Električni kapacitet je jedan od osnovnih pojmova elektrostatike. Ovaj izraz se odnosi na sposobnost akumulacije električnog naboja. Možete govoriti o kapacitetu zasebnog vodiča, možete govoriti o kapacitetu sustava od dva ili više vodiča. Fizički procesi su slični.
Sadržaj
Osnovni pojmovi vezani uz električni kapacitet
Ako je vodič primio naboj q, na njemu nastaje potencijal φ. Taj potencijal ovisi o geometriji i okruženju – za različite vodiče i uvjete, isti naboj će uzrokovati različit potencijal. Ali φ je uvijek proporcionalan q:
φ=Cq
Koeficijent C naziva se električni kapacitet.Ako govorimo o sustavu od nekoliko vodiča (obično dva), tada kada se naboj prenese na jedan vodič (ploču), dolazi do razlike potencijala ili napona U:
U=Cq, dakle S=U/q
Kapacitet se može definirati kao omjer razlike potencijala i naboja koji ju je uzrokovao. SI jedinica za kapacitet je farad (znali su farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Drugim riječima, sustav ima kapacitet od 1 farad, u kojem, kada se prenese naboj od 1 kulona, nastaje razlika potencijala od 1 volta. 1 Farad je vrlo velika vrijednost. U praksi se najčešće koriste frakcijske vrijednosti - pikofarad, nanofarad, mikrofarad.
U praksi, takva veza omogućuje dobivanje baterije koja može izdržati veći probojni napon dielektrika od one jedne ćelije.
Proračun kapaciteta kondenzatora
U praksi se najčešće koriste kao elementi s normaliziranim električnim kapacitetom kondenzatori, koji se sastoji od dva ravna vodiča (ploče), odvojenih dielektrikom. Formula za izračun električne kapacitivnosti takvog kondenzatora izgleda ovako:
C=(S/d)*ε*ε0
gdje:
- C - kapacitet, F;
- S je površina obloga, m2;
- d je udaljenost između ploča, m;
- ε0 - električna konstanta, konstanta, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε je električna permitivnost dielektrika, bezdimenzionalna veličina.
Iz ovoga je lako razumjeti da je kapacitet izravno proporcionalan površini ploča i obrnuto proporcionalan udaljenosti između vodiča. Također, na kapacitet utječe i materijal koji odvaja ploče.
Da biste razumjeli kako količine koje određuju kapacitivnost utječu na sposobnost kondenzatora da pohrani naboj, možete napraviti misaoni eksperiment kako biste stvorili kondenzator s najvećim mogućim kapacitetom.
- Možete pokušati povećati površinu ploča. To će dovesti do oštrog povećanja dimenzija i težine uređaja. Kako bi se smanjila veličina obloge s dielektrikom koji ih razdvaja, oni se motaju (u cijev, ravni briket itd.).
- Drugi način je smanjenje udaljenosti između ploča. Nije uvijek moguće postaviti vodiče vrlo blizu, budući da dielektrični sloj mora izdržati određenu potencijalnu razliku između ploča. Što je manja debljina, to je niža dielektrična čvrstoća izolacijskog razmaka. Ako krenete ovim putem, doći će vrijeme kada će praktična upotreba takvog kondenzatora postati besmislena - može raditi samo pri iznimno niskim naponima.
- Povećanje električne propusnosti dielektrika. Taj put ovisi o razvoju proizvodnih tehnologija koje postoje u ovom trenutku. Izolacijski materijal mora imati ne samo visoku vrijednost propusnosti, već i dobra dielektrična svojstva, te također održavati svoje parametre u potrebnom frekvencijskom rasponu (s povećanjem frekvencije na kojoj kondenzator radi, karakteristike dielektrika se smanjuju).
Neke specijalizirane ili istraživačke instalacije mogu koristiti sferne ili cilindrične kondenzatore.
Kapacitet sfernog kondenzatora može se izračunati po formuli
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
gdje su R polumjeri kugli, a π=3,14.
Za cilindrični kondenzator, kapacitet se izračunava na sljedeći način:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l je visina cilindara, a R1 i R2 su njihovi polumjeri.
U osnovi, obje se formule ne razlikuju od formule za ravni kondenzator. Kapacitet je uvijek određen linearnim dimenzijama ploča, razmakom između njih i svojstvima dielektrika.
Serijsko i paralelno spajanje kondenzatora
Kondenzatori se mogu spojiti serijski ili paralelno, dobivanje skupa s novim karakteristikama.
Paralelna veza
Ako kondenzatore spojite paralelno, ukupni kapacitet rezultirajuće baterije jednak je zbroju svih kapaciteta njegovih komponenti. Ako se baterija sastoji od kondenzatora istog dizajna, to se može smatrati dodavanjem površine kugličnih ploča. U tom će slučaju napon na svakoj ćeliji baterije biti isti, a naboji će se zbrajati. Za tri paralelno spojena kondenzatora:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
serijska veza
Kada su spojeni u seriju, naboji svake kapacitivnosti bit će isti:
q1=q2=q3=q
Ukupni napon je raspoređen proporcionalno kapaciteti kondenzatora:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Ako su svi kondenzatori isti, tada na svakom pada jednak napon. Ukupni kapacitet nalazi se kao:
S=q/( U1+U2+U3), dakle 1/S=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Korištenje kondenzatora u tehnici
Logično je koristiti kondenzatore kao uređaje za pohranu električne energije. U tom svojstvu ne mogu se natjecati s elektrokemijskim izvorima (galvanske baterije, kondenzatori) zbog male pohranjene energije i prilično brzog samopražnjenja zbog curenja naboja kroz dielektrik.Ali njihova sposobnost da dugo akumuliraju energiju, a zatim je gotovo odmah daju je naširoko korištena. Ovo svojstvo se koristi u bljeskalicama za fotografiranje ili svjetiljkama za pobuđivanje lasera.
Kondenzatori se široko koriste u radiotehnici i elektronici. Kapacitivnosti se koriste kao dio rezonantnih krugova kao jedan od elemenata za podešavanje frekvencije krugova (drugi element je induktivnost). Također koristi sposobnost kondenzatora da ne propuštaju istosmjernu struju bez odgađanja varijabilne komponente. Takva je primjena uobičajena za odvajanje stupnja za pojačanje kako bi se isključio utjecaj jednosmjernih modova jednog stupnja na drugi. Veliki kondenzatori se koriste kao filteri za izravnavanje u izvorima napajanja. Postoji i ogroman broj drugih primjena kondenzatora gdje su njihova svojstva korisna.
Neki praktični dizajni kondenzatora
U praksi se koriste različite izvedbe ravnih kondenzatora. Dizajn uređaja određuje njegove karakteristike i opseg.
varijabilni kondenzator
Uobičajeni tip varijabilnog kondenzatora (VPC) sastoji se od bloka pomičnih i fiksnih ploča odvojenih zrakom ili čvrstim izolatorom. Pomične ploče rotiraju oko osi, povećavajući ili smanjujući područje preklapanja. Kada se pokretni blok ukloni, međuelektrodni razmak ostaje nepromijenjen, ali se također povećava prosječna udaljenost između ploča. Dielektrična konstanta izolatora također ostaje nepromijenjena. Kapacitet se regulira promjenom površine ploča i prosječne udaljenosti između njih.
oksidni kondenzator
Prije se takav kondenzator nazivao elektrolitički. Sastoji se od dvije trake folije razdvojene papirnatim dielektrikom impregniranim elektrolitom. Prva traka služi kao jedna ploča, druga ploča služi kao elektrolit. Dielektrik je tanak sloj oksida na jednoj od metalnih traka, a druga traka služi kao kolektor struje.
Zbog činjenice da je oksidni sloj vrlo tanak, a elektrolit usko vezan uz njega, postalo je moguće dobiti dovoljno velike kapacitete umjerenih veličina. Cijena za to bila je nizak radni napon - oksidni sloj nema visoku električnu čvrstoću. S povećanjem radnog napona potrebno je značajno povećati dimenzije kondenzatora.
Drugi problem je što oksid ima jednostranu vodljivost, pa se takvi spremnici koriste samo u istosmjernim krugovima s polaritetom.
Ionistor
Kao što je gore prikazano, tradicionalne metode povećanja Kondenzatori imaju prirodna ograničenja. Stoga je pravi proboj bio stvaranje ionistora.
Iako se ovaj uređaj smatra srednjom karikom između kondenzatora i baterije, u biti je ipak kondenzator.
Razmak između ploča drastično je smanjen zahvaljujući korištenju dvostrukog električnog sloja. Ploče su slojevi iona suprotnih naboja. Postalo je moguće naglo povećati površinu ploča zbog pjenastih poroznih materijala. Kao rezultat, moguće je dobiti superkondenzatore kapaciteta do stotine farada.Kongenitalna bolest takvih uređaja je nizak radni napon (obično unutar 10 volti).
Razvoj tehnologije ne miruje - svjetiljke iz mnogih područja zamjenjuju bipolarni tranzistori, a oni su zauzvrat zamijenjeni unipolarnim triodama. Prilikom projektiranja sklopova pokušavaju se riješiti induktiviteta gdje god je to moguće. I kondenzatori nisu izgubili svoje pozicije već drugo stoljeće, njihov dizajn se nije bitno promijenio od izuma Leydenske posude i nema izgleda za završetak karijere.
Slični članci:
