מבוא לקבלים, קיבול ומטען

קבלים הם מרכיבים בסיסיים בתחום האלקטרוניקה וממלאים תפקיד מכריע במעגלים אלקטרוניים שונים. הבנת המושגים של קיבול ומטען חיונית לכל מי שמבקש להתעמק בתחום הנדסת החשמל. במאמר זה, נקבל מבוא קצר לקבלים, נסביר את הקיבול ונעמיק במשוואה השולטת בהתנהגותם.

מהו קבל

קבל הוא רכיב אלקטרוני פסיבי דו-טרמינלי המאחסן אנרגיה חשמלית בשדה חשמלי. המבנה של קבל מורכב משני לוחות מוליכים, לרוב מורכבים ממתכת, הממוקמים בנפרד עם חומר דיאלקטרי ביניהם. כאשר הפרש מתח מופעל על פני המסופים של קבל, הוא צובר מטען על הלוחות שלו, ויוצר שדה חשמלי ביניהם.

מהי קיבולת

קיבול הוא מדד לכמות האנרגיה החשמלית שניתן לאחסן ליחידת מתח על פני מכשיר או רכיב. יחידת הקיבול היא פאראד.

מה זה Charge

המטען מתואר כנוכחות של אנרגיה חשמלית. הסמל שלו הוא Q והיחידה שלו היא קולומב.

עבודה של קבלים

כאשר מתח חשמלי מוכנס על פני המסופים של קבל, השדה החשמלי שנוצר בין הלוחות מתחיל את תנועת האלקטרונים. הלוח השלילי של הקבל הופך לנקודת איסוף של אלקטרונים שעברו מהמסוף השלילי של מקור המתח.

במקביל, מספר שווה של אלקטרונים עוזב את הלוח החיובי של הקבל וחוזר למסוף החיובי של מקור המתח.

הצטברות וחלוקה מחדש של המטען נמשכות עד שהקבל נטען במלואו, ובשלב זה זרימת האלקטרונים נפסקת, ניתן לקבוע מטען המאוחסן בקבל באמצעות המשוואה:

במשוואה הנתונה, 'Q' מסמל את לחייב הצטבר בתוך קַבָּל , 'C' מציין את קיבול , ו-'V' מייצג את המתח המופעל על פני הקבל.

משוואה זו מציגה קשר פרופורציונלי בין הקיבול למתח המופעל, ומראה שכמות המטען המוחזקת בקבל קשורה ישירות לשני המשתנים הללו. לפיכך, הגדלת הקיבול או המתח תגרום להצטברות מטען גבוהה יותר.

קיבול של קבל פלט מקביל

הקיבול של קבל נקבע על ידי שטח הפנים של הלוחות (A) ומרחק ההפרדה (d) ביניהם, כאשר שני הגורמים משפיעים על הקיבול הכולל שלו. ככל ששטח הלוחות גדול יותר, כך הקיבול גדול יותר, בעוד שמרחק קטן יותר בין הלוחות מוביל לקיבול מוגבר. קשר זה מתואר על ידי המשוואה:

לקבלים יש את היכולת לאגור אנרגיה חשמלית, לפיה כמות האנרגיה האצורה (U) עומדת ביחס ישר לריבוע של המתח המופעל (V) והן לקיבול (C) של הקבל. המשוואה לאנרגיה המאוחסנת בקבל ניתנת על ידי:

הכרת האנרגיה המאוחסנת בקבל היא חיונית לתכנון מעגלים, במיוחד ביישומים שבהם שחרור אנרגיה או דרישות הספק מיידיות חשובות.

קיבול של קבל כדורי

כדי לחשב את הקיבול של קבל כדורי, אתה צריך לדעת את הרדיוס של הכדורים המוליכים הפנימיים והחיצוניים כאחד. צורת הקבל והפריטיטיביות של החומר הממוקם בין הכדורים שולטות בקיבול. הנוסחה לחישוב הקיבול של קבל כדורי היא:

מצד שני, הסמל 'εᵣ' משמש כדי לייצג את הפריטיטיביות היחסית או הקבוע הדיאלקטרי של החומר הממוקם בין הכדורים. בנוסף, 'r₁' מציין את הרדיוס של הכדור הפנימי, בעוד ש'r₂' מסמל את הרדיוס של הכדור החיצוני.

על ידי החלפת ערכי הרדיוס והפריטיטיביות של החומר, ניתן לחשב את הקיבול של הקבל הכדורי. ראוי לציין שאם לכדור הפנימי יש רדיוס זניח או שהוא נחשב למטען נקודתי, נוסחת הקיבול מפשטת ל:

במקרה זה, הקיבול נקבע אך ורק על ידי רדיוס הכדור החיצוני והאפשריות של החומר.

קיבול של קבל גלילי

כדי לחשב את הקיבול של קבל גלילי, אתה צריך לדעת את אורך הקבל (L), את רדיוס המוליך הפנימי (r₁) ואת רדיוס המוליך החיצוני (r₂). צורת הקבל והפריטיטיביות של החומר הממוקם בין הכדורים שולטות בקיבול. הנוסחה לחישוב הקיבול של קבל גלילי היא:

מצד שני, הסמל 'εᵣ' משמש כדי לייצג את הפריטיטיביות היחסית או הקבוע הדיאלקטרי של החומר הממוקם בין הכדורים. בנוסף, 'r₁' מציין את הרדיוס של הכדור הפנימי, בעוד ש'r₂' מסמל את הרדיוס של הכדור החיצוני.

סיכום

קבלים הם מרכיבים חיוניים בכל הקשור לאלקטרוניקה, המאפשרים אחסון אנרגיה וויסות מתח. קיבול, נמדד בפאראדים (F), מכמת את יכולתו של קבל לאחסן מטען. הוא פרופורציונלי ישיר למטען המאוחסן (Q) ופרופורציונלי הפוך למתח (V) על פני המסופים של הקבל.