เหตุใดตัวเก็บประจุจึงสูญเสียความจุในอนุกรม


30

ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ตัวเก็บประจุมีความจุต่ำกว่าในซีรีย์ ทำไมถึงเป็นเช่นนี้และถ้าฉันชาร์จแต่ละฝาแยกต่างหากจากนั้นใส่เป็นชุดมันจะยังคงมีความจุต่ำกว่าหรือไม่

คำตอบ:


33

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

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

อีกวิธีหนึ่งในการทำความเข้าใจนี้คือแผ่นเปลือกโลกทั้งสองที่ถูกประจุอยู่ห่างกันมากขึ้น ในพื้นที่ว่างถ้าเราเคลื่อนแผ่นออกห่างกันความจุจะลดลงเพราะความแรงของสนามลดลง ด้วยการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุในซีรีย์เราจะเคลื่อนแผ่นแยกออกจากกัน แน่นอนว่าเราสามารถวางตัวเก็บประจุไว้ใกล้หรือไกลกว่าบนแผงวงจรได้ แต่ตอนนี้เรามีช่องว่างสองช่องแทนที่จะเป็นหนึ่งช่องระหว่างแผ่นบนสุดและแผ่นล่างสุด สิ่งนี้จะลดความจุ


5
แทนที่จะคิดถึงตัวเก็บประจุในแง่ของแผ่นประจุฉันคิดว่าพวกมันเป็นอุปกรณ์ที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อประจุถูกผลักผ่านพวกมัน เมื่อแคปสองตัวอยู่ในอนุกรมประจุไฟฟ้าคูลอมบ์ทุกอันที่ผ่านไปหนึ่งอันและปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นด้วยคูลอมบ์แต่ละอันจะเท่ากับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นในแคป ดังนั้นจำนวนคูลอมบ์ที่สามารถผลักได้สำหรับโวลต์แต่ละค่าจะลดลง
supercat

@supercat Charge ไม่ถูกส่งผ่านตัวเก็บประจุ อิเล็กตรอนจะถูกเพิ่มหรือลบออกจากแผ่นผ่านวงจรภายนอก อิเล็กตรอนที่สะสมที่ด้านล่างของแผ่นด้านบนผลักอิเล็กตรอนไปที่แผ่นด้านล่างและในทางกลับกัน ด้วยตัวเก็บประจุสองตัวในชุดจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดที่อยู่ตรงกลางจะยังคงที่ อิเล็กตรอนจะกระจายตัวเองตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ข้ามองค์ประกอบ
Juan

1
@ จวน: ฉันรู้ว่าอิเล็กตรอนที่เข้ามาในจานหนึ่งนั้นไม่ได้เป็นอิเล็กตรอนตัวเดียวกัน แต่จะมีอิเล็กตรอนแต่ละตัวที่เข้ามาในจานจะผลักอิเล็กตรอนออกจากกันและอิเล็กตรอนทุกตัวที่ออกจากจานจะดึงอิเล็กตรอนเข้าไป อื่น ๆ ถ้าใครมองตัวเก็บประจุเป็นกล่องดำมันจะทำงานเหมือนอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านมัน การกด 0.000001 คูลอมบ์เข้าที่ขาข้างหนึ่งของ 1uF ในขณะที่ดึง 0.000001 คูลอมบ์ออกมาอีกอันนั้นเป็นคำสั่งที่มีขนาดใหญ่กว่าง่ายกว่าการผลักอิเล็กตรอนโดยไม่ต้องถอดออกหรือกลับกัน
supercat

การกด Coulomb ไม่ได้อธิบายอย่างเพียงพอ คูลอมบ์ไม่สามารถอยู่ในอุปกรณ์สองเครื่องได้ในคราวเดียว ดังนั้นหากเรามองว่าเป็นเช่นนั้นสิ่งที่เกิดขึ้นในท้ายที่สุดว่าเรามีความจุครึ่งหนึ่งโดยรวมและนั่นก็คือการแบ่งกันระหว่างอุปกรณ์ทั้งสองที่มีแรงดันไฟฟ้าครึ่งหนึ่งดังนั้นแต่ละคนจึงมีประจุหนึ่งในสี่
Kaz

เมื่อคุณพูดว่าค่าใช้จ่ายภายใน 'ยกเลิกกัน' คุณหมายความว่าค่าใช้จ่าย + & - กระจายตัวกันอย่างสม่ำเสมอระหว่างแผ่นเปลือกโลกทั้งสองด้านหรือไม่ ทำไมพวกเขาจะไม่ถูกแยกออกจากกันและดึงออกไปข้างนอกแต่ละแผ่น?
T3db0t

19

สูตรสำหรับความจุถูกกำหนดเป็น:

C=ϵrϵ0Ad

ที่ไหน

C
A
ϵrϵr=1
ϵ0ϵ08.854×1012F m1
d

เมื่อคุณวางตัวเก็บประจุหลายตัวในซีรีย์คุณจะเพิ่มการแยกเพลทได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อขึ้นไป C จะลง

รูปภาพนี้แสดงให้เห็นถึงสมการสมมติว่าและ A คงที่ตลอดและระยะห่างของเพลตในตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มขึ้น:ϵ

ตัวเก็บประจุในซีรีย์


6

ดูเหมือนว่าคุณจะสับสนกับความจุและความจุของแบตเตอรี่ แนวคิดเหล่านี้ค่อนข้างเกี่ยวข้องกันดังนั้นจึงเป็นที่เข้าใจได้

ความจุของแบตเตอรี่คือปริมาณแบตเตอรี่ที่แบตเตอรี่ของคุณสามารถให้ได้เมื่อชาร์จจนเต็มจนกว่าจะหมดประจุ เมื่อแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแรงดันไฟฟ้าจะสูงและค่านี้จะยังคงค่อนข้างคงที่จนกระทั่งประจุใกล้หมด:

โค้งจำหน่าย

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


1
+1 "มันวัดอัตราส่วนประจุ / แรงดันไฟฟ้าในส่วนประกอบ" ตามคำนิยามนั้นแบตเตอรี่สองก้อนในซีรีย์จะมีความจุเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น ที่จริงแล้วฉันอยากบอกว่าตัวเก็บประจุวัดค่าอนุพันธ์ของแรงดันไฟฟ้าประจุ wrt ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ในอุดมคตินั้นมีความจุไม่ จำกัด อยู่ตลอดเวลา - ซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงหากคุณใส่สองตัวเป็นอนุกรม (หรือขนานสำหรับเรื่องนั้น) - ความจุในทางกลับกันเป็นเพียงค่าใช้จ่ายทั้งหมด ที่ยังคงเหมือนเดิมสำหรับอนุกรมคู่สำหรับแบตเตอรี่แบบขนานเช่นเดียวกับตัวเก็บประจุ
leftaroundabout

4

จากมุมมองที่แตกต่างจากคำตอบอื่น ๆ (ในขณะที่ฉันเขียนนี้) พิจารณาปัญหาในโดเมนเฟสเซอร์ จำครั้งแรกความสัมพันธ์โดเมนเวลาพื้นฐาน:

iC=CdvCdt

สิ่งนี้กำหนดองค์ประกอบวงจรตัวเก็บประจุในอุดมคติ

ตอนนี้จำได้ว่าเวลาอนุพันธ์กลายเป็นคูณด้วยความถี่ที่ซับซ้อนในโดเมนเฟสเซอร์:

IC=jωC VC

ส่วนประกอบที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมมีกระแสเหมือนกันดังนั้นสำหรับตัวเก็บประจุแบบเชื่อมต่อสองชุด:

VCeq=VC1+VC2=I1jωC1+I1jωC2=Ijω(1C1+1C2)=I1jωCeq

ที่ไหน

Ceq=(C1||C2)

ดังนั้นสำหรับตัวเก็บประจุแบบอนุกรมตัวเก็บประจุ "รวม" เช่นความต้านทานของตัวต้านทานแบบขนานคือความจุที่เทียบเท่าของตัวเก็บประจุแบบสองตัวมีค่าน้อยกว่าความจุที่เล็กที่สุดของแต่ละตัว


2

ฉันคิดว่าคุณเกือบตอบคำถามของคุณเอง ลองนึกภาพตัวเก็บประจุแบบขนานสองตัวในแต่ละประจุสำหรับการชาร์จ Q และประจุไฟฟ้าโวลต์ตอนนี้เมื่อคุณเชื่อมต่อแบบอนุกรมแรงดันไฟฟ้าในการรวมกันคือ 2V แต่ประจุทั้งหมดคือ Q เนื่องจากความจุเป็นอัตราส่วนของ Q และ V จึงลดลงครึ่งหนึ่ง


ถ้าประจุที่ด้านหนึ่งของแผ่นแต่ละแผ่นถูกทำให้เป็นกลางฉันจะคิดว่าแรงดันไฟฟ้าข้ามแต่ละแผ่นจะลดลงครึ่งหนึ่งเนื่องจากประจุครึ่งหนึ่งจะหายไปและ V ∝ q ฉันอาจลองคำตอบในหลอดเลือดดำเดียวกับคุณ
เอลเลียต

2

หากคุณต่อตัวเก็บประจุสองตัวในอนุกรมโดยที่แผ่นด้านล่างของตัวยึดที่สองแนบกับพื้นดิน:

C1(V1V2)=Q1C2(V2)=Q2

หากคุณแก้สมการเหล่านี้คุณจะได้รับ: ประจุสุทธิที่ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อ (แผ่นด้านล่างแผ่นด้านบน) คือ:

V1=Q1C1+Q2C2
Q1+Q2=0Q1=Q2

ความจุที่เท่ากันคือ: และดูเหมือนว่าตัวเก็บประจุ

Ceq=11C1+1C2
CeqV1=Q1

หากคุณชาร์จตัวเก็บประจุทั้งสองก่อนเชื่อมต่อ: และคุณสามารถค้นหาแรงดันไฟฟ้าของแต่ละตัวได้โดยใช้สมการ 2 ตัวแรก

Q1Q2

หากคุณคิดว่า: โดยที่ เป็นค่าใช้จ่ายส่วนเกินเมื่อใส่ตัวเก็บประจุที่มีประจุเป็นอนุกรมดังนั้นสมการคือ: ดังนั้นตอนนี้ดูเหมือนว่าตัวเก็บประจุที่มีประจุคงที่ มันจะยังคงมีลักษณะเหมือนตัวเก็บประจุ แต่แรงดันไฟฟ้าจะถูกชดเชย

Q1Q2=Q0
Q0
V1=Q1CeqQ0C2

0

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


1
ฉันไม่รู้ว่าค่า 'มาตรฐาน' สำหรับ Er, A และ d คืออะไร แต่ให้ใช้ต่อไปนี้ Er = 2.6, E0 = 8.85e-12, A = 1 และ d = 1 ถ้าเราใช้ค่าเหล่านี้ C = 2.30e-11 Farads หากคุณใช้สมการความจุอนุกรมสำหรับตัวเก็บประจุ Farad 2.30e-11 สองตัวคุณจะได้รับ 1.15e-11 Farads (ครึ่งหนึ่งของค่าความจุตามที่ใช้) ทั้งหมดเป็นสิ่งที่ดี. หากคุณใช้สมการในสิ่งที่ฉันนำเสนอและเปลี่ยน d = 2 คุณจะได้รับ 1.15e-11 Farads กล่าวคือ การใช้งานตัวพิมพ์ใหญ่ในซีรีย์เหมือนกับการเพิ่มการแยกแผ่น
efox29

2
ฉันเห็นด้วยกับ @ efox29 - คำอธิบายของเขาฟังดูสมบูรณ์แบบ
Andy aka

แสดงให้เห็นว่าคำอธิบายของ efox ถือเป็นอย่างไรสำหรับตัวเก็บประจุที่แตกต่างกันสองตัว
Scott Seidman

@ScottSeidman สังเกตก่อนว่าตัวเก็บประจุที่เท่ากันสามารถทำได้กับพื้นที่สม่ำเสมอ (พูด 1 ตารางเมตร) และ dieletric (พูดสูญญากาศ) โดยการแยกการแยกแผ่น ดำเนินการแทนเหล่านี้แล้วรวมการแยกเพลตสำหรับตัวเก็บประจุตัวเดียวที่เทียบเท่า
sh1

-1

ฉันคิดว่าคำอธิบายมากมายที่นี่มีรายละเอียดมากเกินไปในสไตล์ ELI5:

ประจุที่เก็บไว้เมื่อตัวเก็บประจุอยู่ในอนุกรมจะไม่เปลี่ยนแปลงจริง ๆ ถ้าคุณนำประจุสองตัวมาชาร์จแบบขนานและเชื่อมต่อพวกมันเป็นอนุกรมพวกมันไม่ได้ชาร์จประจุน้อยกว่าอย่างกระทันหัน .

"ความจุ" ของตัวเก็บประจุใหม่ที่สร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมนั้นต่ำลงเนื่องจากสมการของความจุที่เกี่ยวข้องมากกว่าค่าใช้จ่าย


1
การชาร์จคือและหน่วยคือคูลอมบ์ (C) ความจุคือ (ไม่ใช่ F) และหน่วยคือฟาราด์ (F) QC
ทรานซิสเตอร์

ฉันเชื่อว่า Kaz และ efox ทำงานได้ดี คำตอบของคุณไม่ใช่ข้อมูลเครื่องหมายวรรคตอนนั้นแย่มากและคุณรวมตัวแปร (Q, C) เข้ากับหน่วย (C, F) พิจารณาการตอบคำถามเก่าด้วยคำตอบที่มีอยู่จำนวนมาก (และดีกว่า)
แคลเซียม 3000

ฉันขอขอบคุณการแก้ไขของคุณในหน่วย แต่ฉันรู้สึกว่าการใช้ C ที่ทับซ้อนกันนั้นทำให้ผู้ที่มาถึงที่นี่สับสนเพียงแค่มองหาคำตอบง่ายๆดังนั้นฉันจึงได้แก้ไขคำตอบของฉันเพื่อนำหน่วยออก พวกเขาทำงานได้ดีสำหรับผู้ที่ต้องการเข้าใจสมการสำหรับผู้ที่ไม่เข้าใจอย่างเต็มที่ว่า Capacitance หมายถึงหรือชอบตัวฉันเองใช้หน่วยและชื่ออย่างเป็นธรรมแทนกันฉันรู้สึกว่าคำอธิบายง่ายๆเพิ่มคุณค่าฉันไม่แน่ใจว่าคุณ ปัญหาเกิดขึ้นกับเครื่องหมายวรรคตอนของฉันการหยุดเต็มสองครั้งที่ขาดไป
Triff

หากคำตอบใด ๆ ของ Yuriy อาจเป็นสิ่งที่ฉันควรจะได้ แต่ฉันไม่เห็นมันจนกระทั่งตอนนี้เพราะมันหายไประหว่างการโพสต์อื่น ๆ
Triff
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.