Kondensatorer er grundlæggende komponenter inden for elektronik og spiller en afgørende rolle i forskellige elektroniske kredsløb. Forståelse af begreberne kapacitans og ladning er afgørende for alle, der søger at dykke ned i området for elektroteknik. I denne artikel vil vi have en kort introduktion til kondensatorer, forklare kapacitans og dykke ned i ligningen, der styrer deres adfærd.
Hvad er en kondensator
En kondensator er en passiv to-terminal elektronisk komponent, der lagrer elektrisk energi i et elektrisk felt. Strukturen af en kondensator består af to ledende plader, normalt sammensat af metal, som er placeret fra hinanden med et dielektrisk materiale imellem dem. Når en spændingsforskel påføres på tværs af terminalerne på en kondensator, akkumulerer den ladning på sine plader, hvilket skaber et elektrisk felt mellem dem.
Hvad er Kapacitans
Kapacitans er et mål for, hvor meget elektrisk energi der kan lagres pr. spændingsenhed over en enhed eller komponent. Kapacitansenheden er Farad.
Hvad er Charge
Ladningen beskrives som tilstedeværelsen af elektrisk energi. Dens symbol er Q og dens enhed er Coulomb.
Drift af kondensatorer
Når en elektrisk spænding indføres over terminalerne på en kondensator, initierer det elektriske felt etableret mellem pladerne elektronernes bevægelse. Kondensatorens negative plade bliver et opsamlingspunkt for elektroner, der har bevæget sig fra spændingskildens negative terminal.
Samtidig forlader et lige så stort antal elektroner kondensatorens positive plade og vender tilbage til spændingskildens positive terminal.
Denne akkumulering og omfordeling af ladning fortsætter, indtil kondensatoren er fuldt opladet, på hvilket tidspunkt strømmen af elektroner ophører, ladning lagret i en kondensator kan bestemmes ved hjælp af ligningen:
I den givne ligning symboliserer 'Q' den oplade akkumuleret inden for kondensator , 'C' angiver kapacitans , og 'V' repræsenterer den påførte spænding over kondensatoren.
Denne ligning viser et proportionalt forhold mellem kapacitansen og påført spænding, hvilket viser, at mængden af ladning i en kondensator er direkte relateret til begge disse variable. Derfor vil en forøgelse af enten kapacitansen eller spændingen resultere i en højere ladningsakkumulering.
Kapacitans af en parallel pladekondensator
Kapacitansen af en kondensator bestemmes af overfladearealet af pladerne (A) og adskillelsesafstanden (d) mellem dem, hvor begge faktorer påvirker dens samlede kapacitans. Jo større pladeareal, jo større kapacitans, mens en mindre afstand mellem pladerne fører til øget kapacitans. Denne sammenhæng beskrives ved ligningen:
Kondensatorer har evnen til at lagre elektrisk energi, hvorved mængden af lagret energi (U) er direkte proportional med både kvadratet på den påførte spænding (V) og kapacitansen (C) af kondensatoren. Ligningen for energi lagret i en kondensator er givet ved:
At kende energien lagret i en kondensator er afgørende for at designe kredsløb, især i applikationer, hvor energifrigivelse eller øjeblikkelige strømkrav er vigtige.
Kapacitans af en sfærisk kondensator
For at beregne kapacitansen af en sfærisk kondensator skal du kende radius af både de indre og ydre ledende kugler. Kondensatorens form og permittiviteten af materialet placeret mellem kuglerne styrer kapacitansen. Formlen til beregning af kapacitansen af en sfærisk kondensator er:
På den anden side bruges symbolet 'εᵣ' til at repræsentere den relative permittivitet eller dielektriske konstant for materialet placeret mellem kuglerne. Derudover betegner 'r₁' radius af den indre sfære, mens 'r₂' betegner radius af den ydre sfære.
Ved at erstatte værdierne for radius og materialets permittivitet kan du beregne kapacitansen af den sfæriske kondensator. Det er værd at bemærke, at hvis den indre sfære har en ubetydelig radius eller betragtes som en punktladning, forenkler kapacitansformlen til:
I dette tilfælde bestemmes kapacitansen udelukkende af radius af den ydre kugle og materialets permittivitet.
Kapacitans af en cylindrisk kondensator
For at beregne kapacitansen af en cylindrisk kondensator skal du kende længden af kondensatoren (L), radius af den indre leder (r₁) og radius af den ydre leder (r₂). Kondensatorens form og permittiviteten af materialet placeret mellem kuglerne styrer kapacitansen. Formlen til beregning af kapacitansen af en cylindrisk kondensator er:
På den anden side bruges symbolet 'εᵣ' til at repræsentere den relative permittivitet eller dielektriske konstant for materialet placeret mellem kuglerne. Derudover betegner 'r₁' radius af den indre sfære, mens 'r₂' betegner radius af den ydre sfære.
Konklusion
Kondensatorer er afgørende komponenter, når det kommer til elektronik, hvilket muliggør energilagring og spændingsregulering. Kapacitans, målt i farad (F), kvantificerer en kondensators evne til at lagre ladning. Den er direkte proportional med den lagrede ladning (Q) og omvendt proportional med spændingen (V) over kondensatorens terminaler.