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.