Bagaimana kapasitor menyimpan muatan sementara juga melewati arus?

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):

^{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?

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.

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.

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:

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.

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.