Что такое конденсатор и как он работает? – Физика и приложения

<основной класс="главный сайт" id="главный">

В этом уроке мы узнаем, что такое конденсатор, как он работает, и рассмотрим несколько основных примеров его применения. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

Обзор

Почти нет схемы, в которой не было бы конденсатора, и наряду с резисторами и катушками индуктивности они являются основными пассивными компонентами, которые мы используем в электронике.

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это устройство, способное накапливать энергию в виде электрического заряда. По сравнению с батареей того же размера конденсатор может хранить гораздо меньше энергии, примерно в 10 000 раз меньше, но достаточно полезен для очень многих схем.

Конструкция конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком. Пластины являются проводящими и обычно изготавливаются из алюминия, тантала или других металлов, в то время как диэлектрик может быть изготовлен из любого изоляционного материала, такого как бумага, стекло, керамика или что-либо, что препятствует прохождению тока.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах, прямо пропорциональна площади поверхности двух пластин, а также диэлектрической проницаемости ε диэлектрика, причем чем меньше расстояние между пластинами, тем больше емкость. При этом давайте посмотрим, как работает конденсатор.

Как работает конденсатор

Во-первых, мы можем отметить, что металл обычно содержит равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, что означает, что он электрически нейтрален.

Если мы подключим источник питания или батарею к металлическим пластинам конденсатора, ток попытается протечь, или электроны с пластины, подключенной к положительному выводу батареи, начнут двигаться к пластине, подключенной к отрицательному выводу батареи. батарея. Однако из-за диэлектрика между пластинами электроны не смогут пройти через конденсатор, поэтому они начнут скапливаться на пластине.

После того, как определенное количество электроники накопится на пластине, у батареи будет недостаточно энергии, чтобы подтолкнуть любую новую электронику к входу в пластину из-за отталкивания той электроники, которая уже есть.

В этот момент конденсатор фактически полностью заряжен. На первой пластине образовался суммарный отрицательный заряд, а на второй пластине - равный суммарный положительный заряд, создавая между ними электрическое поле с силой притяжения, которая удерживает заряд конденсатора.

Принцип работы конденсатора с диэлектриком

Давайте посмотрим, как диэлектрик может увеличить емкость конденсатора. Диэлектрик содержит полярные молекулы, что означает, что они могут менять свою ориентацию в зависимости от зарядов на двух пластинах. Таким образом, молекулы выравниваются с электрическим полем таким образом, что к отрицательной пластине притягивается больше электронов, а от положительной пластины отталкивается больше электронов.

Таким образом, когда он полностью заряжен, если мы вытащим аккумулятор, он будет удерживать электрический заряд в течение длительного времени, выступая в качестве накопителя энергии.

Теперь, если мы закоротим два конца конденсатора через нагрузку, через нагрузку начнет протекать ток. Накопленные электроны с первой пластины начнут двигаться ко второй пластине, пока обе пластины снова не станут электрически нейтральными.

Итак, это основной принцип работы конденсатора, а теперь давайте рассмотрим несколько примеров его применения.

Применение конденсаторов

Развязывающие (шунтирующие) конденсаторы

Типичным примером являются развязывающие конденсаторы или обходные конденсаторы. Они часто используются вместе с интегральными схемами и размещаются между источником питания и землей микросхемы.

Их работа состоит в том, чтобы фильтровать любые помехи в источнике питания, такие как пульсации напряжения, которые возникают, когда источник питания в течение очень короткого периода времени падает, или когда часть цепи переключается, вызывая колебания в источнике питания. В момент падения напряжения конденсатор будет временно действовать как источник питания, минуя основной источник питания.

Преобразователь переменного тока в постоянный

Другим типичным примером применения являются конденсаторы, используемые в адаптерах постоянного тока. Для преобразования переменного напряжения в постоянное обычно используется диодный выпрямитель, но без помощи конденсаторов он не справится.

Выход выпрямителя представляет собой сигнал. Таким образом, пока выходная мощность выпрямителя возрастает, конденсатор заряжается, а пока выходная мощность выпрямителя снижается, конденсатор разряжается и, таким образом, сглаживает выход постоянного тока.

По теме: Что такое триггер Шмитта и как он работает

Фильтрация сигналов

Фильтрация сигналов — еще один пример применения конденсаторов. Благодаря особому времени отклика они способны блокировать низкочастотные сигналы, пропуская при этом более высокие частоты.

Это используется в радиоприемниках для отключения нежелательных частот и в схемах кроссовера внутри динамиков для разделения низких частот для низкочастотного динамика и высоких частот для твитера.

Конденсаторы как накопители энергии

Другое довольно очевидное применение конденсаторов — хранение и подача энергии. Хотя они могут накапливать значительно меньше энергии по сравнению с батареями того же размера, их срок службы намного выше, и они способны отдавать энергию намного быстрее, что делает их более подходящими для приложений, где требуется большой импульс мощности.

Это все, что касается этого урока. Не стесняйтесь задавать любые вопросы в разделе комментариев ниже.