Mengapa kapasitansi tidak tergantung pada bahan pelat?

Sebagai seorang siswa, belajar tentang kapasitor setelah memahami apa itu resistor, cukup mengejutkan untuk dicatat bahwa kapasitansi tidak tergantung pada sifat pelat yang digunakan, setidaknya dalam semua jenis kapasitor yang saya kenal.

Saya dibimbing, "itu tidak ada bedanya selama lempengan-lempengan itu berada." Benarkah itu?

Ya itu benar, kapasitansi adalah:

$C = \frac q V$

di mana q adalah muatan dan V tegangan antara pelat.

Selama muatan $q$ dapat "bertahan" hubungan ini berlaku. Maksud saya, tidak perlu memiliki konduktor yang "baik" karena muatannya statis , tidak bergerak.

Jadi selama tegangan tertentu $V$ diterapkan menghasilkan muatan $q$ tertentu untuk berada di pelat kapasitor maka $C$ dapat ditentukan.

Tidak masalah jika pelat tersebut merupakan konduktor yang buruk (resistansi tinggi) karena akan membutuhkan waktu lebih lama untuk semua muatan untuk mencapai lokasi akhirnya. Dalam keadaan akhir tidak akan ada perbedaan dibandingkan dengan kapasitor dengan pelat konduktor dengan baik karena jumlah muatannya akan sama.

Hanya jika Anda melihat perilaku dinamis dari sebuah kapasitor (bagaimana responsnya terhadap perubahan tegangan cepat) Anda akan melihat pengaruh konduktivitas pelat. Dalam urutan pertama kapasitor akan menunjukkan resistensi seri tambahan .

Bagian aktif dari kapasitor adalah dielektrik. Di situlah energi disimpan, di situlah tegangan dikembangkan. Pelat hanya mengangkut arus ke tempat yang tepat. Resistansi yang tinggi di sini bisa membuat kapasitor lossy, tetapi tidak akan mengubah kapasitansi.

Dalam banyak cara yang sama, resistansi dari sebuah resistor tergantung pada material dan geometri dari bagian resistif, bukan pada lead.

Bagian aktif dari induktor adalah besi, ferit atau ruang udara di dalam kumparan, karena di situlah energi disimpan. Kabel resistansi tinggi akan membuat induktor rugi, tetapi tidak akan mengubah induktansi.

$N_A = 6×10^{23}$$C = 6×10^{18}e$, jadi 1 mol logam memiliki pembawa muatan yang cukup untuk 100000 C, dengan asumsi satu elektron seluler per atom. Dalam kapasitor 1000μF pada 100V dengan pelat Aluminium, hanya 27μg atom Aluminium yang harus menyumbangkan / menerima satu elektron untuk menahan muatan, sisa atom tetap netral. Dengan asumsi berat pelat 5g, itu adalah 99,9995% atom netral ditambah 0,0005% atom yang kehilangan satu elektron. Jelas, kapasitor khas akan gagal karena kerusakan jauh sebelum kurangnya pembawa muatan di piring akan menjadi jelas.

Segala sesuatu berubah dalam semikonduktor, di mana jumlah operator gratis jauh lebih kecil dan tergantung pada doping. Meski begitu, seringkali lebih mudah untuk menghitung kapasitansi sebagai perkiraan statis, dengan asumsi bahwa pelat tetap konduktif sempurna dan hanya jarak di antara mereka yang berubah seiring bertambahnya daerah penipisan. Namun, hal ini tidak selalu mungkin: dalam proses dinamis cepat, kapasitansi persimpangan hanya dapat dijelaskan secara memadai menggunakan persamaan untuk aliran muatan (misalnya yang ini ), dan solusinya memang tergantung pada bahan pelat.

Sepengetahuan saya, memilih material itu penting - bahkan untuk kasus statis. Jika tidak, hal itu akan menyiratkan bahwa sebagian besar isolator dapat digunakan sebagai elektroda juga karena kemungkinan residu keberadaan pembawa muatan di dalamnya. Beberapa pemikiran dan karya ilmiah mengapa pilihan bahan elektroda penting: DOI: 10.1109 / 16.753713 dan doi.org/10.1063/1.1713297 untuk menyebutkan beberapa saja. Masalahnya adalah bahwa model yang Anda pelajari adalah perkiraan yang baik. Tidak lebih, tidak kurang. Alasan utama mengapa materi elektroda penting adalah bahwa bidang EM menjangkau konduktor juga bahkan untuk kasus statis.

LT; DR tahu batas model Anda: Itu penting tetapi sering kali diabaikan.

Itu sama untuk induktor - nilai induktansi tetap konstan terlepas dari konduktivitas kawat. Bawa ke ekstrem dan pertimbangkan kecepatan gelombang radio dan bagaimana mereka menyebar melalui ruang.

Impedansi ruang bebas ditentukan oleh permeabilitas dan permitivitas ruang bebas dan ini masing-masing diukur dalam henries per meter dan farad per meter. Namun tidak ada konduktor di ruang bebas.

Dalam kapasitor tipikal, muatan akan dikonsentrasikan dalam lapisan tipis pada bagian masing-masing elektroda yang terdekat dengan elektroda yang bermuatan berlawanan. Meskipun lapisan ini pada dasarnya selalu memiliki ketebalan bukan nol, dan jarak antara setiap partikel bermuatan dan permukaan akan mempengaruhi perbedaan potensial yang dihasilkan dari muatan itu, dalam praktiknya efeknya hampir selalu cukup kecil untuk dikerdilkan oleh ketidakpastian pengukuran atau perancu lainnya. efek.

Banyak kapasitor praktis memiliki ketergantungan yang sangat lemah pada bahan konduktor. Capacitor Equivalent Series Resistance (ESR) akan dipengaruhi oleh bahan pelat dan ketebalan / perutean dan merupakan faktor pembatas yang signifikan dalam aplikasi daya. Ini juga mempengaruhi arus luahan puncak untuk aplikasi berdenyut.

Pada tingkat praktis, banyak kapasitor film daya memiliki tautan fusible dalam metalisasi sehingga bagian kapasitor yang gagal dihilangkan dari rangkaian (dan kapasitansi turun). Ini adalah pertimbangan praktis utama yang terkait dengan pelat kapasitor.