Pembinaan Kapasitor Plat Paralel, Prinsip Kerja & Formula

Kapasitor plat paralel adalah salah satu jenis kapasitor yang paling penting. Ia terdiri daripada dua plat konduktif rata yang diletakkan selari antara satu sama lain, dengan bahan penebat yang dipanggil dielektrik di antara mereka. Kapasitor plat paralel jelas menunjukkan bagaimana kapasitans berfungsi. Prestasinya bergantung kepada tiga faktor utama: kawasan plat, jarak antara plat, dan bahan dielektrik yang digunakan. Artikel ini menerangkan pembinaan, litar pengecasan, prinsip kerja, formula, penurunan, contoh yang diselesaikan, dan aplikasi praktikal kapasitor plat paralel.

Katalog

Pembinaan Kapasitor Plat Paralel

Kapasitor plat paralel dibina dengan dua plat konduktif diletakkan selari antara satu sama lain. Plat ini biasanya diperbuat daripada logam konduktif seperti aluminium, tembaga, atau foil bermetalisasi. Plat-plat ini diletakkan berdekatan tetapi tidak menyentuh, membiarkan ruang kecil di antara mereka.

Ruang di antara plat tersebut diisi dengan bahan penebat yang dipanggil dielektrik. Bahan dielektrik yang biasa termasuk udara, kertas, filem plastik, seramik, mica, dan kaca. Dielektrik memisahkan plat-plat, mencegah sentuhan elektrik langsung, dan membantu menentukan penarafan voltan dan nilai kapasitans kapasitor.

Terminal atau wayar luar disambungkan ke dua plat supaya kapasitor boleh disambungkan ke dalam litar. Dalam reka bentuk praktikal, plat dan dielektrik boleh disusun sebagai lembaran rata, lapisan bertingkat, atau struktur foil yang digulung untuk menjimatkan ruang sambil mengekalkan pembinaan asas yang sama.

Litar Pengecasan Kapasitor Plat Paralel

Litar pengecasan kapasitor plat paralel terdiri daripada kapasitor yang disambungkan ke sumber voltan DC E melalui suis K. Dua plat kapasitor, yang dilabel A dan B, disambungkan ke terminal bertentangan bateri. Sumber voltan menyediakan tenaga yang diperlukan untuk memindahkan muatan ke atas plat, manakala suis mengawal bila proses pengecasan bermula.

Apabila suis K ditutup, elektron mengalir melalui litar luar dari terminal negatif bateri ke arah salah satu plat kapasitor. Pada masa yang sama, elektron dikeluarkan dari plat bertentangan dan ditarik ke arah terminal positif bateri. Akibatnya, plat A menjadi bercas positif dan plat B menjadi bercas negatif. Oleh kerana dielektrik di antara plat adalah penebat, muatan tidak boleh mengalir secara langsung melalui kapasitor.

Apabila muatan terkumpul di atas plat, perbezaan voltan V₀ terbentuk di merata kapasitor. Voltan ini secara beransur-ansur meningkat apabila lebih banyak muatan disimpan. Arus pengecasan pada awalnya berada pada nilai maksimum dan kemudian menurun apabila voltan kapasitor menghampiri voltan bateri.

Proses pengecasan berterusan sehingga voltan kapasitor menjadi sama dengan voltan bekalan E. Pada ketika ini, kapasitor telah dicas sepenuhnya, dan arus berhenti mengalir dalam litar DC.

Prinsip Kerja Kapasitor Plat Selari

Kapasitor plat selari berfungsi dengan memisahkan cas elektrik antara dua plat konduktif. Apabila voltan digunakan, satu plat menjadi bercas positif dan yang lain menjadi bercas negatif. Cas yang bertentangan ini saling menghadap di seberang bahan dielektrik.

Cas yang dipisahkan mencipta medan elektrik di ruang antara plat. Memandangkan dielektrik adalah penebat, ia menghalang cas daripada bergerak secara langsung dari satu plat ke plat yang lain. Sebaliknya, tenaga disimpan dalam medan elektrik yang terbentuk antara plat.

Apabila cas yang disimpan meningkat, voltan melintasi kapasitor juga meningkat. Kapasitor terus menyimpan tenaga sehingga voltannya sepadan dengan voltan yang dikenakan. Selepas itu, ia kekal dicas sehingga ia disambungkan ke laluan pelepasan.

Formula Kapasitor Plat Selari

Kapasitansi kapasitor plat selari bergantung kepada konstruksi fizikalnya. Khususnya, ia ditentukan oleh keluasan plat konduktif, jarak antara plat, dan bahan dielektrik yang diletakkan di antara mereka. Faktor-faktor ini menentukan berapa banyak cas elektrik yang boleh disimpan oleh kapasitor untuk voltan yang dikenakan.

Kapasitansi dikira menggunakan formula:

Di mana:

C = kapasitansi (F)

ε = permitiviti bahan dielektrik (F/m)

A = kawasan berkesan satu plat (m²)

d = jarak antara plat (m)

Formula ini menunjukkan bahawa kapasitansi meningkat apabila kawasan plat menjadi lebih besar kerana lebih banyak cas boleh disimpan di permukaan plat. Kapasitansi juga meningkat apabila dielektrik dengan permitiviti yang lebih tinggi digunakan, kerana dielektrik memperkuatkan kemampuan kapasitor untuk menyimpan tenaga elektrik. Sebaliknya, meningkatkan jarak antara plat mengurangkan kapasitansi kerana medan elektrik menjadi kurang tertumpu.

Untuk kapasitor dengan udara atau vakum di antara plat, permitiviti adalah sama dengan permitiviti ruang bebas (ε₀). Apabila bahan dielektrik yang lain digunakan, permitiviti menjadi ε = εᵣε₀, di mana εᵣ adalah permitiviti relatif (konstanta dielektrik) bahan tersebut. Inilah sebab mengapa bahan dielektrik yang berbeza boleh memberi kesan yang ketara terhadap nilai kapasitansi akhir.

Derivasi Formula Kapasitor Plat Selari

Derivasi formula kapasitor plat selari bermula dengan struktur yang ditunjukkan dalam rajah. Kapasitor terdiri daripada dua plat konduktif besar dengan kawasan A, dipisahkan oleh jarak kecil d. Bahan dielektrik dengan permitiviti ε mengisi ruang antara plat. Satu plat membawa cas positif +Q, manakala satu lagi membawa cas negatif yang sama −Q. Oleh kerana pemisahan plat adalah jauh lebih kecil daripada dimensi plat, medan elektrik antara plat boleh dianggap seragam.

Langkah pertama adalah untuk menentukan ketumpatan cas permukaan pada plat. Ketumpatan cas permukaan ditakrifkan sebagai cas yang diedarkan di atas kawasan plat:

di mana σ adalah ketumpatan cas permukaan, Q adalah cas pada plat, dan A adalah kawasan plat.

Untuk dua plat selari yang bercas bertentangan, medan elektrik yang dihasilkan oleh setiap plat bergabung di kawasan antara mereka. Medan elektrik yang dihasilkan antara plat adalah:

Menggantikan ungkapan untuk ketumpatan cas permukaan memberi:

Persamaan ini menunjukkan bahawa medan elektrik meningkat dengan cas yang disimpan dan menurun apabila kawasan plat menjadi lebih besar.

Perbezaan potensi antara plat adalah sama dengan medan elektrik didarab dengan jarak pemisahan d:

V=Ed

Menggantikan ungkapan medan elektrik:

Kapasitansi ditakrifkan sebagai nisbah cas yang disimpan kepada perbezaan potensi melintasi kapasitor:

Menggantikan V dengan hasil sebelumnya memberi:

Selepas penyederhanaan, kapasitansi kapasitor plat selari menjadi:

Persamaan akhir ini menunjukkan bahawa kapasitansi berkadar langsung dengan kawasan plat dan permitiviti dielektrik, manakala ia berkadar songsang dengan jarak antara plat. Oleh itu, plat yang lebih besar, dielektrik dengan permitiviti yang lebih tinggi, atau pemisahan plat yang lebih kecil akan menghasilkan nilai kapasitansi yang lebih besar.

Pengiraan Contoh yang Diselesaikan

Contoh 1

Kapasitor plat selari menggunakan dielektrik dengan permitiviti relatif k = 3.5. Kawasan plat adalah 0.08 m², dan jarak antara plat adalah 0.002 m. Kirakan kapasitansi.

Penyelesaian:

Diberikan:

- Kawasan, A = 0.08 m²

- Jarak, d = 0.002 m

- Permitivitif relatif, k = 3.5

- Permitivitif ruang bebas, ε₀ = 8.854 × 10⁻¹² F/m

Formula kapasitor adalah:

 

Menggantikan nilai-nilai:

Jawapan: Kapasitor adalah 1.24 nF.

Contoh 2

Sebuah kapasitor plat selari mempunyai kapasitor 500 pF. Plat-plat tersebut dipisahkan oleh 0.0015 m, dan udara digunakan sebagai dielektrik (k = 1). Kira kawasan plat yang diperlukan.

Penyelesaian:

Diberikan:

- Kapasitor, C = 500 pF = 500 × 10⁻¹² F

- Jarak, d = 0.0015 m

- Permitivitif relatif, k = 1

- Permitivitif ruang bebas, ε₀ = 8.854 × 10⁻¹² F/m

Mengatur semula formula kapasitor:

Menggantikan nilai-nilai:

Jawapan: Kawasan plat yang diperlukan adalah 0.0847 m².

Aplikasi Praktikal Kapasitor Plat Selari

• Penyimpanan Tenaga dalam Litar Elektronik - Kapasitor plat selari menyimpan tenaga elektrik dan melepaskannya apabila diperlukan. Ia biasanya digunakan dalam bekalan kuasa, litar masa, dan aplikasi penghasilan denyutan.

• Penghubungan dan Penapisan Isyarat - Kapasitor ini membantu menyekat isyarat DC sambil membenarkan isyarat AC melalui. Ia digunakan secara meluas dalam penguat, penapis, dan litar komunikasi untuk meningkatkan kualiti isyarat.

• Frekuensi Radio dan Litar Penalaan - Kapasitor plat selari digunakan dalam osilator, litar resonan, dan peralatan frekuensi radio. Kapasitasnya membantu menentukan frekuensi operasi dan ciri penalaan.

• Sensor Kapasitif - Perubahan dalam jarak plat atau sifat dielektrik menyebabkan perubahan dalam kapasiti. Prinsip ini digunakan dalam sensor kehadiran, sensor anjakan, sensor tekanan, dan peranti sensitif sentuhan.

• Teknologi Paparan Sentuh - Skrin sentuh kapasitif mengesan perubahan dalam kapasiti apabila jari menghampiri atau menyentuh skrin, membolehkan input sentuh yang tepat dalam telefon pintar, tablet, dan panel kawalan.

• Peralatan Pengukuran dan Ujian - Kapasitor plat selari digunakan dalam instrumen makmal dan peralatan ujian untuk mengukur sifat elektrik dan mengkaji tingkah laku elektrostatik.

• Aplikasi Pendidikan dan Penyelidikan - Reka bentuk sederhana mereka menjadikannya berguna untuk menunjukkan kapasiti, medan elektrik, bahan dielektrik, dan penyimpanan cas dalam makmal fizik dan kejuruteraan.

Soalan Lazim [FAQ]

1. Mengapa pengurangan jarak antara plat kapasitor meningkatkan kapasiti?

Mengurangkan jarak plat menguatkan medan elektrik antara plat, membolehkan kapasitor menyimpan lebih banyak cas pada voltan yang sama. Ini secara langsung meningkatkan kapasiti.

2. Apa yang berlaku jika bahan dielektrik dalam kapasitor plat selari gagal?

Jika dielektrik terputus, arus boleh mengalir secara langsung antara plat, menyebabkan pemanasan berlebihan, kehilangan tenaga yang tersimpan, dan kemungkinan kerosakan kepada kapasitor.

3. Mengapa bahan dielektrik digunakan dan bukannya membiarkan udara antara plat?

Banyak bahan dielektrik mempunyai permitiviti yang lebih tinggi daripada udara, yang meningkatkan kapasiti dan membenarkan lebih banyak tenaga disimpan dalam saiz fizikal yang sama.

4. Bolehkah kapasitor plat selari menyimpan tenaga tanpa had?

Tidak. Kapasitor sebenar secara beransur-ansur kehilangan cas tersimpan kerana arus kebocoran, ketidaksempurnaan dielektrik, dan keadaan litar luaran.

5. Mengapa arus pengecasan berkurangan apabila kapasitor dicas?

Apabila cas terkumpul pada plat, voltan kapasitor meningkat dan menentang voltan bekalan. Ini mengurangkan arus pengecasan sehingga akhirnya mencapai sifar.