ตัวเก็บประจุสามารถเก็บประจุในขณะที่ผ่านกระแสได้อย่างไร

บ่อยครั้งที่ตัวเก็บประจุเก็บประจุ แค่อ่านจากWikipediaฉันก็พบว่า:

ดาเนียลกราลา ธ เป็นครั้งแรกที่รวมหลายขวดในแบบคู่ขนานเป็น "แบตเตอรี่" เพื่อเพิ่มความจุค่าใช้จ่าย เบนจามินแฟรงคลินตรวจสอบขวด Leyden และมาถึงข้อสรุปว่าค่าใช้จ่ายถูกเก็บไว้ในแก้วไม่ใช่ในน้ำตามที่คนอื่นคิด

เนื่องจากตัวนำ (หรือเพลท) อยู่ใกล้กันประจุที่ตรงกันข้ามในตัวนำจะดึงดูดซึ่งกันและกันเนื่องจากสนามไฟฟ้าของพวกมันทำให้ตัวเก็บประจุสามารถเก็บประจุสำหรับแรงดันที่กำหนดได้มากกว่าถ้าตัวนำถูกแยกออกทำให้ตัวเก็บประจุมีประจุขนาดใหญ่ .

นี่คือค่าประจุที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ

ประจุมีหน่วยวัดเป็น coulombs และฉันรู้จากคำจำกัดความของความจุว่าถ้าตัวเก็บประจุ 1F มีแรงดันไฟฟ้า 1V ดังนั้นประจุ 1C จะถูกเก็บไว้ในนั้น ถ้าคูลอมบ์เป็น 6.241 × 10 ¹⁸อิเล็กตรอนก็ควรมี 6.241 × 10 ¹⁸อิเล็กตรอนในตัวเก็บประจุนี้อยู่ที่ไหนสักแห่ง

แต่ตอนนี้พิจารณาเรื่องนี้ ถ้าฉันใช้ตัวเก็บประจุเป็นโหลดไปยังแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับบางกระแสจะไหล (จำนวนที่แม่นยำขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าความถี่และตัวเก็บประจุ):

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ฉันรู้ว่ากระแสไหลไปทั่ววงจรนี้เพราะถ้าฉันวางหลอดไฟไว้ที่ด้านข้างของตัวเก็บประจุทั้งสองก็จะสว่างขึ้น แต่ถ้ากระแสไหลผ่านวงจรนี้ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุไว้อย่างไร กล่าวอีกนัยหนึ่งฉันจะใส่อิเล็กตรอนเข้าไปในตัวเก็บประจุได้อย่างไรถ้ากระแสไหลไปรอบ ๆ วงจรซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนทั้งหมดที่ฉันใส่เข้าไปในตัวเก็บประจุจำนวนเดียวกันจะออกมาอีกด้านหนึ่ง หากฉันไม่สามารถใส่อิเล็กตรอนโดยไม่ต้องถอดออกมาได้ตัวเก็บประจุจะเก็บได้อย่างไร

มันเป็นเรื่องง่าย. ตัวเก็บประจุไม่เก็บค่าใช้จ่ายก็เก็บพลังงาน ประจุสุทธิในตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์ (แทนที่จะพิจารณาจากแผ่นเดียวหรือฉนวน) ไม่เคยเปลี่ยนแปลง การเพิ่มขึ้นของประจุลบในจานหนึ่งมีความสมดุลอย่างแน่นอนโดยประจุลบที่ลดลงในจานอื่น ๆ ดังนั้นเมื่อกระแสเข้าสู่เทอร์มินัลหนึ่งกระแสที่เท่ากันต้องออกจากเทอร์มินัลอื่น

นี่เป็นเวอร์ชั่นการ์ตูน แต่มันใช้งานได้ในหัวของฉัน

มีช่องว่างแบบฉนวนในตัวเก็บประจุดังนั้นอิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่สามารถเดินทางจากขั้วหนึ่งไปอีกขั้วหนึ่งได้ อิเล็กตรอนที่เข้ามาจะไม่เหมือนกันออกมาอีกด้านหนึ่ง! อิเล็กตรอนที่เข้ามา "หยุด" แทนในจานเดียว แต่สนามไฟฟ้าของอิเล็กตรอนนั้นจะผลักอิเล็กตรอนออกจากอีกด้านหนึ่งซึ่งจะไหลออกมาจากจานอีกอันในที่สุดก็มาถึงแหล่งกำเนิด เรามีวงจรที่สมบูรณ์ แต่อิเล็กตรอนกำลังก่อตัวขึ้นบนจานหนึ่งและหลุมก็กำลังก่อตัวขึ้นที่อีกอันหนึ่ง!

ตอนนี้มีข้อ จำกัด ว่าจะมีอิเล็กตรอนกี่ตัวที่สามารถสะสมบนจานได้ อิเลคตรอนจะผลักกันซึ่งก็จะมีมากยิ่งยากที่จะเกาะติดกัน เราต้องการสิ่งที่บังคับให้พวกเขาอยู่บนจานด้วยกัน นั่นคือแรงดันไฟฟ้า ในทางกลับกันความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนพยายามผลักกันซึ่งก็คือแรงดันไฟฟ้าซึ่งเป็นแรงที่พยายามเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนรอบ ๆ วงจร

ตอนนี้เมื่ออิเล็กตรอนที่เข้ามาเคาะหนึ่งอันที่หลุดออกมาจากจานอีกอันอิเล็กตรอนขาออกจะมีพลังงานน้อยกว่าอิเล็กตรอนที่เข้ามาซึ่งคิดเป็นแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุที่มีประจุ

แน่นอนว่าอิเล็กตรอนยังไม่หยุดนิ่งแม้ว่าจะไม่มีสิ่งใดที่จะทำให้พวกมันมีขนาดใหญ่ได้ พวกมันต่างก็ต้านทานซึ่งกันและกัน“ เด้ง” ออกจากสนามไฟฟ้าของกันและกัน ถ้าเขตข้อมูลเหล่านั้นมีความเข้มมากเกินไป (แรงดันไฟฟ้าสูงเกินไป) ปฏิกิริยาอาจทำให้อิเล็กตรอนทะลุผ่านสิ่งกีดขวางอิเล็กทริกระหว่างแผ่น เมื่อแรงดันไฟฟ้าข้ามเพลตสูงเกินไปกระแสไฟฟ้ารั่วของฝาปิดก็จะสูงขึ้น และถ้ามันยาวเกินไปอิเล็กทริกได้รับความเสียหายและคุณไม่มีหมวกที่ดีมากอีกต่อไป

การชาร์จอาจหมายถึงหลายสิ่งหลายอย่าง เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการชาร์จประจุด้วยพลังงานเช่นเดียวกับการชาร์จระเบิดหรือบัตรเครดิตแบบเติมเงิน เราสามารถรับประจุไฟฟ้าซึ่งวัดเป็นคูลอมบ์ได้ด้วย

ประมาณ 6.241 × 10 ¹⁸อิเล็กตรอนทำให้ประจุ 1C อย่างไรก็ตามเมื่อผู้คนพูดถึงประจุในตัวเก็บประจุพวกเขาไม่ได้พูดถึงอิเล็กตรอนในตัวเก็บประจุเหมือนกับที่คน ๆ หนึ่งพูดถึงคุกกี้ในโถคุกกี้ พวกเขากำลังพูดถึงอย่างอื่น มันสับสน แต่มันคือสิ่งที่พวกเขาทำอยู่แล้ว

สิ่งที่พวกเขาจริงการพูดคุยเกี่ยวกับการเป็นหนึ่งในปัจจุบัน นั่นคือค่าเฉลี่ยของกระแสที่ไหลคูณกับเวลาที่ไหล หากกระแสมีการวัดเป็นแอมแปร์และเวลาเป็นวินาทีจากนั้นเมื่อคุณใช้กระแสและคูณด้วยเวลาคุณจะได้สิ่งที่วัดเป็นแอมแปร์ - วินาที และถ้าคุณจำแอมป์ได้หนึ่งคูลอมบ์ต่อวินาที ดังนั้น:

นั่นคือแอมป์ - วินาทีคือคูลอมบ์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญในปัจจุบันคือค่าใช้จ่าย ดังนั้นเมื่อมีคนบอกว่าตัวเก็บประจุคือ "เก็บประจุ 1C" พวกเขาไม่ได้หมายความว่ามีอิเล็กตรอน 1C ในตัวเก็บประจุพวกเขาหมายถึงค่าใช้จ่าย 1C ผ่านตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุคือ "การจัดเก็บ" ที่มีประจุมากในแง่ที่ว่าตอนนี้มีพลังงานเพียงพอที่จะผลักดันประจุ 1C กลับไปทางอื่น

จะดีกว่าถ้าคิดว่าตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานมากกว่าเป็นอุปกรณ์เก็บข้อมูลประจุ เมื่อกระแสไหลเข้าสู่ตัวเก็บประจุแรงดันไฟฟ้าจะสะสมที่ขั้ว แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกคั่นด้วยระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกและสร้างสนามไฟฟ้า สาขานี้เป็นที่เก็บพลังงาน ในทางกลับกันตัวเหนี่ยวนำเก็บพลังงานด้วยสนามแม่เหล็ก

ในขณะที่กระแสไหลประจุตรงข้ามสะสมบนแผ่นประจุแต่ละด้านตรงข้ามกัน อิเล็กตรอนพยายามไปรอบ ๆ วงจร แต่มันหยุดลงที่จานของตัวเก็บประจุปล่อยประจุลบด้านหนึ่งและประจุบวกอีกด้านหนึ่ง ขนาดของประจุแต่ละชนิดสามารถอธิบายได้ด้วยสมการ:

C = Q / V

กระแสจะไหลต่อไปและประจุจะยังคงสะสมอยู่จนกว่าวงจรที่ตัวเก็บประจุจะเสถียร ตัวอย่างเช่นถ้าวงจรเป็นเพียงแค่แบตเตอรี่ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเป็นอนุกรมกระแสจะไหลต่อไปจนกว่าแรงดันตัวเก็บประจุจะเท่ากับแรงดันแบตเตอรี่ ดังนั้นในวงจรกระแสตรงคงที่ซึ่งไม่มีการเปลี่ยนแปลงกระแสตัวเก็บประจุจะปรากฏเป็นวงจรเปิดที่มีประจุสะสมตามสัดส่วนของแรงดันไฟฟ้าข้ามขั้วและตัวเก็บประจุ

อย่างไรก็ตามสำหรับวงจรใด ๆ ที่ไม่ใช่ DC วิธีที่ดีกว่าในการอธิบายพฤติกรรมของตัวเก็บประจุคือ:

I = C * (dV / dt)

ดังนั้นหากคุณมีแหล่งกำเนิดแรงดันคลื่นไซน์กระแสไฟที่ไหลผ่าน "ตัวเก็บประจุ" จะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาและประจุไฟฟ้าที่สะสมจะไม่คงที่ ลองนึกภาพขวดน้ำที่เต็มไปด้วยครึ่งหนึ่งไปมา น้ำไม่ไหลอย่างต่อเนื่องเหมือนกระแสในวงจร DC แต่ก็ยังทำงานอยู่ หากคุณมีอุปกรณ์กังหันที่แปลกประหลาดบางอย่างในขวดน้ำมันจะหมุนอย่างต่อเนื่องหยุดเพียงเพื่อเปลี่ยนทิศทางเมื่อขวดปลายอีกทาง

ในที่สุดในวงจร DC ประจุที่เท่ากันและตรงข้ามจะถูกเก็บไว้ในแผ่นด้านข้างของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุไม่ได้เก็บอิเล็กตรอนเลย มันเก็บค่าใช้จ่าย อิเล็กตรอนจากด้านหนึ่งเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ วงจรไปยังอีกด้านหนึ่งซึ่งเกิดจากความต่างศักย์ไฟฟ้าภายนอก ผลที่ได้คือความเข้มข้นของอิเล็กตรอนในด้านหนึ่งและการขาดในอีกด้านหนึ่งประจุ ในวงจร AC ปรากฏการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้น แต่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ทันทีที่แรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนไปอิเล็กตรอนจะไม่ถูกดึงดูดไปที่แผ่นเปลือกโลกในลักษณะเดียวกันและเริ่มเคลื่อนที่ หากอิเล็กตรอนเหล่านี้เกิดขึ้นผ่านโหลดเช่นหลอดไฟระหว่างทางพวกเขาจะทำงานและหลอดไฟจะเปิด ดังนั้นกระแสจึงไม่ไหลไปตามวงจร มันลื่นไถลไปมาเหมือนน้ำในขวด อย่างไรก็ตาม สิ่งที่จะทำให้หลอดไฟเคลื่อนที่อิเลคตรอน หลอดไฟไม่สนใจว่ามันเคลื่อนที่ไปทางไหนและดวงตาของคุณไม่สามารถรับรู้ถึงการเปลี่ยนแปลงในทิศทางนั้นตราบใดที่ความเร็วในการเปลี่ยนเร็วพอ

ฉันต้องการทราบว่าเรากำลังพูดถึงตัวเก็บประจุในอุดมคติ ในทางปฏิบัติที่ความถี่สูงพอตัวเก็บประจุจะมีลักษณะเป็นตัวเหนี่ยวนำ (V = L * (di / dt))

แก้ไข:

ในการตอบคำถามเฉพาะ: ประจุเก็บอยู่ที่ไหนในตัวเก็บประจุ?

ภายในตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์ไม่มีการเก็บค่าใช้จ่ายสุทธิ อย่างไรก็ตามการใช้แบบจำลองแผ่นแบบขนานมีขนาดเท่ากันและตรงข้ามกับขนาดของประจุ Q ซึ่งอยู่บนแต่ละแผ่น เมื่อแรงดันไฟฟ้าภายนอกถูกนำไปใช้กับตัวเก็บประจุอิเล็กตรอนจะหนีออกจากแผ่นที่มีศักยภาพสูงกว่าและถูกดึงดูดไปยังแผ่นที่มีศักยภาพต่ำกว่า อิเล็กตรอนสะสมเหล่านี้ก่อประจุลบบนเพลตนั้นและการขาดอิเลคตรอนจากเพลทอื่นทำให้เกิดประจุบวก ขนาดจริงของแต่ละประจุ Q นั้นพิจารณาจากแรงดันไฟฟ้า V และประจุ C