Yhdensuuntainen levycapacitori: Määritelmä kaava ja sovellukset

Yhdensuuntainen levyläinen kondensaattori on laite, joka voi varastoida sähköisen varauksen ja energian muodossa yhdensuuntainen levyläinen kondensaattori sähkökenttänä kahden johtavan levyn välissä. Levyt ovat erossa toisistaan pienellä etäisyydellä ja yhdistetty jännitteeseen, kuten akkuun. Levien väliseen tilaan voidaan täyttää ilma, tyhjiö tai dielektrinen materiaali, joka on eristin, jota sähkökenttä voi polarisoida.

Mikä on yhdensuuntainen levyläinen kondensaattori?

Yhdensuuntainen levyläinen kondensaattori määritellään kahden metallilevyn asetteluksi, jotka ovat saman pinta-alan A ja vastakkaisia varauksia Q, ja jotka ovat erossa toisistaan etäisyydellä d. Levit on yhdistetty jännitteeseen V, joka luo sähköpotentiaalin eroavaisuuden niiden välille. Levien väliset sähkökenttä E on tasainen ja kohtisuorassa leviin nähden, kuten kuvassa 1 näkyy.

Levien välinen sähkökenttä E annetaan kaavalla:

missä V on jännite levien välillä, d on levien välinen etäisyys, σ on pintavarauksen tiheys jokaisella levyllä, ja ϵ0 on tyhjiön penetratiivisuus.

Sähkökenttä E aiheuttaa polarisaation P dielektrisessä materiaalissa, joka on dipoli hetki yksikkötilavuudessa materiaalissa. Polarisaatio P vähentää tehokasta sähkökenttää E dielektriksen sisällä ja lisää kondensaattorin kapasitiivisuuden C.

Yhdensuuntaisen levyläisen kondensaattorin kapasitiivisuus C on jokaisen levyn varauksen Q suhde levien väliseen jännitteeseen V:

Kapasitiivisuus C riippuu levien geometriasta ja dielektrisestä materiaalista niiden välissä. Yhdensuuntaiselle levyläiselle kondensaattorille, jolla on ilma tai tyhjiö levien välissä, kapasitiivisuus C annetaan seuraavasti:

missä A on jokaisen levyn pinta-ala ja d on levien välinen etäisyys.

Yhdensuuntaiselle levyläiselle kondensaattorille, jolla on dielektrinen materiaali levien välissä, kapasitiivisuus C annetaan seuraavasti:

missä k on suhteellinen penetratiivisuus tai dielektrinen vakio materiaalista, joka on ulottuvuudetonta määritystä, joka mitataan, kuinka helposti materiaalia voidaan polarisoida sähkökentällä.

Dielektrisen materiaalin suhteellinen penetratiivisuus k on aina suurempi tai yhtä suuri kuin 1. Mitä suurempi k:n arvo, sitä enemmän varauksia voidaan varastoida kondensaattorilla tietystä jännitteestä, ja siten suurempi kapasitiivisuus.

Yhdensuuntaisten levyläisten kondensaattorien sovellukset

Yhdensuuntaisia levyläisiä kondensaattoreita käytetään monissa eri tieteellisissä ja insinöörityössä. Joitakin niistä ovat:

• Suodatus: Yhdensuuntaisia levyläisiä kondensaattoreita voidaan käyttää suodattamaan pois ei-toivottuja taajuuskomponentteja tai häiriöitä sähköisestä signaalista. Esimerkiksi ne voivat estää suoraan virtaa (DC) signaaleja ja sallia vaihtovirta (AC) signaaleja kulkea läpi. Niitä voidaan myös käyttää sähkövirran häiriöiden tasoittamiseen virtalähteissä.

• Tuning: Yhdensuuntaisia levyläisiä kondensaattoreita voidaan käyttää elektroniikan piirien tunnistukseen haluttuun taajuuteen. Esimerkiksi ne voidaan käyttää radioissa, televisioissa ja muissa viestintälaitteissa kanavan tai taajuusalueen valitsemiseen.

• Mittaus: Yhdensuuntaisia levyläisiä kondensaattoreita voidaan käyttää fyysisiä suureita, kuten painetta, lämpötilaa, kosteutta, siirtymää jne. Esimerkiksi ne voidaan käyttää mikrofoneissa, lämpömittareissa, ilmankosteusmittareissa, kiihtyvyysmittareissa jne. Yhdensuuntaisen levyläisen kondensaattorin kapasitiivisuus muuttuu näiden fyysisiä suureita koskevien muutosten vuoksi levien välisen etäisyyden tai dielektrisen materiaalin muutosten vuoksi.

• Energian varastoiminen: Yhdensuuntaisia levyläisiä kondensaattoreita voidaan käyttää sähköisen energian varastoimiseen niiden sähkökentissä. Esimerkiksi niitä voidaan käyttää taskulamppuissa, kameroissa, defibrillaattoreissa jne. Varastoitava energia yhdensuuntaisessa levyläisessä kondensaattorissa annetaan kaavalla:

missä U on varastoitava energia jouleissa (J), C on kapasitiivisuus faradeissa (F) ja V on jännite voltteissa (V).

Yhteenveto