Elektroniska kretsar är integrerade delar av nästan alla tekniska framsteg som görs i våra liv idag. TV, radio, telefoner och datorer kommer omedelbart att tänka på, men elektronik används också i bilar, köksapparater, medicinsk utrustning och industriella kontroller. I hjärtat av dessa enheter finns aktiva komponenter, eller komponenter i kretsen som elektroniskt styr elektronflöde, som halvledare. Dessa enheter kunde emellertid inte fungera utan mycket enklare, passiva komponenter som föregår halvledare under många decennier. Till skillnad från aktiva komponenter kan passiva komponenter, som motstånd, kondensatorer och induktorer, inte kontrollera elektronflödet med elektroniska signaler.
Motstånd
Som namnet antyder är ett motstånd en elektronisk komponent som motstår flödet av elektrisk ström i en krets.
I metaller som silver eller koppar, som har hög elektrisk konduktivitet och därför låg resistivitet, kan elektroner hoppa fritt från en atom till nästa, med lite motstånd.
Det elektriska motståndet hos en kretskomponent definieras som förhållandet mellan den applicerade spänningen och den elektriska strömmen som strömmar genom den, enligt HyperPhysics, en fysikresurswebbplats som är värd för avdelningen för fysik och astronomi vid Georgia State University. Standardenheten för resistens är ohm, som är uppkallad efter den tyska fysikern Georg Simon Ohm. Det definieras som motståndet i en krets med en ström på 1 ampere vid 1 volt. Resistens kan beräknas med Ohms lag, som säger att motståndet är lika med spänningen dividerat med ström, eller R = V / I (oftare skrivet som V = IR), där R är motstånd, V är spänning och I är ström.
Motstånd klassificeras generellt som antingen fast eller variabel. Motstånd med fast värde är enkla passiva komponenter som alltid har samma motstånd inom sina föreskrivna ström- och spänningsgränser. De finns i ett brett spektrum av resistensvärden, från mindre än 1 ohm till flera miljoner ohm.
Variabla motstånd är enkla elektromekaniska enheter, till exempel volymkontroller och dimmeromkopplare, som ändrar den effektiva längden eller den effektiva temperaturen på ett motstånd när du vrider på en ratt eller flyttar en reglage.
Induktans
En induktor är en elektronisk komponent som består av en trådspole med en elektrisk ström som löper genom den och skapar ett magnetfält. Enheten för induktans är henry (H), uppkallad efter Joseph Henry, en amerikansk fysiker som upptäckte induktans självständigt ungefär samtidigt som den engelska fysikeren Michael Faraday. En höjd är den grad av induktans som krävs för att inducera 1 volt elektromotorisk kraft (det elektriska trycket från en energikälla) när strömmen förändras med 1 ampere per sekund.
En viktig tillämpning av induktorer i aktiva kretsar är att de tenderar att blockera högfrekvenssignaler medan de låter svängningar med lägre frekvens passera. Observera att detta är motsatt funktion för kondensatorer. Att kombinera de två komponenterna i en krets kan selektivt filtrera eller generera svängningar med nästan vilken önskad frekvens som helst.
Med införandet av integrerade kretsar, såsom mikrochips, blir induktorer mindre vanliga eftersom 3D-spolar är extremt svåra att tillverka i 2D-tryckta kretsar. Av denna anledning är mikrokretsar designade utan induktorer och använder kondensatorer istället för att uppnå i stort sett samma resultat, enligt Michael Dubson, professor i fysik vid University of Colorado Boulder.
Kapacitans
Kapacitans är en enhets förmåga att lagra elektrisk laddning, och som sådan kallas den elektroniska komponenten som lagrar elektrisk laddning en kondensator. Det tidigaste exemplet på en kondensator är Leyden-burken. Denna enhet uppfanns för att lagra en statisk elektrisk laddning på ledande folie som fodrade insidan och utsidan av en glasburk.
Den enklaste kondensatorn består av två plana ledande plattor separerade med ett litet gap. Potentialskillnaden eller spänningen mellan plattorna är proportionell mot skillnaden i mängden laddning på plattorna. Detta uttrycks som Q = CV, där Q är laddning, V är spänning och C är kapacitans.
Kondensatorn för en kondensator är mängden laddning den kan lagra per spänningsenhet. Enheten för mätning av kapacitans är farad (F), som heter Faraday, och definieras som kapaciteten att lagra 1 laddning med en applicerad potential på 1 volt. En coulomb (C) är mängden laddning som överförs av en ström på 1 ampere på 1 sekund.
För att maximera effektiviteten staplas kondensatorplattor i lager eller lindas i spolar med en mycket liten luftspalt mellan dem. Dielektriska material - isolerande material som delvis blockerar det elektriska fältet mellan plattorna - används ofta i luftgapet. Detta gör att plattorna kan lagra mer laddning utan båge och kortslutning.
Kondensatorer finns ofta i aktiva elektroniska kretsar som använder oscillerande elektriska signaler som t.ex. i radio och ljudutrustning. De kan laddas och laddas nästan direkt, vilket gör att de kan användas för att producera eller filtrera vissa frekvenser i kretsar. En svängande signal kan ladda en platta på kondensatorn medan den andra plattan laddas ur, och sedan när strömmen vänds, laddar den den andra plattan medan den första plattan laddas ur.
I allmänhet kan högre frekvenser passera genom kondensatorn, medan lägre frekvenser är blockerade. Kondensatorns storlek bestämmer avstängningsfrekvensen för vilka signaler blockeras eller får passera. Kondensatorer i kombination kan användas för att filtrera valda frekvenser inom ett specificerat intervall.
Superkondensatorer tillverkas med hjälp av nanoteknologi för att skapa supertunna lager av material, såsom grafen, för att uppnå kapacitet som är 10 till 100 gånger den för konventionella kondensatorer av samma storlek; men de har mycket långsammare responstider än konventionella dielektriska kondensatorer, så de kan inte användas i aktiva kretsar. Å andra sidan kan de ibland användas som en strömkälla i vissa applikationer, till exempel i datorminneschips, för att förhindra dataförlust när huvudströmmen bryts.
Kondensatorer är också kritiska komponenter i tidsanordningar, till exempel de som utvecklats av SiTime, ett företag baserat i Kalifornien. Dessa enheter används i en mängd olika applikationer, från mobiltelefoner till höghastighetståg och handel på aktiemarknaden. Känd som MEMS (mikroelektromekaniska system) förlitar den lilla tidsapparaten på att kondensatorer fungerar korrekt. "Om resonatorn inte har rätt kondensator och lastkapacitans kommer timingkretsen inte att starta upp pålitligt och i vissa fall slutar den att svänga helt," säger Piyush Sevalia, verkställande direktör för marknadsföring på SiTime.
Denna artikel uppdaterades den 16 januari 2019 av Live Science-bidragsgivaren Rachel Ross.
