Friday, October 2, 2015

ඉලෙක්ට්‍රෝනික් II (Electronics) - 7

ධාරිතාව හා කැපෑසිටර්


ධාරිතාව යන්නෙහි සාමාන්‍ය තේරුම නම් යම් දෙයක් රඳවා තබා ගැනීමේ (ගබඩා කර ගැනීමේ) ප්‍රමාණය/හැකියාව යන්නයි. එම තේරුමින් ඉංග්‍රිසියෙන් ධාරිතාවට කියන්නේ capacity කියාය. එලෙසම ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස්වල (යම් උපාංගයක් විසින්) ඉලෙක්ට්‍රෝන රඳවා ගැනීමේ හැකියාවට කියන්නේද ධාරිතාව කියාය. මෙම අර්ථයෙන් ගත්විට එය ඉංග්‍රිසියෙන් capacitance (කැපෑසිටි නොවේ) යන නමින් හැඳින්වේ. මෙම ක්‍රියාකාරිත්වය (එනම් ඉලෙක්ට්‍රෝන ගබඩා කිරීම) සඳහාම නිපදවා තිබෙන උපාංගය ධාරිත්‍රකය වේ. එය ඉංග්‍රිසියෙන් capacitor හෝ condenser යන නමින් හැඳින්වේ (දැන් දැන් කන්ඩෙන්සර් යන නම අභාවයට යමින් පවතී). එහි සාමාන්‍ය සංඛේතය පහත දැක්වේ.


එක වාඛ්‍යයකින් කැපෑසිටර් එකක මූලික රාජකාරිය කියන්නේ කෙලෙසද?
විචලනය වන විදුලියකට පමණක් තමන් හරහා ගමන් කිරීමට ඉඩදී, ස්ථාවර විදුලියට තමන් හරහා ගමන් කිරීමට ඉඩ නොදෙන උපාංගයකි ධාරිත්‍රකය.”
බොහෝ අය (මාද ඇතුලුව) බොහෝ පොත්වල ඉහත වාඛ්‍ය මෙලෙසද ලියා තිබෙනවා - “ඒසී විදුලියට ගමන් කිරීමට සලස්වා, ඩීසී විදුලිය අවහිර කරන උපාංගයකි.” බැලූබැල්මට මෙම අර්ථකථනය, ඊට පෙර ලබාදුන් අර්ථකථනයට සමාන බවක් පෙනේ. එහෙත් මෙම දෙවැනි වාඛ්‍ය එතරම් නිවැරදි නොවේ. ඊට හේතුව බලමු.

මෙහි වෙනස වටහගැනීමට ඒසී හා ඩීසී දෙකෙහි සැබෑ තත්වය දත යුතුය (පළමු පොතෙහි මේ ගැන සවිස්තරාත්මකව ඇත). නැවතත් කෙටියෙන් ඒ ගැන විමසමු. ඒසී විදුලියක් යම් සන්නායකයක් දිගේ ගමන් කරන විට, විදුලිය යම් කාලයක් තුළ එක් පැත්තකට ගමන් කර, ඉන්පසු යම් කාලයකට ඊට ප්‍රතිවිරුද්ධ පැත්තට ගමන් කරයි. මෙලෙස මාරුවෙන් මාරුවට පැත්ත මාරු වෙමින් තමයි එම විදුලිය ගමන් කරන්නේ. එනිසයි ඊට ප්‍රත්‍යාවර්ථ විදුලිය (Alternating Current) යන නම ලැබී තිබෙන්නෙත්. එය ප්‍රස්ථාරයක අඳින විට, එක් පැත්තකට ගමන් කරන විදුලිය x අක්ෂයෙන් උඩද, අනෙක් (ප්‍රතිවිරුද්ධ) පැත්තට ගමන් කරන විදුලිය x අක්ෂයෙන් යටද ඇඳීමෙන් තමයි ප්‍රස්ථාරයේදී විදුලිය ගමන් කරන දිශා දෙක වෙන් වෙන්ව නිරූපණය කරන්නේ. ඉතිං ප්‍රස්ථාරයක x අක්ෂයට උඩින් හා යටින් කොටස් තිබෙන සේ ඇඳ තිබෙන විදුලියක් අනිවාර්යෙන්ම ඒසී වේ. එය ප්‍රස්ථාරමය/රූපමය අර්ථ දැක්වීමක්. සැබෑ අර්ථ දැක්වීම වන්නේ විදුලිය වරින් වර දිශා මාරු කරමින් ගමන් කරයි නම් එය ඒසී විදුලිය ලෙස සැලකිය යුතුය යන්න. වරින් වර දිශාව මාරැ කරන නිසාම, මෙම විදුලියේ හැඩය නිතරම වෙනස් වේ. ඒ කියන්නේ ඒසී විදුලිය යනු අනිවාර්යෙන්ම “විචලනය වන විදුලියක්”. පහත දැක්වෙන්නේ බහුලවම හා ස්වාභාවිකව දක්නට ලැබෙ ඒසී විදුලි ප්‍රස්ථාරයක පෙන්වන ආකාරය.
 

ඩීසී විදුලියක් යනු එක පැත්තකට පමණක් ගමන් කරන විදුලියක්. මෙහි එක් සුවිශේෂි අවස්ථාවක් තමයි, නියතව ඒකාකාර අගයකින් යුතු විදුලිය (steady DC). ඒ කියන්නේ වෝල්ට් 5 නම්, එම වෝල්ට් 5 දිගටම නොවෙනස්ව පවතිනවා (වෝල්ටියතාව වෙනුවට ධාරාව වුවද සැලකිය හැකියි). පහත රූපය බලන්න.
 

එහෙත් සැරින් සැරේට අගය වෙනස් වන (එනම් ස්ථාවර නොවන) විදුලියක් තිබෙන්නට පුලුවන් එකම දිශාවට ගමන් කරමින්ම. ප්‍රස්ථාරයකින් බැලූවිට එහි හැඩය කුමක් වුවත්, එය තිබෙන්නේ x අක්ෂයට උඩින් විතරක් (හෝ යටින් විතරක්) නම්, එය ඩීසී වේ. විදුලිය තවමත් එකම දිශාවට ගමන් කරන නිසා එය අනිවාර්යෙන්ම ඩීසී විදුලියකි. පහත රූපය බලන්න. මෙහි හැඩය සයිනාකාර වුවත්, හැඩයට රැවටෙන්න එපා. එය සම්පූර්ණයෙන්ම පිහිටා තිබෙන්නේ x අක්ෂයට ඉහළ කොටසේ බව පේනවා. (x අක්ෂය යනු y අක්ෂයේ 0 ස්ථානය හරහා තිරස්ව යන රේඛාවයි.)
 

එහෙත් එය “විචලනය වන විදුලියකි”. ඒ කියන්නේ ඒසී හා ඩීසී යන අවස්ථා දෙකෙහිම “විචලනය වන විදුලිය” පැවතිය හැකියි. අර්ථ දැක්වීම් දෙකෙහි වෙනස දැන් වටහාගන්න. ඒසී විදුලිය පමණක් යෑමට සලස්වන උපකරණයක් ලෙස එය සැලකූ විට, විචලනය වන ඩීසී විදුලියද ඒ අනුව ධාරිත්‍රකය හරහා ගමන් කිරීමට බැහැ කියා සිතෙනවා නේද? එහෙත් විචලනය වන විදුලියට පමණක් යෑමට අවසර දෙනවා යැයි කීවිට ඒසී හා විචලනය වන ඩීසී යන අවස්ථා දෙකම ඉන් ආවරණය වෙනවා නේද?
 
දැන් අපි බලමු කැපෑසිටර් එකක් එසේ විචලනය වන විදුලියක් පමණක් ගමන් කරවන්නේ කෙසේද කියා. ඊට පෙර සාමාන්‍යයෙන් කැපෑසිටර් එකක් සාදා තිබෙන ආකාරය බලමු. කැපෑසිටරයක් සාදාගන්නේ යම් සන්නායක තහඩු දෙකක් එකිනෙකට ස්පර්ශ නොවන නමුත් ඉතා ළඟින් තැබීමෙනි. එය හරියට පාන් පෙති දෙකක් සිහින් වීස් පෙත්තකින් වෙන් කර තිබෙනවා බඳුයි. චීස් හෝ වෙනත් දෙයක් මැදිකොට පාන් පෙති දෙකක් ඇති විට, ඊට sandwich එකක් කියා කියනවා නේද? ඇත්තටම මෙම සැන්විච් යන වචනය භාවිතා කෙරෙනවා එලෙස යම් දෙයක් මැදිකොට තවත් දේවල් දෙකක් දෙපැත්තේ තිබෙන ඕනෑම අවස්ථාවක් සඳහා.
 

ඒ අනුව, කැපෑසිටර් එකක් පවතින්නේද සැන්විච් එකක් ආකාරයෙනි. සන්නායක තහඩු (metal plate) දෙකක් මැද වාතය හෝ වෙනත් පරිවාරක “සිවියක්” තැබීමෙන් එය සෑදේ. මැද තිබෙන පරිවාරක කොටස dielectric යන නමින් හැඳින්වෙනවා.
 
  
සන්නායක තහඩු මත ඉලෙක්ට්‍රෝන තැන්පත් විය හැකියි. එක තහඩුවක් මත රැස්වෙන ඉලෙක්ට්‍රෝන අනෙක් තහඩුවට ගමන් කරන්නේ නැත්තේ එම තහඩු දෙක මැද තිබෙන ඩයිඉලෙක්ට්‍රික් එක නිසාය. මෙම විස්තරය හොඳට මතක තබා ගන්න මක්නිසාද ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස්වලදී අප නොසිතන තැන්වල ධාරිත්‍රක ඉබේම සෑදෙන අතර, ඒ හැම අවස්ථාවකදීම ඉහත රූපයෙන් පෙන්වා දී ඇති ආකාරයට ඩයිඉලෙක්ට්‍රික් එකක් මැදිකොට ඇති ඉලෙක්ට්‍රෝන එක් රැස්වන සන්නායක හමුවේ (ඒ ගැන පසුව සලකා බලමු).
 
සිතන්න දැන් ධාරිත්‍රකයක් පහත ආකාරයට බැටරියකට සම්බන්ධ කළා කියලා. එවිට බැටරියේ ඍණ අග්‍රයේ සිට අතිරික්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන වයර් එක ඔස්සේ ගලා ගොස් ධාරිත්‍රකයේ A තහඩුව මතට ක්‍රමයෙන් රැස්වේ. ඉලෙක්ට්‍රෝන යනු ආරෝපණ බැවින්, ඒ කියන්නේ A තහඩුව මත ඍණ ආරෝපණ රැස්වෙන බවයි ඉන් කියන්නේ. ඔබ දන්නවා බැටරියකින් (විදුලි ප්‍රභවයකින්) එක් අග්‍රයකින් ආරෝපණ පිට කරන්නේ එහි අනෙක් අග්‍රයට ඒ සියලු ආරෝපණ නැවත ගලා එන්නේ නම් පමණයි. ඉතිං ඉහත ලෙසට A තහඩුව මතට ඉලෙක්ට්‍රෝන රැස්වන විට, බැටරියේ අනෙක් අග්‍රයට තමන් පිට කළ ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනට සමාන ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනක් ඇද ගනී. එම ඉලෙක්ට්‍රෝන එන්නේ කොහි සිටද? එය ගලා එන්නේ ධාරිත්‍රකයේ අනෙක් තහඩුවේ සිටයි. ඊට හේතුව මෙයයි. A තහඩුව මතට ඉලෙක්ට්‍රෝන ළඟාවන විට, එම තහඩුවේ ඉලෙක්ට්‍රෝන ඝනත්වය වැඩිවේ. එවිට, එම තහඩුවේ ඍණ ගතිය වැඩි වේ. එම අධික ඍණ ගතිය මඟින් අනෙක් තහඩුව මත තිබෙන ඍණ ඉලෙක්ට්‍රෝන එම තහඩුවෙන් විකර්ෂණය වේ (ඔබ දන්නවා ආරෝපණවලදී සමජාතිය ආරෝපණ එකිනෙකට විකර්ෂණය කරන බව). එසේ ඉලෙක්ට්‍රෝන විකර්ෂණය වීම නිසා එම තහඩුව මත ඍණ ආරෝපණ අඩුවීමෙන්, එහි ධන ගතිය වැඩි වේ. ඒ කියන්නේ දැන් අනෙක් තහඩුව ධන බවට පත් වේ. ඒ කියන්නේ මෙම තහඩුවේ දැන් ධන ආරෝපණයක් පවතී. මෙසේ විකර්ෂණය වන ඉලෙක්ට්‍රෝන තමයි බැටරියේ අනෙක් අග්‍රයට ගමන් කරන්නේ. ඉතිං සම්බන්ධිත බැටරියේ තිබෙන “පවර් එක” අනුව A තහඩුව මතට හැකි උපරිම ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනක් රැස් වන අතර, ඊට සමාන ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනක් අනෙක් තහඩුවෙන් ඉවත්ව යයි. කෙටියෙන් කිවහොත්, එක් තහඩුවක -Q නම් ආරෝපණයක් පවතින විට, අනෙක් තහඩුවේ +Q ආරෝපණයක් (එනම් අගයෙන් සමාන එහෙත් ලකුණින් විරුද්ධ ආරෝපණයක්) පවතී. බැටරියේ වෝල්ට් ගණන වැඩිවන තරමට ගමන් කරන ඉලෙක්ට්‍රෝන/ආරෝපණ ගණනද වැඩිවේ.
 

මෙසේ ධාරිත්‍රකයේ තහඩු දෙක මත ඍණ හා ධන ලෙස ධ්‍රැවීකරණයක් (polarization) සිදු වේ. ධ්‍රැවීකරණය කියන්නේ එක ධ්‍රැවයක් (කොනක්/අග්‍රයක්/තහඩුවක්) ඍණ වන අතර, අනෙක් ධ්‍රැවය (pole) ධන වීමයි. මෙවිට, ධාරිත්‍රකය හරියට ගඟක් දෙපස ඇති ඉවුරු දෙකක් බඳුය. මෙවිට තවත් විද්‍යාත්මක සංසිද්ධියක් සිදු වේ. ඒ කියන්නේ කොතැනක හෝ ධන හා ඍණ ලෙස ආරෝපිත ධ්‍රැව දෙකක් එකිනෙකට ළඟින් ඇති විට, ඒ දෙක අතර විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක් (electric field) ඇති වේ. සාමාන්‍යයෙන් සම්මතයක් ලෙස, ක්ෂේත්‍රයක් හැමවිටම ඇතිවන්නේ ධන පැත්තේ සිට ඍණ පැත්තට යැයි තීරණය කර තිබෙනවා. එවිට පහත රූපයේ ආකාරයට ධාරිත්‍රකය තුළ විදුලි ක්ෂේත්‍රයක් පවතිනවා (එය විදුලියට සම්බන්ධ කර තිබෙන විට). ඉහත රූපයේ තහඩු දෙක අතර නිල්පාට ඊතලවලින් දැක්වෙන්නේ ධන සිට ඍණ දක්වා විහිදෙන එම විදුලි ක්ෂේත්‍රයයි. ධාරිත්‍රකය දෙපස පවතින වෝල්ටියාතව වැඩිවන විට, එම විදුලි ක්ෂේත්‍රයද බලගතු වේ.
 
බැටරියක් (විදුලි ශක්ත් ප්‍රභවයක්) ඉහත ආකාරයට ධාරිත්‍රකයකට සම්බන්ධ කළ විට, තහඩු දෙක අතර ධන හා ඍණ ධ්‍රැව ඇති වේ. බැටරියට ධාරිත්‍රකය සවි කළ මොහොතේම A තහඩුව මත ඉලෙක්ට්‍රෝන රැස්වීම පටන් ගනී. ආරම්භයේදී එය උපරිම කාර්යක්ෂමතාවකින්/වේගයකින් සිදු වේ. එහෙත් ටිකෙන් ටික තහඩුව මත ඉලෙක්ට්‍රෝන රැස්වන විට, වේගය ටික ටික අඩු වේ. මෙලෙස කාලයත් සමග බැටරියේ සිට A තහඩුව මතට ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කිරීම සීඝ්‍රයෙන් අඩුවේගන ගොස්, යම් කාලයකට පසුව තවදුරටත් ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කිරීම නතර වේ. A තහඩුව මත එම ක්‍රියාදාමය එසේ සිදු වෙද්දී ඊට අනුරූපව අනෙක් තහඩුවේ සිට බැටරියේ අනෙක් (ධන) අග්‍රය වෙතට ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කිරීමද එම වේගවලින්ම සිදු වේ. මෙය කැපෑසිටරය චාජ් වීමක් සේ සැලකිය හැකියි. කෙසේ හෝ, ඉලෙක්ටෝන ගමන් කිරීම නතර වෙනවා කියන්නේ විදුලියක් ගමන් නොකරනවා කියන එකයි. බැටරිය ධාරිත්‍රකයට සම්බන්ධ කළ ඉතාම සුලු මොහොතකට පමණයි ධාරාවක් ගලා යන්නේ. ඒ කියන්නේ කැපෑසිටරයට සම්බන්ධ කළ බැටරියේ වෝල්ටියතා අගය දක්වා චාජ් වීමට ගන්නා ඉතාම සුලු කාලය දක්වා පමණයි ධාරාවක් ගලන්නේ. ඉන්පසු පෙන්වාදුන් පරිදි ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කිරීම නතර වේ; ඒ කියන්නේ විදුලිය ගමන් කිරීම නතර වේ. මෙලෙස ධාරිත්‍රකය විදුලිය ගැලීම නතර වන මොහොත වන විට, ධාරිත්‍රකය දෙපස බැටරියේ වෝල්ටියතාවට සමාන වෝල්ටියතාවක් ඇති කර ගනී (පහත රූපය). ඒ කියන්නේ බැටරියේ ඍණ අග්‍රයේ -2V තිබුණේ නම්, දැන් ධාරිත්‍රකයේ A තහඩුව මතද -2V පවතී. මෙම අවස්ථාව වන විට, කැපෑසිටරය උපරිම අගයට චාජ් වී හමාරය. ඉතිං සමාන වෝල්ට් ගණනක් වයර් එකක් දෙපසම පවතී නම්, වෝල්ටියතා වෙනසක් එතැන නැති නිසා, විදුලයක් ගමන් කළ නොහැකියි කියා නැවතත් ඉහත කාරණයම (එනම්, ධාරිත්‍රකය හරහා ස්ථාවර විදුලියක් ගමන් නොකිරීම) තහවුරු වෙනවා නේද? පහත දැක්වෙන්නේ කැපෑසිටරයක් කාලයට සාපේක්ෂව සම්පූර්ණයෙන්ම චාජ් වීම පෙන්වන ප්‍රස්ථාරයකි. මෙම ප්‍රස්ථාරයෙන් පෙනෙන් චාජ් වීමේ සීඝ්‍රතාව ක්‍රමයෙන් අඩු වී අවසානයේ යම් උපරිම අගයකින් නවතින බව.
 

දැන් සිතන්න මෙම බැටරිය ගලවා ඊට වඩා වැඩි වෝල්ටියතාවක් සහිත බැටරියක් සම්බන්ධ කළා කියලා. එවිට, ධාරිත්‍රකයේ අග්‍රයේ තිබෙන වෝල්ට් ගණනට වඩා බැටරි අග්‍රයේ තිබෙන වෝල්ට් ගණන වැඩිය. ඒ කියන්නේ නැවතත් බැටරියේ සිට කැපෑසිටරය වෙතට (හරියටම කියතොත් බැටරියේ ඍණ අග්‍රයේ සිට කැපෑසිටරයේ A තහඩුවටත්, කැපෑසිටරයේ අනෙක් තහඩුවේ සිට බැටරියේ ධන අග්‍රයටත්) ඉලෙක්ට්‍රෝන ධාරාවක් ගමන් කිරීමට පටන් ගන්නවා. එලෙස ධාරිත්‍රකයේ වෝල්ට් ගණන බැටරියේ වෝල්ට් ගණනට සමාන වන තෙක් විදුලිය ගමන් කරනවා. සමාන වූවාට පසුව නැවතත් විදුලිය ගමන් කිරීම නතර වෙනවා.
 
මේ ලෙසම සිතන්න දැන් නැවත වැඩි වෝල්ට් ගණනක් තිබෙන බැටරිය ගලවා, එතැනට අඩු වෝල්ට් ගණනක් තිබෙන බැටරියක් සවි කළා කියා. එවිට බැටරයේ අග්‍රයට වඩා කැපෑසිටරයේ වෝල්ට් ගණන වැඩි නිසා, කැපෑසිටරයේ සිට බැටරිය වෙතට ධාරාවක් ගමන් කරනවා. (මෙම උදාහරණයේදී බැටරියක් ගෙන තිබෙන අතර, ඇත්තටම මෙවැන්නක් බැටරියකට සිදු වුවොත් - ඒ කියන්නේ පිටතින් බැටරියකට විදුලිය යවන විට - බැටරිය රත් වේ.) මෙහිදී ක්‍රමයෙන් කැපෑසිටරයේ A තහඩුවේ සිට ඉලෙක්ට්‍රෝන අඩු වේවි බැටරියේ ඍණ අග්‍රයට ඒවා යැවීම නිසා. එවිට, ක්‍රමයෙන් කැපෑසිටරයේ දෙපස තිබෙන වෝල්ටියතාව අඩු වේ. බැටරියේ වෝල්ට් ගණනට සමාන වෙන තෙක් කැපෑසිටරයේ වෝල්ට් ගණන අඩු වේ. මෙය කැපෑසිටරය discharge වෙනවා යැයි කියනවා. හිතමු මේ මොහොතේ කැපෑසිටරයේ A තහඩුව මත -5V ක විභවයක් තිබෙනවා කියා. දැන් බැටරියේ ඍණ අග්‍රය -1V ක් වූවා යැයි සිතන්න. එවිට, කැපෑසිටරය -5V සිට -1V දක්වා ඩිස්චාජ් වේ. බැටරිය දැන් 0V වූවා නම්, කැපෑසිටරයද 0V දක්වා ඩිස්චාජ් විය යුතුයි නේද? ඔව්. 0V සහිත බැටරියක් යනු ඇත්තටම නිකංම නිකං සන්නායකයකි (කම්බියකි). ඒ කියන්නේ ඉහත පරිපථයේ බැටරිය ගලවා එතැනත් නිකංම වයර් කැබැල්ලක් පමණක් ඇත. තවත් විදියකින් කියතොත් කැපෑසිටරයේ අග්‍ර දෙක ෂෝට් කර ඇත. චාජ් වෙච්ච කැපෑසිටරයක අග්‍ර දෙක ෂෝට් කළ විට, කැපෑසිටරය සම්පූර්ණයෙන්ම ඩිස්චාජ් වේ. ඇත්තටම චාජ් වෙච්ච කැපෑසිටරයක් ඩිස්චාජ් වන ඉතා කෙටි කාලය තුළත් විදුලි ධාරාවක් ගමන් කරයි.
 
ඉහත කිසිම අවස්ථාවක ධාරිත්‍රකය හරහා විදුලි ධාරාවක් ගමන් කළේ නැති බව මතක තබා ගන්න. එය සිදුවිය නොහැකියිනෙ. මොකද ධාරිත්‍රකයේ තහඩු දෙක මැද තිබෙන්නේ පරිවාරකයකි. ඉතිං කොහොමද පරිවාරකයක් හරහා විදුලියක් ගමන් කරන්නෙ. ඉතිං ඉහත පැහැදිලි කළ ආකාරයට ධාරිත්‍රකයක් දෙපස ස්ථාවර ඩීසී විදුලියක් ඇති විට, කිසිවිටක විදුලි ධාරාවක් ගමන් කරන්නේ නැත. සම්බන්ධ කළ ක්ෂණයෙහි නම් ඉතා කුඩා කාලයකට පමණක් (කැපෑසිටරය බැටරියේ වෝල්ටියතාව දක්වා චාජ් වන තෙක්) ධාරාවක් ගමන් කළත්, අප එය විදුලිය ගමන් කිරීමක් ලෙස සලකන්නේ නැත. එහෙත් කැපෑසිටරයේ අග්‍ර දෙක දෙපස පවතින්නේ විචලනය වන විදුලියක් නම්, ඉහත පෙන්වා දුන් පරිදි විදුලිය ඒ හරහා ගමන් කරයි. (මතකද බැටරිය වෙනස් කරන කරන හැමවිටම ඉහතදී ධාරිත්‍රකය සක්‍රිය වූවා?) කැපෑසිටර් එකක් චාජ් වීම හා ඩිස්චාජ් වීම යන සිද්ධි දෙක නිසයි මෙලෙස ධාරාවක් ධාරිත්‍රකය සහිත පරිපථයේ ගමන් කළේ. මෙවිටද, සත්‍ය ලෙසම, ධාරිත්‍රකය හරහා ධාරාවක් ගලා ගියේ නැත. සිදු වූයේ ධාරිත්‍රකයේ එක් තහඩුවක ඉලෙක්ට්‍රෝන රැස්වීම හා එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස අනෙක් තහඩුවෙන් ඉලෙක්ට්‍රෝන විකර්ෂණය වීමය. එනම්, ධාරිත්‍රකය තුළින් විදුලිය “පාස් කළේ” ධාරිත්‍රක තහඩු දෙක අතර ඇතිවුණු විදුලි ක්ෂේත්‍රය විසිනි. මෙය තරමක අමුතු තත්වයක් නේද? සත්‍ය ලෙසම ඉලෙක්ට්‍රෝන/ආරෝපණ තමන් හරහා ගලා නොගියත්, විදුලි ක්ෂේත්‍රයේ බලපෑම නිසා, පිටත සිට බලන විට ධාරිත්‍රකය හරහා ධාරාවක් ගලා යන බවක් පෙනේ (එහෙත් එය ඇස්බැන්දුමකි).
 
ප්‍රතිරෝධය මැනීමට ඕම් නම් ඒකකය යොදාගත්තා සේ, ධාරිතාව මැනීමට Farad (F) නම් ඒකකය යොදාගනී. යම් කැපෑසිටරයක ෆැරඩ් ගණන වැඩිවන විට, ඉන් අදහස් කෙරෙන්නේ වැඩිපුර ඉලෙක්ට්‍රෝන ප්‍රමාණයක් හෙවත් ආරෝපණ ප්‍රමාණයක් ගබඩා කරගත හැකි බවයි. ආරෝපණය, ධාරිතාව හා කැපෑසිටරය දෙපස පවතින වෝල්ටියතාව යන රාශි තුන අතර ලස්සන සම්බන්ධතාවක් පවතී. එය නම්,
Q = CV එනම්, (ආරෝපණය) = (ධාරිතාව)(ධාරිත්‍රකය දෙපස පවතින වෝල්ටියතාව)

ආරෝපණ (ඉලෙක්ට්‍රෝන) වැඩිපුර ගබඩා කරගත හැක්කේ ධාරිතාව වැඩිවීමෙන් පමණක් නොවේ; ඉහත සූත්‍රය අනුව පෙනනෙවා කැපෑසිටරය දෙපසට යොදන වෝල්ටියතාව වැඩිකිරීමෙන්ද වැඩිපුර ආරෝපණ ප්‍රමාණයක් ගබඩා කරගත හැකි බව. එහෙත් සෑම ධාරිත්‍රකයටම යෙදිය හැකි උපරිම වෝල්ටියතාවක් පවතී. ඊට වැඩි වෝල්ටියතාවක් දුන්විට, එය පිලිස්සී යයි. ඒ අනුව, කැපෑසිටර් එකක වැදගත් අගයන් දෙක නම්, එහි ඇති කැපෑසිටන්ස් එක හා යෙදිය හැකි උපරිම වෝල්ට් ගණනයි. සෑම කැපෑසිටරයකම එම අගයන් දෙක සටහන් කෙරේ.
 

ෆැරඩ් එකක් යනු අති විශාල අගයකි. එනිසා කැපෑසිටර්වල අගයන් දැක්වෙන්නේ මිලිෆැරඩ් (mF), මයික්‍රොෆැරඩ් (uF), නැනෝෆැරඩ් (nF), පිකෝෆැරඩ් (pF) යන කුඩා ඒකකවලිනි.
කැපෑසිටරයක් පෙර සඳහන් කළ ලෙසම, විචලනය වන විදුලියට පමණක් තමන් හරහා යෑමට සලස්වන උපාංගයක් ලෙස හංවඩු ගසනවා. එහෙත් එය තවත් ආකාරවලින්ද දැකිය හැකියි. මුලින් කැපෑසිටරයේ ක්‍රියාකාරිත්වය පැහැදිලි කිරීමට ගත් උදාහරණය නැවත සිහිපත් කරගන්න. එනම්, කැපෑසිටරයක් යම් විදුලි ශක්ති ප්‍රභවයකට (බැටරියකට) සම්බන්ධ කිරීම සලකන්න. එවිට, කැපෑසිටරය එම බැටරියේ වෝල්ටියතාව දක්වා චාජ් වෙනවා (පහත රූපය).
 

ඉන්පසු බැටරිය ගලවා දැමුවත් කැපෑසිටරය තවමත් පවතින්නේ ආරෝපිත තත්වයේය (චාජ් වෙලාය). ආරෝපිත කැපෑසිටරයක් හරියට තවත් බැටරියක් වැනිය. ඒ කියන්නේ බැටරියකට බල්බයක් හෝ වෙනත් උපකරණයක් සම්බන්ධ කර එම උපකරණය ක්‍රියාත්මක කරනවා සේම, චාජ් වෙච්ච කැපෑසිටරයකටද එලෙසම උපකරණයක් සම්බන්ධ කර එම උපාංගය ක්‍රියාත්මක කළ හැකියි (පහත රූපය).
 

බොහෝවිට මෙම බල්බය වැඩි වේලාවක් දැල්වී පවතින එකක් නැහැ. බැටරියක් “බහින තෙක්” පමණි බල්බය දල්වා තබන්නට පුලුවන්. කැපෑසිටරයද බසින තෙක් බල්බය දල්වා තැබිය හැකියි. කැපෑසිටරය එසේ ඩිස්චාජ් වූවාට පසුව, නැවතත් ඊට බැටරියක් සම්බන්ධ කර චාජ් කළ හැකියි. ඒ කියන්නේ කැපෑසිටරය හරියට නැවත නැවත චාජ් කළ හැකි බැටරියක් (rechargeable battery) වගේ නේද? ඇත්තටම කැපෑසිටරයේ මෙම විදුලි ශක්තිය ගබඩා කර තබාගැනීමේ හැකියාව අප නිතර ප්‍රයෝජනයට ගන්නවා (විශේෂයෙන් විදුලි ඍජුකාරක පරිපථවල විදුලිය සුමට කිරීමට හා පරිපථවලදී සමහර උපාංගවලින් සිදුවන පරිපථයේ විදුලි සැපයීමට කරන විදුලි උච්චාවචනයන් වැලක්වීමට). මේ ගැන වැඩි විස්තර පසුවට දැක්වේ.
 
කැපෑසිටරයක් විදුලි ශක්තිය ගබඩා කළ හැකි උපාංගයකි.”
 
කැපෑසිටරයක ගබඩා කරගත හැකි විදුලි ශක්තිය ගණනය කළ හැකියි. කැපෑසිටරය තුළ මෙම විදුලි ශක්තිය ගබඩා කර ගන්නේ එහි තුළ පවත්වාගන්නා විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය තුළය. එලෙස ගබඩා කර ගන්නා විදුලිය ශක්තිය (ජූල් වලින්) පහත සූත්‍රයෙන් ගණනය කළ හැකියි.
 
W = ½ CV2 (ගබඩා කරන විදුලි ශක්තිය) = ½ (ධාරිතාව)(වෝල්ටියතාව)2
 
මෙම සූත්‍රයට, ඉහත Q=CV යන සූත්‍රය ආදේශ කිරීමෙන් පහත ආකාරයටද ලිවිය හැකියි.
 
W = ½ CV2 = ½ Q2/C
 
උදාහරණයක් ලෙස, ධාරිතාව මයික්‍රොෆැරඩ් 1ක්ද වෝල්ටියතාව වෝල්ට් 10ද වන ධාරිත්‍රකයක ගබඩා වන ශක්තිය කොපමණද?
 
W = ½ CV2 = ½ (0.000001)(102) ජූල් = 0.00005 J වේ.
 
එනම් මයික්‍රොජූල් 50කි. ඔව්, මෙය ඉතා කුඩා ශක්ති ප්‍රමාණයක් තමයි. එහෙත් මෙහි විශේෂත්වයක් ඇත. සාමාන්‍යයෙන් බැටරියකින් (ලොකු හෝ කුඩා හෝ) යම් විදුලි ශක්ති ප්‍රමාණයක් පිටතට දිය හැකි උපරිම වේගයක් ඇත. උදාහරණයක් ලෙස, බැටරියෙන් එක් මයික්‍රොතත්පරයක් (එනම් තත්පරයෙන් මිලියනයෙන් පංගුවක්) තුළ පිට කළ හැකි ශක්ති ප්‍රමාණය මයික්‍රොජූල් 10 ක් යැයි සිතමු (ඒ කියන්නේ මයික්‍රොතත්පරයට මයික්‍රොජූල් 10 තමයි මෙම බැටරියේ උපරිම ශක්තිය පිට කිරීමේ සීඝ්‍රතාව). සාමාන්‍යයෙන් අප විමසිලිමත් වන්නේ එක් තත්පරයකදී පිටකළ හැකි ශක්ති ප්‍රමාණය හෙවත් ක්ෂමතාව ගැනයි. ඉහත උදාහරණයට ගත් බැටරියේ තත්පරයට කොතරම් ශක්තියක් පිට කළ හැකිද? එය ගණනය කිරීම ඉතාම පහසුයි.
 
එක් මයික්‍රොතත්පරයකදී මයික්‍රොජූල් 10 හෙවත් ජූල් 0.00001 කි.
එවිට, එක් තත්පරයදී පිට කරන ශක්ති ප්‍රමාණය වන්නේ (ජූල් 0.00001)/(තත්පර 0.000001) = තත්පරයට ජූල් 10 හෙවත් වොට් 10කි.
 
ඒ කියන්නේ එම බැටරියේ ක්ෂමතාව වොට් දහකි. ඇත්තටම සාමාන්‍ය (AA) බැටරියකින් වොට් 10ක් ලබාගත නොහැකියි; ලබාගත හැක්කේ ඊට වඩා බොහෝ අඩු ප්‍රමාණයකි. ධාරිත්‍රකයක් මෙතැනදී අතිවිශේෂ වේ. ධාරිත්‍රකයකට හැකියි ඉතා කුඩා කාලයක් තුළ එහි සම්පූර්ණ ශක්තිය පිට කිරීමට. ඉහත ධාරිත්‍රක උදාහරණයම සලකමු. එහිදී ධාරිත්‍රකයේ ගබඩා කරන ශක්තිය මයික්‍රොජූල් 50කි. එම මුලු ශක්තිය නැනෝතත්පර 100කදී පිට කළ හැකි යැයි සිතමු. ඒ අනුව, එය තත්පරයට කොතරම්ද කියා සොයා බලමු.
 
නැනෝතත්පර 100කදී මයික්‍රොජූල් 50 හෙවත් ජූල් 0.00005 කි.
එවිට, එක් තත්පරයකදී පිට කරන ශක්ති ප්‍රමාණය = (0.00005)/(0.0000001) = 500 වොට්.

වොට් 500 කියන්නේ තත්පරයට ජූල් 500ක් පිට කරනවා කියාය. එය විශාල අගයක් නේද? ඉතිං තත්පරයකට ජූල් 500 කියන එක, තත්පරයෙන් කෝටියෙන් පංගුවක් ගත් විට, මයික්‍රොජූල් 50කි. ඒ කියන්නේ මයික්‍රොජූල් 50න් විශාල ප්‍රයෝජනයක් ගත හැකියි නේද එය අච්චර කුඩා කාලයකදී පිට කරනවා නම්? ඔව්. කැපෑසිටරයක් විදුලි ශක්ති ගබඩාවක් ලෙස ප්‍රයෝජනයට ගන්නේ එම ආකාරයටයි. ඔබ නිතර භාවිතා කරන ස්ටිල් ෆොටෝ කැමරාවල ෆ්ලෑෂ් ලයිට් එක ක්‍රියාත්මක කිරීමටත් මෙම ක්‍රමය භාවිතා වෙනවා. එනම්, බැටරියකින් තත්පර කිහිපක් වැය කොට කැපෑසිටරයක් චාජ් කර, එම ගබඩා කරගත් ශක්තිය ඉතා ක්ෂණයකින් ෆ්ලෑෂ් එකට ලබා දෙනවා (බැටරියට එතරම් වේගයෙන් ශක්තිය ලබා දිය නොහැකි නිසයි කැපෑසිටරයක් මෙහිදී යොදන්නේ). ෆ්ලෑෂ් එකක් ක්‍රියාත්මක වන්නේ ඉතාම කුඩා කාල සීමාවක් සඳහා පමණයි. මේ නිසා තමයි, සාමාන්‍යයෙන් කැමරාවකින් එක් ෆොටෝ එකක් ගෙන, ඊළඟ ෆොටෝ එක ගැනීමට පෙර ටික වේලාවක් බලාගෙන සිටීමට සිදුවන්නේ (කැප් එක චාජ්වන තුරු).
 
සටහන
මා කැමතියි මෙම අවස්ථාවේ නිතරම විද්‍යාව පර්යේෂණාගාරවල සිදු කරන ක්‍රියාවක් පැහැදිලි කිරීමට. සමහර පර්යේෂණ සඳහා අති දැවැන්ත විදුලි ශක්තියක් අවශ්‍ය කරනවා. ඒ කියන්නේ විශාල නගරයකටම සපයන විදුලිය තරම් විදුලියක් අවශ්‍ය කරනවා යම් යම් පර්යේෂණ සඳහා. එක අතකින්, එම පර්යේෂණය ඉතා වියදම් සහගත වෙනවා නේද එවැනි විදුලියක් භාවිතා කිරීමෙන්ම? ඒ විතරක්ද නොවේ, එවැනි විශාල විදුලියක් පහසුවෙන් ලබා ගැනීමට නොහැකියි (නගරයේ විදුලිය විසන්ධි කර, පර්යේෂණාගාරයට එය ලබාදිය නොහැකියිනේ). මෙවැනි අවස්ථාවල විද්‍යාඥයින් කරන ලස්සන වැඩක් තිබෙනවා. එය අප ඉහත කැපෑසිටර් යොදාගෙන කරපු දේමයි. උදාහරණයක් ලෙස මෙහෙම සිතමු. යම් පර්යේෂණයක් කිරීමට මෙගාවොට් 100ක් (100MW) අවශ්‍ය කරනවා යැයි සිතමු. ඒ කියන්නේ එක තත්පරයක් සඳහා මෙගාජූල් 100කි. පැයක් සඳහා එය 100 x 60 x 60 Mj හෙවත් ගිගාජූල් 360ක්. එහෙත් ඔවුන් සිදු කරන්නේ මෙයයි. පැයක් හෝ විනාඩියක් හෝ තත්පරයක් හෝ නොගෙන, ඊට වඩා ඉතා කුඩා මිලිතත්පරයක් හෝ මයික්‍රොතත්පරයක් වැනි කාලයක් තුළ එම පර්යේෂණය සිදු කරනවා. එවිට, ඉහත උදාහරණයට ගත් පර්යේෂණය මයික්‍රොතත්පර 10ක් තුළ සිදු කරනවා නම්, ඊට අවශ්‍ය වන්නේ ජූල් 1000ක් පමණි (100,000,000 x 0.00001). ඔබ දන්නවා ජූල් 1000ක් ඔබ වතුර උණු කරන කේතලයත් වැය කරනවා එක තත්පරයක් තුළ. මෙවිට ඔවුන් අතිවේගවත් කැමරා යොදාගන්නවා එම පර්යේෂණය රෙකෝඩ් කිරීමට. එක තත්පරයට රූප (frames) කෝටි 100කට වඩා රෙකෝඩ් කිරීමේ හැකියාව ඇති කැමරා නිපදවා තිබෙනවා.
 
කැපෑසිටර් එකක් ඉතා ක්ෂණයකින් ඩිස්චාජ් කළ හැකි බව ඉහත පැහැදිලි කළා. අවශ්‍ය නම්, එම ඉතා කෙටි කාලය වුවද පහසුවෙන් ගණනය කළ හැකියි. මේ ගැන විස්තරාත්මකව පසුවට පැහැදිලි කෙරේ. එහෙත් මෙම අවස්ථාවේ ඒ ගැන ඉතා සැකෙවින් කියන්නම්. සාමාන්‍යයෙන් ධාරිත්‍රකයක් විදුලියට සම්බන්ධ කරන්නේ වයර් මඟිනි. ඒ හැරත්, ධාරිත්‍රකයේ අග්‍ර යනුද කම්බි කැබැලිය. සාමාන්‍යයෙන් මෙවැනි වයර් හා කම්බි කොටස්වල ප්‍රතිරෝධය ශූන්‍ය යැයි උපකල්පනය කෙරෙනවා. එහෙත් සැබෑ ලෙසම ඒවායේ මිලිඕම් (හෝ ඊටත් අඩු ඕම්) ගණනක හෝ ප්‍රතිරෝධකතාවක් තිබෙනවා. මෙම කුඩා ප්‍රතිරෝධකතාව ගණනය කිරීමේ හා විශ්ලේෂණය කිරීමේ පහසුව පිණිස, එම ප්‍රතිරෝධකතාවන් සියල්ල කැටිකොට වෙනමම එක් ප්‍රතිරෝධකයක් ලෙස දැක්විය හැකියි. එම ප්‍රතිරෝධකය දැන් පවතින්නේ ධාරිත්‍රකය හා ශ්‍රේණිගතව සම්බන්ධ වෙලා. ඒ කියන්නේ ධාරිත්‍රකය හරහා යන ධාරාව යනු එම ප්‍රතිරෝධකය හරහා යන ධාරාවමයි. (ඉතිං එය සත්‍යයක්නෙ; මෙම ප්‍රතිරෝධකය ඇත්තෙන්ම නියෝජනය කරන්නේ එම ධාරිත්‍රකයේ කම්බි අග්‍රවල හා එය කනෙක්ට් කර ඇති වයර්වල ප්‍රතිරෝධකතාය; ධාරිත්‍රකයට ධාරාව ගලා එන්නේ ඒවා හරහානෙ.) මෙම ප්‍රතිරෝධයේ ඕම් අගය ධාරිත්‍රකයේ ෆැරඩ් අගයෙන් ගුණ කළ විට ලැබෙන අගය මෙන් පස් ගුණයක් (හෝ අවශ්‍ය නම් හතර ගුණයක් ලෙස වුවද මෙය ගත හැකියි) යනු මෙම කැපෑසිටරය ඩිස්චාජ් වීමට ගතවන කාලයයි. උදාහරණයක් ලෙස, කැප් එකේ ධාරිතාව මිලිෆැරඩ් එකක් හා අර කියපු ප්‍රතිරෝධකයේ අගය මිලිඕම් 0.1ක් නම්, ධාරිත්‍රකය ඩිස්චාජ් වීමට ගත වන කාලය වන්නේ, (0.001)(0.0001)(5) = තත්පර 0.0000005 හෙවත් නැනෝතත්පර 500කි.
 
සටහන
පරිපූර්ණ ධාරිත්‍රකයක (ideal capacitor) තිබිය යුත්තේ ධාරිතාව පමණකි. ඒ කියන්නේ ධාරිතාවට අමතරව ප්‍රතිරෝධකතා හෝ ප්‍රේරණතා ආදිය එහි තිබිය නොහැකියි. එහෙත් ලෝකයේ අනෙක් සෑම දේකදී මෙන්ම මෙහිදීද පරිපූර්ණ/සර්වසම්පූර්ණ ධාරිත්‍රක නැත. ධාරිත්‍රකයක් සාදා එය භාහිර පරිපථ සමග සම්බන්ධ කිරීමට ලෝහමය පින් තිබිය යුතුය. එවිට එම පින්වල තිබෙන ඉතා කුඩා ප්‍රතිරෝධකතාව දැන් ධාරිත්‍රකයට හිමි වේ. එය කිසිසේත් වැලැක්විය නොහැකිය. පින්වල ප්‍රතිරෝධයට අමතරව වෙනත් ආකාරවලින්ද ධාරිත්‍රකවලට ප්‍රතිරෝධකතාවන් ලැබේ. ඉතිං මෙවැනි අවස්ථාවක් රෙසිස්ටර් ගැන පැහැදිලි කරනවිටත් හමු වූවා මතකද? ප්‍රතිරෝධකවල ස්ට්‍රේ කැපෑසිටන්ස් හා ස්ට්‍රේ ඉන්ඩක්ටන්ස් ගැන කතා කළා මතකද? ධාරිත්‍රක ගැන කතා කිරීමේදී ස්ට්‍රේ රෙසිස්ටන්ස් හා ස්ට්‍රේ ඉන්ඩක්ටන්ස් හමු වෙනවා. මෙම “අයාලේ යන” (stray) රාශින් ගැන පසුවට සවිස්තරාත්මකව සලකා බැලේ. ඉහතදී ධාරිත්‍රකය ඩිස්චාජ්වන කාලය මැනීමේදී අපට හමුවූයේ මෙවැනි ස්ට්‍රේ රෙසිස්ටන්ස් එකකි.

ධාරිත්‍රකයක ආරෝපණ ගබඩා කර තබා ගත හැකි නිසා, ඒවා සමග වැඩකරන විට පරිස්සම් විය යුතුය. ඉතා කුඩා උපාංගයක් ලෙස පෙනුනත් ඉන් විශාල අනතුරු සිදුවිය හැකියි. චාජ් වෙච්ච ධාරිත්‍රකයක අග්‍ර දෙක ස්පර්ශ කළ විට (ඒ කියන්නේ ඔබේ ශරීරයෙන් එය ඩිස්චාජ් කරනවිට) එහි ඇති ආරෝපණ ඔබේ අත/ඇඟිලි හරහා ක්ෂණයකින් ගමන් කරයි. බැලූබැල්මට එහි බරපතලකමක් නොපෙනේ මක්නිසාද ධාරිත්‍රකයක ඇත්තේ කුඩා ආරෝපණ ප්‍රමාණයක් නිසා. එහෙත් මතකද ඉහතදී පෙන්වා දුන්නා එම ආරෝපණ ප්‍රමාණය ක්ෂණයකින් ගමන් කරන බව? ඉහත පර්යේෂණාගාරවල කරපු උපක්‍රමයද මතක් කර ගන්න. එහිදී පෙන්වා දුන්නේ ඉතා කුඩා කාලයකදී ගමන් කරන කුඩා විදුලි ධාරාවක් වුවද ඉතා බලගතු බවයි. එනිසා සමහරවිට කුඩාවට පෙනෙන ධාරිත්‍රකයෙන් ඔබට වදින විදුලි ප්‍රමාණය ප්‍රධාන විදුලිය තරම්ම ප්‍රබල විය හැකියි. එකම වෙනස කාලය ඉතා කුඩාවීමයි (එනිසා එය විදුලි කම්පනයක්/ෂොක් එකක් ලෙස හැඳින්විය හැකියි). කැපෑසිටර් එකකින් සිදුවිය හැකි විදුලි කම්පනය මුහුණ/හිස, පපු ප්‍රදේශයට සිදු වුවොත් තත්වය අතිභයානක විය හැකියි. එනිසා පුරුද්දක් වශයෙන් කැපෑසිටරයක අග්‍ර දෙක එකිනෙකට ස්පර්ශ කිරීමෙන් ඒවා පළමුව ඩිස්චාජ් කරන්න, ඒවා ඇල්ලීමට පෙර. එය පහසුවෙන්ම කළ හැකියි ඉස්කුරුප්පු නියනකින් එම අග්‍ර දෙක එකිනෙකට ස්පර්ශ කිරීමෙන්.

ධාරිත්‍රක දෙකක් (හෝ කිහිපයක්) එකිනෙකට සම්බන්ධ කළ හැකි ආකාර දෙකක් තිබෙන බව ඔබ දැන් දැන සිටිය යුතුයි (මොකද ප්‍රතිරෝධක ගැන කතා කරන විට මා පැවසුවා ඕනෑම උපාංග දෙකක් සම්බන්ධ කළ හැකි ආකාර පවතින්නේ දෙකක් පමණක් බව). එනම්, ශ්‍රේණිගත හා සමාන්තරගත ලෙස.


ඉලෙක්ට්‍රෝනික්ස් (electronics) ...

No comments:

Post a Comment