพารามิเตอร์ไว้ในช่วงความถี่ที่ต้องการ (ด้วยการเพิ่มความถี่ที่ตัวเก็บประจุทำงานลักษณะของอิเล็กทริกลดลง)

การติดตั้งเฉพาะทางหรือการวิจัยบางอย่างอาจใช้ตัวเก็บประจุแบบทรงกลมหรือทรงกระบอก

การสร้างตัวเก็บประจุทรงกลม

ความจุของตัวเก็บประจุทรงกลมสามารถคำนวณได้จากสูตร

C=4*π*ε*ε₀ *R1R2/(R2-R1)

โดยที่ R คือรัศมีของทรงกลมและ π=3.14

การออกแบบตัวเก็บประจุทรงกระบอก

สำหรับตัวเก็บประจุทรงกระบอก ความจุจะคำนวณดังนี้:

C=2*π*ε*ε₀ *ลิตร/ลิตร(R2/R1)

l คือความสูงของกระบอกสูบ และ R1 และ R2 คือรัศมี

โดยพื้นฐานแล้วทั้งสองสูตรไม่แตกต่างจากสูตรของตัวเก็บประจุแบบแบน ความจุถูกกำหนดโดยขนาดเชิงเส้นของเพลตเสมอ ระยะห่างระหว่างพวกมันกับคุณสมบัติของไดอิเล็กตริก

อนุกรมและการเชื่อมต่อแบบขนานของตัวเก็บประจุ

สามารถเชื่อมต่อตัวเก็บประจุ เป็นอนุกรมหรือขนานกัน, ได้ชุดที่มีคุณสมบัติใหม่

การเชื่อมต่อแบบขนาน

หากคุณเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน ความจุรวมของแบตเตอรี่ที่ได้จะเท่ากับผลรวมของความจุทั้งหมดของส่วนประกอบ หากแบตเตอรี่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุที่มีการออกแบบเดียวกัน ถือได้ว่าเป็นการเพิ่มพื้นที่ของเพลต ในกรณีนี้ แรงดันไฟในแต่ละเซลล์ของแบตเตอรี่จะเท่ากัน และประจุจะเพิ่มขึ้น สำหรับตัวเก็บประจุสามตัวที่เชื่อมต่อแบบขนาน:

• U=U₁= คุณ₂= คุณ₃;
• q=q₁+q₂+q₃;
• C=C₁+C₂+C₃.

การเชื่อมต่อแบบอนุกรม

เมื่อเชื่อมต่อแบบอนุกรม ประจุของความจุแต่ละตัวจะเท่ากัน:

q₁=q₂=q₃=q

แรงดันไฟฟ้าทั้งหมดกระจายตามสัดส่วน ความจุของตัวเก็บประจุ:

• ยู₁=q/C₁;
• ยู₂=q/C₂;
• ยู₃= q/C₃.

หากตัวเก็บประจุทั้งหมดเท่ากัน แรงดันไฟฟ้าที่เท่ากันจะลดลงในแต่ละตัวเก็บประจุ ความจุทั้งหมดพบได้ดังนี้:

С=q/( คุณ₁+คุณ₂+คุณ₃) ดังนั้น 1/С=( U₁+คุณ₂+คุณ₃)/q=1/C₁+1/ส₂+1/ส₃.

การใช้ตัวเก็บประจุในเทคโนโลยี

มีเหตุผลที่จะใช้ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้า ในความสามารถนี้ พวกเขาไม่สามารถแข่งขันกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเคมี (แบตเตอรี่กัลวานิก ตัวเก็บประจุ) เนื่องจากพลังงานที่เก็บไว้เพียงเล็กน้อยและค่อนข้างจะคายประจุได้เองอย่างรวดเร็วเนื่องจากประจุไฟฟ้ารั่วผ่านไดอิเล็กตริกแต่ความสามารถในการสะสมพลังงานเป็นเวลานานแล้วจึงใช้กันอย่างแพร่หลายเกือบจะในทันที คุณสมบัตินี้ใช้ในไฟแฟลชสำหรับการถ่ายภาพหรือหลอดไฟสำหรับการกระตุ้นด้วยเลเซอร์

ตัวเก็บประจุใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรมวิทยุและอิเล็กทรอนิกส์ ความจุถูกใช้เป็นส่วนหนึ่งของวงจรเรโซแนนซ์เป็นหนึ่งในองค์ประกอบการตั้งค่าความถี่ของวงจร (องค์ประกอบอื่นคือการเหนี่ยวนำ) นอกจากนี้ยังใช้ความสามารถของตัวเก็บประจุไม่ให้ผ่านกระแสตรงโดยไม่ทำให้องค์ประกอบตัวแปรล่าช้า แอปพลิเคชันดังกล่าวเป็นเรื่องปกติสำหรับการแยกขั้นตอนการขยายเพื่อแยกอิทธิพลของโหมด DC ของสเตจหนึ่งไปยังอีกสเตจหนึ่ง ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ใช้เป็นตัวกรองปรับให้เรียบในแหล่งจ่ายไฟ นอกจากนี้ยังมีแอปพลิเคชั่นอื่น ๆ อีกจำนวนมากของตัวเก็บประจุซึ่งคุณสมบัติของพวกมันมีประโยชน์

การออกแบบตัวเก็บประจุที่ใช้งานได้จริงบางตัว

ในทางปฏิบัติ มีการใช้ตัวเก็บประจุแบบแบนหลายแบบ การออกแบบอุปกรณ์กำหนดลักษณะและขอบเขตของอุปกรณ์

ตัวเก็บประจุแบบแปรผัน

ตัวเก็บประจุแบบแปรผัน (VPC) ชนิดทั่วไปประกอบด้วยบล็อกของแผ่นที่เคลื่อนที่ได้และคงที่ซึ่งคั่นด้วยอากาศหรือฉนวนที่เป็นของแข็ง แผ่นเพลตที่เคลื่อนที่ได้จะหมุนรอบแกน เพิ่มหรือลดพื้นที่ทับซ้อนกัน เมื่อถอดบล็อกเคลื่อนที่ออก ช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างเพลตก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของฉนวนยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ความจุถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนพื้นที่ของเพลตและระยะห่างเฉลี่ยระหว่างพวกมัน

KPI ในตำแหน่งความจุสูงสุด (ซ้าย) และขั้นต่ำ (ขวา)

ตัวเก็บประจุออกไซด์

ก่อนหน้านี้ตัวเก็บประจุดังกล่าวเรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ ประกอบด้วยแผ่นฟอยล์สองแถบคั่นด้วยกระดาษอิเล็กทริกที่ชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์ แถบแรกทำหน้าที่เป็นแผ่นเดียว แผ่นที่สองทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กทริกเป็นชั้นออกไซด์บาง ๆ บนแถบโลหะอันใดอันหนึ่งและแถบที่สองทำหน้าที่เป็นตัวสะสมกระแส

เนื่องจากชั้นออกไซด์บางมาก และอิเล็กโทรไลต์อยู่ติดกันอย่างใกล้ชิด จึงเป็นไปได้ที่จะได้รับความจุขนาดใหญ่เพียงพอด้วยขนาดปานกลาง ราคานี้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ต่ำ - ชั้นออกไซด์ไม่มีกำลังไฟฟ้าสูง ด้วยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในการทำงานจึงจำเป็นต้องเพิ่มขนาดของตัวเก็บประจุอย่างมีนัยสำคัญ

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือออกไซด์มีค่าการนำไฟฟ้าด้านเดียว ดังนั้นภาชนะดังกล่าวจึงถูกใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงที่มีขั้วเท่านั้น

ไอออนิสเตอร์

ดังที่แสดงไว้ข้างต้น วิธีการดั้งเดิมในการเพิ่มขึ้น ตัวเก็บประจุ มีข้อ จำกัด ตามธรรมชาติ ดังนั้น ความก้าวหน้าที่แท้จริงคือการสร้างไอออนิสเตอร์

แม้ว่าอุปกรณ์นี้ถือเป็นตัวเชื่อมระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ แต่โดยพื้นฐานแล้วก็ยังคงเป็นตัวเก็บประจุ

ระยะห่างระหว่างเพลตลดลงอย่างมากด้วยการใช้ชั้นไฟฟ้าสองชั้น แผ่นเปลือกโลกเป็นชั้นของไอออนที่มีประจุตรงข้ามกัน มันเป็นไปได้ที่จะเพิ่มพื้นที่ของจานอย่างรวดเร็วเนื่องจากวัสดุที่มีรูพรุนโฟม เป็นผลให้สามารถรับ supercapacitors ที่มีความจุสูงถึงหลายร้อยฟารัดโรคประจำตัวของอุปกรณ์ดังกล่าวมีแรงดันไฟฟ้าต่ำ (โดยปกติภายใน 10 โวลต์)

การพัฒนาเทคโนโลยีไม่หยุดนิ่ง - หลอดไฟจากหลายพื้นที่ถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์สองขั้วในทางกลับกันพวกมันจะถูกแทนที่ด้วย unipolar triodes เมื่อออกแบบวงจร พวกเขาพยายามกำจัดความเหนี่ยวนำในทุกที่ที่ทำได้ และตัวเก็บประจุก็ไม่สูญเสียตำแหน่งในศตวรรษที่สอง การออกแบบของพวกเขาไม่ได้เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐานตั้งแต่มีการประดิษฐ์โถเลย์เดน และไม่มีโอกาสที่จะยุติอาชีพการงาน

ตัวเก็บประจุคืออะไร ใช้ที่ไหนและทำไมจึงจำเป็น

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกคืออะไร

การกำหนดความจุของตัวเก็บประจุแบบอนุกรมหรือแบบขนาน - สูตร

จะวัดความจุของตัวเก็บประจุด้วยมัลติมิเตอร์ได้อย่างไร?

ตัวเก็บประจุคืออะไร ประเภทของตัวเก็บประจุและการใช้งานคืออะไร

ความเหนี่ยวนำคืออะไร วัดจากอะไร สูตรพื้นฐาน