Электрические поля и конденсаторы: основы, функциональность и проектирование

Введение

Когда напряжение приложено к двум разделенным проводникам, в промежуточном пространстве возникает электрическое поле. В базовой электронике мы анализируем взаимодействие напряжения, тока и сопротивления внутри проводящих путей, но поля выходят за пределы материи и описывают силы, действующие через пустое пространство.

Хотя концепция «поля» может казаться абстрактной — поля не имеют массы или вещества — они повсюдны. Повседневные магниты оказывают невидимые магнитные поля, притягивающие или отталкивающие друг друга, а статическое электричество — знакомый пример электрических полей, генерируемых несбалансированными зарядами.

В этой главе мы фокусируемся на электрических полях и конденсаторах, использующих их, исследуя, как разности напряжений создают поля, как эти поля накапливают энергию и как конденсаторы сопротивляются изменениям напряжения.

Электрическое поле

Всякий раз, когда напряжение существует между двумя точками, в пространстве между ними появляется электрическое поле. Это поле оказывает силу на заряженные частицы и может быть оценено по его силе поля (толчок, который поле оказывает на расстоянии) и потоку поля (общий эффект поля сквозь пространство). Эти концепции аналогичны напряжению (толчок) и току (поток) в проводнике, за исключением того, что поток поля может существовать в пустом пространстве, в то время как ток требует свободных электронов.

Как сопротивление проводника ограничивает ток, так диэлектрический материал, разделяющий два проводника, ограничивает поток поля. Количество возникающего потока пропорционально приложенной силе поля и обратно пропорционально противлению диэлектрика.

Поскольку электроны не могут накапливаться на проводнике без обратного пути, для непрерывного тока требуется замкнутая цепь. Однако в конденсаторе дополнительные электроны могут быть «вдавлены» на одну пластину, в то время как они удаляются с другой, создавая зарядовый дисбаланс, пропорциональный потоку поля между пластинами.

Конденсаторы и их электрическое поле

Конденсаторы — устройства, намеренно создающие высокий поток поля между двумя проводящими пластинами, разделенными диэлектриком. Их конструкция варьируется — от простых параллельных пластин для малых емкостей до свернутых фольгированных пакетов для высокоемких применений и даже до микроскопических оксидных слоев для максимального накопления на единицу площади.

Схемный символ — две короткие параллельные линии (пластины), разделенные зазором. Устаревший символ показывает переплетенные пластины, отражая реальную конструкцию многих конденсаторов.

Когда напряжение приложено, поле между пластинами заряжает конденсатор: электроны накапливаются на отрицательной пластине, в то время как положительная пластина теряет электроны. Это разделение зарядов накапливает энергию в электрическом поле. Чем больше разность напряжений, тем больше поток поля и тем больше энергии может удержать конденсатор.

В отличие от резисторов, рассеивающих энергию в тепло, конденсаторы накапливают энергию как разность потенциалов. Они стремятся сохранять свое напряжение: если напряжение растет, конденсатор потребляет ток, противодействуя изменению; если напряжение падает, он отдает ток, противодействуя уменьшению. Это свойство аналогично первому закону Ньютона для электрического заряда.

На практике реальные конденсаторы медленно текут, поэтому их накопленный заряд распадается со временем — часто за годы для качественных типов.

Во время зарядки ток течет от источника в конденсатор; во время разрядки — из конденсатора в нагрузку. Направление потока электронов относительно полярности напряжения показано ниже.

Зарядка:

Разрядка:

Когда ступень напряжения приложена к разряженному конденсатору, он сначала потребляет ток, пока его напряжение не сравняется с источником. Когда заряженный конденсатор подключен к нагрузке, он отдает ток, пока его напряжение не упадет до нуля. Таким образом, конденсаторы можно рассматривать как перезаряжаемые накопители энергии, похожие на батареи, но работающие на электрических полях.

Диэлектрические материалы и емкость

Диэлектрик — изолирующий материал между пластинами — сильно влияет на то, сколько потока поля, а значит и заряда, может развиться для заданного напряжения. Способность диэлектрика пропускать силовые линии измеряется его проницаемостью. Материалы с более высокой проницаемостью позволяют большую емкость.

Емкость (символ C) — мера способности конденсатора накапливать заряд при заданном напряжении. Она также указывает, сколько тока протечет при заданной скорости изменения напряжения. Емкость измеряется в Фарадах (Ф). Поскольку типичные значения могут быть очень малы, часто используется метрическая приставка микро (мк), что дает единицы вроде микрофарад (мкФ). Большой конденсатор может иметь номинал 330 000 мкФ (0,33 Ф). Использование микро исторически обусловлено и сохраняется в большинстве современных спецификаций.

Устаревшая терминология

Конденсаторы исторически называли конденсаторами (или конденсерами). Термин встречается преимущественно в старой литературе и в автомобильном контексте, где небольшой конденсатор подавляет искру на контактах зажигания.

Ключевые выводы

• Конденсаторы сопротивляются изменениям напряжения, потребляя или отдавая ток в направлении, необходимом для противодействия изменению.
• Когда напряжение возрастает, конденсатор действует как нагрузка, потребляя ток; когда напряжение убывает — как источник, отдавая ток.
• Емкость, измеряемая в Фарадах, количественно выражает количество заряда, которое конденсатор может накапливать на вольт, и его сопротивление изменению напряжения.
• Диэлектрическая проницаемость определяет, сколько потока поля конденсатор может удержать при заданном напряжении.
• Конденсаторы когда-то обычно называли конденсаторами, хотя эта терминология теперь в значительной степени устарела.