Tại sao không có dây tụ điện?

Một tụ điện song song gồm hai dây dẫn song song có điện tích trái dấu. Trong sơ đồ trên, các dây là song song và dây dẫn vì vậy chúng hoạt động như các tấm tụ điện?

Nếu họ làm như vậy, nếu bạn có hai dây ngay cạnh nhau và kết nối một tụ điện đến cuối, thì tụ điện vẫn sạc nhiều như vậy? Vì toàn bộ hoạt động như một tụ điện lớn, nên điện tích sẽ không tập trung ở tụ điện, nó sẽ lan ra toàn bộ dây và tụ điện, nghĩa là sẽ có ít điện tích hơn trong tụ điện.

Và nếu điều này là đúng tại sao phương trình điện dung không tính đến vị trí của dây dẫn?

Hai dây làm một tụ điện. Chỉ là một cái rất nhỏ. Đối với các tấm song song, điện dung có thể được tính như sau:

Ở đâu:

• ε ≈ 8,85 ⋅ 10 - 12 F / $\varepsilon$ là permittivity của điện môi, mà chủ yếu là không khí đối với một số dây điện, với .$\varepsilon \approx 8.85 \cdot 10^{-12} \mathrm F/\mathrm m$
• $A$ là diện tích của các tấm
• $d$ là khoảng cách giữa các bản

Đối với hai dây thông thường trong một mạch, rất nhỏ và rất lớn, so với khoảng cách trong tụ điện thông thường của bạn. Do đó, điện dung thực sự rất nhỏ và chúng ta có thể bỏ qua nó trong hầu hết các trường hợp.$A$$d$

Đối với câu hỏi thứ hai của bạn, bạn phải cẩn thận về những từ bạn sử dụng. Không sạc bình điện tích hoặc bao nhiêu năng lượng bạn đã được lưu trữ trong các tụ điện? Tôi không phải là người duy nhất thất vọng bởi các từ vựng mâu thuẫn xung quanh các tụ điện . Tôi sẽ làm hết sức để rõ ràng.

Sự mất cân bằng phí không lây lan ra dọc theo dây, trong một nghĩa nào đó. Giữa các cực của pin, hoặc giữa hai điểm bất kỳ dọc theo dây hoặc giữa các bản của tụ điện, bạn sẽ đo cùng một mức chênh lệch tiềm năng với vôn kế của mình. Điện trường tồn tại không chỉ giữa các bản của tụ điện, mà giữa hai nửa của mạch.

Bên trong tụ điện, điện trường phải thay đổi từ điện thế của một nửa sang thế năng của nửa kia trong một khoảng cách rất nhỏ, chỉ cần tách các tấm ( từ trên xuống: thật nhỏ để tạo ra điện dung cao). Do đó, cường độ trường, tính bằng vôn trên mét, cao nhất bên trong tụ điện.$d$

Theo như điện tích đi đến đâu, hãy nghĩ về nó theo cách này: một nửa mạch có quá nhiều electron và nửa còn lại của mạch không đủ. Khi có quá nhiều điện tử, họ muốn di chuyển đến một nơi nào đó có ít hơn, vì giống như điện tích đẩy lùi. Vì vậy, đối với một nửa có quá nhiều electron, gần nhất họ có thể đến một nơi có ít electron hơn trong tụ điện, bởi vì nó gần nhất với nửa kia của mạch.

Không phải tất cả các điện tử chồng chất trong tụ điện, làm phiền bạn, bởi vì điều đó sẽ rời khỏi dây với một điện tích dương. Thay vào đó, các electron tự phân phối lại để sự khác biệt tiềm năng (điện áp) là giống nhau ở mọi nơi trong nửa mạch đó. Hầu hết các điện tử dư thừa kết thúc trong tụ điện, chính xác bởi vì đây là nơi điện trường mạnh nhất.

Bạn cũng có thể nghĩ về điều này cho nửa đối diện bằng cách coi sự vắng mặt của một điện tử là một "lỗ hổng", một loại chất mang điện tích dương.

Bạn cũng có thể suy nghĩ về cách các điện tích tự phân phối theo cách này: chúng tôi đã thiết lập rằng các dây dẫn có điện dung rất thấp, nhưng khác không. Điện dung chỉ là một cách khác để nói cần bao nhiêu điện tích để tạo ra điện áp trong một vật:Q $C$$Q$$V$

Các dây dẫn, có điện dung thấp, không mất cân bằng điện tích nhiều (các điện tử thừa hoặc thiếu) để tạo ra một sự thay đổi lớn về điện áp. Các tụ điện, có điện dung lớn, mất cân bằng điện tích nhiều hơn để thay đổi điện áp. Do đó, để làm cho các điện áp bằng nhau trên mỗi nửa mạch, hầu hết các điện tích mất cân bằng phải kết thúc trong tụ điện, không phải là dây dẫn.

Vấn đề nghiêm trọng hơn bạn mô tả, bởi vì không chỉ có điện dung mà cả độ tự cảm và điện trở cũng đang thay đổi tất cả thiết kế của bạn ở tần số cộng hưởng của chúng. Một công cụ tuyệt vời để tính toán điện dung của hai dây song song là QuickField và bạn có thể tải xuống Phiên bản Sinh viên miễn phí.

Trong PCB dấu vết một số giá trị tiêu biểu cho điện dung và điện cảm là

Như bạn có thể thấy có một vấn đề lớn đặc biệt là ở tần số cao. Các yếu tố ký sinh này ở khắp mọi nơi và các kỹ sư phải tính đến các thông số chính của ứng dụng (tần số, điện áp, v.v.). Bạn có thể thấy dưới đây các yếu tố thụ động chính không phải là mạch tương đương lý tưởng giới thiệu các hạn chế trong việc sử dụng chúng.

Điện trở

Tụ điện

Cuộn cảm

Dây điện và đường truyền

Kích thước thành phần nhỏ hơn thường dẫn đến ký sinh trùng nhỏ hơn. Với các thành phần thụ động SMD ngày nay trên PCB cho phép thiết kế an toàn vài GHz. Trong dây dẫn, kỹ thuật đường truyền đang sử dụng (dỗ, xoắn đôi, cáp ruy băng, dẫn đôi, microstip và thoát y)

Có, bất kỳ cặp dây dẫn cách nhau bởi một chất điện môi là một tụ điện. Sắp xếp các dây dẫn như các tấm song song sẽ tăng điện dung vì nó tỷ lệ với diện tích bề mặt. Các wikipedia trang chương trình làm thế nào để tính toán điện dung của hình học khác nhau (bạn có thể kiểm tra các tính toán theo một trong các sách giáo khoa tham chiếu). Bao gồm các tấm song song và hai dây. Trong các mạch đơn giản, điện dung ký sinh này, như Nick nói, không phải là một vấn đề. Tuy nhiên, trong một mạch phức tạp, chẳng hạn như PCB đa lớp với các mạch tương tự và kỹ thuật số, hiện tượng này có thể là một vấn đề lớn.

Các kỹ sư EMC thực hiện một thử nghiệm sống và tối ưu hóa các mạch để tránh điện dung ký sinh và độ tự cảm lẫn nhau. Hãy nhớ rằng ăng-ten chỉ là tụ điện là tốt. Điện trường thay đổi trong ăng-ten (tụ điện) tạo ra sóng vô tuyến (điện trường). Do đó, bất kỳ dây nào cũng là một ăng ten. Ngoài ra, bất kỳ vòng dây nào là một cuộn cảm. Tất cả những hậu quả này có thể là một vấn đề lớn trong thiết kế mạch. Thật tốt khi bạn nhận thấy những vấn đề tiềm ẩn.

Dây điện là tụ điện. Bất cứ khi nào bạn có sự khác biệt về điện thế trong một khoảng cách, bạn sẽ có một điện trường và thực chất là một tụ điện. Nếu bạn bao gồm độ tự cảm của dây dẫn trong sơ đồ của bạn, bạn sẽ mô tả cái được gọi là "đường truyền".

Những nguyên tắc này là lý do tại sao các đường dây điện xoay chiều có khoảng cách nhất quán rõ ràng ở một điện áp nhất định, cũng như lý do tại sao các dây ăng ten 300 ohm bao gồm hai dây song song cách nhau chính xác. Về cơ bản các khối điện tích đang di chuyển dọc theo mạng LC mà các đường song song này tạo ra.

Chúng thậm chí không cần phải song song: Một đoạn dây vàng không đo thẳng có một lực cản nhỏ. Điều này có nghĩa là có một chút khác biệt giữa đầu cuối điện tích nếu truyền dòng điện và nó cũng có thể là điện môi của chính nó. Không khí, chân không, cách nhiệt, vv xung quanh nó cũng hoạt động như một chất điện môi. Bởi vì đây không phải là tương tác mảng-tấm mà dọc theo một đường, trường theo mô hình hình bầu dục trải dài từ đầu đến cuối.

Đây là cách anten đơn cực và lưỡng cực hoạt động. Điện dung rất nhỏ nhưng với tần suất ngày càng tăng, nó trở nên ngày càng phù hợp. Với điều này kết hợp với độ tự cảm dọc theo dây, ăng ten về cơ bản trở thành mạch LC của chính nó và có tần số cộng hưởng. Ở tần số cao hơn, điện trở rõ ràng do độ tự cảm thậm chí làm cho bản thân dây có vẻ giống như một chất điện môi.

Q = CV hoặc

điện tích = điện dung x điện áp.

Điện tích ở tụ thực được quyết định bởi điện áp đầu cực của nó. Điện áp đầu cuối xuống một cặp dây dài sẽ ít hơn ở đầu cuối qua một tụ điện thông thường. Không, nó sẽ không (cho rằng sẽ có một chút thời gian trễ để điện áp đạt đến điểm cuối của tụ điện thông thường).

Còn điện trở của dây thì sao? Nếu tụ điện bị rò rỉ (rò rỉ dc) và nó khá tệ, điện trở nối tiếp của dây sẽ giảm vài mili giây. Điều này tất nhiên có nghĩa là điện áp đầu cuối trên tụ giảm xuống vài millivolt và sau đó điện tích sẽ giảm.

Vì toàn bộ hoạt động như một tụ điện lớn, nên điện tích sẽ không tập trung ở tụ điện, nó sẽ lan ra toàn bộ dây và tụ điện, nghĩa là sẽ có ít điện tích hơn trong tụ điện.

Không, sẽ có nhiều điện tích trong tụ điện, điện tích trong các dây được thêm vào điện tích trong nắp. Nhưng vì công suất của một dây ngắn chỉ vài pF, nên hiệu quả là không đáng kể trong hầu hết các trường hợp.

Đó là chất điện môi giữa các dây tạo ra điện dung. Thay thế điện môi bằng một khối dẫn điện ohmic và bạn có dây là gì. Về cơ bản, mỗi dây có một số điện dung và mỗi tụ điện đều có độ dẫn nhất định, thường được gọi là tụ điện bị rò rỉ, nhưng trong cả hai trường hợp, trong khi xử lý phân tích gộp, chúng tôi giả sử dây dẫn lý tưởng (có điện dung bằng 0) và tụ điện lý tưởng (có độ dẫn bằng 0)