Bir kapasitör akımı geçerken nasıl şarj edebilir?

Sıklıkla kapasitörlerin şarj depoladığı söylenir. Sadece Wikipedia'yı okurken şunu buluyorum:

Daniel Gralath, şarj depolama kapasitesini artırmak için birkaç kavanozu paralel olarak bir "bataryaya" birleştiren ilk kişi oldu . Benjamin Franklin, Leyden kavanozunu araştırdı ve suçlamanın, başkalarının varsaydığı gibi, suda değil, camda saklandığı sonucuna vardı.

İletkenler (veya plakalar) birbirine yakın olduğundan, iletkenler üzerindeki zıt yükler elektrik alanlarından dolayı birbirini çeker, bu da kapasitörün belirli bir voltaj için iletkenler ayrılmış olandan daha fazla yük depolamasına izin verir , bu da kapasitöre büyük bir kapasitans sağlar .

Burada Q kapasitörde depolanan yüktür

Yük coulomb'larda ölçülür ve kapasitans tanımından biliyorum ki 1F kapasitör 1V'luk bir voltaja sahipse, 1C şarj içinde saklanır. Bir coulomb 6.241 × 10 ¹⁸ elektron ise, bu kapasitörde bir yerde 6.241 × 10 ¹⁸ elektron olmalıdır .

Ama şimdi bunu düşünün. Bir AC voltaj kaynağına yük olarak bir kondansatör kullanırsam, bir miktar akım akacaktır (voltaj, frekans ve kapasitansa bağlı olarak kesin miktar):

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Akımın bu devrenin etrafından aktığını biliyorum, çünkü kapasitörün her iki tarafına bir ampul koyarsam yanar. Ancak akım bu devrenin etrafında akıyorsa, kapasitör nasıl şarj olur? Başka bir deyişle, akım devre etrafından akıyorsa elektronları kondansatöre nasıl koyabilirim, yani kondansatöre koyduğum tüm elektronlar için aynı sayı diğer taraftan çıkar? Elektronları dışarı çıkarmadan koyamazsam, kapasitör bunları nasıl saklayabilir?

Bu kolay. Bir kondansatör gelmez depoladığı, şarj saklamak enerji . Tam bir kapasitördeki net yük (tek bir plaka veya yalıtkan düşünmek yerine) asla değişmez. Bir plakadaki negatif yükün artışı, diğer plakadaki negatif yükün azalmasıyla tam olarak dengelenir. Bu nedenle, akım bir terminale girdiğinde, eşit bir akım diğer terminalden ayrılmalıdır.

Bu bir çeşit karikatür versiyonu, ama kafamda çalışıyor.

Kapasitör bir yalıtkan boşluk var, bu yüzden bireysel elektronlar edemez diğer bir terminalden diğerine seyahat. Yani içeri giren elektronlar diğer tarafa çıkanlarla aynı değil! Bunun yerine, gelen elektronlar bir plaka üzerinde "durur". Ancak bu elektronun elektrik alanı diğer plakadan çıkan ve sonunda kaynağa ulaşan bir elektronu iter. Tam bir devremiz var, ancak bir plaka üzerinde elektronlar oluşuyor ve diğerinde delikler oluşuyor!

Şimdi, plaka üzerinde kaç elektron birikebileceğinin bir sınırı var. Elektronlar birbirini iter, bu yüzden daha fazla varsa, bir başkasının yapışması daha zordur. Onları birlikte plakada kalmaya zorlayan bir şeye ihtiyacımız var. Voltaj. Tersine, elektronların birbirlerini itmeye çalışması da bir voltaj, elektronları bir devrenin etrafında hareket ettirmeye çalışan bir kuvvettir.

Şimdi, gelen bir elektron diğer plakadan birini serbest bıraktığında, giden elektron gelen kapasiteden daha az enerjiye sahiptir, bu da yüklü kapasitördeki voltaj düşüşünü açıklar.

Tabii ki, makro ölçeğinde gidecekleri bir yer olmasa bile, elektronlar sabit tutulmuyor. Hepsi birbirlerini itiyor, birbirlerinin elektrik alanından “sekiyor”. Bu alanlar çok yoğunlaşırsa (voltaj çok yükselir), etkileşimler bir elektronun plakalar arasındaki dielektrik bariyere nüfuz etmesine neden olabilir. Plakalar arasındaki voltaj çok yükseldiğinde, kapağın kaçak akımı artar. Ve eğer bu çok uzun sürerse, dielektrik hasar görür ve artık çok iyi bir kapağınız yok.

Şarj etmek birçok şey anlamına gelebilir. Bir kondansatörü bomba veya ön ödemeli kredi kartları gibi enerji ile şarj etmekten bahsedebiliriz. Ayrıca coulomb cinsinden ölçülen elektrik yükünü de alabiliriz .

Yaklaşık 6.241 × 10 ¹⁸ elektron gerçekten 1C şarj yapar. Bununla birlikte, insanlar bir kondansatördeki yük hakkında konuştuğunda, bir kondansatördeki elektronlardan bahsetmezler, tıpkı bir kurabiye kavanozundaki çerezlerden bahseder gibi. Başka bir şeyden bahsediyorlar. Kafa karıştırıcı ama yine de yaptıkları şey bu.

Ne edilmektedir aslında bahsediyor ayrılmaz akım. Yani, akmakta olan ortalama akım, ne kadar süredir aktığı. Akım amper cinsinden ve saniye cinsinden zaman olarak ölçülürse, akım alıp zamanla çarptığınızda, amper-saniye cinsinden ölçülen bir şey elde edersiniz. Ve hatırlarsanız, amper saniyede bir coulomb anlamına gelir. Böylece:

Yani, bir amper-saniye bir coulomb'tur. Akımın integrali yüktür . Birisi bir kapasitörün "1C şarj depoladığını" söylediğinde, kapasitörde 1C elektron olduğu anlamına gelmez, kapasitörden 1C şarj geçtiğini ifade eder . Kapasitör, şu anda 1C şarjı diğer yöne itmek için yeterli enerji içerdiği anlamında bu kadar yükü "depolamaktadır".

Bir kondansatörü bir enerji depolama cihazı olarak düşünmek, bir şarj depolama cihazından daha iyidir. Akım bir kapasitöre aktığında, terminallerde bir voltaj birikir. Bu voltaj, plakalar arasındaki mesafeyle ayrılır ve böylece bir elektrik alanı oluşturur. Bu alan enerjinin depolandığı yerdir. İndüktörler ise manyetik alanlar ile enerji depolarlar.

Akım aktıkça, kapasitörün her karşı levhasında zıt yükler birikir. Elektronlar devrenin etrafından dolaşmaya çalışıyorlar, ancak kondansatörün plakasında dururlar, bir tarafta negatif bir yük ve diğer tarafta pozitif bir yük bırakırlar. Her bir yükün büyüklüğü, denklem ile tanımlanabilir:

C = Q / V

Akım akmaya devam edecek ve kapasitörlü devre stabil olana kadar şarj birikmeye devam edecektir. Örneğin, devre basitçe bir batarya, bir direnç ve bir seri kapasitör ise, kapasitör voltajı batarya voltajına eşit oluncaya kadar akım akmaya devam eder. Böylece, akımın değişmediği sabit durumlu bir DC devresinde, bir kapasitör, biriken yükün terminaller arasındaki voltaj ve kapasitansla orantılı olduğu açık bir devre olarak görünür.

Bununla birlikte, DC olmayan herhangi bir devre için, kapasitörlerin davranışını tanımlamanın daha iyi bir yolu:

I = C * (dV / dt)

Bu nedenle, sinüs dalgası voltaj kaynağınız varsa, kapasitörden "akan" akan akım sürekli olarak değişir ve biriken yük asla sabit olmaz. Yarım dolu bir su şişesini ileri geri salladığınızı düşünün. Su, bir DC devresindeki akım gibi sürekli akmıyor, ancak hala çalışıyor. Su şişesinde tuhaf bir türbin cihazı varsa, sürekli dönüyor olacaktı, sadece şişe başka bir şekilde eğildiğinde yönü değiştirmek için duruyordu.

Son olarak, bir DC devresinde, kapasitörün her bir yan plakasında eşit ve zıt yükler depolanır. Kondansatör elektronları hiç saklamaz. Bir ücret depolar. Bir taraftaki elektronlar, bir dış voltaj farkının tetiklediği gibi, devre boyunca diğer tarafa kadar hareket eder. Sonuç, bir tarafta elektron konsantrasyonu ve diğer tarafta yokluk, bir yüktür. Bir AC devresinde aynı fenomen olur, ancak sürekli olarak değişir. Besleme gerilimi değiştiğinde, elektronlar plakalara aynı şekilde çekilmez ve hareket etmeye başlar. Bu elektronlar bir ampul gibi bir yükten geçerse yolda çalışırlar ve ampul yanar. Böylece, akım aslında devrenin etrafında akmaz. Sadece bir şişe içinde su gibi ileri geri hareket ediyor. Ancak, ampulü yakmak için gereken tek şey hareketli elektronlardır. Ampul hangi yöne hareket ettiklerini umursamıyor ve anahtarlama hızı yeterince hızlı olduğu sürece gözleriniz yön değişikliğini algılayamıyor.

Ayrıca ideal kapasitörlerden bahsettiğimizi de belirtmek isterim. Pratikte, yeterince yüksek frekanslarda, kapasitörler indüktörlere benzeyecektir (V = L * (di / dt)).

Düzenle:

Belirli bir soruyu cevaplamak için: Yük bir kapasitörde nerede depolanır?

Komple bir kapasitör içinde net şarj depolanmaz. Bununla birlikte, paralel plaka modeli kullanılarak , plakaların her birine eşit ve karşıt büyüklükte Q yükleri yerleştirilir. Bir kapasitöre harici bir voltaj uygulandığında, elektronlar daha yüksek bir potansiyele sahip plakadan kaçar ve daha düşük bir potansiyele sahip plakaya çekilir. Bu birikmiş elektronlar o plaka üzerinde negatif bir yük oluşturur ve diğer plakadan elektronların bulunmaması pozitif bir yük oluşturur. Her birinin toplam büyüklüğü Q'nun büyüklüğü, gerilim V ve kapasitans C tarafından belirlenir.