Bagaimana kapasitor menyimpan muatan sementara juga melewati arus?

9

Sering dikatakan bahwa kapasitor menyimpan muatan. Hanya membaca Wikipedia , saya menemukan:

Daniel Gralath adalah yang pertama menggabungkan beberapa botol secara paralel ke dalam "baterai" untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan muatan . Benjamin Franklin menyelidiki tabung Leyden dan sampai pada kesimpulan bahwa muatan itu disimpan di gelas, bukan di dalam air seperti yang diduga orang lain.

Karena konduktor (atau pelat) berdekatan, muatan berlawanan pada konduktor menarik satu sama lain karena medan listriknya, yang memungkinkan kapasitor menyimpan lebih banyak muatan untuk tegangan yang diberikan daripada jika konduktor dipisahkan, memberikan kapasitor kapasitansi yang besar .

Di sini Q adalah muatan yang disimpan dalam kapasitor

Muatan diukur dalam coulomb, dan saya tahu dari definisi kapasitansi bahwa jika kapasitor 1F memiliki tegangan 1V, maka 1C muatan disimpan di dalamnya. Jika coulomb adalah 6,241 × 10 18 elektron, maka harus ada 6,241 × 10 18 elektron di kapasitor ini di suatu tempat.

Tapi sekarang pertimbangkan ini. Jika saya menggunakan kapasitor sebagai beban ke beberapa sumber tegangan AC, sebagian arus akan mengalir (jumlah yang tepat tergantung pada tegangan, frekuensi, dan kapasitansi):

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Saya tahu bahwa arus mengalir ke sirkuit ini, karena jika saya meletakkan bola lampu di kedua sisi kapasitor, itu akan menyala. Tetapi jika arus mengalir di sekitar sirkuit ini, bagaimana kapasitor "menyimpan muatan"? Dengan kata lain, bagaimana saya bisa memasukkan elektron ke kapasitor jika arus mengalir di sekitar rangkaian, yang berarti untuk semua elektron yang saya masukkan ke kapasitor, angka yang sama keluar dari sisi yang lain? Jika saya tidak dapat memasukkan elektron tanpa mengeluarkannya, lalu bagaimana kapasitor dapat menyimpannya?

Phil Frost
sumber
1
Saya suka melihat sofis di tempat kerja.
JIm Dearden
Jika Anda mencoba menjelaskan tentang buruknya kualitas informasi di Wikipedia, saya harap Anda akan melakukannya lebih langsung. Pembaca biasa (dan ada banyak di sini) akan menganggap bahwa entri Wikipedia benar dan karena alasan tertentu Anda "hanya tidak mendapatkannya".
Joe Hass
2
@ JoHass, saya bisa mengutip Anda 100 hal yang bukan Wikipedia yang berbicara tentang "biaya penyimpanan". Saya belum pernah mendengar penggunaan itu, atau menggunakannya sendiri, Anda harus hidup di bawah batu, atau lupa bagaimana rasanya belajar elektronik.
Phil Frost
4
Saya telah menggunakannya, saya masih menggunakannya, tetapi setiap kali saya berbicara tentang kapasitor saya mencoba untuk menekankan bahwa kita sering ceroboh dalam bahasa kita, bahwa ketika kita berbicara tentang kapasitor yang menyimpan muatan, adalah tepat untuk mengatakan bahwa mereka menyimpan energi. Saya memiliki banyak kebiasaan buruk dan ini adalah salah satunya ... kita harus selalu mencoba menggunakan bahasa yang benar untuk kepentingan pendatang baru yang tidak tahu apa yang kita "benar-benar maksudkan". Tidak bisakah kita bercita-cita untuk menjadi lebih baik?
Joe Hass

Jawaban:

13

Mudah. Kapasitor tidak menyimpan muatan, ia menyimpan energi . Biaya bersih dalam kapasitor lengkap (daripada mempertimbangkan satu piring atau isolator) tidak pernah berubah. Peningkatan muatan negatif pada satu lempeng sama persis dengan penurunan muatan negatif pada lempeng lainnya. Oleh karena itu, saat arus memasuki satu terminal, arus yang sama harus meninggalkan terminal lainnya.

Joe Hass
sumber
1
Spot on; muatan dipisahkan dalam kapasitor yang terisi, yaitu, elektron 'dipompa' dari satu lempeng ke lempeng lainnya melalui sirkuit eksternal.
Alfred Centauri
1
(+1) Kuharap aku bisa menaikkannya +10! Ini adalah salah satu kesalahpahaman paling umum tentang kapasitor! Saya telah menemukan bahwa "penyimpanan biaya" BS dalam semua jenis dokumen: dari yang sekolah menengah hingga karya ilmiah! Saya pikir sebagian besar kebingungan berasal dari bagaimana elektrostatik biasanya diajarkan: pertama-tama jelaskan bagaimana benda logam dapat menahan muatan, kemudian perkenalkan kapasitor, jangan pernah menjelaskan bahwa dalam operasi normal tidak ada yang memasang muatan hanya ke satu piring!
Lorenzo Donati - Codidact.org
Apa yang terjadi dengan kapasitor yang diisi? Mengapa arus tidak mengalir melalui kapasitor pada akhirnya?
Giga-Byte
8

Ini adalah semacam versi kartun, tetapi itu bekerja di kepalaku.

Ada celah insulatif dalam kapasitor, sehingga elektron individu tidak dapat melakukan perjalanan dari satu terminal ke terminal lainnya. Jadi elektron yang masuk bukan yang sama keluar dari sisi lain! Sebaliknya, elektron yang masuk "berhenti" di satu piring. Tetapi medan listrik elektron itu mengusir sebuah elektron dari sisi lain, yang keluar dari lempeng lain, akhirnya mencapai sumbernya. Kami memiliki sirkuit yang lengkap, tetapi elektron membangun di satu piring, dan lubang menumpuk di yang lain!

Sekarang, ada batasan berapa banyak elektron dapat menumpuk di atas piring. Elektron saling tolak, sehingga semakin banyak, semakin sulit bagi yang lain untuk menempel. Kami membutuhkan sesuatu yang memaksa mereka untuk tetap bersama. Itu tegangan. Sebaliknya, fakta bahwa elektron berusaha saling tolak juga merupakan tegangan, suatu gaya yang mencoba untuk memindahkan elektron di sekitar suatu rangkaian.

Sekarang, ketika sebuah elektron masuk mengetuk yang satu lepas dari lempeng yang lain, elektron yang keluar memiliki energi lebih sedikit dari yang masuk, yang menyumbang penurunan tegangan melintasi kapasitor yang terisi daya.

Tentu saja, elektron tidak diam, bahkan jika tidak ada tempat untuk skala makro. Mereka semua saling tolak, "memantul" dari medan listrik masing-masing. Jika bidang-bidang itu menjadi terlalu kuat (tegangan menjadi terlalu tinggi), interaksi dapat menyebabkan elektron menembus penghalang dielektrik antara pelat. Ketika tegangan melintasi pelat menjadi terlalu tinggi, arus bocor dari tutup naik. Dan jika itu berlangsung terlalu lama, dielektrik akan rusak, dan Anda tidak memiliki topi yang sangat bagus lagi.

Stephen Collings
sumber
6
Ini adalah pertanyaan tentang di mana coulomb berada di kapasitor. Tutup yang kosong memiliki jumlah elektron yang kira-kira sama pada setiap lempeng, sehingga lempengan tersebut netral secara listrik. Tutup yang bermuatan memiliki lebih banyak elektron di satu piring daripada di yang lain, karena mereka bermigrasi selama proses pengisian. Setara hidro akan seperti memiliki dua kolam dipisahkan oleh membran tipis, dengan masing-masing satu galon air. Ketika mereka sama, tidak ada kekuatan pada membran. Tetapi pompa semua air itu ke salah satu kolam, dan sekarang ada kekuatan pada membran, meskipun ada jumlah air yang sama.
Stephen Collings
4
@ PhilFrost, jika menyimpan 1 C muatan negatif di satu piring, memang benar bahwa pada saat yang sama ia juga menyimpan 1 C muatan positif di piring lainnya. Jika Anda tidak ingin menyebutnya "biaya penyimpanan", Anda dapat menyebutnya apa pun yang Anda inginkan. Tetapi seluruh dunia elektronik telah memutuskan bahwa ini adalah sah menggunakan kata "menyimpan" dan tidak ada yang akan mengerti Anda ketika Anda mengatakan bahwa kapasitor "zonkolize" mengisi daya sebagai gantinya.
The Photon
1
@ThePhoton poin bagus! Anda harus menulis jawaban.
Phil Frost
5
Orang mungkin berpendapat bahwa itu bukan kapasitor yang menyimpan muatan, melainkan pelat individual yang menyimpan muatan. Saya curiga dari sanalah kami mulai, dan itu menjadi singkatan linguistik.
Stephen Collings
1
QQ-Q
4

Mengisi dapat berarti banyak hal. Kita dapat berbicara tentang pengisian kapasitor dengan energi, seperti kita mengisi bom, atau kartu kredit prabayar. Kita juga dapat mengambil muatan listrik , yang diukur dalam coulomb.

Sekitar 6,241 × 10 18 elektron memang menghasilkan 1C. Namun, ketika orang berbicara tentang muatan dalam kapasitor , mereka tidak berbicara tentang elektron dalam kapasitor, seperti orang akan berbicara tentang cookie dalam toples kue. Mereka berbicara tentang sesuatu yang lain. Itu membingungkan, tapi toh itu yang mereka lakukan.

Apa yang sebenarnya mereka bicarakan adalah bagian integral dari arus. Artinya, arus rata-rata yang telah mengalir, berapa lama sudah mengalir. Jika arus diukur dalam ampere , dan waktu dalam detik, maka ketika Anda mengambil arus dan mengalikannya dengan waktu, Anda mendapatkan sesuatu yang diukur dalam ampere-detik. Dan, jika Anda ingat, ampere berarti satu coulomb per detik. Jadi:

SEBUAH=1Cs1SEBUAHs=1Css=1C

Yaitu, ampere-detik adalah coulomb. Integral dari arus adalah biaya . Jadi, ketika seseorang mengatakan sebuah kapasitor "menyimpan 1C biaya", mereka tidak berarti ada 1C elektron dalam kapasitor, rata-rata mereka 1C biaya telah lulus melalui kapasitor. Kapasitor "menyimpan" muatan sebanyak itu dalam arti bahwa kapasitor sekarang mengandung energi yang cukup untuk mendorong muatan 1C kembali ke arah lain.

Phil Frost
sumber
Anehnya, Anda menambah saldo kartu kredit prabayar dengan menagihnya, dan Anda juga mengurangi saldo dengan menagihnya.
user253751
1

Lebih baik memikirkan kapasitor sebagai perangkat penyimpanan energi daripada sebagai perangkat penyimpanan biaya. Ketika arus mengalir ke kapasitor, tegangan menumpuk di terminal. Tegangan ini dipisahkan oleh jarak antara pelat dan dengan demikian menciptakan medan listrik. Bidang ini adalah tempat energi disimpan. Induktor, di sisi lain, menyimpan energi dengan medan magnet.

Saat arus mengalir, muatan berlawanan menumpuk di setiap pelat berlawanan kapasitor. Elektron mencoba untuk mengelilingi sirkuit, tetapi mereka berhenti di pelat kapasitor, meninggalkan muatan negatif di satu sisi dan muatan positif di sisi lain. Besarnya masing-masing muatan dapat dijelaskan oleh persamaan:

C = Q / V

Arus akan terus mengalir dan muatan akan terus menumpuk sampai sirkuit dengan kapasitor stabil. Sebagai contoh, jika rangkaian itu hanya berupa baterai, resistor, dan kapasitor secara seri, arus akan terus mengalir hingga tegangan kapasitor sama dengan tegangan baterai. Jadi, dalam sirkuit DC kondisi-mapan, di mana tidak ada arus yang berubah, kapasitor muncul sebagai sirkuit terbuka dengan muatan terakumulasi yang sebanding dengan tegangan di terminal dan kapasitansi.

Namun, untuk rangkaian apa pun yang bukan DC, cara yang lebih baik untuk menggambarkan perilaku kapasitor adalah:

I = C * (dV / dt)

Oleh karena itu, jika Anda memiliki sumber tegangan gelombang sinus, arus yang mengalir "melalui" kapasitor terus berubah dan muatan yang terakumulasi tidak pernah stabil. Bayangkan meminum setengah botol air penuh bolak-balik. Air tidak mengalir terus menerus seperti arus dalam rangkaian DC, tetapi masih bekerja. Jika Anda memiliki beberapa perangkat turbin yang aneh di dalam botol air, itu akan terus berputar, berhenti hanya untuk mengubah arah ketika botol itu terbalik.

Akhirnya, dalam sirkuit DC, muatan yang sama dan berlawanan disimpan di setiap sisi pelat kapasitor. Kapasitor tidak menyimpan elektron sama sekali. Ini menyimpan biaya. Elektron dari satu sisi bergerak sepanjang jalan di sekitar rangkaian ke sisi lain karena terpicu oleh perbedaan tegangan eksternal. Hasilnya adalah konsentrasi elektron di satu sisi dan tidak adanya di sisi lain, muatan. Dalam sirkuit AC, fenomena yang sama ini terjadi, tetapi secara konsisten berubah. Segera setelah tegangan pasokan berubah, elektron tidak tertarik ke pelat dengan cara yang sama dan mulai bergerak. Jika elektron-elektron ini kebetulan melewati suatu beban, seperti bola lampu, di jalan, mereka akan bekerja dan bola lampu akan menyala. Dengan demikian, arus sebenarnya tidak mengalir di sekitar rangkaian. Ini hanya bergerak bolak-balik seperti air dalam botol. Namun, yang diperlukan untuk menyalakan bola lampu adalah memindahkan elektron. Bola lampu tidak peduli ke arah mana mereka bergerak, dan mata Anda tidak dapat melihat perubahan arah selama kecepatan switchingnya cukup cepat.

Saya juga ingin mencatat bahwa kita berbicara tentang kapasitor ideal. Dalam praktiknya, pada frekuensi yang cukup tinggi, kapasitor akan terlihat seperti induktor (V = L * (di / dt)).

Edit:

Untuk menjawab pertanyaan spesifik: Di mana muatan disimpan dalam kapasitor?

Di dalam kapasitor lengkap, tidak ada biaya bersih yang disimpan. Namun, dengan menggunakan model pelat paralel , muatan yang sama dan berlawanan besarnya Q terletak di masing-masing pelat. Ketika tegangan eksternal diterapkan ke kapasitor, elektron melarikan diri dari plat dengan potensial lebih tinggi dan tertarik ke plat dengan potensial lebih rendah. Elektron yang terakumulasi ini membentuk muatan negatif pada plat itu dan tidak adanya elektron dari plat lainnya membentuk muatan positif. Besarnya aktual masing-masing, muatan total Q ditentukan oleh tegangan V dan kapasitansi C.

Justin Trzeciak
sumber
Saya bingung. Anda mengatakan "Kapasitor tidak menyimpan elektron sama sekali. Ia menyimpan muatan". Tetapi Anda juga mengatakan "C = Q / V", dan Q di sini bukan biaya , tetapi biaya , dalam coulomb. Jika C = 1F dan V = 1V, maka Q = 1C. Di mana 1C elektron saya? Apakah muatan yang sama dan berlawanan hanya disimpan di sirkuit DC?
Phil Frost
Ketika saya mengatakan itu tidak menyimpan elektron, saya mencoba untuk mengatakan bahwa tidak ada elektron baru yang diperkenalkan ke sirkuit. Apa yang terjadi adalah bahwa elektron terdistribusi secara merata pada kedua pelat kapasitor (tanpa biaya). Kemudian, ketika tegangan diterapkan di sirkuit, elektron dari satu sisi pindah ke sisi lain. Q mencerminkan besarnya muatan di kedua sisi. Fenomena ini juga terjadi pada sirkuit AC. Namun, selalu berubah. Pikirkan tentang rekening bank. Ia menyimpan uang. Namun, jumlah uang yang disimpannya selalu berubah.
Justin Trzeciak
Tetapi di rekening bank, saya memasukkan uang, dan kemudian rekening itu memiliki lebih banyak uang daripada ketika saya mulai. Kemudian, saya mengambil kembali uang itu. Saya mengerti apa yang Anda katakan, dengan "muatan tersimpan" sebenarnya sama dan muatan berlawanan pada setiap lempeng, tetapi saya pikir jawabannya dapat diedit untuk membuatnya lebih jelas. Pertanyaannya bukan tentang apa kapasitor itu, bagaimana mereka bekerja, atau apa yang mereka lakukan, tetapi hanya tentang di mana "muatan disimpan".
Phil Frost