Elektrische velden en capaciteit

Inleiding

Wanneer er een elektrische spanning bestaat tussen twee gescheiden geleiders, is er een elektrisch veld aanwezig in de ruimte tussen die geleiders. In de basiselektronica bestuderen we de interacties van spanning, stroom en weerstand, aangezien deze betrekking hebben op circuits, dit zijn geleidende paden waardoor elektronen kunnen reizen. Als we het echter over velden hebben, hebben we te maken met interacties die over lege ruimte kunnen worden verspreid.

Toegegeven, het concept van een "veld" is enigszins abstract. Met elektrische stroom is het in ieder geval niet zo moeilijk om je voor te stellen dat kleine deeltjes, elektronen genaamd, zich een weg banen tussen de kernen van atomen in een geleider, maar een "veld" heeft niet eens massa en hoeft helemaal niet in materie te bestaan .

Ondanks het abstracte karakter heeft bijna ieder van ons directe ervaring met velden, althans in de vorm van magneten. Heb je ooit met een paar magneten gespeeld en opgemerkt hoe ze elkaar aantrekken of afstoten, afhankelijk van hun relatieve oriëntatie? Er is een onmiskenbare kracht tussen een paar magneten, en deze kracht is zonder "substantie". Het heeft geen massa, geen kleur, geen geur, en zonder de fysieke kracht die op de magneten zelf wordt uitgeoefend, zou het volkomen ongevoelig zijn voor ons lichaam. Natuurkundigen beschrijven de interactie van magneten in termen van magnetische velden in de ruimte ertussen. Als ijzervijlsel in de buurt van een magneet wordt geplaatst, oriënteren ze zich langs de lijnen van het veld en geven ze visueel de aanwezigheid ervan aan.

De elektrische velden

Het onderwerp van dit hoofdstuk zijn elektrische velden (en apparaten die condensatoren worden genoemd en die ze exploiteren), geen magnetische velden, maar er zijn veel overeenkomsten. Hoogstwaarschijnlijk heeft u ook elektrische velden ervaren. Hoofdstuk 1 van dit boek begon met een uitleg van statische elektriciteit en hoe materialen als was en wol - wanneer ze tegen elkaar werden gewreven - een fysieke aantrekkingskracht veroorzaakten. Nogmaals, natuurkundigen zouden deze interactie beschrijven in termen van elektrische velden die door de twee objecten worden gegenereerd als gevolg van hun elektronenonevenwichtigheden. Het volstaat te zeggen dat wanneer er een spanning bestaat tussen twee punten, er zich een elektrisch veld zal manifesteren in de ruimte tussen die punten.

De veldkracht en de veldflux

Velden hebben twee maten:een veld forceren en een veld flux . Het veld forceren is de hoeveelheid "duwen" die een veld over een bepaalde afstand uitoefent . Het veld flux is de totale hoeveelheid, of het effect, van het veld door de ruimte . Veldkracht en flux zijn ruwweg analoog aan respectievelijk spanning ("push") en stroom (flow) door een geleider, hoewel veldflux kan bestaan ​​​​in een volledig lege ruimte (zonder de beweging van deeltjes zoals elektronen), terwijl stroom alleen kan plaatsvinden waar vrije elektronen zijn om te bewegen. Veldflux kan in de ruimte worden tegengewerkt, net zoals de stroom van elektronen kan worden tegengewerkt door weerstand. De hoeveelheid veldflux die zich in de ruimte zal ontwikkelen, is evenredig met de hoeveelheid toegepaste veldkracht, gedeeld door de hoeveelheid weerstand tegen flux. Net zoals het type geleidend materiaal de specifieke weerstand van de geleider tegen elektrische stroom dicteert, bepaalt het type isolatiemateriaal dat twee geleiders scheidt de specifieke weerstand tegen veldflux.

Normaal gesproken kunnen elektronen een geleider niet binnendringen tenzij er een pad is voor een gelijk aantal elektronen om te verlaten (denk aan de analogie met marmer in de buis?). Dit is de reden waarom geleiders met elkaar moeten worden verbonden in een cirkelvormig pad (een circuit) om continue stroom te laten optreden. Vreemd genoeg kunnen echter extra elektronen in een geleider worden "geperst" zonder een pad om te verlaten als een elektrisch veld zich in de ruimte mag ontwikkelen ten opzichte van een andere geleider. Het aantal extra vrije elektronen dat aan de geleider wordt toegevoegd (of vrije elektronen die worden weggenomen) is recht evenredig met de hoeveelheid veldflux tussen de twee geleiders.

Het elektrische veld van condensatoren

condensatoren zijn componenten die zijn ontworpen om van dit fenomeen te profiteren door twee geleidende platen (meestal metaal) dicht bij elkaar te plaatsen. Er zijn veel verschillende stijlen van condensatorconstructie, elk geschikt voor bepaalde classificaties en doeleinden. Voor zeer kleine condensatoren zijn twee cirkelvormige platen met een isolerend materiaal voldoende. Voor grotere condensatorwaarden kunnen de "platen" stroken metaalfolie zijn, geklemd rond een flexibel isolatiemedium en opgerold voor compactheid. De hoogste capaciteitswaarden worden verkregen door gebruik te maken van een microscopisch kleine laag isolerend oxide die twee geleidende oppervlakken scheidt. In ieder geval is het algemene idee hetzelfde:twee geleiders, gescheiden door een isolator.

Het schematische symbool voor een condensator is vrij eenvoudig, het is niet meer dan twee korte, evenwijdige lijnen (die de platen vertegenwoordigen) gescheiden door een opening. Draden worden aan de respectieve platen bevestigd voor verbinding met andere componenten. Een ouder, verouderd schematisch symbool voor condensatoren toonde tussenschotten, wat eigenlijk een nauwkeurigere manier is om de echte constructie van de meeste condensatoren weer te geven:

Wanneer een spanning wordt aangelegd over de twee platen van een condensator, ontstaat er een geconcentreerde veldflux tussen hen, waardoor een aanzienlijk verschil in vrije elektronen (een lading) kan ontstaan ​​tussen de twee platen:

Omdat het elektrische veld tot stand wordt gebracht door de aangelegde spanning, worden extra vrije elektronen gedwongen zich te verzamelen op de negatieve geleider, terwijl vrije elektronen worden "beroofd" van de positieve geleider. Deze differentiële lading komt overeen met een opslag van energie in de condensator, die de potentiële lading van de elektronen tussen de twee platen vertegenwoordigt. Hoe groter het verschil van elektronen op tegenoverliggende platen van een condensator, hoe groter de veldflux en hoe groter de "lading" van energie die de condensator zal opslaan.

Omdat condensatoren de potentiële energie van geaccumuleerde elektronen opslaan in de vorm van een elektrisch veld, gedragen ze zich heel anders dan weerstanden (die eenvoudig energie in de vorm van warmte dissiperen) in een circuit. Energieopslag in een condensator is een functie van de spanning tussen de platen en van andere factoren die we later in dit hoofdstuk zullen bespreken. Het vermogen van een condensator om energie op te slaan als een functie van spanning (potentiaalverschil tussen de twee draden) resulteert in een neiging om te proberen de spanning op een constant niveau te houden. Met andere woorden, condensatoren hebben de neiging om veranderingen te weerstaan qua spanning. Wanneer de spanning over een condensator wordt verhoogd of verlaagd, "weerstaat" de condensator de verandering door stroom te nemen van of stroom te leveren aan de bron van de spanningsverandering, in tegenstelling tot de verandering.

Om meer energie in een condensator op te slaan, moet de spanning erover worden verhoogd. Dit betekent dat er meer elektronen aan de (-) plaat moeten worden toegevoegd en meer elektronen van de (+) plaat, waardoor een stroom in die richting nodig is. Omgekeerd, om energie van een condensator vrij te maken, moet de spanning erover worden verlaagd. Dit betekent dat een deel van de overtollige elektronen op de (-) plaat moet worden teruggevoerd naar de (+) plaat, waardoor een stroom in de andere richting nodig is.

Net zoals Isaac Newtons eerste bewegingswet (“een object in beweging heeft de neiging om in beweging te blijven; een object in rust heeft de neiging om in rust te blijven”) de neiging van een massa beschrijft om veranderingen in snelheid tegen te gaan, zo kunnen we de neiging van een condensator om verzetten zich als zodanig in spanningsveranderingen:“Een opgeladen condensator heeft de neiging om opgeladen te blijven; een ontladen condensator heeft de neiging ontladen te blijven.” Hypothetisch zal een condensator die onaangeroerd blijft, voor onbepaalde tijd de staat van spanningslading behouden die hij heeft achtergelaten. Alleen een externe stroombron (of afvoer) van stroom kan de spanningslading veranderen die is opgeslagen door een perfecte condensator:

Praktisch gesproken zullen condensatoren uiteindelijk hun opgeslagen spanningsladingen verliezen als gevolg van interne lekpaden waardoor elektronen van de ene plaat naar de andere kunnen stromen. Afhankelijk van het specifieke type condensator, kan de tijd die nodig is voor een opgeslagen spanningslading om zichzelf te dissiperen lang zijn tijd (meerdere jaren met de condensator op een plank!).

Wanneer de spanning over een condensator wordt verhoogd, trekt deze stroom uit de rest van het circuit en fungeert als een stroombelasting. In deze toestand wordt gezegd dat de condensator oplaadt , omdat er een toenemende hoeveelheid energie wordt opgeslagen in het elektrische veld. Let op de richting van de elektronenstroom met betrekking tot de spanningspolariteit:

Omgekeerd, wanneer de spanning over een condensator wordt verlaagd, levert de condensator stroom aan de rest van het circuit, als een stroombron. In deze toestand wordt gezegd dat de condensator ontlaadt . De opslag van energie - vastgehouden in het elektrische veld - neemt nu af omdat energie wordt vrijgegeven aan de rest van het circuit. Let op de stroomrichting met betrekking tot de spanningspolariteit:

Als een spanningsbron plotseling wordt toegepast op een ongeladen condensator (een plotselinge toename van de spanning), zal de condensator stroom uit die bron halen en er energie uit absorberen, totdat de spanning van de condensator gelijk is aan die van de bron. Zodra de condensatorspanning deze laatste (opgeladen) toestand bereikt, neemt de stroom af tot nul. Omgekeerd, als een belastingsweerstand is aangesloten op een geladen condensator, zal de condensator stroom leveren aan de belasting, totdat deze alle opgeslagen energie heeft vrijgegeven en de spanning tot nul daalt. Zodra de condensatorspanning deze laatste (ontladen) toestand bereikt, neemt de stroom af tot nul. In hun vermogen om te worden opgeladen en ontladen, kunnen condensatoren worden beschouwd als een soort secundaire celbatterijen.

De keuze van het isolatiemateriaal tussen de platen, zoals eerder vermeld, heeft een grote invloed op hoeveel veldflux (en dus hoeveel lading) zich zal ontwikkelen bij een gegeven hoeveelheid spanning die over de platen wordt aangelegd. Vanwege de rol van dit isolatiemateriaal bij het beïnvloeden van de veldflux, heeft het een speciale naam:diëlektrisch . Niet alle diëlektrische materialen zijn gelijk:de mate waarin materialen de vorming van elektrische veldflux remmen of aanmoedigen, wordt de permittiviteit genoemd. van het diëlektricum.

De maat voor het vermogen van een condensator om energie op te slaan voor een bepaalde hoeveelheid spanningsval wordt capaciteit genoemd. . Het is niet verrassend dat capaciteit ook een maat is voor de intensiteit van de weerstand tegen veranderingen in spanning (precies hoeveel stroom het zal produceren voor een bepaalde mate van verandering in spanning). Capaciteit wordt symbolisch aangeduid met een hoofdletter "C", en wordt gemeten in de eenheid van de Farad, afgekort als "F."

Conventie heeft om de een of andere vreemde reden de voorkeur gegeven aan het metrische voorvoegsel "micro" bij het meten van grote capaciteiten, en zoveel condensatoren worden beoordeeld in termen van verwarrend grote microFarad-waarden:bijvoorbeeld een grote condensator die ik heb gezien, had een classificatie van 330.000 microFarads! ! Waarom niet vermelden als 330 milliFarad? Ik weet het niet.

De verouderde naam van de condensator

Een verouderde naam voor een condensator is condensor of condensor . Deze termen worden niet gebruikt in nieuwe boeken of schematische diagrammen (voor zover ik weet), maar ze kunnen worden aangetroffen in oudere elektronicaliteratuur. Misschien wel het meest bekende gebruik voor de term 'condensor' is in de autotechniek, waar een kleine condensator met die naam werd gebruikt om overmatige vonken over de schakelcontacten ('punten' genoemd) in elektromechanische ontstekingssystemen te verminderen.

BEOORDELING:

• Condensatoren reageren op spanningsveranderingen door stroom te leveren of te trekken in de richting die nodig is om de verandering tegen te gaan.
• Wanneer een condensator wordt geconfronteerd met een toenemende spanning, fungeert deze als een belasting :stroom trekken terwijl het energie opslaat (stroom gaat in de positieve kant en uit de negatieve kant, zoals een weerstand).
• Wanneer een condensator wordt geconfronteerd met een afnemende spanning, fungeert deze als een bron :stroom leveren als het opgeslagen energie vrijgeeft (stroom gaat uit de positieve kant en in de negatieve kant, zoals een batterij).
• Het vermogen van een condensator om energie op te slaan in de vorm van een elektrisch veld (en dus om veranderingen in spanning tegen te gaan) wordt capaciteit genoemd. . Het wordt gemeten in de eenheid van de Farad (F).
• Condensatoren waren vroeger algemeen bekend onder een andere term:condensor (alternatief gespeld als "condensor").