ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับตัวเก็บประจุ ความจุ และประจุ

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบพื้นฐานในด้านอิเล็กทรอนิกส์และมีบทบาทสำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ การทำความเข้าใจแนวคิดเกี่ยวกับความจุและประจุเป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่ต้องการเจาะลึกขอบเขตของวิศวกรรมไฟฟ้า ในบทความนี้ เราจะแนะนำสั้นๆ เกี่ยวกับตัวเก็บประจุ อธิบายความจุ และเจาะลึกสมการที่ควบคุมพฤติกรรมของตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุคืออะไร

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟสองขั้วที่เก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในสนามไฟฟ้า โครงสร้างของตัวเก็บประจุประกอบด้วยแผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่น ซึ่งโดยปกติจะประกอบด้วยโลหะ ซึ่งวางห่างกันโดยมีวัสดุไดอิเล็กตริกอยู่ระหว่างแผ่นทั้งสอง เมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าถูกนำไปใช้ที่ขั้วของตัวเก็บประจุ มันจะสะสมประจุไว้บนแผ่นของมัน ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าระหว่างพวกมัน

ความจุคืออะไร

ความจุคือการวัดปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่สามารถจัดเก็บได้ต่อหน่วยของแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งอุปกรณ์หรือส่วนประกอบ หน่วยของความจุคือ Farad

ค่าใช้จ่ายคืออะไร

ประจุอธิบายว่ามีพลังงานไฟฟ้าอยู่ สัญลักษณ์ของมันคือ Q และมีหน่วยเป็นคูลอมบ์

การทำงานของคาปาซิเตอร์

เมื่อมีการป้อนแรงดันไฟฟ้าข้ามขั้วของตัวเก็บประจุ สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างแผ่นจะเริ่มต้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน แผ่นประจุลบของตัวเก็บประจุจะกลายเป็นจุดรวมของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดัน

ในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนจำนวนเท่ากันจะออกจากแผ่นขั้วบวกของตัวเก็บประจุและกลับไปที่ขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดัน

การสะสมและการกระจายประจุนี้ดำเนินต่อไปจนกว่าตัวเก็บประจุจะถูกประจุจนเต็ม ซึ่งจุดที่การไหลของอิเล็กตรอนจะหยุดลง ประจุที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุสามารถกำหนดได้โดยใช้สมการ:

ในสมการที่กำหนด “Q” เป็นสัญลักษณ์ของ ค่าใช้จ่าย สะสมอยู่ใน ตัวเก็บประจุ , “C” หมายถึง ความจุ , และ 'V' หมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ทั่วตัวเก็บประจุ

สมการนี้แสดงความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างความจุและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ซึ่งแสดงว่าจำนวนประจุที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเกี่ยวข้องโดยตรงกับตัวแปรทั้งสองนี้ ดังนั้นการเพิ่มความจุหรือแรงดันจะส่งผลให้มีการสะสมประจุที่สูงขึ้น

ความจุของตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน

ความจุของตัวเก็บประจุถูกกำหนดโดยพื้นที่ผิวของเพลต (A) และระยะห่างระหว่างกัน (d) โดยทั้งสองปัจจัยส่งผลต่อความจุโดยรวม ยิ่งพื้นที่เพลตใหญ่ขึ้น ความจุก็จะยิ่งมากขึ้น ในขณะที่ระยะห่างระหว่างเพลตน้อยลงจะทำให้ความจุเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์นี้อธิบายโดยสมการ:

ตัวเก็บประจุมีความสามารถในการเก็บพลังงานไฟฟ้า โดยปริมาณของพลังงานที่เก็บไว้ (U) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับทั้งกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (V) และความจุ (C) ของตัวเก็บประจุ สมการของพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุกำหนดโดย:

การทราบพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุมีความสำคัญต่อการออกแบบวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่การปล่อยพลังงานหรือความต้องการพลังงานทันทีมีความสำคัญ

ความจุของตัวเก็บประจุทรงกลม

ในการคำนวณความจุของตัวเก็บประจุทรงกลม คุณจำเป็นต้องทราบรัศมีของทรงกลมนำไฟฟ้าทั้งภายในและภายนอก รูปร่างของตัวเก็บประจุและการอนุญาตของวัสดุที่อยู่ระหว่างทรงกลมจะควบคุมความจุ สูตรการคำนวณความจุของตัวเก็บประจุทรงกลมคือ:

ในทางกลับกัน สัญลักษณ์ “εᵣ” ใช้เพื่อแสดงถึงการอนุญาตสัมพัทธ์หรือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุที่อยู่ระหว่างทรงกลม นอกจากนี้ “r₁” ยังหมายถึงรัศมีของทรงกลมด้านใน ขณะที่ “r₂” หมายถึงรัศมีของทรงกลมด้านนอก

โดยการแทนค่าของรัศมีและการอนุญาตของวัสดุ คุณสามารถคำนวณความจุของตัวเก็บประจุทรงกลมได้ เป็นที่น่าสังเกตว่าหากทรงกลมภายในมีรัศมีเล็กน้อยหรือถือเป็นจุดประจุ สูตรความจุจะลดความซับซ้อนลงเป็น:

ในกรณีนี้ ความจุจะถูกกำหนดโดยรัศมีของทรงกลมภายนอกและการอนุญาตของวัสดุเท่านั้น

ความจุของตัวเก็บประจุทรงกระบอก

ในการคำนวณความจุของตัวเก็บประจุทรงกระบอก คุณต้องทราบความยาวของตัวเก็บประจุ (L) รัศมีของตัวนำด้านใน (r₁) และรัศมีของตัวนำด้านนอก (r₂) รูปร่างของตัวเก็บประจุและการอนุญาตของวัสดุที่อยู่ระหว่างทรงกลมจะควบคุมความจุ สูตรการคำนวณความจุของตัวเก็บประจุทรงกระบอกคือ:

ในทางกลับกัน สัญลักษณ์ “εᵣ” ใช้เพื่อแสดงถึงการอนุญาตสัมพัทธ์หรือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุที่อยู่ระหว่างทรงกลม นอกจากนี้ “r₁” ยังหมายถึงรัศมีของทรงกลมด้านใน ในขณะที่ “r₂” หมายถึงรัศมีของทรงกลมด้านนอก

บทสรุป

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบที่สำคัญเมื่อพูดถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำให้สามารถกักเก็บพลังงานและควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้ ความจุที่วัดได้ในหน่วยฟารัด (F) เป็นตัววัดความสามารถในการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับประจุที่เก็บไว้ (Q) และแปรผกผันกับแรงดันไฟฟ้า (V) ที่ขั้วของตัวเก็บประจุ