ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ตัวเก็บประจุมีความจุต่ำกว่าในซีรีย์ ทำไมถึงเป็นเช่นนี้และถ้าฉันชาร์จแต่ละฝาแยกต่างหากจากนั้นใส่เป็นชุดมันจะยังคงมีความจุต่ำกว่าหรือไม่
ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ตัวเก็บประจุมีความจุต่ำกว่าในซีรีย์ ทำไมถึงเป็นเช่นนี้และถ้าฉันชาร์จแต่ละฝาแยกต่างหากจากนั้นใส่เป็นชุดมันจะยังคงมีความจุต่ำกว่าหรือไม่
คำตอบ:
คำตอบนี้มาจากการพิจารณาว่าอะไรคือความจุ: มันคือจำนวนคูลอมบ์ (C) ของประจุที่เราสามารถเก็บได้ถ้าเราใส่แรงดันไฟฟ้า (V) ลงบนตัวเก็บประจุ
ผลกระทบที่ 1:ถ้าเราเชื่อมต่อตัวเก็บประจุเป็นอนุกรมเราจะทำให้ยากต่อการพัฒนาแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุ ตัวอย่างเช่นถ้าเราเชื่อมต่อตัวเก็บประจุสองตัวในซีรีย์เข้ากับแหล่งจ่ายไฟ 5V แล้วตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะสามารถชาร์จได้ประมาณ 2.5V เท่านั้น ตามผลนี้เพียงอย่างเดียวค่าใช้จ่าย (และความจุ) จึงควรเท่ากัน: เราเชื่อมต่อตัวเก็บประจุสองตัวเป็นอนุกรมแต่ละค่าใช้จ่ายเพียงครึ่งหนึ่งของแรงดัน แต่เรามีความจุเป็นสองเท่าเนื่องจากมีสอง: ? ไม่ถูกต้อง!
ผลที่ 2:ประจุบนเพลตใกล้ของตัวเก็บประจุสองตัวจะยกเลิกซึ่งกันและกัน เฉพาะเพลทส่วนใหญ่เท่านั้นที่มีประจุ ผลกระทบนี้จะลดการจัดเก็บลงครึ่งหนึ่ง
พิจารณาแผนภาพต่อไปนี้ ในสาขาขนานทางด้านขวาเรามีตัวเก็บประจุตัวเดียวซึ่งถูกประจุ ทีนี้ลองจินตนาการว่าถ้าเราเพิ่มอันอื่นเข้าไปในอนุกรมเพื่อสร้างกิ่งก้านทางด้านซ้าย เนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างตัวเก็บประจุเป็นสื่อกระแสไฟฟ้านำทั้งสองแผ่นไปสู่ศักยภาพเดียวกัน-----
ประจุบนแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุด้านบนจะทำลาย+++++
ประจุบนแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุด้านล่าง
อย่างมีประสิทธิภาพเราเพิ่งมีสองแผ่นเพื่อให้ที่เก็บประจุ ถึงกระนั้นแรงดันไฟฟ้าก็ลดลงครึ่งหนึ่ง
อีกวิธีหนึ่งในการทำความเข้าใจนี้คือแผ่นเปลือกโลกทั้งสองที่ถูกประจุอยู่ห่างกันมากขึ้น ในพื้นที่ว่างถ้าเราเคลื่อนแผ่นออกห่างกันความจุจะลดลงเพราะความแรงของสนามลดลง ด้วยการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุในซีรีย์เราจะเคลื่อนแผ่นแยกออกจากกัน แน่นอนว่าเราสามารถวางตัวเก็บประจุไว้ใกล้หรือไกลกว่าบนแผงวงจรได้ แต่ตอนนี้เรามีช่องว่างสองช่องแทนที่จะเป็นหนึ่งช่องระหว่างแผ่นบนสุดและแผ่นล่างสุด สิ่งนี้จะลดความจุ
สูตรสำหรับความจุถูกกำหนดเป็น:
ที่ไหน
เมื่อคุณวางตัวเก็บประจุหลายตัวในซีรีย์คุณจะเพิ่มการแยกเพลทได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อขึ้นไป C จะลง
รูปภาพนี้แสดงให้เห็นถึงสมการสมมติว่าและ A คงที่ตลอดและระยะห่างของเพลตในตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มขึ้น:
ดูเหมือนว่าคุณจะสับสนกับความจุและความจุของแบตเตอรี่ แนวคิดเหล่านี้ค่อนข้างเกี่ยวข้องกันดังนั้นจึงเป็นที่เข้าใจได้
ความจุของแบตเตอรี่คือปริมาณแบตเตอรี่ที่แบตเตอรี่ของคุณสามารถให้ได้เมื่อชาร์จจนเต็มจนกว่าจะหมดประจุ เมื่อแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแรงดันไฟฟ้าจะสูงและค่านี้จะยังคงค่อนข้างคงที่จนกระทั่งประจุใกล้หมด:
หากคุณวางแบตเตอรี่ที่เหมือนกันสองก้อนเป็นอนุกรมกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านแบตเตอรี่สองก้อนแทนหนึ่งก้อน นั่นจะเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่มีแรงดันและความจุเท่ากันกับต้นฉบับแต่ละตัว
อย่างไรก็ตามความจุไม่ใช่การวัดค่าสูงสุด: มันวัดอัตราส่วนประจุ / แรงดันในส่วนประกอบ ตัวเก็บประจุ 2F จะแสดง 1V ข้ามขั้วเมื่อประจุด้วย 2C สิ่งนี้ทำให้ความจุและความจุไม่มีใครเทียบได้เนื่องจากคุณสามารถ (สมมติว่าตัวเก็บประจุที่ไม่สามารถทำลายได้) ทำให้ประจุในตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้นด้วยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ค่าสูงสุดที่คุณจะได้รับจากตัวเก็บประจุคือ C * V โดยที่ V คือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่คุณสามารถชาร์จตัวเก็บประจุ
ดังนั้นเมื่อตัวเก็บประจุกำลังสร้างประจุแรงดันของพวกเขาจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในขณะที่ในแบตเตอรี่มันก็ค่อนข้างคงที่ ในระบบของตัวเก็บประจุที่เหมือนกันสองตัวในอนุกรมจากนั้นกระแสจะทำให้ตัวเก็บประจุทั้งสองสร้างแรงดันขึ้น ผลลัพธ์คือแรงดันไฟฟ้ารวมที่มากกว่าและตามคำจำกัดความ (C = Q / V) ความจุที่น้อยกว่าสำหรับระบบ อย่างไรก็ตามนั่นไม่ได้ส่งผลกระทบต่อประจุทั้งหมดที่สามารถผ่านระบบได้เนื่องจากความจุขนาดเล็กนี้สามารถเรียกเก็บกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเนื่องจากตัวเก็บประจุแต่ละตัวเท่านั้น "รับ" แรงดันไฟฟ้าครึ่งหนึ่ง
จากมุมมองที่แตกต่างจากคำตอบอื่น ๆ (ในขณะที่ฉันเขียนนี้) พิจารณาปัญหาในโดเมนเฟสเซอร์ จำครั้งแรกความสัมพันธ์โดเมนเวลาพื้นฐาน:
สิ่งนี้กำหนดองค์ประกอบวงจรตัวเก็บประจุในอุดมคติ
ตอนนี้จำได้ว่าเวลาอนุพันธ์กลายเป็นคูณด้วยความถี่ที่ซับซ้อนในโดเมนเฟสเซอร์:
ส่วนประกอบที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมมีกระแสเหมือนกันดังนั้นสำหรับตัวเก็บประจุแบบเชื่อมต่อสองชุด:
ที่ไหน
ดังนั้นสำหรับตัวเก็บประจุแบบอนุกรมตัวเก็บประจุ "รวม" เช่นความต้านทานของตัวต้านทานแบบขนานคือความจุที่เทียบเท่าของตัวเก็บประจุแบบสองตัวมีค่าน้อยกว่าความจุที่เล็กที่สุดของแต่ละตัว
ฉันคิดว่าคุณเกือบตอบคำถามของคุณเอง ลองนึกภาพตัวเก็บประจุแบบขนานสองตัวในแต่ละประจุสำหรับการชาร์จ Q และประจุไฟฟ้าโวลต์ตอนนี้เมื่อคุณเชื่อมต่อแบบอนุกรมแรงดันไฟฟ้าในการรวมกันคือ 2V แต่ประจุทั้งหมดคือ Q เนื่องจากความจุเป็นอัตราส่วนของ Q และ V จึงลดลงครึ่งหนึ่ง
หากคุณต่อตัวเก็บประจุสองตัวในอนุกรมโดยที่แผ่นด้านล่างของตัวยึดที่สองแนบกับพื้นดิน:
หากคุณแก้สมการเหล่านี้คุณจะได้รับ: ประจุสุทธิที่ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อ (แผ่นด้านล่างแผ่นด้านบน) คือ:
ความจุที่เท่ากันคือ: และดูเหมือนว่าตัวเก็บประจุ
หากคุณชาร์จตัวเก็บประจุทั้งสองก่อนเชื่อมต่อ: และคุณสามารถค้นหาแรงดันไฟฟ้าของแต่ละตัวได้โดยใช้สมการ 2 ตัวแรก
หากคุณคิดว่า: โดยที่ เป็นค่าใช้จ่ายส่วนเกินเมื่อใส่ตัวเก็บประจุที่มีประจุเป็นอนุกรมดังนั้นสมการคือ: ดังนั้นตอนนี้ดูเหมือนว่าตัวเก็บประจุที่มีประจุคงที่ มันจะยังคงมีลักษณะเหมือนตัวเก็บประจุ แต่แรงดันไฟฟ้าจะถูกชดเชย
Skyler,
ฉันชอบที่จะได้ยินคนอื่นพูดสอดในเรื่องนี้ ฉันไม่มีคำอธิบายที่ดี แต่ฉันเชื่อว่าคำอธิบายของ efox29 ไม่เพียงพอ (หากไม่ถูกต้องทั้งหมด) หากเป็นจริงแล้ว 'd' จะเป็นค่าคงที่ที่รู้จักยากซึ่งสามารถคำนวณและใช้สำหรับตัวเก็บประจุที่มีขนาดเท่ากันในอนุกรม ไม่สำคัญว่าคุณใส่ตัวเก็บประจุไว้ห่างกันมากแค่ไหน สิ่งที่สำคัญคือโครงสร้างของวงจร (ความจริงเท่านั้นที่อยู่ในอนุกรม) สิ่งนี้ถือเป็นความจริงแน่นอนโดยสมมติว่าการเหนี่ยวนำและความสามารถของสายเชื่อมต่อกับพวกเขาและปัจจัยด้านสภาพแวดล้อมนั้นล้วน แต่ละเลย สูตรสำหรับความจุอนุกรมคือผลรวมซึ่งกันและกันของค่าตอบแทนของตัวเก็บประจุ เช่นนี้
ค่าความจุรวมที่ทราบค่า C1, C2 และ C3 ซีรี่ส์ = C 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3
อื่น ๆ สำหรับตัวเก็บประจุเพิ่มเติม
คำอธิบายของ efox29 อาจเป็นสิ่งที่คนบางคนสอนในโรงเรียน แต่ฉันคิดว่ามันไม่สามารถอธิบายกลไกของสิ่งที่เกิดขึ้นจริงได้
เท่าที่ชาร์จพวกเขาก่อนและใส่ในชุดเพียงแค่ทำการทดลองด้วยตัวเอง คุณจะรักษาและเข้าใจข้อมูล 4x ได้ดีขึ้นถ้าคุณแค่ทดสอบ เพื่อให้ได้ความคิดเกี่ยวกับความสามารถของพวกเขาให้ชาร์จพวกเขาและปล่อยพวกมันไปยังตัวเก็บประจุอื่นของค่าที่ทราบและวัดแรงดันของตัวเก็บประจุที่เพิ่งชาร์จใหม่ คุณสามารถเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้านั้นกับการวัดจากการกำหนดค่าที่แตกต่างกันเพื่อค้นหาว่าสิ่งต่าง ๆ มีพฤติกรรมอย่างไร จากนั้นคุณจะเข้าใจว่าสูตรคณิตศาสตร์ใช้งานอย่างไรและทำไม
ฉันคิดว่าคำอธิบายมากมายที่นี่มีรายละเอียดมากเกินไปในสไตล์ ELI5:
ประจุที่เก็บไว้เมื่อตัวเก็บประจุอยู่ในอนุกรมจะไม่เปลี่ยนแปลงจริง ๆ ถ้าคุณนำประจุสองตัวมาชาร์จแบบขนานและเชื่อมต่อพวกมันเป็นอนุกรมพวกมันไม่ได้ชาร์จประจุน้อยกว่าอย่างกระทันหัน .
"ความจุ" ของตัวเก็บประจุใหม่ที่สร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมนั้นต่ำลงเนื่องจากสมการของความจุที่เกี่ยวข้องมากกว่าค่าใช้จ่าย