兒童電子學(II):電容器

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb特約作者

在電子學中,電容器除了用於儲存能量,還可用來傳遞交流電,同時阻止直流電。當然,這個功能強大的電子元件最有趣的效果就在於使用電解電容器代替電池來點亮 LED 二極體...

電容器是最重要的電子元件之一。在兒童基礎電子課程的第二部份,我們將學習電容器的工作原理,並專注於探索與此元件有關的能源儲存功能、所進行的測試和實驗等方面。

電容器

在兒童電子學系列的第1部份,我們瞭解了各種常見的電子元件功能。電阻器阻止電流流動,而LED二極體的功能就像一個燈泡,當電流(即使是非常小的電流)從其兩個接腳流過時,LED二極體則被點亮,但LED二極體的陰極與陽極都必須安裝正確,不能顛倒過來。

在本文中,我們將介紹電容器的功能。儘管其電氣結構始終相同,但它是一種具有廣泛應用的獨特且迷人的元件。根據使用環境的不同,它具有不同的功能。在這裡,我們將使用電解電容器作為容器和電能容器。電容器是一個有兩個導電極板的圓柱形元件。其連接必須遵守正確的方向,即正確的極性。

在內部,兩個相互靠近的導體,中間夾一層不導電的絕緣介質,這就構成了電容器。當電容器的兩個極板之間加上電壓時,電容器就會儲存電荷。

現在讓我們做一個簡單的實驗,就是要讓這個強大的容器充滿能量。測試需要採用以下項目:

  • 一塊5V 扁平電池;
  • 至少 10,000 uF (微法拉)的電解電容器;
  • 一個萬用表。

現在按照 1所示的各個階段進行,隨時記得電流和水非常類似,而電容器則與水桶非常相似:

  • 最初,電解電容器是空的(就像塑膠水桶一樣)。用萬用表測試,電壓值為0V。它還可以顯示最小電壓值(例如,2V),因為在元件中仍然可能存在殘餘能量,就像水滴殘留在容器內一樣;
  • 如圖所示,用5V 的電池為電容器充電。就極性而言,電池的正極必須連接到電容器的正極,負極同理。這個階段相當於透過水龍頭裝滿水桶。容器越大,填充所需的時間就越長。我們保持這種充電狀態大約 5-10 秒(實際上,電容器幾乎是立即充電,但為了安全,我們延長了時間)。所幸有了電容器,就沒有電子洩漏。當它已充滿時就不再接受電流。您還可以使用不同的電壓,例如 9V 或 12V,具體取決於家中的電池;
  • 幾分鐘之後,電容器就會如水桶一樣充滿。為了檢查這一點,我們使用與之前相同的測試儀測量元件上的電壓,始終遵循正確的極性。測試儀現在顯示的電壓約為5V。電容器保持帶電,該電壓也可能保持數小時或數天,具體取決於元件的品質。

phases of a capacitor's charge.

1:電容器充電的各階段。

 

自然地,電容器將以自主和自然的方式非常緩慢地放電。這是由洩漏電流引起的,在所有電子元件中都是絕對正常的。

不用電池也能點亮LED

正如我們所見,電解電容器與電池相當,但它們的能量電荷要低得多,而且它們的效用有限。此外,電容器中可儲存能量的值由其「容量」決定。值越大,電容器可以容納的能量就越多。

讓我們看看如何使用電解電容器代替電池來點亮 LED 二極體。當然,首先要用上述步驟對電解電容器進行充電。 2 顯示建議的接線和接線圖。要進行實驗,您需要以下材料:

  • 1 節5V 電池;
  • 1個47000uF以上的電容;
  • 1 個330Ω電阻;
  • 1個紅色LED二極體。

如前所述,用電池為電解電容充電,然後按照電路圖連接 LED 二極體和電阻器。請勿將已充電電容器的兩個端子極板進行連接;可能會產生小火花。電解電容器提供電流,直到電流完全耗盡,使LED二極體瞬間亮起。遺憾的是,由於電容器沒有足夠的面積來儲存更多的能量,光只能持續幾秒鐘。市場上有更大的電容器,但它們非常昂貴(超級電容器)。下方的圖表記錄了隨時間流過電路的電流。由於LED二極體的亮度會隨著時間的推移而降低,因此最好在黑暗中進行實驗。

 The LED diode is powered by an electrolytic capacitor .

2LED 二極體由電解電容器供電幾秒鐘。

結論

在電子學中,電容器用於許多不同的目的,而不僅僅是為了儲存能量。這個元件也可以用來傳遞交流電,同時阻止直流電。當然,這個功能強大的電子元件最有趣的效果就是在此實驗中所看到的。

為了延長電路的發光週期,可以採用高價的超級電容器,或者增加電阻的值,但亮度會降低,或者可以用更大的電壓為電容器充電。

最好在成年人的協助下逐漸接近電子裝置,需要強調的是,為了確保兒童的安全,所有實驗都必須使用低壓(4.5V)電池。

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兒童電子學(VII):電位計
兒童電子學(VIII):七段LED顯示器
兒童電子學(IX):簡單的電晶體實驗

編譯:Demi Xia

(參考原文:Electronics for Kids, Part 2: The Capacitor,by Giovanni Di Maria)

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