ตัวเก็บประจุ: วัตถุประสงค์ อุปกรณ์ หลักการทำงาน ศักยภาพของตัวเก็บประจุแบบแบนของตัวเก็บประจุ

องค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่พบบ่อยที่สุดอย่างหนึ่งคือตัวเก็บประจุ ในการสนทนา องค์ประกอบดังกล่าวเรียกว่า “ความสามารถ” การออกแบบที่ง่ายที่สุดสำหรับการผลิตและการคำนวณ - ตัวเก็บประจุแบบแบน

ตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานคืออะไร

แนวคิดนี้หมายถึงโครงสร้างที่ประกอบด้วยแผ่นเปลือกโลกสองแผ่นขนานกัน ระยะห่างระหว่างพวกเขาควรจะมากกว่าขนาดของแผ่นเปลือกโลกหลายเท่า ในกรณีนี้ คุณสามารถละเลยเอฟเฟกต์ของขอบได้ มิฉะนั้นผลกระทบเหล่านี้จะกลายเป็น คุ้มค่ามากและสูตรการคำนวณกำลังการผลิตก็ซับซ้อนเกินไป

สำคัญ!อีกชื่อหนึ่งของแผ่นเหล่านี้คือแผ่น

อิเล็กโทรดแต่ละตัวจะสร้างสนามไฟฟ้าขนาดเท่ากันและทิศทางตรงกันข้ามรอบๆ ตัวมันเอง: ในแผ่นที่มีประจุบวก q+ และในประจุลบ q-

ในตัวเก็บประจุแบบแบน สนามไฟฟ้าจะอยู่ระหว่างแผ่นเปลือกโลกและมีความสม่ำเสมอ ความตึงคำนวณโดยสูตร:

E∑=qεε0*S โดยที่:

• q – ประจุอิเล็กโทรด;
• S คือพื้นที่ของแผ่นเปลือกโลก
• ε คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุระหว่างพวกมัน - พารามิเตอร์ที่กำหนดว่าอิทธิพลของประจุที่มีต่อกันจะแรงกว่าในสุญญากาศกี่ครั้ง ;
• Fmε0=8.85*10−12 F/m – ค่าคงที่ทางไฟฟ้า

อะไรเป็นตัวกำหนดความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ?

ในการคำนวณความจุจะใช้สูตร:

C=ε*ε0*Sd โดยที่:

• S คือพื้นที่ของแผ่นเปลือกโลก
• d คือระยะห่างระหว่างพวกเขา
• Fmε0=8.85*10−12 F/m – ค่าคงที่ทางไฟฟ้า;
• ε คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุฉนวนที่อยู่ระหว่างอิเล็กโทรด

ดังนั้นความจุจึงขึ้นอยู่กับพื้นที่ของแผ่นระยะห่างระหว่างแผ่นเหล่านั้นกับค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุฉนวน

เพื่อลดขนาดจะมีการม้วน "แซนวิช" ของอิเล็กโทรดแบบแบนที่มีฉนวนกั้นไว้ โดยมีเงื่อนไขว่าความหนาของฉนวนมีขนาดเล็กกว่ารัศมีของกระบอกสูบหลายเท่าจึงสามารถละเลยส่วนหลังได้

อีกวิธีหนึ่งในการเพิ่มความจุคือการลดระยะห่างระหว่างแผ่นในขณะที่ความแรงทางไฟฟ้าลดลง - แรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุแตกและทำงานล้มเหลว

น่าสนใจ.ในตัวเก็บประจุชนิดใหม่ - ไอโอนิสเตอร์, ถ่านกัมมันต์หรือกราฟีนถูกใช้เป็นแผ่น, โครงสร้างที่มีรูพรุนซึ่งช่วยให้ความจุขององค์ประกอบเพิ่มขึ้นได้หลายครั้ง (มากถึงหลายฟารัด)

การชาร์จและการคายประจุตัวเก็บประจุ

พาหะประจุในโลหะเป็นอิเล็กตรอนอิสระ เมื่ออุปกรณ์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า: แบตเตอรี่ แอคคิวมูเลเตอร์ หรือเมน อิเล็กตรอนจากเพลตที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่จะไหลเข้าสู่แหล่งพลังงาน และเพลตจะถูกชาร์จด้วยประจุบวก อิเล็กตรอนจะเริ่มไหลเข้าสู่แผ่นที่เชื่อมต่อกับขั้วลบ กระบวนการนี้แสดงไว้ในภาพด้านล่าง

ในเวลาเดียวกัน ความแรงของสนามไฟฟ้าในอุปกรณ์ระหว่างอิเล็กโทรดและแรงดันไฟฟ้าบนอุปกรณ์จะเพิ่มขึ้น กระบวนการนี้จะสิ้นสุดเมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วขององค์ประกอบเท่ากับแรงดันไฟหลัก ในเวลาเดียวกันพลังงานจำนวนหนึ่งจะถูกเก็บไว้ข้างในซึ่งคำนวณโดยสูตร:

E = (U²* C)/2 โดยที่:

• E – พลังงาน (J);
• U – แรงดันไฟฟ้า (V);
• C – ความจุ (µF)

เมื่ออุปกรณ์เชื่อมต่อกับวงจรโหลด อิเล็กตรอนส่วนเกินจากขั้วลบผ่านโหลดจะเริ่มไหลเข้าสู่ขั้วบวก การเคลื่อนไหวนี้จะสิ้นสุดเมื่อศักยภาพระหว่างเทอร์มินัลเท่ากัน

กระบวนการนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในทันที ซึ่งทำให้สามารถใช้ตัวเก็บประจุเป็นตัวกรองที่ทำให้แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมในเครือข่ายเรียบขึ้น

สำคัญ!ตัวเก็บประจุที่มีประจุไม่ผ่าน กระแสตรง เนื่องจากอิเล็กทริกระหว่างแผ่นของมันจะเปิดวงจร

การคำนวณความจุของตัวเก็บประจุแบบแบน

ความจุของอุปกรณ์ในอุดมคติซึ่งมีอากาศระหว่างเพลตสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:

Co=Q/U โดยที่:

• ความจุร่วม;
• ถาม - ชาร์จบนเพลตอุปกรณ์อันใดอันหนึ่ง
• U - ความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้ว

พารามิเตอร์นี้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและประจุสะสมเท่านั้น แต่จะเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกและประเภทของอิเล็กทริกระหว่างแผ่นเหล่านั้น สิ่งนี้นำมาพิจารณาในสูตร:

С=Co*ε โดยที่:

• C – ความจุจริง
• ร่วม – อุดมคติ;
• ε – ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุฉนวน

หน่วยความจุคือ 1 ฟารัด (1F, 1F) นอกจากนี้ยังมีปริมาณน้อยกว่า:

• ไมโครฟารัด (1uF, 1mkF) 1000000mkF=1F;
• พิโคฟารัด (1pF, 1pF) 1000000pF=1mkF

แรงดันไฟฟ้าที่อนุญาต

นอกจากความจุแล้ว พารามิเตอร์สำคัญที่ส่งผลต่อการใช้องค์ประกอบและขนาดของมันคือแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาต นี่คือขนาดของความต่างศักย์ที่ขั้วของอุปกรณ์เมื่อเกินจะเกิดการพังทลายทางไฟฟ้าของอิเล็กทริกระหว่างแผ่น ไฟฟ้าลัดวงจรภายในโครงสร้างและความล้มเหลว

หากไม่มีองค์ประกอบที่มีพารามิเตอร์ที่จำเป็น คุณสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่มีอยู่เข้าด้วยกันได้

การเชื่อมต่อมีสามประเภท: แบบอนุกรม แบบขนาน และแบบผสม ซึ่งเป็นการรวมกันของแบบขนานและแบบอนุกรม

การคำนวณการเชื่อมต่อแบบอนุกรม

ด้วยการเชื่อมต่อประเภทนี้ ค่าใช้จ่ายบนเพลตทั้งหมดจะเท่ากัน:

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงานจ่ายให้กับขั้วภายนอกขององค์ประกอบภายนอกเท่านั้น ในกรณีนี้ การถ่ายโอนประจุจะเกิดขึ้นจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรด

แรงดันไฟฟ้ามีการกระจายตามสัดส่วนผกผันกับความจุ:

U1 = Q/C1, U2 = Q/C2,…,Un=Q/Cn

แรงดันไฟฟ้าสุดท้ายเท่ากับแรงดันไฟหลัก:

Uset=U1+U2+…+อูน

ความจุที่เท่ากันถูกกำหนดโดยสูตร:

• С=Q/U=Q/(U1+U2+…+Un)
• С=1/С1+1/С2+…+1/Cn,
• หรือการเติมสารนำไฟฟ้า

อ้างอิง.การนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของความต้านทาน

การคำนวณการเชื่อมต่อแบบขนาน

ที่ การเชื่อมต่อแบบขนานวัสดุบุผิวขององค์ประกอบเชื่อมต่อกันเป็นคู่ แรงดันไฟฟ้าบนอุปกรณ์ทั้งหมดมีค่าเท่ากัน และค่าใช้จ่ายจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความจุ:

Q1=C1U, Q2=C2U,…Qn=CnU

ค่าใช้จ่ายรวมของระบบเท่ากับยอดรวมขององค์ประกอบทั้งหมด:

ก ความจุรวมเท่ากับจำนวนรวมของอุปกรณ์ทั้งหมด:

C=Q/U=(Q1+Q2+…+Qn)/U=C1+C2+…Cn

วิธีตรวจสอบความจุของตัวเก็บประจุ

หากไม่มีเครื่องหมายบนตัวเครื่องหรือมีข้อสงสัยเกี่ยวกับความสามารถในการซ่อมบำรุง ความจุของตัวเก็บประจุจะถูกกำหนดด้วยมัลติมิเตอร์ที่มีฟังก์ชั่นที่เหมาะสม หรือใช้โวลต์มิเตอร์และแอมมิเตอร์แบบธรรมดา

ตรวจสอบโดยการวัดเวลาในการชาร์จ

เมื่อเชื่อมต่อองค์ประกอบ capacitive เข้ากับเครือข่าย ดี.ซีผ่านความต้านทาน แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อจะเพิ่มขึ้นตามกราฟเอ็กซ์โปเนนเชียล และในช่วงเวลาหนึ่ง 3R*C จะกลายเป็นเท่ากับ 95% U ของเครือข่าย

ดังนั้นเมื่อทราบค่าของตัวต้านทานแล้วพารามิเตอร์ของตัวเก็บประจุจึงถูกกำหนดโดยสูตร:

ค่าตัวต้านทานขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่คาดหวังขององค์ประกอบที่กำลังวัดและถูกกำหนดโดยการทดลอง

สำคัญ!เมื่อใช้วิธีนี้ คุณสามารถกำหนดความจุของตัวเก็บประจุได้ตั้งแต่ 0.25 µF ขึ้นไป

การวัดความจุ

นอกจากการระบุเวลาในการชาร์จแล้ว คุณยังสามารถทราบความจุไฟฟ้าได้ด้วย ขึ้นอยู่กับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของอุปกรณ์:

Xc=1/2*π*f*C โดยที่:

• Xc – ความจุ;
• π – หมายเลข “pi” (3.14);
• f - ความถี่หลัก (ในซ็อกเก็ต 50Hz);
• C คือความจุของตัวเก็บประจุ

เมื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุเข้ากับเครือข่าย Xc สามารถกำหนดได้สองวิธี:

• รู้แรงดันเครือข่ายและกระแสที่ไหลอยู่ในนั้นตามกฎของโอห์ม:

• เชื่อมต่อตัวต้านทาน 10 kOhm อนุกรมกับองค์ประกอบที่จะวัด วัดแรงดันไฟฟ้าของชิ้นส่วนทั้งหมด และสูตร Xc=(Ur*Uc)/R จะกำหนดความจุ

การตรวจสอบความสามารถในการให้บริการกับผู้ทดสอบ

หากจำเป็นต้องตรวจสอบความสามารถในการให้บริการ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แต่ไม่สามารถทำการวัดในระยะยาวได้ ซึ่งสามารถทำได้ด้วยเครื่องทดสอบหรือเครื่องทดสอบ LED ในการดำเนินการนี้ คุณจะต้องเชื่อมต่อเครื่องทดสอบเข้ากับเทอร์มินัล บนอุปกรณ์ที่ใช้งานได้ในระหว่างการชาร์จผู้ทดสอบจะแสดงวงจรและหลังจากเสร็จสิ้น - วงจรเปิด เมื่อกลับขั้ว เวลาในการชาร์จจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

ความรู้เกี่ยวกับวิธีการคำนวณและทดสอบความจุของตัวเก็บประจุแบบแบนเป็นสิ่งจำเป็นในการออกแบบและซ่อมแซมเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

วีดีโอ

หนึ่งในที่ใช้บ่อยที่สุด ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เป็น ตัวเก็บประจุ- และในบทความนี้เราจะต้องพิจารณาว่าประกอบด้วยอะไรบ้าง ทำงานอย่างไร และใช้เพื่ออะไร :)

มาดูกันก่อนเลย อุปกรณ์ตัวเก็บประจุจากนั้นเราจะไปยังประเภทและคุณลักษณะหลักอย่างราบรื่น รวมถึงกระบวนการชาร์จ/คายประจุ อย่างที่คุณเห็นวันนี้เรามีสิ่งที่น่าสนใจมากมายให้สำรวจ😉

ดังนั้นตัวเก็บประจุที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยแผ่นตัวนำแบนสองแผ่นที่วางขนานกันและคั่นด้วยชั้นอิเล็กทริก นอกจากนี้ระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกควรน้อยกว่าขนาดของแผ่นเปลือกโลก:

อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า ตัวเก็บประจุแบบแบนและจาน- แผ่นตัวเก็บประจุ- เป็นเรื่องที่ควรชี้แจงว่าที่นี่เรากำลังพิจารณาตัวเก็บประจุที่มีประจุอยู่แล้ว (เราจะศึกษากระบวนการชาร์จเองในภายหลัง) นั่นคือประจุบางอย่างจะกระจุกตัวอยู่บนจาน ยิ่งไปกว่านั้น สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือในกรณีที่ประจุของแผ่นตัวเก็บประจุมีขนาดเท่ากันและมีเครื่องหมายตรงกันข้าม (ดังรูป)

และเนื่องจากประจุกระจุกตัวอยู่บนแผ่นเปลือกโลก สนามไฟฟ้าจึงปรากฏขึ้นระหว่างแผ่นทั้งสอง ดังแสดงโดยลูกศรในแผนภาพของเรา สนามของตัวเก็บประจุแบบแบนส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่ระหว่างแผ่นเปลือกโลก อย่างไรก็ตาม สนามไฟฟ้าก็เกิดขึ้นในพื้นที่โดยรอบด้วย ซึ่งเรียกว่าสนามรั่ว บ่อยครั้งที่อิทธิพลในงานถูกละเลย แต่คุณไม่ควรลืม :)

ในการกำหนดขนาดของสนามข้อมูลนี้ ให้พิจารณาการแสดงแผนผังอื่นของตัวเก็บประจุแบบแบน:

แผ่นตัวเก็บประจุแต่ละแผ่นจะสร้างสนามไฟฟ้าแยกจากกัน:

การแสดงออกของความแรงของสนามของแผ่นที่มีประจุสม่ำเสมอมีดังนี้:

นี่คือความหนาแน่นประจุที่พื้นผิว: A คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของไดอิเล็กทริกที่อยู่ระหว่างแผ่นตัวเก็บประจุ เนื่องจากพื้นที่ของแผ่นตัวเก็บประจุเท่ากันเช่นเดียวกับขนาดของประจุดังนั้นโมดูลความแรงของสนามไฟฟ้าจึงเท่ากัน:

แต่ทิศทางของเวกเตอร์นั้นแตกต่างกัน - ภายในตัวเก็บประจุเวกเตอร์จะถูกกำกับไปในทิศทางเดียวและด้านนอก - ไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นภายในแผ่นเปลือกโลกสนามผลลัพธ์จึงถูกกำหนดดังนี้:

แรงดันไฟภายนอกตัวเก็บประจุจะเป็นเท่าใด? และทุกอย่างก็เรียบง่าย - ทางด้านซ้ายและขวาของแผ่นเปลือกโลก สนามของแผ่นเปลือกโลกจะชดเชยซึ่งกันและกันและความตึงเครียดที่เกิดขึ้นคือ 0 :)

กระบวนการชาร์จและคายประจุตัวเก็บประจุ

เราหาอุปกรณ์ได้แล้ว ทีนี้มาดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ DC เข้ากับตัวเก็บประจุ บนพื้นฐาน ไดอะแกรมไฟฟ้าตัวเก็บประจุถูกกำหนดดังนี้:

ดังนั้นเราจึงเชื่อมต่อแผ่นตัวเก็บประจุเข้ากับขั้วของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง จะเกิดอะไรขึ้น?

อิเล็กตรอนอิสระตั้งแต่จานแรก ตัวเก็บประจุจะพุ่งไปที่ขั้วบวกของแหล่งกำเนิด ดังนั้นอนุภาคที่มีประจุลบบนจานจึงจะขาดและจะกลายเป็นประจุบวก ในเวลาเดียวกันอิเล็กตรอนจากขั้วลบของแหล่งกำเนิดปัจจุบันจะเคลื่อนที่ไปยังแผ่นที่สองของตัวเก็บประจุซึ่งเป็นผลมาจากการมีอิเล็กตรอนส่วนเกินปรากฏอยู่บนนั้นดังนั้นแผ่นจึงมีประจุลบ ดังนั้นประจุของสัญญาณต่าง ๆ จึงเกิดขึ้นบนแผ่นของตัวเก็บประจุ (นี่คือกรณีที่เราพิจารณาในส่วนแรกของบทความ) ซึ่งนำไปสู่การปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าที่จะสร้างค่าที่แน่นอนระหว่างแผ่นของ ตัวเก็บประจุ กระบวนการชาร์จจะดำเนินต่อไปจนกว่าความต่างศักย์จะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า หลังจากนั้นกระบวนการชาร์จจะสิ้นสุด และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านวงจรจะหยุดลง

เมื่อตัดการเชื่อมต่อจากแหล่งกำเนิด ตัวเก็บประจุสามารถเก็บประจุสะสมไว้ได้เป็นเวลานาน ดังนั้นตัวเก็บประจุที่มีประจุจึงเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าซึ่งหมายความว่าสามารถปล่อยพลังงานออกสู่วงจรภายนอกได้ มาสร้างวงจรง่ายๆ เพียงเชื่อมต่อแผ่นตัวเก็บประจุเข้าด้วยกัน:

ในกรณีนี้วงจรจะเริ่มไหล กระแสประจุของตัวเก็บประจุและอิเล็กตรอนจะเริ่มเคลื่อนที่จากแผ่นที่มีประจุลบไปยังแผ่นบวก เป็นผลให้แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวเก็บประจุ (ความต่างศักย์ระหว่างเพลต) จะเริ่มลดลง กระบวนการนี้จะสิ้นสุดในขณะที่ประจุของเพลตตัวเก็บประจุเท่ากัน ดังนั้นสนามไฟฟ้าระหว่างเพลตจะหายไปและกระแสหยุดไหลผ่านวงจร นี่คือวิธีที่ตัวเก็บประจุคายประจุซึ่งเป็นผลมาจากการที่มันปล่อยพลังงานที่สะสมทั้งหมดออกสู่วงจรภายนอก

อย่างที่คุณเห็นไม่มีอะไรซับซ้อนที่นี่ :)

ความจุและพลังงานของตัวเก็บประจุ

ลักษณะที่สำคัญที่สุดคือความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ - ปริมาณทางกายภาพที่กำหนดเป็นอัตราส่วนของประจุของตัวเก็บประจุของตัวนำตัวใดตัวหนึ่งต่อความต่างศักย์ระหว่างตัวนำ:

ความจุวัดเป็นฟารัด แต่ 1 F มีขนาดค่อนข้างใหญ่ ดังนั้น ความจุไฟฟ้าจึงมักวัดเป็นไมโครฟารัด (µF), นาโนฟารัด (nF) และพิโคฟารัด (pF)

และเนื่องจากเราได้สูตรคำนวณแรงดันไฟฟ้ามาแล้ว จึงขอแสดงแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวเก็บประจุได้ดังนี้

ตรงนี้เราได้คือระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกของตัวเก็บประจุ และคือประจุของตัวเก็บประจุ ลองใช้สูตรนี้แทนค่าความจุของตัวเก็บประจุ:

หากเราใช้อากาศเป็นอิเล็กทริก เราก็สามารถทดแทนในทุกสูตรได้

สำนวนต่อไปนี้ใช้ได้กับพลังงานที่สะสมของตัวเก็บประจุ:

นอกจากความจุแล้ว ตัวเก็บประจุยังมีคุณสมบัติอีกพารามิเตอร์หนึ่งคือปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่อิเล็กทริกสามารถทนได้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงเกินไป อิเล็กตรอนของอิเล็กทริกจะถูกแยกออกจากอะตอม และอิเล็กทริกจะเริ่มนำกระแส ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการพังทลายของตัวเก็บประจุ และเป็นผลให้เพลตเกิดการลัดวงจรซึ่งกันและกัน ที่จริงแล้วลักษณะที่มักใช้เมื่อทำงานกับตัวเก็บประจุไม่ใช่แรงดันพังทลาย แต่เป็น แรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการ– นั่นคือค่าแรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุสามารถทำงานได้ไม่จำกัด เป็นเวลานานและจะไม่เกิดการแตกหัก

โดยทั่วไป วันนี้เรามาดูคุณสมบัติพื้นฐานของตัวเก็บประจุ โครงสร้างและคุณลักษณะของตัวเก็บประจุ ดังนั้นเราจะจบบทความเพียงเท่านี้ และในบทความถัดไปเราจะพูดถึงตัวเลือกต่างๆ ในการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุ ดังนั้น โปรดเยี่ยมชมเว็บไซต์ของเราอีกครั้ง!

ปัญหา 3.7.การชุบคอนเดนเซอร์อากาศแบบเรียบพร้อมพื้นที่ สแต่ละประจุมีความหนาแน่นประจุพื้นผิว +s และ –s พวกเขาดึงดูดด้วยพลังอะไร?

หยุด! ตัดสินใจด้วยตัวเอง: A17–A19, B10

ผู้อ่าน: แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างแผ่นเปลือกโลกจะเปลี่ยนไปอย่างไรหากมีการนำอิเล็กทริกเข้ามาระหว่างแผ่นทั้งสอง

ผู้อ่าน: ทำไม? ท้ายที่สุดความแรงของสนามจะลดลง e เท่าเหรอ?

ผู้เขียน: แรงดันไฟฟ้าจะลดลงเฉพาะในอิเล็กทริกเท่านั้น หากอย่างน้อยมีช่องว่างเล็ก ๆ ระหว่างอิเล็กทริกและแผ่นสนามในช่องว่างนี้จากการแนะนำอิเล็กทริกจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่อย่างใดซึ่งหมายความว่าแรงดึงดูดของแผ่นเปลือกโลกจะไม่เปลี่ยนแปลง (รูปที่. 3.5)

ผู้อ่าน: แล้วถ้าไม่มีช่องว่างเลยล่ะ? ตัวอย่างเช่น จะเกิดอะไรขึ้นถ้าอิเล็กทริกเป็นของเหลว?

ผู้เขียน: การไม่มี Gap จะไม่เปลี่ยนแปลงอะไร ในกรณีนี้ระนาบที่มีประจุแตกต่างกันอีกสองระนาบซึ่งเกิดจากประจุโพลาไรเซชันจะปรากฏในช่องว่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก (รูปที่ 3.6) เนื่องจากประจุของระนาบเหล่านี้มีขนาดเท่ากันและมีเครื่องหมายตรงกันข้าม ผลรวมของประจุที่มีต่อแผ่นประจุบวกจึงเป็นศูนย์ ดังนั้น แรงที่แผ่นขั้วลบกระทำต่อแผ่นขั้วบวกจะไม่เปลี่ยนแปลง

ผู้อ่าน: จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราใส่อิเล็กทริกเข้าไปในตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า?

หยุด! ตัดสินใจด้วยตัวเอง: Q11.

ปัญหา 3.8.แผ่นของตัวเก็บประจุอากาศแบบเรียบจะถูกชาร์จดังแสดงในรูปที่ 1 3.7. กำหนดความจุของตัวเก็บประจุและความแรงของสนามภายในตัวเก็บประจุ ครอบคลุมพื้นที่ สระยะห่างระหว่างพวกเขา ง.

ผู้อ่าน: และความตึงเครียดจะต้องถูกแสวงหาเป็นการทับซ้อนของทุ่งนาและ

ตัวเก็บประจุแบบแบนคือระบบอิเล็กโทรดของแผ่นขนานสองแผ่นที่เรียกว่าแผ่นตัวเก็บประจุ ระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกมักจะน้อยกว่าความยาวและความกว้างมาก ภายใต้สภาวะดังกล่าว ประจุเกือบทั้งหมดจะมีการกระจายเกือบสม่ำเสมอบนพื้นผิวภายในของแผ่นเปลือกโลก ในช่องว่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกซึ่งอยู่ห่างจากขอบสนามจะมีความสม่ำเสมอเช่น เวกเตอร์ความแรงของสนาม อีคงที่และปรับทิศทางให้เป็นปกติกับพื้นผิวของแผ่น เส้นสนามเป็นเส้นตรงที่ขนานกับเส้นปกติ เพื่ออธิบายระบบอิเล็กโทรดดังกล่าว เราใช้ระบบพิกัดคาร์ทีเซียนกับแกน เอ็กซ์ขนานกับเส้นปกติกับพื้นผิว และจุดกำเนิดอยู่ที่ศูนย์กลางของตัวเก็บประจุที่กึ่งกลางของระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก การใช้คำจำกัดความของการกระจัดทางไฟฟ้า (1.22)-(1.23) เราสามารถเขียนได้:

, (2.23)

โดยที่ s= ถาม/ส– ความหนาแน่นประจุที่พื้นผิวบนแผ่นซึ่งเป็นค่าคงที่ห่างจากขอบของแผ่น ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดยการแก้พื้นฐานของสมการลาปลาซ (2.1) การเปรียบเทียบนิพจน์ (2.1) และ (2.23) เราจะกำหนดค่าคงที่การรวม กับ 1:

และ (2.24)

ให้ศักย์ j = 0 ที่จุดกึ่งกลางระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุที่ เอ็กซ์= 0 จากนั้น กับ 2 = 0 แรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่นตัวเก็บประจุคือ:

, ที่ไหน และ (2.25)

พื้นผิวที่มีศักย์เท่ากันคือระนาบที่ขนานกับแผ่นเปลือกโลก ( x= ค่าคงที่) ที่ การแสดงกราฟิกสนามของตัวเก็บประจุแบบแบน ระยะห่างระหว่างพื้นผิวที่มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากันจะต้องเท่ากัน เพื่อให้ศักย์ไฟฟ้าต่างกันด้วยปริมาณที่เท่ากัน ค่าตัวเก็บประจุ ถาม= ส× ส, ที่ไหน ส- บริเวณซับใน. ความจุของตัวเก็บประจุคือ

คุณสามารถค้นหาระบบตัวนำที่มีความจุไฟฟ้าสูงมากได้ในเครื่องรับวิทยุหรือซื้อในร้านค้า มันเรียกว่าตัวเก็บประจุ ตอนนี้คุณจะได้เรียนรู้ว่าระบบดังกล่าวมีโครงสร้างอย่างไรและความจุไฟฟ้าขึ้นอยู่กับอะไร

ตัวเก็บประจุระบบตัวนำไฟฟ้า 2 เส้น เรียกว่า ตัวเก็บประจุตัวเก็บประจุประกอบด้วยตัวนำสองตัวคั่นด้วยชั้นอิเล็กทริกซึ่งมีความหนาน้อยเมื่อเทียบกับขนาดของตัวนำ ตัวนำในกรณีนี้เรียกว่า แผ่นตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุแบบแบนที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยแผ่นขนานที่เหมือนกันสองแผ่นซึ่งอยู่ห่างจากกันเล็กน้อย (รูปที่ 1) หากประจุของแผ่นเปลือกโลกมีขนาดเท่ากันและมีเครื่องหมายตรงกันข้าม เส้นสนามไฟฟ้าจะเริ่มต้นบนแผ่นที่มีประจุบวกของตัวเก็บประจุและสิ้นสุดที่แผ่นที่มีประจุลบ ดังนั้นสนามไฟฟ้าเกือบทั้งหมดจึงกระจุกตัวอยู่ภายในตัวเก็บประจุ

สำหรับตัวเก็บประจุทรงกลมที่ประกอบด้วยทรงกลมที่มีศูนย์กลางสองทรงกลม สนามทั้งหมดจะกระจุกตัวอยู่ระหว่างพวกมัน

ในการชาร์จตัวเก็บประจุ คุณต้องเชื่อมต่อแผ่นของมันเข้ากับขั้วของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า เช่น กับขั้วของแบตเตอรี่ คุณยังสามารถต่อแผ่นหนึ่งเข้ากับขั้วแบตเตอรี่ โดยอีกขั้วหนึ่งต่อสายดิน และต่อสายดินแผ่นที่สองของตัวเก็บประจุ จากนั้นประจุจะคงอยู่บนแผ่นที่ต่อสายดิน ตรงข้ามกับเครื่องหมายและมีขนาดเท่ากับประจุของแผ่นอีกแผ่นหนึ่ง ประจุโมดูลัสเดียวกันจะตกสู่พื้น

ประจุของตัวเก็บประจุนั้นเข้าใจว่าเป็นค่าสัมบูรณ์ของประจุบนแผ่นใดแผ่นหนึ่ง

ความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุถูกกำหนดโดยสูตร

สนามไฟฟ้าของวัตถุโดยรอบแทบจะไม่ทะลุเข้าไปในตัวเก็บประจุและไม่ส่งผลกระทบต่อความต่างศักย์ระหว่างแผ่นของมัน ดังนั้นความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจึงไม่ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของวัตถุอื่นที่อยู่ใกล้เคียง

ตัวเก็บประจุตัวแรกที่เรียกว่าขวดเลย์เดนถูกสร้างขึ้นในกลางศตวรรษที่ 18 พบว่ามีตะปูที่สอดเข้าไปในขวดแก้วที่มีสารปรอทสะสมอยู่เป็นจำนวนมาก ค่าไฟฟ้า- ในตัวเก็บประจุดังกล่าว ปรอททำหน้าที่เป็นแผ่นเดียว และฝ่ามือของผู้ทดลองที่ถือขวดทำหน้าที่เป็นอีกแผ่นหนึ่ง ต่อจากนั้นทั้งสองแผ่นเริ่มทำจากทองเหลืองหรือสตานิออลบาง ๆ

ความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบแบนรูปทรงของตัวเก็บประจุแบบแบนถูกกำหนดโดยพื้นที่ S ของเพลตและระยะห่าง งระหว่างแผ่นเปลือกโลก ความจุของตัวเก็บประจุแบบแผ่นเรียบควรขึ้นอยู่กับค่าเหล่านี้ ยิ่งพื้นที่ของแผ่นเปลือกโลกมีขนาดใหญ่เท่าใดประจุก็จะยิ่งสะสมได้มากขึ้นเท่านั้น: คิว~สในทางกลับกัน แรงดันไฟฟ้าระหว่างเพลตตามสูตรจะเป็นสัดส่วนกับระยะห่างระหว่างเพลตเหล่านั้น ดังนั้นความจุ