Электронные схемы являются неотъемлемой частью практически всех технологических достижений, которые происходят сегодня в нашей жизни. Телевидение, радио, телефоны и компьютеры сразу приходят на ум, но электроника также используется в автомобилях, кухонных приборах, медицинском оборудовании и промышленных контролях. В основе этих устройств лежат активные компоненты или компоненты схемы, которые электронно управляют потоком электронов, например, полупроводники. Однако эти устройства не могли бы функционировать без гораздо более простых пассивных компонентов, которые предшествуют полупроводникам на многие десятилетия. В отличие от активных компонентов, пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и индукторы, не могут контролировать поток электронов с помощью электронных сигналов.
Сопротивление
Как следует из его названия, резистор является электронным компонентом, который сопротивляется потоку электрического тока в цепи.
В металлах, таких как серебро или медь, которые имеют высокую электропроводность и, следовательно, низкое удельное сопротивление, электроны могут свободно переходить от одного атома к другому с небольшим сопротивлением.
Электрическое сопротивление компонента схемы определяется как отношение приложенного напряжения к электрическому току, который течет через него, согласно HyperPhysics, сайту физических ресурсов, размещенному на кафедре физики и астрономии в Университете штата Джорджия. Стандартной единицей сопротивления является ом, названный в честь немецкого физика Георга Симона Ома. Он определяется как сопротивление в цепи с током 1 А при 1 вольт. Сопротивление можно рассчитать по закону Ома, согласно которому сопротивление равно напряжению, деленному на ток, или R = V / I (чаще записывается как V = IR), где R - сопротивление, V - напряжение, а I - ток.
Резисторы обычно классифицируются как постоянные или переменные. Резисторы с фиксированным значением - это простые пассивные компоненты, которые всегда имеют одинаковое сопротивление в установленных пределах тока и напряжения. Они доступны в широком диапазоне значений сопротивления, от менее 1 Ом до нескольких миллионов Ом.
Переменные резисторы - это простые электромеханические устройства, такие как регуляторы громкости и диммер, которые изменяют эффективную длину или эффективную температуру резистора при повороте ручки или перемещении ползункового регулятора.
Самоиндукция
Индуктор - это электронный компонент, состоящий из катушки с проводом, через который проходит электрический ток, создающий магнитное поле. Единицей индуктивности является Генри (H), названный в честь Джозефа Генри, американского физика, который открыл индуктивность независимо примерно в то же время, что и английский физик Майкл Фарадей. Один генри - это величина индуктивности, которая требуется, чтобы вызвать 1 вольт электродвижущей силы (электрического давления от источника энергии), когда ток изменяется со скоростью 1 ампер в секунду.
Одним из важных применений индукторов в активных цепях является то, что они имеют тенденцию блокировать высокочастотные сигналы, позволяя проходить колебаниям более низких частот. Обратите внимание, что это противоположная функция конденсаторов. Объединение двух компонентов в цепи может избирательно фильтровать или генерировать колебания практически любой желаемой частоты.
С появлением интегральных микросхем, таких как микросхемы, катушки индуктивности становятся все менее распространенными, поскольку трехмерные катушки чрезвычайно сложно изготовить в двумерных печатных платах. По этой причине, по словам Майкла Дубсона, профессора физики из Университета Колорадо в Боулдере, микросхемы спроектированы без индукторов и вместо них используют конденсаторы для достижения практически тех же результатов.
Емкость
Емкость - это способность устройства накапливать электрический заряд, и как таковой электронный компонент, который накапливает электрический заряд, называется конденсатором. Самый ранний пример конденсатора - лейденский сосуд. Это устройство было изобретено для хранения статического электрического заряда на проводящей фольге, которая выстилала внутреннюю и наружную части стеклянной банки.
Простейший конденсатор состоит из двух плоских проводящих пластин, разделенных небольшим зазором. Разность потенциалов, или напряжение, между пластинами пропорциональна разнице в количестве заряда на пластинах. Это выражается как Q = CV, где Q - заряд, V - напряжение, а C - емкость.
Емкость конденсатора - это количество заряда, которое он может хранить на единицу напряжения. Единицей измерения емкости является Фарад (F), названный по имени Фарадея, и определяется как способность хранить 1 кулон заряда с приложенным потенциалом 1 вольт. Один кулон (C) - это количество заряда, передаваемого током в 1 ампер за 1 секунду.
Чтобы максимизировать эффективность, пластины конденсаторов уложены в слои или намотаны в катушках с очень маленьким воздушным зазором между ними. Диэлектрические материалы - изоляционные материалы, которые частично блокируют электрическое поле между пластинами - часто используются в воздушном зазоре. Это позволяет пластинам хранить больше заряда без искрения и замыкания.
Конденсаторы часто встречаются в активных электронных цепях, которые используют колебательные электрические сигналы, такие как в радио и аудиооборудовании. Они могут заряжаться и разряжаться практически мгновенно, что позволяет использовать их для создания или фильтрации определенных частот в цепях. Колеблющийся сигнал может заряжать одну пластину конденсатора, в то время как другая пластина разряжается, и затем, когда ток меняется на противоположный, он заряжает другую пластину, пока разряжается первая пластина.
Как правило, более высокие частоты могут проходить через конденсатор, а более низкие частоты блокируются. Размер конденсатора определяет частоту среза, для которой сигналы блокируются или пропускаются. Конденсаторы в комбинации могут использоваться для фильтрации выбранных частот в указанном диапазоне.
Суперконденсаторы изготавливаются с использованием нанотехнологий для создания сверхтонких слоев материалов, таких как графен, для достижения емкости, в 10-100 раз превышающей емкость обычных конденсаторов того же размера; но они имеют намного более медленное время отклика, чем обычные диэлектрические конденсаторы, поэтому их нельзя использовать в активных цепях. С другой стороны, они могут иногда использоваться в качестве источника питания в определенных приложениях, например в микросхемах памяти компьютера, для предотвращения потери данных при отключении основного питания.
Конденсаторы также являются важными компонентами устройств синхронизации, таких как разработанные компанией SiTime, базирующейся в Калифорнии. Эти устройства используются в самых разных приложениях, от мобильных телефонов до скоростных поездов и торговли на фондовом рынке. Известный как MEMS (микроэлектромеханические системы), крошечное устройство синхронизации полагается на конденсаторы для правильной работы. «Если резонатор не имеет подходящего конденсатора и емкости нагрузки, схема синхронизации не запустится надежно, а в некоторых случаях она вообще перестает колебаться», - сказал Пиюш Севалия, исполнительный вице-президент по маркетингу SiTime.
Эта статья была обновлена 16 января 2019 года участником Live Science Рэйчел Росс.
