Perché i condensatori di fili non sono?

Un condensatore a piastre parallele è costituito da due conduttori paralleli con cariche opposte. Nel diagramma sopra, i fili sono paralleli e conduttori, quindi fungono da piastre del condensatore?

In tal caso, se si hanno due fili uno accanto all'altro e si collega un condensatore all'estremità, il condensatore si carica ancora? Poiché l'intera cosa si comporta come un unico grande condensatore, la carica non si accumulerebbe solo sul condensatore, si spargerebbe sull'intero filo e sul condensatore, il che significa che ci sarebbe meno carica nel condensatore.

E se questo è vero, perché l'equazione per capacità non tiene conto della posizione dei fili?

Due fili fanno fare un condensatore. Solo molto piccolo. Per piastre parallele, la capacità può essere calcolata come:

Dove:

• $\varepsilon$è la permittività del dielettrico, che è principalmente aria per alcuni fili, con$\varepsilon \approx 8.85 \cdot 10^{-12} \mathrm F/\mathrm m$.
• $A$ è l'area dei piatti
• $d$ è la distanza tra le piastre

Per due fili ordinari in un circuito, $A$ è molto piccolo e $d$è molto grande, rispetto alle distanze nel tuo tipico condensatore. Pertanto, la capacità è davvero molto ridotta e nella maggior parte dei casi possiamo trascurarla.

Per quanto riguarda la tua seconda domanda, devi stare attento alle parole che usi. Non caricare media carica elettrica o la quantità di energia che avete memorizzato nel condensatore? Non sono l'unica persona frustrata dal vocabolario contraddittorio attorno ai condensatori . Farò del mio meglio per essere chiaro.

Lo squilibrio di carica si diffonde lungo il filo, in un certo senso. Tra i terminali della batteria, o tra due punti qualsiasi lungo il filo, o tra le piastre del condensatore, misurerai la stessa differenza di potenziale con il tuo voltmetro. Il campo elettrico esiste non solo tra le piastre del condensatore, ma tra le due intere metà del circuito.

All'interno del condensatore, il campo elettrico deve cambiare dal potenziale della metà al potenziale dell'altra metà entro una distanza molto piccola, solo la separazione delle piastre ($d$dall'alto: è minuscolo per produrre una capacità elevata). Pertanto, l'intensità di campo, misurata in volt per metro, è massima all'interno del condensatore.

Per quanto riguarda la carica elettrica, pensaci in questo modo: metà del circuito ha troppi elettroni e l'altra metà del circuito non ne ha abbastanza. Quando ci sono troppi elettroni, vogliono spostarsi in un posto dove ce ne sono meno, perché le cariche simili si respingono. Quindi per la metà con troppi elettroni, il più vicino che possono raggiungere in un posto dove ci sono meno elettroni è all'interno del condensatore, perché è il più vicino all'altra metà del circuito.

Non tutti gli elettroni si accumulano nel condensatore, intendiamoci, perché ciò lascerebbe il filo con una carica positiva. Piuttosto, gli elettroni si ridistribuiscono in modo che la differenza di potenziale (tensione) sia la stessa ovunque in quella metà del circuito. La maggior parte degli elettroni in eccesso finisce nel condensatore, proprio perché è qui che il campo elettrico è più forte.

Puoi anche pensarci per la metà opposta considerando l'assenza di un elettrone come un "buco", una sorta di portatore di carica positiva.

Puoi anche pensare a come le cariche elettriche si distribuiscono in questo modo: abbiamo già stabilito che i cavi hanno una capacità molto bassa, ma diversa da zero. Capacità$C$ è solo un altro modo di dire quanta carica $Q$ serve per fare una tensione $V$ in una cosa:

I fili, a bassa capacità, non subiscono molti squilibri di carica elettrica (elettroni extra o mancanti) per fare un grande cambiamento di tensione. Il condensatore, con una grande capacità, richiede molto più squilibrio di carica per modificare la tensione. Pertanto, per rendere le tensioni uguali su ciascuna metà del circuito, la maggior parte della carica sbilanciata deve finire nel condensatore, non nei fili.

Il problema è più grave di quello che descrivi, perché non c'è solo una capacità ma anche un'induttanza e una resistenza, che stanno cambiando tutto il tuo design alla loro frequenza di risonanza. Un ottimo strumento per calcolare la capacità di due fili paralleli è QuickField ed è possibile scaricare gratuitamente la Student Edition.

Nelle tracce PCB ci sono alcuni valori tipici per capacità e induttanza

Come puoi vedere c'è un grosso problema soprattutto nelle alte frequenze. Questi elementi parassiti sono ovunque e gli ingegneri devono tener conto in base ai parametri principali dell'applicazione (frequenza, tensione ecc.). Puoi vedere sotto i principali elementi passivi non ideali circuito equivalente che introducono limitazioni nel loro utilizzo.

Resistore

Condensatore

induttore

Fili e linee di trasmissione

Dimensioni dei componenti più piccole di solito comportano parassiti più piccoli. Con oggi i componenti passivi SMD su PCB consentono una progettazione sicura di diversi GHz. Nei cavi, vengono utilizzate le tecniche delle linee di trasmissione (coassiale, doppino, cavi a nastro, doppio conduttore, microstip e stripline ...)

Sì, qualsiasi coppia di conduttori separati da un dielettrico è un condensatore. La disposizione dei conduttori come piastre parallele aumenterà la capacità poiché è proporzionale alla superficie. La pagina di Wikipedia mostra come calcolare la capacità di diverse geometrie (è possibile verificare i calcoli in uno dei libri di testo di riferimento). Sono incluse piastre parallele e due fili. In circuiti semplici, questa capacità parassitaria, come ha detto Nick, non è un problema. Tuttavia, in un circuito complesso, come un PCB multistrato con circuiti analogici e digitali, questo fenomeno può rappresentare un grosso problema.

Gli ingegneri EMC effettuano test viventi e ottimizzano i circuiti per evitare la capacità parassita e l'induttanza reciproca. Ricorda che anche le antenne sono solo condensatori. Il cambiamento del campo elettrico nell'antenna (condensatore) genera onde radio (campo elettrico). Pertanto, qualsiasi filo è anche un'antenna. Inoltre, qualsiasi anello di filo è un induttore. Tutte queste conseguenze possono essere un grosso problema nella progettazione dei circuiti. È positivo che tu abbia notato i potenziali problemi.

I cavi sono condensatori. Ogni volta che hai una differenza nel potenziale di carica su una distanza avrai un campo elettrico e in effetti un condensatore. Se includessi l'induttanza dei fili nello schema, avresti descritto quella che viene chiamata "linea di trasmissione".

Questi principi sono il motivo per cui le linee di alimentazione CA hanno una spaziatura evidentemente coerente a una determinata tensione, nonché perché i conduttori dell'antenna da 300 ohm sono costituiti da quei due fili paralleli distanziati con precisione l'uno dall'altro. Fondamentalmente globs di carica viaggiano lungo la rete LC che creano queste linee parallele.

Non devono nemmeno essere paralleli: un singolo pezzo dritto di filo d'oro a scartamento zero ha un po 'di resistenza. Ciò significa che c'è una leggera differenza di carica end-to-end se passa corrente e può anche essere il suo dielettrico. L'aria, il vuoto, l'isolamento, ecc. Attorno ad esso funge anche da dielettrico. Poiché questa non è un'interazione piastra-piastra ma lungo una linea, il campo segue un modello ovale allungato da un capo all'altro.

Ecco come funzionano le antenne monopolo e dipolo. La capacità è minima ma con l'aumentare della frequenza diventa sempre più rilevante. Con questo combinato con l'induttanza lungo il filo l'antenna diventa sostanzialmente il proprio circuito LC e ha una frequenza di risonanza. A frequenze più elevate la resistenza apparente dovuta all'induttanza fa persino sembrare il filo stesso un dielettrico.

Q = CV o

carica = capacità x tensione.

La carica sul condensatore reale è dettata dalla sua tensione terminale. La tensione del terminale lungo una lunga coppia di fili sarebbe inferiore alla fine attraverso un normale condensatore. No, non lo sarebbe (dato che ci sarà un piccolo ritardo per la tensione per raggiungere l'estremità in cui si trova il condensatore normale).

Che dire della resistenza dei fili? Se il condensatore presentasse una perdita (dispersione in cc) ed fosse piuttosto negativo, la resistenza in serie dei fili calerebbe di alcuni millivolt. Questo ovviamente significa che la tensione terminale sul condensatore è ridotta di alcuni millivolt e quindi la carica sarebbe ridotta.

Poiché l'intera cosa si comporta come un unico grande condensatore, la carica non si accumulerebbe solo sul condensatore, si spargerebbe sull'intero filo e sul condensatore, il che significa che ci sarebbe meno carica nel condensatore.

No, ci sarebbe più carica nel condensatore, la carica nei fili verrà aggiunta alla carica nel cappuccio. Ma poiché la capacità di un filo corto è solo di pochi pF, nella maggior parte dei casi l'effetto è insoddisfacente.

È il dielettrico tra i fili che crea la capacità. Sostituisci il dielettrico con un blocco conduttore ohmico e hai un filo. Fondamentalmente, ogni filo ha una certa capacità e ogni condensatore ha una certa conduttanza, generalmente indicato come condensatore che perde, ma in entrambi i casi, trattando di analisi concentrate, assumiamo cavi ideali (con capacità zero) e condensatori ideali (con conduttanza zero)