ความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ: สูตรและประวัติ

2024 ผู้เขียน: Aaron Duncan | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-01 20:18

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่สามารถสะสมและเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ ประกอบด้วยแผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่นคั่นด้วยวัสดุอิเล็กทริก การใช้ศักย์ไฟฟ้าของสัญญาณต่าง ๆ กับแผ่นนำไฟฟ้านำไปสู่การได้รับประจุซึ่งเป็นค่าบวกในจานหนึ่งและอีกจานหนึ่งเป็นลบ ในกรณีนี้ ค่าใช้จ่ายทั้งหมดจะเป็นศูนย์

บทความนี้กล่าวถึงประเด็นของประวัติศาสตร์และคำจำกัดความของความจุของตัวเก็บประจุ

เรื่องราวการประดิษฐ์

ในเดือนตุลาคม ค.ศ. 1745 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Ewald Georg von Kleist สังเกตว่าสามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้หากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตและน้ำจำนวนหนึ่งในภาชนะแก้วเชื่อมต่อกันด้วยสายเคเบิล ในการทดลองนี้ มือและน้ำของ von Kleist เป็นตัวนำ และภาชนะแก้วเป็นฉนวนไฟฟ้า หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์สัมผัสลวดโลหะด้วยมือของเขา ก็เกิดการคายประจุที่ทรงพลังซึ่งก็คือแรงกว่าการคายประจุของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตย์มาก เป็นผลให้ von Kleist สรุปว่ามีพลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้

ในปี 1746 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Pieter van Muschenbroek ได้คิดค้นตัวเก็บประจุ ซึ่งเขาเรียกว่าขวด Leiden เพื่อเป็นเกียรติแก่มหาวิทยาลัย Leiden ที่ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทำงานอยู่ จากนั้น Daniel Gralat ก็เพิ่มความจุของตัวเก็บประจุด้วยการเชื่อมต่อขวด Leiden หลายขวด

ในปี ค.ศ. 1749 เบนจามิน แฟรงคลิน ได้ตรวจสอบตัวเก็บประจุเลย์เดน และได้ข้อสรุปว่าประจุไฟฟ้าไม่ได้ถูกเก็บอยู่ในน้ำอย่างที่เชื่อกันมาก่อน แต่อยู่ที่ขอบของน้ำและแก้ว ต้องขอบคุณการค้นพบของแฟรงคลิน ทำให้ขวดเลย์เดนถูกสร้างขึ้นโดยปิดภาชนะแก้วทั้งด้านในและด้านนอกด้วยแผ่นโลหะ

การพัฒนาอุตสาหกรรม

คำว่า "ตัวเก็บประจุ" ถูกสร้างขึ้นโดย Alessandro Volta ในปี ค.ศ. 1782 ในขั้นต้น วัสดุเช่นแก้ว พอร์ซเลน ไมกา และกระดาษธรรมดาถูกใช้เพื่อทำฉนวนตัวเก็บประจุไฟฟ้า ดังนั้นวิศวกรวิทยุ Guglielmo Marconi จึงใช้ตัวเก็บประจุแบบพอร์ซเลนสำหรับเครื่องส่งสัญญาณของเขาและสำหรับเครื่องรับ - ตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่มีฉนวนไมกาซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1909 - ก่อนสงครามโลกครั้งที่สองพวกมันเป็นตัวเก็บประจุที่พบมากที่สุดในสหรัฐอเมริกา

ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ตัวแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี พ.ศ. 2439 และเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่มีขั้วไฟฟ้าอะลูมิเนียม การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เริ่มขึ้นหลังจากการประดิษฐ์ในปี 1950 ของตัวเก็บประจุแทนทาลัมขนาดเล็กด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง อันเป็นผลมาจากการพัฒนาเคมีพลาสติก ตัวเก็บประจุเริ่มปรากฏขึ้น ซึ่งบทบาทของฉนวนถูกกำหนดให้กับฟิล์มโพลีเมอร์บาง

ในที่สุด ในยุค 50-60s อุตสาหกรรมตัวเก็บประจุยิ่งยวดพัฒนาขึ้น ซึ่งมีพื้นผิวนำไฟฟ้าในการทำงานหลายแบบ เนื่องจากความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น 3 เท่าเมื่อเทียบกับมูลค่าของตัวเก็บประจุแบบธรรมดา

แนวคิดเรื่องความจุของตัวเก็บประจุ

ประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้ในแผ่นตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าของสนามไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างแผ่นเปลือกโลกของอุปกรณ์ ในกรณีนี้ ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนเรียกว่าความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบแบน ใน SI (ระบบสากลของหน่วย) ความจุไฟฟ้าเป็นปริมาณทางกายภาพวัดเป็นฟารัด หนึ่งฟารัดคือความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ ซึ่งแรงดันไฟฟ้าระหว่างเพลตคือ 1 โวลต์โดยมีประจุที่เก็บไว้ 1 คูลอมบ์

ความจุไฟฟ้าของ 1 ฟารัดนั้นใหญ่มาก และในทางปฏิบัติในด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ตัวเก็บประจุที่มีความจุของลำดับของ picofarad, nanofarad และ microfarad มักใช้ ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือ supercapacitors ซึ่งประกอบด้วยถ่านกัมมันต์ซึ่งเพิ่มพื้นที่การทำงานของอุปกรณ์ พวกมันสามารถเข้าถึงฟารัดหลายพันตัวและใช้เป็นพลังงานให้กับรถยนต์ไฟฟ้าต้นแบบ

ดังนั้น ความจุของตัวเก็บประจุคือ: C=Q₁/(V₁-V_{2). ที่นี่ C-ความจุไฟฟ้า Q}1 _{- ประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุหนึ่งแผ่น V}1_-V2_{- ความแตกต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าของเพลต}

สูตรสำหรับความจุของตัวเก็บประจุแบบแบนคือ: C=e₀eS/d ที่นี่ e_{0และ e คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสากลและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุฉนวน S คือพื้นที่ของเพลต d คือระยะห่างระหว่างเพลต สูตรนี้ช่วยให้คุณเข้าใจว่าความจุของตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปอย่างไรหากคุณเปลี่ยนวัสดุของฉนวน ระยะห่างระหว่างเพลตหรือพื้นที่ของเพลต}

ประเภทของไดอิเล็กทริกที่ใช้แล้ว

สำหรับการผลิตตัวเก็บประจุจะใช้ไดอิเล็กทริกประเภทต่างๆ ที่นิยมมากที่สุดมีดังต่อไปนี้:

แอร์. ตัวเก็บประจุเหล่านี้เป็นวัสดุนำไฟฟ้าสองแผ่น ซึ่งคั่นด้วยชั้นอากาศและวางในกล่องแก้ว ความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุอากาศมีขนาดเล็ก มักใช้ในวิศวกรรมวิทยุ
ไมก้า. คุณสมบัติของไมกา (ความสามารถในการแยกเป็นแผ่นบางและทนต่ออุณหภูมิสูง) เหมาะสำหรับใช้เป็นฉนวนในตัวเก็บประจุ
กระดาษ. ใช้กระดาษเคลือบหรือเคลือบเงาเพื่อป้องกันการเปียก

เก็บพลังงาน

เมื่อความต่างศักย์ระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น อุปกรณ์จะเก็บพลังงานไฟฟ้าเนื่องจากการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าภายในนั้น หากความต่างศักย์ระหว่างเพลตลดลง ตัวเก็บประจุก็จะคายประจุออกมาเป็นพลังงานให้กับวงจรไฟฟ้า

ในทางคณิตศาสตร์ พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุชนิดใดชนิดหนึ่งสามารถแสดงได้โดยสูตรต่อไปนี้: E=½C(V₂-V ₁)² โดยที่ V₂ และ V_{1 เป็นลำดับสุดท้ายและชื่อย่อ ความเครียดระหว่างจาน}

ชาร์จและปล่อย

หากตัวเก็บประจุเชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้าที่มีตัวต้านทานและแหล่งกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวงจรและตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จ ทันทีที่ชาร์จจนเต็ม กระแสไฟฟ้าในวงจรจะหยุด

หากตัวเก็บประจุที่มีประจุเชื่อมต่อขนานกับตัวต้านทาน กระแสจะไหลจากแผ่นหนึ่งไปยังอีกแผ่นหนึ่งผ่านตัวต้านทาน ซึ่งจะดำเนินต่อไปจนกว่าอุปกรณ์จะคายประจุจนหมด ในกรณีนี้ ทิศทางของกระแสไฟดิสชาร์จจะตรงกันข้ามกับทิศทางของกระแสไฟขณะชาร์จอุปกรณ์

การชาร์จและการคายประจุตัวเก็บประจุเป็นไปตามเวลาแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุในระหว่างการคายประจุจะเปลี่ยนไปตามสูตรต่อไปนี้: V(t)=V_ie^-t/(RC) โดยที่ V _{i - แรงดันเริ่มต้นบนตัวเก็บประจุ R - ความต้านทานไฟฟ้าในวงจร t - เวลาคายประจุ}

รวมในวงจรไฟฟ้า

การใช้ตัวเก็บประจุในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เพื่อกำหนดความจุของตัวเก็บประจุที่มีอยู่ในวงจรไฟฟ้าควรจำไว้ว่าสามารถรวมกันได้สองวิธี:

การเชื่อมต่อแบบอนุกรม: 1/C_s =1/C₁+1/C₂+ …+1/C_.

การเชื่อมต่อแบบขนาน: C_s =C₁+C₂+…+C_.

C_{s - ความจุรวมของตัวเก็บประจุ n ความจุไฟฟ้าทั้งหมดของตัวเก็บประจุถูกกำหนดโดยสูตรที่คล้ายกับนิพจน์ทางคณิตศาสตร์สำหรับความต้านทานไฟฟ้าทั้งหมด เฉพาะสูตรสำหรับการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของอุปกรณ์เท่านั้นที่ใช้ได้กับการเชื่อมต่อแบบขนานของตัวต้านทานและในทางกลับกัน}