Conductor dan Dielektrik Pendahuluan Sebuah kapasitor

Conductor dan Dielektrik
Pendahuluan
Sebuah kapasitor adalah perangkat yang menyimpan muatan listrik . Kapasitor bervariasi
dalam bentuk dan ukuran,
tetapi konfigurasi dasar adalah dua konduktor yang membawa biaya sama tetapi berlawanan ( Gambar
5.1.1 ) . Kapasitor memiliki banyak aplikasi penting dalam elektronik . beberapa contoh
termasuk menyimpan energi potensial listrik , menunda perubahan tegangan ketika digabungkan
dengan
resistor , menyaring sinyal frekuensi yang tidak diinginkan , membentuk sirkuit resonan dan membuat
tergantung pada frekuensi dan pembagi tegangan independen bila dikombinasikan dengan resistor .
Beberapa aplikasi ini akan dibahas dalam bab-bab terakhir .
Dalam keadaan bermuatan , muatan pada salah satu dari konduktor dalam kapasitor adalah nol .
Selama proses pengisian , biaya Q dipindahkan dari satu konduktor ke yang lain ,
memberikan satu konduktor biaya + Q , dan yang lainnya biaya . potensi A
Perbedaan dibuat , dengan konduktor bermuatan positif pada potensial yang lebih tinggi daripada
konduktor bermuatan negatif . Perhatikan bahwa apakah dibebankan atau bermuatan , muatan bersih
pada kapasitor secara keseluruhan adalah nol .
-Q
ΔV
Contoh paling sederhana dari sebuah kapasitor terdiri dari dua pelat budidaya daerah , yang
sejajar satu sama lain , dan dipisahkan oleh jarak d , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.1.2 .
Percobaan menunjukkan bahwa jumlah muatan Q yang tersimpan dalam kapasitor linear
sebanding dengan , perbedaan potensial listrik antara pelat . Dengan demikian , kita dapat
menulis
ΔV
Q C = | ΔV | ( 5.1.1 )
5-3where C adalah konstanta proporsionalitas positif disebut kapasitansi . Secara fisik ,
kapasitansi adalah ukuran kapasitas penyimpanan muatan listrik untuk potensi yang diberikan
Perbedaan ΔV . Satuan SI dari kapasitansi adalah farad ( F ) :
1 F = = 1 farad 1 coulomb volt = 1 C V
Sebuah kapasitansi khas adalah dalam picofarad yang ( ) untuk millifarad jangkauan,
().
12 1 pF 10 F - =
3 6 1 mF 10 F = 1000μ μ F ; 1 F 10 F - - = =
Gambar 5.1.3 ( a) menunjukkan simbol yang digunakan untuk mewakili kapasitor di sirkuit . untuk
kapasitor tetap terpolarisasi yang memiliki polaritas yang pasti , Gambar 5.1.3 ( b ) kadang-kadang digunakan
5.3 Kapasitor di Sirkuit Listrik
Sebuah kapasitor dapat diisi dengan menghubungkan piring ke terminal baterai , yang
dipertahankan pada perbedaan potensial ΔV disebut tegangan terminal
Hasil sambungan dalam berbagi biaya antara terminal dan piring . untuk
Misalnya , piring yang terhubung ke ( positif ) terminal negatif akan mendapatkan beberapa
( positif ) muatan negatif . Berbagi menyebabkan penurunan sesaat biaya pada
terminal , dan penurunan tegangan terminal . Reaksi kimia yang kemudian memicu ke
mentransfer biaya lebih dari satu terminal ke yang lain untuk mengkompensasi hilangnya biaya
dengan pelat kapasitor , dan mempertahankan tegangan terminal pada tingkat awal . baterai
dengan demikian bisa dianggap sebagai biaya pompa yang membawa muatan Q dari satu piring ke
lainnya .
5-95.3.1 Koneksi Paralel
Misalkan kita memiliki dua kapasitor C1 dengan biaya Q1 dan C2 dengan biaya Q2 yang
terhubung secara paralel , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.3.2 .
Piring kiri dari kedua kapasitor C1 dan C2 yang terhubung ke terminal positif dari
baterai dan memiliki potensi listrik yang sama seperti terminal positif . Demikian pula , baik kanan
piring bermuatan negatif dan memiliki potensi yang sama dengan terminal negatif . Dengan demikian ,
perbedaan potensial | ΔV | adalah sama di masing-masing kapasitor . Hal ini memberikan
Kedua kapasitor dapat diganti dengan kapasitor setara tunggal dengan total
muatan Q
Ceq
dipasok oleh baterai . Namun, karena Q dibagi oleh dua kapasitor , kita
harus memiliki
Setara kapasitansi sehingga terlihat diberikan oleh
Dengan demikian , kapasitor yang terhubung secara paralel add . Generalisasi ke sejumlah
kapasitor adalah
5.3.2 Series Connection
Misalkan dua kapasitor awalnya bermuatan C1 dan C2 yang terhubung dalam seri , seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 5.3.3 . Perbedaan potensial | ΔV | kemudian diterapkan di kedua kapasitor . itu
piring kiri kapasitor 1 dihubungkan ke terminal positif dari baterai dan menjadi
bermuatan positif dengan muatan + Q , sedangkan pelat kanan kapasitor 2 terhubung ke
terminal negatif dan menjadi bermuatan negatif dengan muatan -Q sebagai aliran elektron
dalam . Bagaimana dengan piring batin ? Mereka awalnya bermuatan ; sekarang piring luar
masing-masing menarik biaya yang sama dan berlawanan . Jadi pelat kanan kapasitor 1 akan memperoleh
biaya -Q dan pelat kiri kapasitor + Q .
Beda potensial
Dari gambar 5.3.3 dapat dilihat
Bahkan , total beda potensial di sejumlah kapasitor sehubungan seri
adalah sama dengan jumlah perbedaan potensial di kapasitor masing-masing . kedua
kapasitor dapat diganti dengan setara kapasitor eq CQ tunggal = / | ΔV | . Menggunakan fakta
bahwa potensi menambahkan seri ,
Jadi capasitansi utuk dua kapasitor menjadi
dielektrik
Dalam banyak kapasitor ada bahan isolasi seperti kertas atau plastik antara
piring . Materi tersebut , yang disebut dielektrik , dapat digunakan untuk mempertahankan pemisahan fisik
piring . Karena dielektrik memecah kurang mudah daripada udara , biaya kebocoran dapat
diminimalkan , terutama ketika tegangan tinggi diterapkan .
Eksperimen ditemukan bahwa kapasitansi C meningkat ketika ruang antara
konduktor diisi dengan dielektrik . Untuk melihat bagaimana hal ini terjadi , misalkan sebuah kapasitor memiliki
kapasitansi ketika tidak ada materi antara pelat . Ketika bahan dielektrik adalah
dimasukkan untuk sepenuhnya mengisi ruang antara pelat , meningkat kapasitansi untuk
C0
C = κ EC0 ( 5.5.1 )
5-16where disebut konstanta dielektrik . Dalam tabel di bawah ini , kami menunjukkan beberapa dielektrik
bahan dengan konstanta dielektrik mereka. Percobaan menunjukkan bahwa semua bahan dielektrik
memiliki . Perhatikan bahwa setiap bahan dielektrik memiliki kekuatan dielektrik karakteristik
yang merupakan nilai maksimum medan listrik sebelum kerusakan terjadi dan biaya mulai
mengalir .
Fakta bahwa kenaikan kapasitansi dengan adanya dielektrik dapat dijelaskan dari
Titik molekul pandang . Kami akan menunjukkan thatκ e adalah ukuran respon dielektrik untuk
medan listrik eksternal . Ada dua jenis dielektrik . Tipe pertama adalah polar
dielektrik , yang merupakan dielektrik yang memiliki momen dipol listrik permanen . sebuah
Contoh dari jenis dielectric adalah air .
Seperti digambarkan pada Gambar 5.5.1 , orientasi molekul polar adalah acak dalam ketiadaan
medan eksternal . Ketika E0 medan listrik eksternal
JG hadir , torsi sudah diatur dan
menyebabkan molekul untuk menyelaraskan dengan E0
G . Namun, keselarasan tidak lengkap karena
gerak termal acak . Molekul yang selaras kemudian menghasilkan medan listrik yang
berlawanan dengan medan listrik tetapi lebih kecil di besarnya .
Tipe kedua dielektrik adalah dielektrik non - polar , yang dielektrik yang melakukan
tidak memiliki momen dipol listrik permanen . Momen dipol listrik dapat diinduksi
dengan menempatkan bahan dalam medan listrik eksternal diterapkan .
Gambar 5.5.2 menggambarkan orientasi molekul non - polar dengan dan tanpa
bidang eksternal . Biaya permukaan induksi pada wajah menghasilkan E0 medan listrik
G EP
JG
dalam arah yang berlawanan untuk , yang mengarah ke E0
G E E = 0 + EP
JG G G , dengan 0 | | E < | E | G G . Di bawah ini kami menunjukkan
bagaimana induksi medan EP listrik dihitung .