Kapasitor

'n Kapasitor is 'n elektroniese komponent wat energie stoor in die vorm van 'n elektriese veld. Die elektriese veld word gegenereer tussen twee geleiers as gevolg van teenoorgestelde elektriese lading wat op die verskillende geleiers geplaas word. Dit is 'n passiewe komponent met twee aansluitpunte, en dit was oorspronklik as 'n kondensator bekend – 'n term wat in Afrikaans steeds in sommige samestellings voorkom, soos die kondensatormikrofoon.^[1]

Die nut van 'n kapasitor hang van sy kapasitansie af. Hoewel daar tot 'n mate kapasitansie tussen enige twee geleiers bestaan wat naby mekaar in 'n stroombaan lê, is 'n kapasitor 'n komponent wat spesifiek ontwerp is om kapasitansie by 'n deel van die stroombaan te voeg.

Die fisiese vorm en konstruksie van praktiese kapasitors verskil aansienlik, en verskeie soorte is algemeen in gebruik. Die meeste kapasitors bevat minstens twee geleiers, gewoonlik in die vorm van metaalplate of -oppervlaktes wat deur 'n diëlektriese medium geskei word. 'n Geleier kan 'n metaalfoelie, 'n dun film, 'n gesinterde metaalkorrel of 'n elektroliet wees. Materiale wat algemeen as diëlektrikum gebruik word, is onder meer glas, keramiek, plastiekfilm, papier, mika, lug en oksiedlae. Wanneer 'n spanning oor die aansluitpunte van 'n kapasitor aangelê word – byvoorbeeld deur dit oor 'n battery te koppel – ontwikkel daar 'n elektriese veld oor die diëlektrikum, wat veroorsaak dat 'n netto positiewe lading op die een plaat en 'n netto negatiewe lading op die ander plaat versamel. Deur 'n perfekte diëlektrikum vloei daar geen stroom nie, maar in die bronstroombaan vloei daar wel lading; as die toestand lank genoeg gehandhaaf word, hou dié stroom op. Word 'n spanning aangelê wat met tyd verander, ondervind die bron 'n voortdurende stroom weens die herhaalde laai en ontlaai van die kapasitor.

Kapasitors word wyd in elektriese stroombane in alledaagse toestelle gebruik. In teenstelling met 'n resistor verkwis 'n ideale kapasitor nie energie nie, al verkwis werklike kapasitors 'n klein hoeveelheid. Vandag word kapasitors gebruik om gelykstroom te blokkeer terwyl wisselstroom deurgelaat word, om die uittree van kragtoevoere te stryk, om radio's in resonansiestroombane op bepaalde frekwensies in te stel en om spanning en kragvloei in kragoordragstelsels te stabiliseer.^[2] Die vermoë van kapasitors om energie te stoor, is in vroeë digitale rekenaars as dinamiese geheue benut en word vandag steeds in DRAM gebruik.^[3]

Die bekendste natuurlike voorbeeld van kapasitansie is die statiese lading wat tussen wolke en die aardoppervlak opbou, met die lug tussen hulle as diëlektrikum. Wanneer die deurslagspanning van die lug oorskry word, volg 'n weerligstraal.^[4]

Geskiedenis

In Oktober 1745 het Ewald Georg von Kleist van Pommere in Duitsland gevind dat lading gestoor kan word deur 'n hoogspanning-elektrostatiese kraggenerator met 'n draad aan 'n volume water in 'n glasfles in die hand te koppel.^[5] Von Kleist se hand en die water het as geleiers gedien en die fles as diëlektrikum, hoewel die besonderhede van die meganisme destyds verkeerd verklaar is. Hy het gevind dat 'n aanraking van die draad 'n kragtige vonk gelewer het wat baie pynliker was as dié van 'n elektrostatiese masjien. Die volgende jaar het die Nederlandse fisikus Pieter van Musschenbroek 'n soortgelyke toestel uitgevind, wat ná die Universiteit van Leiden – waar hy gewerk het – die Leidse fles genoem is.^[6] Hy was so beïndruk deur die skok wat hy gekry het dat hy geskryf het dat hy nie 'n tweede skok sou verduur nie, selfs nie vir die koninkryk van Frankryk nie.^[7]

Daniel Gralath was die eerste wat verskeie flesse parallel gekoppel het om die ladingskapasiteit te verhoog.^[8] Benjamin Franklin het die Leidse fles ondersoek en tot die gevolgtrekking gekom dat die lading in die glas gestoor word en nie in die water nie, soos ander aangeneem het. Hy het ook die term "battery" ingevoer – na analogie van 'n battery kanonne, waar 'n ry gelyksoortige eenhede die vermoë vergroot – wat later op groepe elektrochemiese selle toegepas is.^[9] In 1747 is Leidse flesse gemaak deur die binne- en buitekant van flesse met metaalfoelie te bedek en 'n oop ruimte by die mond te laat om vlamboë tussen die foelies te verhoed.^[10] Die vroegste eenheid van kapasitansie was die "fles" (jar), gelykstaande aan sowat 1,11 nanofarad.^[11]

Leidse flesse, of kragtiger toestelle met plat glasplate wat met foeliegeleiers afwissel, is tot omtrent 1900 uitsluitlik gebruik. Die uitvinding van die draadlose telegraaf (radio) het toe 'n vraag na standaardkapasitors geskep, en die geleidelike beweging na hoër frekwensies het kapasitors met laer induktansie vereis. Kompakter konstruksiemetodes het in gebruik gekom, soos 'n buigsame diëlektriese blad (byvoorbeeld geoliede papier) tussen lae metaalfoelie, wat opgerol of gevou is om 'n klein pakkie te vorm.

Vroeë kapasitors was as kondensators bekend, 'n term wat vandag nog by hoëkragtoepassings soos motorvoertuigstelsels gebruik word. Alessandro Volta het die woord condensatore in 1780 gebruik vir 'n toestel, soortgelyk aan sy elektroforus, wat hy ontwikkel het om elektrisiteit te meet; dit is in 1782 as condenser vertaal.^[12] Die naam het verwys na die vermoë van die toestel om 'n hoër digtheid elektriese lading te stoor as wat met 'n geïsoleerde geleier moontlik was.^[1] Die term het in onbruik verval weens die dubbelsinnigheid met die stoomkondensator, en die Britse Ingenieursstandaardevereniging het in 1926 die woord capacitor aanbeveel, hoewel dit etlike dekades geneem het voordat dit die oorhand gekry het.^[13]

Sedert die begin van die studie van elektrisiteit is nie-geleidende materiale soos glas, porselein, papier en mika as isolators gebruik; dekades later was dié materiale ook goed geskik as diëlektrikum vir die eerste kapasitors. Papierkapasitors, gemaak deur 'n strook geïmpregneerde papier tussen metaalstroke te plaas en die geheel in 'n silinder op te rol, is in die laat 19de eeu algemeen gebruik. Die vervaardiging daarvan het in 1876 begin, en van die vroeë 20ste eeu af is hulle as ontkoppelkapasitors in die telefonie gebruik.^[14]

Porselein is in die eerste keramiekkapasitors gebruik. In die vroeë jare van Marconi se draadlose senders is porseleinkapasitors vir hoëspanning- en hoëfrekwensietoepassings in die senders gebruik, terwyl kleiner mikakapasitors aan die ontvangerkant vir resonansiestroombane gedien het. Mikakapasitors is in 1909 deur William Dubilier uitgevind, en voor die Tweede Wêreldoorlog was mika die algemeenste diëlektrikum vir kapasitors in die Verenigde State.^[14]

Charles Pollak, die uitvinder van die eerste elektrolitiese kapasitors, het vasgestel dat die oksiedlaag op 'n aluminiumanode stabiel bly in 'n neutrale of alkaliese elektroliet, selfs wanneer die krag afgeskakel is. In 1896 is Amerikaanse patent nr. 672 913 aan hom toegeken vir 'n "elektriese vloeistofkapasitor met aluminiumelektrodes". Vastestof-elektroliet-tantaalkapasitors is in die vroeë 1950's deur Bell Laboratories uitgevind as 'n verkleinde en betroubaarder laespanningkapasitor om hulle nuwe uitvinding, die transistor, te ondersteun.

Met die ontwikkeling van plastiekmateriale deur organiese chemici gedurende die Tweede Wêreldoorlog het die kapasitorbedryf papier met dunner polimeerfilms begin vervang; een baie vroeë ontwikkeling in filmkapasitors is in 1944 in die Britse patent 587 953 beskryf.^[14] Elektriese dubbellaagkapasitors, vandag bekend as superkapasitors, is in 1957 uitgevind toe H. Becker 'n "laespanning-elektrolitiese kapasitor met poreuse koolstofelektrodes" ontwikkel het.^[14] Omdat die dubbellaagmeganisme destyds nog onbekend was, het hy in die patent geskryf dat dit nie presies bekend is wat in die komponent gebeur wanneer dit vir energiestoring gebruik word nie, maar dat dit tot 'n buitengewoon hoë kapasiteit lei.

Die MOS-kapasitor is later wyd as stoorkapasitor in geheuechips gebruik en as die basiese boublok van die ladinggekoppelde toestel (CCD) in beeldsensortegnologie.^[15] In 1966 het Robert Dennard die moderne DRAM-argitektuur uitgevind, wat een MOS-transistor per kapasitor kombineer.^[16]

Fisika

Oorsig

'n Kapasitor bestaan uit twee elektrodes, of plate, wat elk 'n teenoorgestelde lading stoor. Die twee plate is geleiers wat deur 'n isolator, of diëlektrikum, geskei word. Die lading word op die oppervlakte van die plate gestoor teen die grens met die diëlektrikum. Aangesien elke plaat dieselfde hoeveelheid van die teenoorgestelde lading stoor is die netto lading wat in die kapasitor gestoor is nul.

Die nie-geleidende gebied tussen die plate kan 'n vakuum of 'n isolerende materiaal wees. Voorbeelde van diëlektriese media is glas, lug, papier, plastiek, keramiek en selfs die verarmingsgebied van 'n halfgeleier wat chemies dieselfde is as die geleiers. Volgens Coulomb se wet oefen die lading op die een geleier 'n krag op die ladingsdraers in die ander geleier uit: lading van die teenoorgestelde polariteit word aangetrek en lading van dieselfde polariteit afgestoot, sodat 'n teenoorgestelde lading op die oppervlak van die ander geleier geïnduseer word. Die twee geleiers hou dus gelyke en teenoorgestelde ladings op hulle teenoorliggende oppervlaktes vas, en in die diëlektrikum ontwikkel 'n elektriese veld.^[17]

In die diagram hierlangs veroorsaak die roterende molekules 'n teenoorgestelde elektriese veld wat die veld van die plate gedeeltelik uitkanselleer. Dit word diëlektrikum-polarisasie genoem.

Kapasitansie van 'n kapasitor

Wanneer 'n elektriese lading op die plate opbou word 'n elektriese veld geskep in die gebied tussen die plate wat proporsioneel is aan die lading tussen die plate. Die veld veroorsaak 'n potensiaalverskil V = Ed tussen die twee plate. Die elektrone van die diëlektrikum-molekules word deur die elektriese veld beïnvloed en die molekules roteer 'n bietjie vanaf hulle ewewigsposisie.

Die kapasitansie van 'n kapasitor is die maat van die elektriese lading wat gestoor is op elke plaat gegee 'n potensiaalverskil of spanning wat oor die bestaan.

C = \frac{Q}{V}

waar

C die kapasitansie is,

Q die lading wat in elke plaat gestoor is, en

V die spanning oor die plate is.

Die SI-eenheid vir kapasitansie is die farad. 'n Kapasitor van een farad stoor een coulomb lading wat 'n potensiaalverskil van een volt veroorsaak oor die plate. Aangesien die farad 'n baie groot eenheid is word kapasitansie gewoonlik in mikrofarad (µF), nanofarad (nF) of pikofarad (pF) gegee. Die eenheid is na die Britse fisikus Michael Faraday vernoem.

By praktiese toestelle beïnvloed die opbou van lading die kapasitor soms meganies, sodat die kapasitansie self verander. In sulke gevalle word die kapasitansie in terme van inkrementele veranderinge gedefinieer:^[17]

C = \frac{d Q}{d V}

Die kapasitansiewaarde is eweredig aan die oppervlak van die plate en omgekeerd eweredig aan die afstand tussen die plate. Die kapasitansie van 'n parallelplaatkapasitor word gegee deur die vergelyking:

C \approx \frac{ϵ A}{d}; A ≫ d^{2}

waar

C die kapasitansie is,

ε die permittiwiteit van die diëlektrikum is,

A die oppervlak van die plate is, en

d die afstand tussen die plate is.

Hierdie eenvoudige model geld goed vir baie praktiese kapasitors, wat uit metaalblaaie gebou word wat deur 'n dun isolerende laag geskei is, want vervaardigers probeer die diëlektrikum eenvormig van dikte hou om dun plekke te vermy wat die kapasitor kan laat faal. Omdat die skeiding oor die hele plaatoppervlak eenvormig is, is die elektriese veld tussen die plate konstant en loodreg op die plaatoppervlak, behalwe naby die rande van die plate, waar die veldlyne na buite bult. Hierdie "randveld" is ongeveer net so breed as die plaatskeiding d en kan geïgnoreer word solank d klein is in vergelyking met die afmetings van die plate. Word 'n lading +Q op die een plaat en −Q op die ander geplaas, versprei die lading eweredig in 'n oppervlaklaag met konstante ladingsdigtheid σ = ±Q/A coulomb per vierkante meter aan die binneoppervlak van elke plaat. Uit die wet van Gauss volg dat die grootte van die veld E = σ/ε is, en die spanning tussen die plate is die lyn-integraal van die veld, naamlik V = Ed = Qd/εA, waaruit die formule hierbo volg.

Die hoogste kapasitansie word dus verkry met 'n diëlektrikum met 'n hoë permittiwiteit, 'n groot plaatoppervlak en 'n klein afstand tussen die plate. Omdat die oppervlak A met die kwadraat van die lineêre afmetings groei terwyl die skeiding d lineêr groei, skaal die kapasitansie met die lineêre afmeting van 'n kapasitor, oftewel met die derdewortel van sy volume.

'n Parallelplaatkapasitor kan slegs 'n eindige hoeveelheid energie stoor voordat diëlektriese deurslag plaasvind. Die diëlektrikum het 'n diëlektriese sterkte U_d wat die deurslagspanning van die kapasitor by V_d = U_dd vasstel, en die maksimum energie wat gestoor kan word, is dus

E = \frac{1}{2} C V^{2} = \frac{1}{2} \frac{ϵ A}{d} {(U_{d} d)}^{2} = \frac{1}{2} ϵ A d U_{d}^{2}

Die maksimum energie is dus 'n funksie van die volume, die permittiwiteit en die diëlektriese sterkte van die diëlektrikum. As die plaatoppervlak en die skeiding verander word terwyl dieselfde volume behou word, bly die maksimum energie wat gestoor kan word onveranderd, solank die afstand tussen die plate veel kleiner bly as die lengte en breedte van die plate. In die werklikheid bestaan daar ook randvelde buite die diëlektrikum, byvoorbeeld tussen die sykante van die plate, wat die effektiewe kapasitansie verhoog; dit word soms parasitiese kapasitansie genoem.^[18]

Hidrouliese analogie

In die hidrouliese analogie is 'n kapasitor soos 'n elastiese membraan in 'n pyp. Die animasie wys hoe die membraan gerek en ontspan word, wat ooreenstem met die laai en ontlaai van 'n kapasitor.

In die hidrouliese analogie stem spanning ooreen met waterdruk en elektriese stroom deur 'n draad met watervloei deur 'n pyp. 'n Kapasitor is soos 'n elastiese membraan binne die pyp: water kan nie daardeur beweeg nie, maar dit beweeg wel soos die membraan rek of ontspan.

Kapasitansie stem ooreen met die elastisiteit van die membraan. Net soos die verhouding van lading tot spanning groter is vir 'n groter kapasitansie, is die verhouding van waterverplasing tot druk groter vir 'n membraan wat makliker gee.
In 'n wisselstroombaan laat 'n kapasitor lading aan weerskante van die diëlektrikum beweeg sonder dat elektrone werklik deurgaan. In gelykstroombane werk dit soos 'n hidrouliese akkumulator wat energie stoor totdat die druk verlig word; net so kan kapasitors die vloei van elektrisiteit in gelykgerigte stroombane stryk soos 'n akkumulator die stote van 'n hidrouliese pomp demp.
Gelaaide kapasitors en gerekte membrane stoor albei potensiële energie: hoe meer 'n kapasitor gelaai word, hoe hoër is die spanning oor die plate, en hoe groter die verplaaste watervolume, hoe groter die elastiese potensiële energie.
Net soos kapasitors diëlektriese deurslag by hoë spannings ondervind, bars membrane onder buitengewone druk.
En net soos kapasitors gelykstroom blokkeer maar wisselstroom deurlaat, verplaas 'n membraan geen water nie tensy die druk verander.

Gedrag by kort en lang tye

'n Kapasitor gedra hom op verskillende tydstippe verskillend, maar twee uiterstes is maklik om oor te dink:

In die langtydgeval, nadat die laai- of ontlaaistroom die kapasitor versadig het, vloei daar geen stroom meer in of uit die kapasitor nie; die langtyd-ekwivalent van 'n kapasitor is dus 'n oop stroombaan.
In die korttydgeval, as die kapasitor met 'n bekende spanning V begin, kan dit deur 'n ideale spanningsbron van V vervang word. Is die kapasitor ongelaai (V = 0), is die korttyd-ekwivalent 'n kortsluiting.

Kapasitor met verskeie plate

Vir 'n kapasitor met n plate wat om die beurt aan die twee aansluitpunte gekoppel is, is die totale kapasitansie

C = ϵ \frac{A}{d} (n - 1)

waar εA/d die kapasitansie van 'n enkele plaatpaar is. Elke paar naasliggende plate tree as 'n afsonderlike kapasitor op, en die aantal pare is altyd een minder as die aantal plate – vandaar die faktor (n − 1).

Energie

Die teenoorgestelde lading akkumuleer op die plate van die kapasitor as gevolg van die skeiding van lading. 'n Spanning word geïnduseer oor die kapasitor as gevolg van die elektriese veld van die ladings. Al hoe meer werk moet verrig word teen die elektriese veld wat groter word namate meer ladingskeiding plaasvind. Die energie, gemeet in joule in die SI-eenheidstelsel, wat in die kapasitor gestoor word is gelyk aan die hoeveelheid werk wat verrig word om 'n spanningsval oor die kapasitor te induseer. Dus is die energie ook eweredig aan die elektriese veld oor die plate van die kapasitor. Die energie wat gestoor word in 'n kapasitor word deur die volgende vergelyking bereken:

E_{g e s t o o r} = \frac{1}{2} \frac{Q^{2}}{C} = \frac{1}{2} C V^{2} = \frac{1}{2} V Q

waar

E_{g e s t o o r}

die energie wat gestoor word is,

C die kapasitansie van die kapasitor is,

V die spanningsval oor die kapasitor is,

Q die lading is wat op elke plaat akkumuleer.

Die vergelyking volg uit die werk wat 'n eksterne bron moet verrig om lading van die negatiewe na die positiewe plaat te beweeg teen die krag van die elektriese veld in. Is die spanning oor die kapasitor V, is die werk wat nodig is om 'n klein hoeveelheid lading dq oor te dra gelyk aan V dq, en die totale energie is die integraal daarvan vanaf die ongelaaide toestand:^[19]

W = \int_{0}^{Q} V (q) d q = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C} d q = \frac{1}{2} \frac{Q^{2}}{C}

Hierdie potensiële energie bly in die kapasitor totdat die lading verwyder word. Word die lading toegelaat om deur 'n eksterne weerstand terug te vloei, verrig dit werk op die eksterne stroombaan. Vir 'n parallelplaatkapasitor met konstante plaatafstand kan die energie ook uit die veldsterkte bereken word:

W = \frac{1}{2} ϵ A d E^{2}

Dit is presies die energiedigtheid van die elektriese veld maal die volume van die veld tussen die plate, wat bevestig dat die energie in die elektriese veld gestoor word.

In elektriese stroombane

Gelykstroom

Elektrone kan nie maklik direk oor die diëlektrikum van een plaat na die ander vloei nie aangesien die diëlektrikum gekies word as 'n goeie isolator. Wanneer daar 'n stroom deur die kapasitor vloei is dit as gevolg van die akkumulasie van elektrone op die een plaat en die verwydering van elektrone van die ander plaat. Die proses wat bekend staan as 'laai van die kapasitor' is ten alle tye neutraal. Die stroom deur die kapasitor is as 'n resultaat van die skeiding van lading in plaas van die akkumulasie van lading. Die skeiding van lading veroorsaak 'n elektriese veld tussen die plate van die kapasitor wat aanleiding gee tot die spanningsval oor die kapasitor. Hierdie spanningsval is direk eweredig aan die hoeveelheid ladingskeiding. Die ladingskeiding is die tydintegraal van die stroom deur die kapasitor. Dit word deur die volgende vergelyking voorgestel:

I = \frac{d Q}{d t} = C \frac{d V}{d t}

waar

I die stroom deur die kapasitor is,

dV/dt vir tyd afgeleide van die spanning is,

C die kapasitansie van die kapasitor is.

Die gelykstroomspanning oor die kapasitor kan nie die spanning van die gelykstroom bron oorskry nie. Dus word die ewewigstoestand bereik as die spanning oor die kapasitor konstant is en die stroom dus nul is. Daarom word gesê die kapasitor blokkeer gelykstroom.

RC-stroombane

'n Seriestroombaan wat net 'n resistor, 'n kapasitor, 'n skakelaar en 'n konstante gelykspanningsbron V₀ bevat, staan as 'n laaistroombaan bekend.^[20] Is die kapasitor aanvanklik ongelaai en word die skakelaar op t = 0 gesluit, volg uit die spanningswet van Kirchhoff 'n eerste-orde differensiaalvergelyking waarvan die oplossing is:^[21]

I (t) = \frac{V_{0}}{R} e^{- t / τ}, V (t) = V_{0} (1 - e^{- t / τ}), Q (t) = C V_{0} (1 - e^{- t / τ})

waar τ = RC die tydkonstante van die stelsel is. Namate die kapasitor die bronspanning nader, neem die spanning oor die resistor en die stroom deur die stroombaan eksponensieel af. Vir 'n kapasitor wat ontlaai word, vervang die aanvanklike spanning van die kapasitor (V_Ci) die bronspanning en word die vergelykings:

I (t) = \frac{V_{C i}}{R} e^{- t / τ}, V (t) = V_{C i} e^{- t / τ}, Q (t) = C V_{C i} e^{- t / τ}

Ná een tydkonstante is die kapasitor tot sowat 63 % van die bronspanning gelaai, en ná ongeveer vyf tydkonstantes word dit as volledig gelaai beskou. Hierdie eenvoudige gedrag maak RC-kombinasies nuttig as tydbepalende elemente in ossillators, tydskakelaars en filters.

Wisselstroom

Die kapasitorstroom as gevolg van wisselstroomspanning of stroombronne verander periodies van rigting. Die wisselstroom laai die kapasitorplate om die beurt met die teenoorgestelde lading. Die stroom deur die kapasitor is slegs nul by die omkeerpunt van die proses, en daar word dus gesê dat die kapasitor wisselstroom gelei.

Aangesien die spanning oor 'n kapasitor die integraal van die stroom oor tyd is, soos hierbo getoon, sal die fase van die spanning die stroom volg met 90 grade in sinusvormige wisselstroombane.

Fasor-stroombaananalise en impedansie

Deur van fasors gebruik te maak word die impedansie van 'n kapasitor gegee deur die volgende vergelyking:

Z_{C} = V_{l} / I_{l} = \frac{- j}{ω C} = \frac{- j}{2 π f C} = - j X_{C}

waar

X_{C} = \frac{1}{ω C}

die kapasitiewe reaktansie is,

ω = 2 π f

die hoek-frekwensie is,

C die kapasitansie is,

f die frekwensie is, en

j die imaginêre eenheid is.

Dus is kapasitiewe reaktansie die negatiewe komponent van impedansie. Die negatiewe teken toon dat die stroom die spanning voorgaan met 90 grade vir sinusvormige seine, in teenstelling met 'n induktor waar die stroom die spanning met 90 grade volg.

Die impedansie van die komponent stem ooreen met die weerstand van 'n resistor. Aangesien die impedansie omgekeerd eweredig is aan die frekwensie van die sinusvormige sein sal die impedansie na nul neig vir hoë frekwensies, 'n kortsluiting, en na oneindig vir lae frekwensies, 'n oop baan.

Die kapasitor verkwis nie energie nie, maar stoor dit. In elektriese stroombane is daar twee soorte laste: weerstandslaste, wat elektriese energie onomkeerbaar in warmte omskakel, en reaktiewe laste soos kapasitors en induktors, wat energie nie verkwis nie maar dit slegs stoor om weer aan die stroombaan terug te lewer.

Dit sal ook opgemerk word dat die impedansie omgekeerd eweredig is aan die kapasitansie, in teenstelling met weerstande en induktors wat lineêr is. Dus is die serie- en parallelstroombaan-formules hieronder die teenoorgestelde van weerstande en induktors.

Laplace-stroombaananalise (s-vlak)

Wanneer die Laplace-transformasie in stroombaananalise gebruik word, word die oordrag-impedansie van 'n ideale kapasitor met nie-ideale stroom voorgestel in die s-vlak deur die vergelyking:

Z (s) = \frac{1}{s C}

waar

C die kapasitansie is, en

s (= σ+jω) die komplekse frekwensie is.

As die kapasitor 'n aanvanklike lading het word dit voorgestel deur

'n stroombron in serie met die kapasitor te plaas met die waarde

\frac{V_{0}}{C s}

'n spanningsbron in parallel met die kapasitor te plaas met die waarde

V_{0}

waar

V_{0}

die aanvanklike spanningsval is wat deur die lading veroorsaak word,

C die kapasitansie is, en

s (= σ+jω) die komplekse frekwensie is.

Kapasitornetwerke

Die spanningsval oor die kapasitor in 'n parallelle konfigurasie is dieselfde, maar die stroom deur elke kapasitor kan verskil. Die totale stroom in die netwerk is die som van die strome in elke kapasitor. Die ekwivalente totale kapasitansie (C_tot) van die netwerk word bereken deur:

C_{t o t} = C_{1} + C_{2} + \dots + C_{n}

Die parallelle konfigurasie van die kapasitor verhoog die totale lading wat gestoor kan word, dus verhoog die hoeveelheid energie wat gestoor kan word.

Die stroom deur die kapasitor in 'n serie-konfigurasie is dieselfde, maar die spanningsval oor elke kapasitor kan verskil. Die totale spanningsval oor die netwerk is die som van die spanningsval oor elke kapasitor. Die ekwivalente totale kapasitansie (C_tot) van die netwerk word bereken deur:

\frac{1}{C_{t o t}} = \frac{1}{C_{1}} + \frac{1}{C_{2}} + \dots + \frac{1}{C_{n}}

In 'n parallelle stroombaan is die totale lading die som van die lading op elke kapasitor, maar in 'n serie-stroombaan is die lading op elke kapasitor dieselfde.

Kapasitors kan in serie gekoppel word om die maksimum spanning oor die kombinasie te verhoog. Drie identiese kapasitors met 'n maksimum spanning van 10 volt elk kan in serie dus 'n maksimum spanning van 30 volt hanteer. Die nadeel is dat die totale kapasitansie slegs 'n derde van die van elke kapasitor is.

Nie-ideale gedrag

In die praktyk wyk kapasitors in verskeie opsigte van die ideale vergelyking af. Sommige afwykings, soos lekstroom en parasitiese effekte, is lineêr of byna lineêr en kan verreken word deur virtuele komponente by 'n ekwivalente stroombaan te voeg, waarna die gewone metodes van netwerkanalise gebruik kan word. In ander gevalle, soos by deurslag, is die effek nie-lineêr en moet dit afsonderlik beskou word. 'n Verdere groep afwykings, soos temperatuurafhanklikheid, kan lineêr wees maar maak die aanname ongeldig dat die kapasitansie konstant is.

Deurslagspanning

Bo 'n bepaalde veldsterkte, bekend as die diëlektriese sterkte, word die diëlektrikum in 'n kapasitor geleidend. Die spanning waarby dit gebeur, is die deurslagspanning van die toestel, en dit is die produk van die diëlektriese sterkte en die afstand tussen die geleiers:^[17]

V_{d} = E_{d s} d

Die maksimum energie wat veilig gestoor kan word, word dus deur die deurslagspanning beperk. Word dié spanning oorskry, kan 'n kortsluiting tussen die plate ontstaan wat die diëlektrikum, die plate of albei permanent beskadig. Vir kapasitors met lug as diëlektrikum is die deurslagveldsterkte in die orde van 2 tot 5 MV/m; vir mika is dit 100 tot 300 MV/m en vir olie 15 tot 25 MV/m.^[22] Omdat die diëlektrikum in baie dun lae gebruik word, is die absolute deurslagspanning van kapasitors beperk: tipiese waardes vir algemene elektroniese toepassings strek van 'n paar volt tot sowat een kilovolt. Namate die spanning verhoog word, moet die diëlektrikum dikker wees, wat hoëspanningkapasitors groter maak per eenheid kapasitansie.

Die deurslagspanning word sterk beïnvloed deur die vorm van die geleidende dele: skerp rande of punte verhoog die veldsterkte plaaslik en kan tot plaaslike deurslag lei. Sodra dit begin, volg die deurslag vinnig 'n spoor deur die diëlektrikum tot by die teenoorstaande plaat, wat koolstof agterlaat en 'n kortsluiting veroorsaak. Die gevolge kan plofbaar wees, aangesien die kortsluiting stroom uit die omliggende stroombaan trek.^[23] Deurslag word ook deur druk, humiditeit en temperatuur beïnvloed.^[24]

Ekwivalente stroombaan

'n Ideale kapasitor stoor en lewer energie sonder enige verlies. Werklike kapasitors het egter onvolkomenhede in hulle materiale wat tot die volgende parasitiese komponente lei:

die ekwivalente serie-induktansie (ESL), hoofsaaklik weens die aansluitdrade. Dit is gewoonlik net by relatief hoë frekwensies van belang.
twee weerstande wat 'n reële komponent by die totale impedansie voeg en dus drywing verkwis:
- 'n klein serieweerstand in die aansluitdrade, wat belangriker word soos die frekwensie styg;
- 'n klein konduktansie parallel met die kapasitansie, wat die onvolmaakte diëlektrikum verreken. Dit veroorsaak 'n klein lekstroom deur die diëlektrikum wat die kapasitor stadig ontlaai en oorheers die totale weerstand by baie lae frekwensies.^[17]

Namate die frekwensie styg, neem die kapasitiewe impedansie af, sodat die konduktansie van die diëlektrikum minder belangrik word en die serie-komponente belangriker. 'n Vereenvoudigde RLC-seriemodel behandel die kapasitor dus as 'n ideale kapasitansie in serie met 'n ekwivalente serie-induktansie en 'n ekwivalente serieweerstand (ESR). By die natuurlike frekwensie ω₀ = 1/√(ESL·C) hef die induktansie die kapasitansie presies op, sodat die totale reaktansie nul is en die impedansie net die ESR is; daar is die gemiddelde drywingverkwisting op sy maksimum. By nog hoër frekwensies oorheers die induktiewe impedansie en gedra die kapasitor hom ongewens soos 'n induktor.

Vir 'n vereenvoudigde model van 'n ideale kapasitor in serie met 'n ESR is die kwaliteitsfaktor (Q-faktor) van die kapasitor die verhouding van die grootte van sy kapasitiewe reaktansie tot sy weerstand by 'n gegewe frekwensie:

Q (ω) = \frac{| X_{C} (ω) |}{E S R} = \frac{1}{ω C \cdot E S R}

Rimpelstroom

Rimpelstroom is die wisselstroomkomponent van 'n toegevoerde bron, dikwels 'n skakelmodus-kragtoevoer, waarvan die frekwensie konstant of veranderlik kan wees. Rimpelstroom veroorsaak warmte binne die kapasitor weens diëlektriese verliese en die stroom deur die effens weerstandige toevoerlyne of die elektroliet. Sommige soorte kapasitors, hoofsaaklik tantaal- en aluminium-elektrolitiese kapasitors sowel as party filmkapasitors, het 'n gespesifiseerde maksimum rimpelstroom:

tantaal-elektrolitiese kapasitors met 'n vaste mangaandioksied-elektroliet word deur rimpelstroom beperk en het oor die algemeen die hoogste ESR-waardes; word hulle perke oorskry, kan dit tot kortsluitings en brandende komponente lei;
aluminium-elektrolitiese kapasitors, die algemeenste soort, se lewensverwagting verkort by hoër rimpelstrome, en oorskryding lei geneig tot plofbare faling;
keramiekkapasitors het oor die algemeen geen rimpelstroomperk nie en van die laagste ESR-waardes;
filmkapasitors het baie lae ESR-waardes, maar oorskryding van die rimpelstroom kan tot degradasie lei.

Kapasitansie-onstabiliteit

Die kapasitansie van sekere kapasitors neem af soos die komponent verouder. By keramiekkapasitors word dit deur verswakking van die diëlektrikum veroorsaak. Die soort diëlektrikum en die omgewings- en bergingstemperature is die belangrikste verouderingsfaktore, terwyl die bedryfspanning gewoonlik 'n kleiner uitwerking het. Die verouderingsproses kan omgekeer word deur die komponent bo sy Curie-punt te verhit. Veroudering is die vinnigste aan die begin van die komponent se lewe, waarna dit stabiliseer.^[25]

Die temperatuurafhanklikheid van kapasitansie word gewoonlik in dele per miljoen per °C uitgedruk. Dit kan meestal as 'n min of meer lineêre funksie beskou word, maar kan by uiterste temperature merkbaar nie-lineêr wees. Die temperatuurkoëffisiënt kan positief of negatief wees, afhangend van die diëlektrikum. Sommige tipes, aangedui as C0G/NP0 maar gewoonlik NPO genoem, het 'n effens negatiewe koëffisiënt by een temperatuur, 'n positiewe by 'n ander en nul tussenin, en word vir temperatuurkritiese stroombane voorgeskryf.

Kapasitors, veral keramiek- en ouer papierkapasitors, kan klankgolwe absorbeer en 'n mikrofoniese effek toon: vibrasie beweeg die plate, wat die kapasitansie laat verander en 'n wisselstroom induseer. Sommige diëlektrika is ook piëso-elektries. Die gevolglike steuring is veral in klanktoepassings 'n probleem. In die omgekeerde mikrofoniese effek oefen die veranderende veld tussen die plate 'n fisiese krag uit wat hulle soos 'n luidspreker laat beweeg; dit kan hoorbare klank voortbring, maar verkwis energie en belas die diëlektrikum.

Stroom- en spanningsomkering

Stroomomkering vind plaas wanneer die stroom van rigting verander, en spanningsomkering wanneer die polariteit in 'n stroombaan omruil. Omkering word gewoonlik uitgedruk as die persentasie van die maksimum nominale spanning wat van polariteit verwissel: in gelykstroombane is dit meestal minder as 100 %, terwyl wisselstroombane 100 % omkering ondervind. In gelykstroom- en pulsstroombane word omkering deur die demping van die stelsel bepaal; in onderdempte RLC-stroombane ossilleer die stroom en spanning met dalende pieke totdat ewewig bereik word, wat as "ringing" bekend staan. Omkering skep oormatige velde in die diëlektrikum, veroorsaak ekstra verhitting en kan die lewensduur van die kapasitor dramaties verkort.^[26]

Diëlektriese absorpsie

Kapasitors met enige soort diëlektrikum toon 'n mate van "diëlektriese absorpsie". Word 'n kapasitor ontlaai en dan losgekoppel, kan dit ná 'n kort tydjie weer 'n spanning ontwikkel weens histerese in die diëlektrikum. Dié effek is ongewens in toepassings soos presiese monster-en-hou-stroombane of tydstroombane. Die vlak van absorpsie hang van baie faktore af, maar die belangrikste is die soort diëlektrikum: tantaal-elektrolitiese kapasitors en polisulfoonfilm toon relatief hoë absorpsie, terwyl poliestireen en politetrafluoroetileen baie lae vlakke toon.^[27]

Lekstroom

Geen materiaal is 'n perfekte isolator nie, en dus laat alle diëlektrika 'n klein stroom deur. Lekstroom is gelykstaande aan 'n weerstand parallel met die kapasitor. Voortdurende blootstelling aan warmte, meganiese spanning of humiditeit kan die diëlektrikum laat verswak en tot oormatige lekstroom lei – 'n probleem wat dikwels in ou vakuumbuisstroombane voorgekom het, veral waar geoliede papier-en-foelie-kapasitors gebruik is. 'n Lekkerige koppelkapasitor kan die spanning van 'n volgende trap se roosterstroombaan van sy normale voorspanning af laat wegdryf en oormatige stroom of seinvervorming veroorsaak.

Lewensduur

Alle kapasitors het 'n beperkte lewensduur wat van hulle konstruksie en van die bedryfs- en omgewingstoestande afhang. Vastestof-keramiekkapasitors het by normale gebruik oor die algemeen 'n baie lang lewe, wat min van vibrasie of omgewingstemperatuur afhang, terwyl humiditeit, meganiese spanning en materiaalvermoeidheid die hoofrol by hulle faling speel. Falingswyses verskil: sommige kapasitors verloor kapasitansie geleidelik, kry hoër lekstroom of 'n hoër ESR, terwyl ander skielik of selfs katastrofies faal. Metaalfilmkapasitors is byvoorbeeld gevoeliger vir meganiese spanning en humiditeit, maar hulle is selfherstellend: wanneer die diëlektrikum plaaslik deurslaan, verdamp die dun metaallaag rondom die fout en isoleer dit.

Elektrolitiese kapasitors het gewoonlik die kortste lewensduur. Hulle word min deur vibrasie of humiditeit geraak, maar omgewings- en bedryfstemperature speel 'n groot rol in hulle faling, wat geleidelik voorkom as 'n toename in ESR (tot 300 %) en 'n afname in kapasitansie van tot 20 %. Die elektroliet diffundeer uiteindelik deur die seëls en verdamp; 'n hoër temperatuur verhoog ook die interne druk en die reaksietempo van die chemikalieë. Die lewensduur van 'n elektrolitiese kapasitor word daarom deur 'n aanpassing van die Arrhenius-vergelyking beskryf, en 'n praktiese reël is

L_{a} = L_{0} \cdot 2^{\frac{T_{0} - T_{a}}{10}}

waar L₀ die nominale lewe by die nominale toestande is, T₀ die maksimum bedryfstemperatuur, T_a die gemiddelde bedryfstemperatuur en L_a die verwagte lewensduur. Dit beteken die lewensduur halveer vir elke 10 °C wat die temperatuur styg.^[28]

Aluminium-elektrolitiese kapasitors word tydens vervaardiging gekondisioneer deur 'n spanning aan te lê wat die korrekte interne chemiese toestand vestig. Dié toestand word deur gereelde gebruik van die toerusting gehandhaaf; word 'n stelsel lank nie gebruik nie, kan die kapasitors hulle kondisionering verloor en soms met 'n kortsluiting faal wanneer hulle weer in gebruik geneem word.

Soorte kapasitors

Praktiese kapasitors is in baie verskillende vorme kommersieel beskikbaar. Die soort diëlektrikum, die struktuur van die plate en die verpakking van die komponent bepaal saam die eienskappe van die kapasitor en die toepassings waarvoor dit geskik is. Beskikbare waardes strek van baie klein (in die pikofarad-gebied, waar die parasitiese kapasitansie van die stroombaan self die beperkende faktor word) tot sowat 5 kF by superkapasitors. Bo ongeveer een mikrofarad word elektrolitiese kapasitors gewoonlik gebruik weens hulle klein afmetings en laer koste, tensy hulle betreklik swak stabiliteit, korter lewe en gepolariseerde aard hulle ongeskik maak.

Diëlektriese materiale

Die meeste kapasitors het 'n diëlektriese tussenlaag wat hulle kapasitansie in vergelyking met lug of 'n vakuum verhoog. Om die lading wat gestoor kan word te maksimeer, moet die diëlektrikum 'n so hoog moontlike permittiwiteit sowel as 'n so hoog moontlike deurslagspanning hê, en die verlies met frekwensie moet so laag moontlik wees. Kapasitors met klein waardes word wel met 'n hoë vakuum tussen die plate gemaak om buitengewoon hoë spannings en lae verliese moontlik te maak.

Verskeie vaste diëlektrika is beskikbaar, waaronder papier, plastiek, glas, mika en keramiek.^[14] Papier is in ouer kapasitors baie gebruik en bied relatief goeie hoëspanningsgedrag, maar dit absorbeer vog en is grootliks deur plastiekfilms vervang. Die plastiekfilms wat vandag gebruik word, bied beter stabiliteit en verouderingsgedrag as ouer diëlektrika soos geoliede papier, wat hulle nuttig maak in tydstroombane, hoewel hulle tot relatief lae bedryfstemperature en -frekwensies beperk kan wees. Groot plastiekfilmkapasitors word wyd in onderdrukkingstroombane, motoraansitstroombane en drywingsfaktorkorreksie gebruik.

Keramiekkapasitors is oor die algemeen klein, goedkoop en nuttig vir hoëfrekwensietoepassings, hoewel hulle kapasitansie sterk met spanning en temperatuur wissel en hulle swak verouder. Hulle word breedweg in klas 1-diëlektrika verdeel, met 'n voorspelbare verandering van kapasitansie met temperatuur, en klas 2-diëlektrika, wat by hoër spannings kan werk. Glas- en mikakapasitors is buitengewoon betroubaar en stabiel en verdra hoë temperature en spannings, maar hulle is te duur vir die meeste alledaagse toepassings.

Elektrolitiese kapasitors gebruik 'n aluminium- of tantaalplaat met 'n oksiedlaag as diëlektrikum; die tweede elektrode is 'n vloeibare elektroliet wat deur 'n verdere foelieplaat aan die stroombaan gekoppel word. Hulle bied baie hoë kapasitansie, maar swak toleransies, hoë onstabiliteit, geleidelike verlies van kapasitansie – veral by hoë temperature – en 'n hoë lekstroom. Swak gehalte kapasitors kan elektroliet lek, wat gedrukte stroombaanborde beskadig. Tantaalkapasitors bied beter frekwensie- en temperatuurgedrag as aluminium, maar hoër diëlektriese absorpsie en lekstroom.^[29] Polimeerkapasitors gebruik 'n vaste geleidende polimeer as elektroliet en bied 'n langer lewe en laer ESR teen 'n hoër prys.

Superkapasitors, gemaak van koolstof-aërogel, koolstofnanobuisies of ander hoogs poreuse elektrodemateriale, bied buitengewoon hoë kapasitansie en kan in sommige toepassings in die plek van herlaaibare batterye gebruik word. Wisselstroomkapasitors is spesifiek ontwerp om by netspanning te werk; hulle word algemeen in elektromotorstroombane gebruik, moet groot strome hanteer en is daarom fisies groot en stewig verpak, dikwels in metaalhouers wat maklik geaard kan word.

Style en verpakking

Die rangskikking van plate en diëlektrikum verskil na gelang van die verlangde eienskappe. Vir klein kapasitansies gebruik keramiekskywe 'n metaalbedekking waaraan die drade geheg word, terwyl groter waardes met verskeie stapels plate of skywe gemaak word. Kapasitors met nog groter waardes gebruik gewoonlik 'n metaalfoelie of 'n metaalfilm wat op die oppervlak van 'n diëlektriese film neergeslaan word; die geheel word opgerol om ruimte te bespaar. Om die serieweerstand en -induktansie van lang plate te verminder, word die plate en die diëlektrikum versprei sodat die verbinding aan die gemeenskaplike rand van die oprol gemaak word en nie aan die punte nie.

Die samestelling word ingesluit om te voorkom dat vog by die diëlektrikum kom; vroeë radiotoerusting het 'n kartonbuis met was gebruik, terwyl moderne papier- of filmkapasitors in 'n harde termoplastiek gedoop word. Groot hoëspanningkapasitors word soms saamgepers om in 'n reghoekige metaalhouer te pas, met geboute aansluitpunte, en die diëlektrikum word dikwels met 'n vloeistof geïmpregneer om sy eienskappe te verbeter.

Aansluitdrade kan aksiaal of radiaal gerig wees. "Aksiaal" beteken die drade lê op 'n gemeenskaplike as, tipies die as van die silindriese liggaam, en steek by die teenoorgestelde punte uit. Klein, goedkoop skyfvormige keramiekkapasitors bestaan sedert die 1930's en is steeds algemeen in gebruik. Ná die 1980's het oppervlakmonteerbare verpakkings algemeen geword: dié komponente is baie klein en het geen aansluitdrade nie, sodat hulle direk op die oppervlak van gedrukte stroombaanborde gesoldeer kan word. Dit vermy ongewenste hoëfrekwensie-effekte van die drade en vergemaklik outomatiese montering, hoewel dit weer moeiliker is om met die hand te hanteer.

Meganies verstelbare veranderlike kapasitors laat die plaatafstand of die oorvleuelende oppervlak verstel, byvoorbeeld deur 'n stel beweegbare plate tussen 'n stel vaste plate in te draai. Sulke kapasitors met plate wat aan die lug oop was, is algemeen in radio-instemstroombane gebruik; later ontwerpe gebruik 'n polimeerfilm as diëlektrikum tussen die bewegende en vaste plate. Elektriese beheer van kapasitansie is moontlik met varaktors – tru-gespande halfgeleierdiodes waarvan die verarmingsgebied se breedte met die aangelegde spanning verander – wat onder meer in fasegeslote lusse gebruik word.

Toepassings

Energiestoring

'n Kapasitor kan elektriese energie stoor terwyl dit van sy laaistroombaan afgekoppel is en kan dus soos 'n tydelike battery gebruik word. Kapasitors word algemeen in elektroniese toestelle gebruik om die kragtoevoer te handhaaf terwyl batterye verwissel word, sodat inligting in vlugtige geheue nie verlore gaan nie.

Daar is egter afwegings tussen kapasitors en batterye as stoortoestelle. Sonder eksterne weerstande of induktors kan kapasitors hulle gestoorde energie in 'n baie korter tyd as batterye vrystel, terwyl batterye weer veel meer lading per volume kan hou: konvensionele kapasitors lewer minder as sowat 360 joule per kilogram, teenoor die ongeveer 590 kJ/kg van 'n alkaliese battery. Superkapasitors is 'n tussenoplossing, want hulle kan lading veel vinniger as batterye opneem en lewer en verdra baie meer laai- en ontlaaisiklusse, maar hulle is vir 'n gegewe lading omtrent tien keer groter as konvensionele batterye. In motorklankstelsels stoor groot kapasitors energie wat die versterker op aanvraag kan gebruik, en in 'n flitsbuis hou 'n kapasitor die hoë spanning.

Digitale geheue

In die 1930's het John Atanasoff die beginsel van energiestoring in kapasitors gebruik om dinamiese digitale geheue vir die eerste binêre rekenaars te bou, wat elektronbuise vir logika gebruik het.^[3] Dieselfde beginsel word vandag in DRAM gebruik, waar elke bis in 'n klein kapasitor op 'n geïntegreerde stroombaan gestoor word.

Pulskrag en wapens

Pulskrag word in baie toepassings gebruik om die drywing (watt) van 'n hoeveelheid energie (joule) te verhoog deur dié energie in 'n baie kort tyd vry te stel. Pulse in die nanosekonde-gebied en drywings in die gigawatt-gebied is haalbaar. Kort pulse verg dikwels spesiaal vervaardigde hoëspanningkapasitors met lae induktansie, wat gewoonlik in groot groepe (kapasitorbanke) gebruik word om enorme stroompulse te lewer. Toepassings sluit elektromagnetiese vorming, Marx-genererators, gepulseerde lasers, pulsvormingsnetwerke, radar, fusienavorsing en deeltjieversnellers in. Groot kapasitorbanke dien ook as kragbronne vir die ontsteking van kernwapens en ander gespesialiseerde wapens.

Kragversorging

Reservoirkapasitors word in kragtoevoere gebruik om die uittree van 'n vol- of halfgolfgelykrigter te stryk. Hulle kan ook in ladingpompstroombane as die energiestoorelement dien om spannings hoër as die intreespanning te genereer.

Kapasitors word parallel met die kragstroombane van die meeste elektroniese toestelle en groter stelsels gekoppel om stroomskommelinge van die primêre kragbron weg te lei en so 'n "skoon" toevoer vir sein- of beheerstroombane te lewer. Klanktoerusting gebruik byvoorbeeld verskeie kapasitors op dié manier om netfrekwensiegebrom weg te lei voordat dit by die seinstroombane kom. Die kapasitors dien as 'n plaaslike reserwe vir die gelykstroombron en lei wisselstrome om die toevoer verby.

Drywingsfaktorkorreksie

In elektriese kragverspreiding word kapasitors vir drywingsfaktorkorreksie gebruik. Sulke kapasitors kom dikwels as drie kapasitors wat as 'n driefaselas gekoppel is, en hulle waardes word gewoonlik nie in farad gegee nie maar as reaktiewe drywing in volt-ampère reaktief (var). Die doel is om die induktiewe belasting van toestelle soos elektromotors en oordraglyne teen te werk sodat die las hoofsaaklik weerstandig voorkom. Individuele motors of lampe kan elk hulle eie korreksiekapasitor hê, of groter stelle kapasitors – gewoonlik met outomatiese skakeltoestelle – kan by 'n lassentrum in 'n gebou of in 'n groot substasie geïnstalleer word.

Koppeling en ontkoppeling

Omdat kapasitors wisselstroom deurlaat maar gelykstroom blokkeer sodra hulle tot die aangelegde gelykspanning gelaai is, word hulle dikwels gebruik om die wisselstroom- en gelykstroomkomponente van 'n sein te skei. Dié metode staan as wisselstroomkoppeling of kapasitiewe koppeling bekend en gebruik 'n groot kapasitansie waarvan die waarde nie noukeurig beheer hoef te word nie, solank die reaktansie by die seinfrekwensie klein is.

'n Ontkoppelkapasitor beskerm die een deel van 'n stroombaan teen die uitwerking van 'n ander, byvoorbeeld om ruis of oorgangsverskynsels te onderdruk. Ruis wat deur ander stroombaanelemente veroorsaak word, word deur die kapasitor weggelei, wat die uitwerking daarvan op die res van die stroombaan verminder; dit word meestal tussen die kragtoevoer en aarde gebruik. So 'n kapasitor word ook 'n omleikapasitor genoem. Ontkoppelkapasitors hoef nie altyd afsonderlike komponente te wees nie: hulle kan tussen die lae van 'n gedrukte stroombaanbord ingebou word, waar die krag- en aardvlakke met die diëlektrikum tussenin as 'n parallelplaatkapasitor optree.^[30]

Filters, ruisonderdrukking en vonkdempers

Saam met resistors en induktors vorm kapasitors hoogdeurlaat- en laagdeurlaatfilters wat bepaalde frekwensiebande deurlaat of onderdruk. Wanneer 'n induktiewe stroombaan oopgemaak word, val die stroom deur die induktansie vinnig weg en ontstaan 'n groot spanning oor die oop kontakte van die skakelaar of relais. Is die induktansie groot genoeg, kan die energie 'n vonk veroorsaak wat die kontakpunte laat oksideer, verweer of selfs saamsweis, of 'n vastetoestandskakelaar vernietig. 'n Vonkdemperkapasitor (snubber) oor die pas geopende stroombaan skep 'n pad vir dié impuls om die kontakte te vermy en verleng so hulle lewe; sulke kapasitors is byvoorbeeld algemeen in ontstekingstelsels met kontakbrekers gebruik. In kleiner stroombane is die vonk dalk nie sterk genoeg om die skakelaar te beskadig nie, maar dit kan steeds ongewenste radiofrekwensiesteuring uitstraal, wat 'n filterkapasitor absorbeer. Kapasitors word ook parallel met die onderbrekingseenhede van 'n hoëspanningstroombreker gekoppel om die spanning eweredig tussen dié eenhede te versprei; dit word graderingskapasitors genoem.

Motoraansitters

In eenfase-kortsluitrotormotors kan die primêre wikkeling nie self 'n draaibeweging aan die rotor gee nie, al kan dit een onderhou. Om die motor aan te sit, het 'n sekondêre "aansit"-wikkeling 'n nie-gepolariseerde aansitkapasitor in serie wat die sinusvormige stroom laat voorloop. Word die sekondêre wikkeling teen 'n hoek op die primêre wikkeling geplaas, ontstaan 'n roterende elektriese veld waarvan die krag nie konstant is nie maar genoeg om die rotor aan die draai te kry. Sodra die rotor naby bedryfsnelheid kom, koppel 'n sentrifugale skakelaar of 'n stroomgevoelige relais die kapasitor af. Motors met 'n permanent gekoppelde faseverskuiwingskapasitor in serie met 'n tweede wikkeling werk soos tweefase-induksiemotors. Aansitkapasitors is tipies nie-gepolariseerde elektrolitiese tipes, terwyl bedryfskapasitors gewoonlik papier- of plastiekfilmtipes is.

Seinverwerking en resonansiestroombane

Die energie wat in 'n kapasitor gestoor word, kan inligting verteenwoordig, hetsy in binêre vorm soos in DRAM, hetsy in analoë vorm soos in gemonsterde filters en ladinggekoppelde toestelle. In analoë stroombane dien kapasitors as komponente van integreerders en meer ingewikkelde filters en om terugvoerlusse te stabiliseer.

Kapasitors en induktors word saam in resonansiestroombane gebruik om inligting in bepaalde frekwensiebande te kies. Radio-ontvangers gebruik byvoorbeeld veranderlike kapasitors om op 'n stasie se frekwensie in te stem, en luidsprekers gebruik passiewe analoë skeidingsfilters. Die resonansiefrekwensie f van so 'n stroombaan word deur die induktansie L en die kapasitansie C bepaal:

f = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}

waar L in henry en C in farad gegee word.

Meting en sensors

Die meeste kapasitors is ontwerp om 'n vaste fisiese struktuur te behou, maar allerlei faktore kan daardie struktuur verander, en die gevolglike verandering in kapasitansie kan gebruik word om sulke faktore te meet.

Verandering van die diëlektrikum: kapasitors met 'n blootgestelde, poreuse diëlektrikum kan die humiditeit van lug meet. Kapasitors word ook gebruik om die brandstofvlak in vliegtuie akkuraat te meet, aangesien die kapasitansie toeneem soos die brandstof 'n groter deel van 'n plaatpaar bedek. Word die diëlektrikum saamgepers, kan die kapasitansie genoeg verander om as drukmeter te dien.
Verandering van die afstand tussen die plate: kapasitors met 'n buigsame plaat kan vervorming of druk meet. Industriële druksenders vir prosesbeheer gebruik drukgevoelige membrane wat as een plaat van 'n ossillatorstroombaan dien. In 'n kondensatormikrofoon word die een plaat deur die lugdruk beweeg relatief tot die vaste posisie van die ander. Sommige versnellingsmeters gebruik mikromeganiese kapasitors wat op 'n mikroskyfie geëts is om die grootte en rigting van die versnellingsvektor te meet; hulle word gebruik om vryval of kantelling te bespeur en om lugsakke te ontplooi.
Verandering van die effektiewe oppervlak van die plate: kapasitiewe tikskakelaars word in baie verbruikerselektronika gebruik.

Ligproduksie

'n Ligverspreidende kapasitor word van 'n diëlektrikum gemaak wat deur fosforessensie lig voortbring. Is een van die geleidende plate van 'n deursigtige materiaal gemaak, is die lig sigbaar. Sulke kapasitors word gebruik om elektroluminessente panele te bou, byvoorbeeld vir die agtergrondlig van skootrekenaars; in daardie geval is die hele paneel 'n kapasitor wat vir die doel van ligproduksie gebruik word.

Gevare en veiligheid

Die gevaar wat 'n kapasitor inhou, word gewoonlik deur die hoeveelheid gestoorde energie bepaal, wat elektriese brandwonde of fibrillasie van die hart kan veroorsaak. Faktore soos die spanning en die materiaal van die houer is van sekondêre belang en het meer te doen met hoe maklik 'n skok ontstaan as met hoeveel skade dit kan aanrig. Skokke van so laag as een joule kan onder sekere omstandighede al noodlottig wees, en skokke van meer as tien joule is oor die algemeen gevaarlik, veral wanneer die pad deur die kern van die liggaam en die hart loop.

Kapasitors kan lank nadat 'n stroombaan afgeskakel is steeds 'n lading behou, en dié lading kan gevaarlike of dodelike skokke gee of gekoppelde toerusting beskadig. Die flits van 'n weggooikamera het byvoorbeeld 'n fotoflitskapasitor wat meer as 15 joule kan bevat en tot meer as 300 volt gelaai kan wees. Diensprosedures vir elektroniese toestelle sluit daarom instruksies in om groot of hoëspanningkapasitors te ontlaai. Groter kapasitors kan ingeboude ontlaaiweerstande hê wat die gestoorde energie binne 'n paar sekondes ná afskakeling tot 'n veilige vlak verminder, en hoëspanningkapasitors word met hulle aansluitpunte kortgesluit geberg om te verhoed dat diëlektriese absorpsie weer gevaarlike spannings laat ontstaan.

Sommige ou, groot kapasitors met olie-geïmpregneerde papier of plastiekfilm bevat polichloorbifeniele (PCB's), wat uit stortingsterreine in grondwater kan lek. Sulke kapasitors is as "Askarel" en onder verskeie ander handelsname gemerk en kom in ballaste van fluoresserende lampe van voor 1975 voor.

Kapasitors kan katastrofies faal wanneer hulle aan spannings of strome buite hulle nominale waardes blootgestel word, of wanneer gepolariseerde kapasitors met omgekeerde polariteit gebruik word. Falings kan vlamboë skep wat die diëlektriese vloeistof verhit en laat verdamp, wat 'n opbou van gas onder druk gee en tot swelling, skeuring of 'n ontploffing kan lei. Groter kapasitors het dikwels ontlugtingsgaatjies of soortgelyke meganismes om die druk by faling te laat ontsnap. Kapasitors in radiofrekwensie- of volgehoue hoëstroomtoepassings kan oorverhit, veral in die middel van die oprol, en kapasitors in hoë-energie-kapasitorbanke kan geweldig ontplof wanneer 'n kortsluiting in een kapasitor die energie van die hele bank in die falende eenheid stort.

Geswolle elektrolitiese kapasitors. Die ontlugting bo laat gas onder druk ontsnap sodat die kapasitor nie ontplof nie.
'n Ontplofte elektrolitiese kapasitor, met stukke papier en metaalfoelie sigbaar

Sien ook

Verwysings

1 2 Duff, Wilmer (1916) [1908]. A Text-Book of Physics (in Engels) (4de uitg.). Philadelphia: P. Blakiston's Son & Co. p. 361. Besoek op 1 Desember 2016.
↑ Bird, John (2010). Electrical and Electronic Principles and Technology (in Engels). Routledge. pp. 63–76. ISBN 978-0-08089056-2.
1 2 Floyd, Thomas (2005) [1984]. Electronic Devices (in Engels) (7de uitg.). Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. p. 10. ISBN 0-13-127827-4.
↑ "Molecular Expressions: Electricity and Magnetism – Lightning: A Natural Capacitor". micro.magnet.fsu.edu (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 23 Augustus 2026. Besoek op 23 Augustus 2026.
↑ Williams, Henry Smith. "A History of Science Volume II, Part VI: The Leyden Jar Discovered" (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 24 Oktober 2007. Besoek op 17 Maart 2013.
↑ Keithley, Joseph F. (1999). The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 BC to the 1940s (in Engels). John Wiley & Sons. p. 23. ISBN 978-0-7803-1193-0.
↑ Houston, Edwin J. (1905). Electricity in Every-day Life (in Engels). P. F. Collier & Son. p. 71.
↑ Benjamin, Park (1895). A History of Electricity: (The Intellectual Rise in Electricity) from Antiquity to the Days of Benjamin Franklin (in Engels). J. Wiley & Sons. pp. 522-524. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Augustus 2025.
↑ Isaacson, Walter (2003). Benjamin Franklin: An American Life (in Engels). Simon and Schuster. p. 136. ISBN 978-0-74326084-8.
↑ Wolf, A.; McKie, D. (1962). A history of science, technology and philosophy in the 18th century (in Engels) (2de uitg.). Londen: George Allen & Unwin. p. 224.
↑ "eFunda: Glossary: Units: Electric Capacitance: Jar" (in Engels). eFunda. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 21 Julie 2013. Besoek op 17 Maart 2013.
↑ Pancaldi, Giuliano (2003). Volta: Science and culture in the Age of Enlightenment (in Engels). Princeton: Princeton University Press. pp. 112–126. ISBN 0-691-09685-6.
↑ British Engineering Standards Association: British Standard Glossary of Terms Used in Electrical Engineering, C. Lockwood & Son, 1926.
1 2 3 4 5 Ho, Janet; Jow, T. Richard; Boggs, Steven (Januarie 2010). "Historical Introduction to Capacitor Technology". IEEE Electrical Insulation Magazine (in Engels). 26 (1): 20-25. doi:10.1109/mei.2010.5383924.
↑ Sze, Simon Min; Lee, Ming-Kwei (2012). "MOS Capacitor and MOSFET". Semiconductor Devices: Physics and Technology (in Engels). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-47053794-7.
↑ "DRAM". IBM100 (in Engels). IBM. 9 Augustus 2017. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 18 Oktober 2019. Besoek op 20 September 2019.
1 2 3 4 Ulaby, Fawwaz Tayssir (1999). Fundamentals of Applied Electromagnetics (in Engels) (2de uitg.). Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. ISBN 978-0-13011554-6.
↑ Pillai, K. P. P. (1970). "Fringing field of finite parallel-plate capacitors". Proceedings of the Institution of Electrical Engineers (in Engels). 117 (6): 1201-1204. doi:10.1049/piee.1970.0232.
↑ Purcell, Edward (2011). Electricity and Magnetism (in Engels) (2de uitg.). Cambridge University Press. pp. 110-111. ISBN 978-1-13950355-6.
↑ "Capacitor charging and discharging". All About Circuits (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 10 Februarie 2009. Besoek op 19 Februarie 2009.
↑ Dorf, Richard C.; Svoboda, James A. (2001). Introduction to Electric Circuits (in Engels) (5de uitg.). New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-47138689-6.
↑ Dyer, Stephen A. (2004). Wiley Survey of Instrumentation and Measurement (in Engels). John Wiley & Sons. p. 397. ISBN 978-0-47122165-4.
↑ Scherz, Paul (2006). Practical Electronics for Inventors (in Engels) (2de uitg.). McGraw-Hill Professional. p. 100. ISBN 978-0-07177644-8.
↑ Bird, John (2007). Electrical Circuit Theory and Technology (in Engels). Routledge. p. 501. ISBN 978-0-75068139-1.
↑ "Ceramic Capacitor Aging Made Simple" (in Engels). Johanson Dielectrics. 21 Mei 2012. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 26 Desember 2012. Besoek op 17 Maart 2013.
↑ "The Effect of Reversal on Capacitor Life" (PDF). Engineering Bulletin 96-004 (in Engels). Sorrento Electronics. November 2003. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 14 Julie 2014. Besoek op 17 Maart 2013.
↑ Kaiser, Cletus J. (1993). The Capacitor Handbook (in Engels). Van Nostrand Reinhold. ISBN 978-9-40118092-4.
↑ Gupta, Anunay; Yadav, Om Prakash; DeVoto, Douglas; Major, Joshua (Oktober 2018). "A Review of Degradation Behavior and Modeling of Capacitors" (PDF) (in Engels). National Renewable Energy Laboratory. Geargiveer (PDF) vanaf die oorspronklike op 21 Maart 2021. Besoek op 23 Julie 2021.
↑ Guinta, Steve. "Ask The Applications Engineer – 21" (in Engels). Analog Devices. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 26 Februarie 2013. Besoek op 17 Maart 2013.
↑ Alam, Mohammed; Azarian, Michael H.; Osterman, Michael; Pecht, Michael (2010). "Effectiveness of embedded capacitors in reducing the number of surface mount capacitors for decoupling applications". Circuit World (in Engels). 36 (1): 22. doi:10.1108/03056121011015068.

[duff-1] 1 2 Duff, Wilmer (1916) [1908]. A Text-Book of Physics (in Engels) (4de uitg.). Philadelphia: P. Blakiston's Son & Co. p. 361. Besoek op 1 Desember 2016.

[bird2010-2] Bird, John (2010). Electrical and Electronic Principles and Technology (in Engels). Routledge. pp. 63–76. ISBN 978-0-08089056-2.

[floyd-3] 1 2 Floyd, Thomas (2005) [1984]. Electronic Devices (in Engels) (7de uitg.). Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. p. 10. ISBN 0-13-127827-4.

[fsu-4] "Molecular Expressions: Electricity and Magnetism – Lightning: A Natural Capacitor". micro.magnet.fsu.edu (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 23 Augustus 2026. Besoek op 23 Augustus 2026.

[williams-5] Williams, Henry Smith. "A History of Science Volume II, Part VI: The Leyden Jar Discovered" (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 24 Oktober 2007. Besoek op 17 Maart 2013.

[keithley-6] Keithley, Joseph F. (1999). The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 BC to the 1940s (in Engels). John Wiley & Sons. p. 23. ISBN 978-0-7803-1193-0.

[houston-7] Houston, Edwin J. (1905). Electricity in Every-day Life (in Engels). P. F. Collier & Son. p. 71.

[benjamin-8] Benjamin, Park (1895). A History of Electricity: (The Intellectual Rise in Electricity) from Antiquity to the Days of Benjamin Franklin (in Engels). J. Wiley & Sons. pp. 522-524. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Augustus 2025.

[isaacson-9] Isaacson, Walter (2003). Benjamin Franklin: An American Life (in Engels). Simon and Schuster. p. 136. ISBN 978-0-74326084-8.

[wolf-10] Wolf, A.; McKie, D. (1962). A history of science, technology and philosophy in the 18th century (in Engels) (2de uitg.). Londen: George Allen & Unwin. p. 224.

[efunda-11] "eFunda: Glossary: Units: Electric Capacitance: Jar" (in Engels). eFunda. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 21 Julie 2013. Besoek op 17 Maart 2013.

[pancaldi-12] Pancaldi, Giuliano (2003). Volta: Science and culture in the Age of Enlightenment (in Engels). Princeton: Princeton University Press. pp. 112–126. ISBN 0-691-09685-6.

[besa-13] British Engineering Standards Association: British Standard Glossary of Terms Used in Electrical Engineering, C. Lockwood & Son, 1926.

[boggs-14] 1 2 3 4 5 Ho, Janet; Jow, T. Richard; Boggs, Steven (Januarie 2010). "Historical Introduction to Capacitor Technology". IEEE Electrical Insulation Magazine (in Engels). 26 (1): 20-25. doi:10.1109/mei.2010.5383924.

[sze2012-15] Sze, Simon Min; Lee, Ming-Kwei (2012). "MOS Capacitor and MOSFET". Semiconductor Devices: Physics and Technology (in Engels). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-47053794-7.

[ibm100-16] "DRAM". IBM100 (in Engels). IBM. 9 Augustus 2017. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 18 Oktober 2019. Besoek op 20 September 2019.

[ulaby-17] 1 2 3 4 Ulaby, Fawwaz Tayssir (1999). Fundamentals of Applied Electromagnetics (in Engels) (2de uitg.). Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. ISBN 978-0-13011554-6.

[pillai-18] Pillai, K. P. P. (1970). "Fringing field of finite parallel-plate capacitors". Proceedings of the Institution of Electrical Engineers (in Engels). 117 (6): 1201-1204. doi:10.1049/piee.1970.0232.

[purcell-19] Purcell, Edward (2011). Electricity and Magnetism (in Engels) (2de uitg.). Cambridge University Press. pp. 110-111. ISBN 978-1-13950355-6.

[allaboutcircuits-20] "Capacitor charging and discharging". All About Circuits (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 10 Februarie 2009. Besoek op 19 Februarie 2009.

[dorf-21] Dorf, Richard C.; Svoboda, James A. (2001). Introduction to Electric Circuits (in Engels) (5de uitg.). New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-47138689-6.

[dyer-22] Dyer, Stephen A. (2004). Wiley Survey of Instrumentation and Measurement (in Engels). John Wiley & Sons. p. 397. ISBN 978-0-47122165-4.

[scherz-23] Scherz, Paul (2006). Practical Electronics for Inventors (in Engels) (2de uitg.). McGraw-Hill Professional. p. 100. ISBN 978-0-07177644-8.

[bird2007-24] Bird, John (2007). Electrical Circuit Theory and Technology (in Engels). Routledge. p. 501. ISBN 978-0-75068139-1.

[johanson-25] "Ceramic Capacitor Aging Made Simple" (in Engels). Johanson Dielectrics. 21 Mei 2012. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 26 Desember 2012. Besoek op 17 Maart 2013.

[reversal-26] "The Effect of Reversal on Capacitor Life" (PDF). Engineering Bulletin 96-004 (in Engels). Sorrento Electronics. November 2003. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 14 Julie 2014. Besoek op 17 Maart 2013.

[kaiser-27] Kaiser, Cletus J. (1993). The Capacitor Handbook (in Engels). Van Nostrand Reinhold. ISBN 978-9-40118092-4.

[nrel-28] Gupta, Anunay; Yadav, Om Prakash; DeVoto, Douglas; Major, Joshua (Oktober 2018). "A Review of Degradation Behavior and Modeling of Capacitors" (PDF) (in Engels). National Renewable Energy Laboratory. Geargiveer (PDF) vanaf die oorspronklike op 21 Maart 2021. Besoek op 23 Julie 2021.

[guinta-29] Guinta, Steve. "Ask The Applications Engineer – 21" (in Engels). Analog Devices. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 26 Februarie 2013. Besoek op 17 Maart 2013.

[alam-30] Alam, Mohammed; Azarian, Michael H.; Osterman, Michael; Pecht, Michael (2010). "Effectiveness of embedded capacitors in reducing the number of surface mount capacitors for decoupling applications". Circuit World (in Engels). 36 (1): 22. doi:10.1108/03056121011015068.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]