ความจุไฟฟ้า เป็นแนวคิดพื้นฐานในไฟฟ้าสถิต ซึ่งเกี่ยวข้องกับความสามารถของระบบในการเก็บประจุไฟฟ้า เป็นการวัดปริมาณประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้สำหรับศักย์ไฟฟ้าที่กำหนด ความจุไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบและการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท รวมถึงตัวเก็บประจุซึ่งเป็นส่วนประกอบที่เก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า
ความจุไฟฟ้าถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของประจุไฟฟ้า ( \(Q\) ) บนตัวนำแต่ละตัวต่อความต่างศักย์ ( \(V\) ) ระหว่างตัวนำเหล่านั้น สูตรสำหรับความจุ ( \(C\) ) แสดงเป็น:
\(C = \frac{Q}{V}\)หน่วยความจุคือฟารัด (F) ซึ่งตั้งชื่อตามไมเคิล ฟาราเดย์ ตัวเก็บประจุที่มีความจุ 1 ฟารัดจะเก็บประจุไฟฟ้าได้ 1 คูลอมบ์ เมื่อมีความต่างศักย์ไฟฟ้า 1 โวลต์ทั่วแผ่นของมัน
ตัวเก็บประจุพื้นฐานประกอบด้วยตัวนำสองตัวคั่นด้วยวัสดุฉนวนที่เรียกว่าอิเล็กทริก ตัวนำอาจมีรูปทรงต่างๆ เช่น แผ่น ทรงกลม หรือทรงกระบอก วัสดุอิเล็กทริกมีบทบาทสำคัญในการกำหนดความจุของตัวเก็บประจุโดยการต้านทานการไหลของประจุไฟฟ้า ช่วยเพิ่มความสามารถในการกักเก็บประจุของตัวเก็บประจุ
สำหรับตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน สามารถคำนวณความจุได้โดยใช้สูตร:
\(C = \epsilon \frac{A}{d}\)โดยที่ \(C\) คือความจุ \(\epsilon\) คือความอนุญาตของวัสดุอิเล็กทริก \(A\) คือพื้นที่ของแผ่นใดแผ่นหนึ่ง และ \(d\) คือระยะห่างระหว่างแผ่น .
ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานไว้ในสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างแผ่นของมัน พลังงาน ( \(U\) ) ที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุที่มีประจุจะได้มาจากสมการ:
\(U = \frac{1}{2} CV^{2}\)สมการนี้แสดงให้เห็นว่าพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าที่พาดผ่านและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความจุของตัวเก็บประจุ หลักการนี้ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานตามต้องการ
อิเล็กทริกระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุไม่ได้เป็นเพียงฉนวนเท่านั้น มันยังส่งผลต่อความจุโดยโพลาไรซ์เพื่อตอบสนองต่อสนามไฟฟ้า โพลาไรเซชันนี้จะลดสนามไฟฟ้าที่มีประสิทธิผลภายในตัวเก็บประจุ และเพิ่มความสามารถในการกักเก็บประจุ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ( \(\kappa\) ) เป็นตัววัดผลกระทบนี้ โดยค่าที่สูงกว่าจะบ่งบอกถึงความจุที่มากขึ้น
เมื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ความจุรวม ( \(C_{total}\) ) จะน้อยกว่าความจุแต่ละตัวใดๆ คำนวณโดยใช้ส่วนกลับของผลรวมของสูตรส่วนกลับ:
\(\frac{1}{C_{total}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + ... + \frac{1}{C_n}\)ในทางกลับกัน เมื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน ความจุรวมคือผลรวมของความจุแต่ละตัว:
\(C_{total} = C_1 + C_2 + ... + C_n\)การกำหนดค่านี้ทำให้ความจุโดยรวมของวงจรเพิ่มขึ้น เนื่องจากความจุประจุของตัวเก็บประจุแต่ละตัวเพิ่มขึ้นเพื่อให้ความจุรวมสูงขึ้น
การทดลองเพื่อทำความเข้าใจความจุไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการวัดประจุที่ตัวเก็บประจุเก็บไว้ที่แรงดันไฟฟ้าต่างกัน การเชื่อมต่อตัวเก็บประจุเข้ากับแหล่งจ่ายไฟแบบแปรผันและการวัดประจุที่สะสมที่แรงดันไฟฟ้าต่างๆ ด้วยแอมมิเตอร์แบบละเอียดอ่อน ทำให้เราสามารถกำหนดความจุของตัวเก็บประจุได้โดยใช้ความสัมพันธ์ \(C = \frac{Q}{V}\)
สนามไฟฟ้า ( \(E\) ) ระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุมีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นประจุ ( \(\sigma\) ) บนแผ่นและความอนุญาตของอิเล็กทริก ( \(\epsilon\) ) ตามสมการ : :
\(E = \frac{\sigma}{\epsilon}\)สนามไฟฟ้าจะแรงที่สุดที่อยู่ติดกับแผ่นเปลือกโลก และอ่อนลงตามระยะห่างจากแผ่นเปลือกโลก สนามนี้จะกักเก็บพลังงานไว้เมื่อมีการชาร์จตัวเก็บประจุ ซึ่งเป็นสาเหตุที่ตัวเก็บประจุสามารถปล่อยพลังงานได้เมื่อสนามไฟฟ้าพังทลายลง
ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบสำคัญในวงจรและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ใช้ใน:
ความจุไฟฟ้าเป็นแนวคิดหลักในด้านไฟฟ้าสถิตและอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งแสดงถึงความสามารถของระบบในการเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ขนาดของแผ่นตัวนำ ระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำ และประเภทของวัสดุอิเล็กทริกที่ใช้ ตัวเก็บประจุซึ่งใช้ประโยชน์จากความจุไฟฟ้า พบว่ามีการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในด้านการจัดเก็บพลังงาน การปรับสภาพพลังงาน และการประมวลผลสัญญาณ และอื่นๆ การทำความเข้าใจความจุเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบและการทำงานกับวงจรและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
