ตัวเก็บประจุทำงานอย่างไร

ในแง่หนึ่งตัวเก็บประจุก็เหมือนแบตเตอรี่ แม้ว่าพวกมันจะทำงานในลักษณะที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง แต่ทั้งตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ต่างก็เก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ หากคุณได้อ่านHow Batteries Workแล้วคุณจะรู้ว่าแบตเตอรี่มีขั้วสองขั้ว ภายในแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาเคมีจะผลิตอิเล็กตรอนที่ขั้วหนึ่งและดูดซับอิเล็กตรอนที่ขั้วอีกขั้วหนึ่ง ตัวเก็บประจุง่ายกว่าแบตเตอรี่มาก เนื่องจากไม่สามารถผลิตอิเล็กตรอนใหม่ได้ แต่จะเก็บไว้เท่านั้น

ในบทความนี้ เราจะมาเรียนรู้ว่าตัวเก็บประจุคืออะไร ทำหน้าที่อะไร และใช้งานอย่างไรในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้เรายังจะดูประวัติของตัวเก็บประจุและวิธีที่หลายคนช่วยสร้างความก้าวหน้า

ภายในตัวเก็บประจุ ขั้วจะเชื่อมต่อกับแผ่นโลหะสองแผ่นที่คั่นด้วยสารที่ไม่นำไฟฟ้าหรือไดอิเล็กทริก คุณสามารถสร้างตัวเก็บประจุจาก ฟอยล์ อลูมิเนียม สองชิ้น และกระดาษหนึ่งแผ่นได้อย่างง่ายดาย มันจะไม่ใช่ตัวเก็บประจุที่ดีเป็นพิเศษในแง่ของความจุ แต่มันจะใช้งานได้

ตามทฤษฎีแล้ว ไดอิเล็กตริกสามารถเป็นสารที่ไม่นำไฟฟ้าใดๆ ก็ได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานจริง วัสดุเฉพาะจะถูกใช้ซึ่งเหมาะสมกับฟังก์ชันของตัวเก็บประจุมากที่สุด ไมกา เซรามิก เซลลูโลส พอร์ซเลน ไมลาร์ เทฟลอน และแม้กระทั่งอากาศเป็นวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าบางส่วนที่ใช้ อิเล็กทริกเป็นตัวกำหนดว่าตัวเก็บประจุชนิดใดและเหมาะสมที่สุด ตัวเก็บประจุบางตัวดีกว่าสำหรับการใช้งานความถี่สูงในขณะที่บางตัวดีกว่าสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดและประเภทของอิเล็กทริก ตัวเก็บประจุสามารถผลิตได้เพื่อตอบสนองทุกวัตถุประสงค์ ตั้งแต่ตัวเก็บประจุพลาสติกที่เล็กที่สุดในเครื่องคิดเลขของคุณ ไปจนถึงตัวเก็บประจุพิเศษที่สามารถจ่ายไฟให้กับรถโดยสารประจำทาง NASAใช้ตัวเก็บประจุแบบแก้วเพื่อช่วยปลุกวงจรของกระสวยอวกาศและช่วยปรับใช้โพรบอวกาศ ตัวเก็บประจุชนิดต่างๆ และวิธีการใช้งานมีดังนี้

ในหัวข้อถัดไป เราจะมาดูกันว่าตัวเก็บประจุทำงานอย่างไร

1. วงจรตัวเก็บประจุ
2. ฟารัด
3. ประวัติของตัวเก็บประจุ

ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ตัวเก็บประจุจะแสดงดังนี้:

เมื่อคุณเชื่อมต่อตัวเก็บประจุกับแบตเตอรี่นี่คือสิ่งที่จะเกิดขึ้น:

เมื่อชาร์จแล้ว ตัวเก็บประจุจะมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากับแบตเตอรี่ (1.5 โวลต์บนแบตเตอรี่หมายถึง 1.5 โวลต์บนตัวเก็บประจุ) สำหรับตัวเก็บประจุขนาดเล็ก ความจุมีขนาดเล็ก แต่ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่สามารถเก็บประจุได้เล็กน้อย คุณสามารถหาตัวเก็บประจุที่ใหญ่เท่ากับกระป๋องโซดาที่มีประจุเพียงพอสำหรับจุดไฟหลอดไฟฉายเป็นเวลาหนึ่งนาทีหรือมากกว่านั้น

แม้แต่ธรรมชาติก็แสดงตัวเก็บประจุที่ทำงานในรูปของสายฟ้า แผ่นหนึ่งคือก้อนเมฆอีกแผ่นหนึ่งคือพื้น และสายฟ้าเป็นประจุที่ปล่อยระหว่าง "แผ่นเปลือกโลก" ทั้งสองแผ่นนี้ แน่นอนว่าในตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ คุณสามารถเก็บประจุได้มาก!

สมมติว่าคุณต่อตัวเก็บประจุแบบนี้:

ที่นี่คุณมีแบตเตอรี่หลอดไฟและตัวเก็บประจุ หากตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่มาก คุณจะสังเกตเห็นว่าเมื่อคุณเชื่อมต่อแบตเตอรี่ หลอดไฟจะสว่างขึ้นเมื่อกระแสไฟไหลจากแบตเตอรี่ไปยังตัวเก็บประจุเพื่อชาร์จไฟ หลอดไฟจะหรี่ลงเรื่อยๆ และสุดท้ายจะดับลงเมื่อตัวเก็บประจุมีความจุเพียงพอ หากคุณถอดแบตเตอรี่ออกแล้วเปลี่ยนด้วยสายไฟ กระแสไฟฟ้าจะไหลจากแผ่นหนึ่งของตัวเก็บประจุไปยังอีกแผ่นหนึ่ง หลอดไฟจะสว่างในตอนแรกแล้วหรี่ลงเมื่อตัวเก็บประจุคายประจุจนหมด

ในหัวข้อถัดไป เราจะมาเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความจุและดูรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการใช้ตัวเก็บประจุแบบต่างๆ

เหมือนหอน้ำ

One way to visualize the action of a capacitor is to imagine it as a water tower hooked to a pipe. A water tower "stores" water pressure -- when the water system pumps produce more water than a town needs, the excess is stored in the water tower. Then, at times of high demand, the excess water flows out of the tower to keep the pressure up. A capacitor stores electrons in the same way and can then release them later.

A capacitor's storage potential, or capacitance, is measured in units called farads. A 1-farad capacitor can store one coulomb (coo-lomb) of charge at 1 volt. A coulomb is 6.25e18 (6.25 * 10^18, or 6.25 billion billion) electrons . One amp represents a rate of electron flow of 1 coulomb of electrons per second, so a 1-farad capacitor can hold 1 amp-second of electrons at 1 volt.

A 1-farad capacitor would typically be pretty big. It might be as big as a can of tuna or a 1-liter soda bottle, depending on the voltage it can handle. For this reason, capacitors are typically measured in microfarads (millionths of a farad).

To get some perspective on how big a farad is, think about this:

If it takes something the size of a can of tuna to hold a farad, then 10,080 farads is going to take up a LOT more space than a single AA battery! Obviously, it's impractical to use capacitors to store any significant amount of power unless you do it at a high voltage.

Applications

The difference between a capacitor and a battery is that a capacitor can dump its entire charge in a tiny fraction of a second, where a battery would take minutes to completely discharge. That's why the electronic flash on a camera uses a capacitor -- the battery charges up the flash's capacitor over several seconds, and then the capacitor dumps the full charge into the flash tube almost instantly. This can make a large, charged capacitor extremely dangerous -- flash units and TVs have warnings about opening them up for this reason. They contain big capacitors that can, potentially, kill you with the charge they contain.

Capacitors are used in several different ways in electronic circuits:

In the next section, we'll look at the history of the capacitor and how some of the most brilliant minds contributed to its progress.

Capacitive Touch Screens

One of the more futuristic applications of capacitors is the capacitive touch screen . These are glass screens that have a very thin, transparent metallic coating. A built-in electrode pattern charges the screen so when touched, a current is drawn to the finger and creates a voltage drop. This exact location of the voltage drop is picked up by a controller and transmitted to a computer. These touch screens are commonly found in interactive building directories and more recently in Apple's iPhone .

The invention of the capacitor varies somewhat depending on who you ask. There are records that indicate a German scientist named Ewald Georg von Kleist invented the capacitor in November 1745. Several months later Pieter van Musschenbroek, a Dutch professor at the University of Leyden came up with a very similar device in the form of the Leyden jar, which is typically credited as the first capacitor. Since Kleist didn't have detailed records and notes, nor the notoriety of his Dutch counterpart, he's often overlooked as a contributor to the capacitor's evolution. However, over the years, both have been given equal credit as it was established that their research was independent of each other and merely a scientific coincidence [source: Williams ].

The Leyden jar was a very simple device. It consisted of a glass jar, half filled with water and lined inside and out with metal foil. The glass acted as the dielectric, although it was thought for a time that water was the key ingredient. There was usually a metal wire or chain driven through a cork in the top of the jar. The chain was then hooked to something that would deliver a charge, most likely a hand-cranked static generator . Once delivered, the jar would hold two equal but opposite charges in equilibrium until they were connected with a wire, producing a slight spark or shock [source: Williams ].

Benjamin Franklin worked with the Leyden jar in his experiments with electricity and soon found that a flat piece of glass worked as well as the jar model, prompting him to develop the flat capacitor, or Franklin square. Years later, English chemist Michael Faraday would pioneer the first practical applications for the capacitor in trying to store unused electrons from his experiments. This led to the first usable capacitor, made from large oil barrels. Faraday's progress with capacitors is what eventually enabled us to deliver electric power over great distances. As a result of Faraday's achievements in the field of electricity, the unit of measurement for capacitors, or capacitance, became known as the farad [source: Ramasamy ].

Originally Published: Sep 17, 2007

What does a capacitor do?

Can capacitor kill you?

Is a capacitor a battery?

What is a capacitor?

Related Articles

More Great Links