Tại sao khoảng cách giữa các bản của tụ điện ảnh hưởng đến điện dung của nó?

Tại sao điện dung của tụ điện tăng khi các bản của nó ở gần nhau hơn?

Cách tiếp cận trực quan: nếu khoảng cách sẽ không phải là một yếu tố thì bạn có thể đặt các tấm ở khoảng cách vô hạn và vẫn có cùng điện dung. Điều đó không có ý nghĩa. Bạn sẽ mong đợi một điện dung bằng không sau đó.
Nếu tụ được tích điện đến một điện áp nhất định, hai bản giữ các hạt mang điện tích của điện tích trái dấu. Các điện tích đối diện thu hút lẫn nhau, tạo ra một điện trường,

và sự hấp dẫn càng mạnh thì càng gần. Nếu khoảng cách trở nên quá lớn, các khoản phí sẽ không cảm thấy sự hiện diện của nhau nữa; điện trường quá yếu

Hình 1 đến 4: Tụ điện:

Rõ ràng là khi khoảng cách giữa các tấm giảm, khả năng giữ điện tích của chúng tăng lên.

fig.1 = Nếu có khoảng cách không giới hạn giữa các bản, thậm chí một lần sạc sẽ đẩy lùi các khoản phí khác để vào bản.

fig.2 = nếu các tấm đặt cược khoảng cách giảm, chúng có thể giữ nhiều điện tích hơn do lực hút từ tấm tích điện ngược lại.

fig.4 = với khoảng cách tối thiểu giữa các tấm, lực hút tối đa giữa chúng cho phép cả hai giữ lượng điện tích tối đa.

Vì điện dung C = q / V, C thay đổi theo q nếu V giữ nguyên (kết nối với nguồn elec tiềm năng cố định). Vì vậy, với khoảng cách giảm q tăng, và do đó C tăng.

Hãy nhớ rằng, đối với bất kỳ tụ điện V song song nào cũng không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách, bởi vì: V = W / q (công việc được thực hiện trên một đơn vị điện tích trong việc đưa nó từ tấm này sang tấm khác)

và W = F xd

và F = qx E

vì vậy, V = F xd / q = qx E xd / q

V = E xd Vì vậy, nếu d (khoảng cách) các tấm đặt cược tăng, E (cường độ điện trường) sẽ giảm dần và V sẽ giữ nguyên.

Điện dung là điện tích trên mỗi EMF. Cụ thể Farads là Coulomb mỗi volt. Khi bạn di chuyển các tấm gần hơn với cùng một điện áp, trường E giữa chúng (Volts trên mét) tăng (Volts là như nhau, mét sẽ nhỏ hơn). Trường E mạnh hơn này có thể chứa nhiều điện tích hơn trên các tấm. Hãy nhớ rằng các khoản phí trên các tấm sẽ đẩy nhau. Phải có trường E để giữ chúng ở đó và trường E càng mạnh thì càng có nhiều điện tích có thể giữ ở đó. Điện tích cao hơn ở cùng một điện áp có nghĩa là điện dung cao hơn (nhiều Coulomb hơn ở cùng một Volts).

Để có được kỹ thuật, bạn muốn xem xét luật của Coulomb . Điều này nói rằng

"Độ lớn của lực tĩnh điện tương tác giữa hai điện tích điểm tỷ lệ thuận với phép nhân vô hướng của độ lớn của điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng." - Wikipedia

Công thức cho việc này là:

$F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}$

$F$$k_e$$r$$q_1$$q_2$

Có các dạng khác của phương trình - chẳng hạn như dạng này dành riêng cho điện trường:

$E = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{r^2}$

$r$$q$

Nếu bạn muốn bắt đầu thực sự có kỹ thuật thì bạn cần bắt đầu đọc về cơ học lượng tử và sự tương tác giữa các hạt và năng lượng liên quan đến nó.

Khi hai hạt (nói electron trong trường hợp này) tương tác, chúng sẽ gửi các hạt lượng tử giữa chúng (photon). Chúng, giống như những con chuột trong tầng hầm, đòi hỏi năng lượng để di chuyển. Khoảng cách càng lớn thì năng lượng càng cao. Năng lượng được lấy để di chuyển các photon càng cao thì điện tích còn lại giữa hai bản càng thấp.

Đó là một cái nhìn rất đơn giản về nó và có rất nhiều chi tiết trong đó sẽ được khám phá - những thứ như Đường hầm lượng tử, Lepton, Fermions, Bosons, v.v ... Thật thú vị khi đọc nếu bạn có thời gian. Tôi muốn giới thiệu Lịch sử thời gian ngắn của Steven Hawking là điểm khởi đầu tốt. Theo dõi điều đó với Superstrings của F. David Peat và Tìm kiếm Lý thuyết về mọi thứ và bạn sẽ không đi quá xa. Mặc dù cả hai cuốn sách này đang dần có một chút thời gian và các lý thuyết vẫn đang phát triển, chúng đưa ra những hiểu biết tốt về hoạt động của vũ trụ ở cấp độ hạ nguyên tử.

Một điều quan trọng cần hiểu là nếu một tấm có nhiều electron đi vào hơn là đi ra ngoài, nó sẽ tạo ra một điện tích âm sẽ phục vụ để đẩy lùi bất kỳ electron nào đi vào (tương tự như vậy đối với một tấm có nhiều electron rời hơn khi đến) . Sẽ không mất nhiều điện tử đi vào một tấm cách ly để tích điện lên tới hàng triệu volt. Tuy nhiên, nếu có một tấm tích điện dương gần tấm tích điện âm, thì tấm tích điện dương sẽ cố gắng kéo các electron về phía mình và do đó về phía tấm âm (tương tự như vậy, tấm tích điện âm sẽ cố gắng đẩy các electron ra khỏi chính nó và do đó ra khỏi tấm tích cực). Lực từ tấm dương cố gắng hút các electron không thể cân bằng hoàn toàn lực của tấm âm đang cố đẩy chúng ra xa, nhưng nếu các tấm gần nhau thì nó có thể làm đối trọng đáng kể. Thật không may, nếu các tấm quá gần, các tấm sẽ không thể tích tụ quá nhiều điện tích trước khi các electron bắt đầu nhảy từ tấm này sang tấm khác.

Hóa ra có mẹo để giảm bớt vấn đề này. Một số vật liệu cho phép các electron di chuyển bên trong chúng, nhưng chúng không cho phép các electron đi vào hoặc rời đi. Đặt một vật liệu như vậy (được gọi là điện môi) giữa hai bản có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của tụ điện. Về cơ bản, điều xảy ra là sự chênh lệch điện tích giữa các bản cực âm và cực dương di chuyển các electron trong chất điện môi về phía cực dương. Do đó, phía của điện về phía tấm âm do đó có sự thiếu hụt điện tử tương đối, kéo các electron về phía tấm âm, trong khi phía về phía tấm dương có sự dư thừa của các điện tử, đẩy các electron ra khỏi tấm dương. Hành vi này có thể cải thiện hiệu suất của một tụ điện bằng nhiều bậc độ lớn.