Cosa succede se si inserisce un condensatore tra le piastre di un altro condensatore?

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Basato su: esiste un doppio del trasformatore?

Mi sembra fattibile l'immagine del condensatore all'interno di un altro condensatore. Se un trasformatore è costituito da due induttori con un campo magnetico comune, il suo doppio sarebbe due condensatori con un campo elettrico comune. Il rapporto di trasferimento della tensione sarebbe una funzione della capacità relativa dei due condensatori, sempre come un trasformatore e il numero relativo di giri.

Quindi è fatto? In caso contrario, perché no? Non trasferirebbe energia o funzionerebbe, ma sarebbe in qualche modo inefficiente? Dimensione? Velocità? Calore?

Quali sarebbero le proprietà di un condensatore effettivamente costruito in questo modo?

— Stephen Collings
fonte

Un difetto della tua affermazione è "un campo elettrico comune" se la spaziatura delle piastre su C1 è sufficientemente piccola rispetto alla dimensione delle piastre che il campo elettronico all'interno di C1 non sarà indebitamente influenzato dal campo elettronico principale. Il campo totale sarà influenzato dalle frange soprattutto perché la presenza di un conduttore forza un iso-potenziale. Anche se si inserisce un blocco di dielettrico nello spazio, il campo all'interno del dielettrico sarà diverso da quello esterno.

— segnaposto

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Non penso che un tale condensatore sia molto diverso da questo:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Questo non è davvero come un trasformatore. In un trasformatore ideale, $V_{1} = n\cdot V_{R1}$ , indipendentemente dalla frequenza. Questo non è il caso qui, come si può vedere dalla semplice analisi AC. Alle alte frequenze, C2 mette in corto circuito R1, così come $f\to\infty$ , $V_{R1}\to 0V$ .

— Phil Frost
fonte

Dopo quasi un anno di strizzacervelli, ho capito che Phil ha perfettamente ragione. Non c'è alcuna differenza tra il dispositivo di cui ho chiesto e il circuito disegnato da Phil qui. Ho risposto alla domanda originale sul doppio di un trasformatore, se qualcuno è interessato a ulteriori pensieri. electronics.stackexchange.com/a/115581/7523

— Stephen Collings,

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Supponiamo ai fini della discussione teorica che il tuo condensatore esterno sia costituito da due piastre parallele collegate attraverso una sorgente di tensione e che il condensatore interno sia costituito da due piastre parallele collegate attraverso la resistenza (è ciò che viene mostrato nel diagramma, ma detto ad alta voce).

Analisi DC:

Per prima cosa dobbiamo capire cosa succede in condizioni DC.

Immagina che il condensatore esterno sia carico di una certa tensione e che il condensatore interno abbia tensione zero attraverso la resistenza di carico quando inserito tra le piastre di quella esterna. Ora vogliamo sapere cosa succede al condensatore interno quando il sistema raggiunge il suo stato stazionario?

È chiaro che la corrente attraverso la resistenza di carico deve essere zero (altrimenti nessuna conservazione della carica). Ciò significa che non esiste alcuna differenza di potenziale tra le piastre del condensatore interno. Questo, a sua volta, implica che non ci sia campo elettrico all'interno del condensatore interno. Questo significa che non ci sono costi sui suoi piatti? La risposta è NO: esiste un trasferimento di carica attraverso la resistenza di carico e la carica trasferita si accumula sulle piastre e neutralizza il campo elettrico esterno.

Da questa analisi DC vediamo che c'è un trasferimento di carica tra le piastre del condensatore interno e la corrente indotta attraverso la resistenza di carico.

Analisi AC:

Dalla discussione di cui sopra sappiamo che c'è corrente indotta quando la carica indotta sul condensatore interno non sta neutralizzando il campo elettrico esterno. Ciò significa che se il campo esterno oscillasse, lo stesso farebbe la carica sul condensatore interno. Ciò provoca una corrente oscillante attraverso la resistenza di carico.

È chiaro che l'entità della corrente indotta sarà proporzionale all'entità del campo elettrico oscillante.

È anche chiaro che sarà proporzionale all'area del condensatore interno (trascurando le frange del campo elettrico), la separazione tra le piastre e la costante dielettrica tra le piastre. Questi tre equivalgono a dire che la corrente indotta sarà proporzionale alla capacità del condensatore interno. Nota: questo è vero mentre il condensatore interno è fisicamente più piccolo di quello esterno.

Si noti che a causa della resistenza di carico, il trasferimento di carica non è istantaneo, ma segue le consuete caratteristiche del condensatore, con una costante di tempo di RC. Ciò significa che esiste un comportamento intrinseco passa basso per questo sistema.

Conclusione:

Hai ragione: questa configurazione può essere utilizzata per il trasferimento di energia.

Perché non è usato? Bene, posso solo speculare qui. Le mie ipotesi sono:

Supponendo che i dielettrici siano gli stessi sia per i condensatori esterni che per quelli interni, questa configurazione può essere utilizzata solo per ridurre la tensione.
Il comportamento intrinseco passa basso potrebbe non essere desiderabile.
Il controllo sulle aree dei condensatori è più complicato del controllo sul numero di avvolgimenti negli induttori.
È molto facile garantire che quasi il 100% del campo magnetico primario attraversi avvolgimenti secondari. È più complicato con i condensatori e il campo elettrico.
Al fine di aumentare l'efficienza e ridurre le dimensioni fisiche, si desidera che i condensatori siano sottili (piccolo spazio tra le piastre), ma ciò comporta una tensione di rottura inferiore.

E sono sicuro che ci sono più ragioni. Inoltre sono completamente sicuro che ci sono alcune applicazioni specializzate in cui viene utilizzata questa tecnica.

— Vasiliy
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