Elektrická kapacita je jedným zo základných pojmov elektrostatiky. Tento termín označuje schopnosť akumulovať elektrický náboj. Môžete hovoriť o kapacite samostatného vodiča, môžete hovoriť o kapacite systému dvoch alebo viacerých vodičov. Fyzikálne procesy sú podobné.
Obsah
Základné pojmy týkajúce sa elektrickej kapacity
Ak vodič dostal náboj q, vzniká na ňom potenciál φ. Tento potenciál závisí od geometrie a prostredia – pre rôzne vodiče a podmienky rovnaký náboj spôsobí rozdielny potenciál. Ale φ je vždy úmerné q:
φ=Cq
Koeficient C sa nazýva elektrická kapacita.Ak hovoríme o systéme niekoľkých vodičov (zvyčajne dvoch), potom keď sa na jeden vodič (doska) dostane náboj, vznikne potenciálny rozdiel alebo napätie U:
U=Cq, teda С=U/q
Kapacita môže byť definovaná ako pomer rozdielu potenciálu k náboju, ktorý ho spôsobil. Jednotkou SI pre kapacitu je farad (hovorili farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Inými slovami, systém má kapacitu 1 farad, v ktorom pri odovzdaní náboja 1 coulombu vzniká potenciálny rozdiel 1 volt. 1 Farad je veľmi veľká hodnota. V praxi sa najčastejšie používajú zlomkové hodnoty - pikofarad, nanofarad, mikrofarad.
V praxi takéto spojenie umožňuje získať batériu, ktorá odolá väčšiemu prieraznému napätiu dielektrika ako jednočlánkové.
Výpočet kapacity kondenzátorov
V praxi sa najčastejšie používajú ako prvky s normalizovanou elektrickou kapacitou kondenzátory, pozostávajúci z dvoch plochých vodičov (dosiek), oddelených dielektrikom. Vzorec na výpočet elektrickej kapacity takéhoto kondenzátora vyzerá takto:
C=(S/d)*e*e0
kde:
- C - kapacita, F;
- S je plocha obkladov, m2;
- d je vzdialenosť medzi doskami, m;
- ε0 - elektrická konštanta, konštanta, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε je elektrická permitivita dielektrika, bezrozmerná veličina.
Z toho je ľahké pochopiť, že kapacita je priamo úmerná ploche dosiek a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi vodičmi. Kapacita je tiež ovplyvnená materiálom, ktorý oddeľuje dosky.
Aby ste pochopili, ako množstvá, ktoré určujú kapacitu, ovplyvňujú schopnosť kondenzátora ukladať náboj, môžete urobiť myšlienkový experiment na vytvorenie kondenzátora s najväčšou možnou kapacitou.
- Môžete sa pokúsiť zväčšiť plochu dosiek. To povedie k prudkému nárastu rozmerov a hmotnosti zariadenia. Aby sa zmenšila veľkosť obloženia s dielektrikom, ktoré ich oddeľuje, sú zvinuté (do rúrky, plochej brikety atď.).
- Ďalším spôsobom je zmenšiť vzdialenosť medzi doskami. Nie je vždy možné umiestniť vodiče veľmi blízko, pretože dielektrická vrstva musí vydržať určitý potenciálny rozdiel medzi doskami. Čím menšia je hrúbka, tým nižšia je dielektrická pevnosť izolačnej medzery. Ak sa vydáte touto cestou, príde čas, keď praktické využitie takéhoto kondenzátora stratí zmysel – fungovať môže len pri extrémne nízkych napätiach.
- Zvýšenie elektrickej priepustnosti dielektrika. Táto cesta závisí od vývoja výrobných technológií, ktoré v súčasnosti existujú. Izolačný materiál musí mať nielen vysokú hodnotu priepustnosti, ale aj dobré dielektrické vlastnosti, a tiež udržiavať svoje parametre v požadovanom frekvenčnom rozsahu (so zvyšovaním frekvencie, na ktorej kondenzátor pracuje, klesá charakteristika dielektrika).
Niektoré špecializované alebo výskumné inštalácie môžu používať guľové alebo valcové kondenzátory.
Kapacita guľového kondenzátora sa dá vypočítať podľa vzorca
C = 4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kde R sú polomery gúľ a π=3,14.
Pre valcový kondenzátor sa kapacita vypočíta takto:
C = 2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l je výška valcov a R1 a R2 sú ich polomery.
V zásade sa oba vzorce nelíšia od vzorca pre plochý kondenzátor. Kapacita je vždy určená lineárnymi rozmermi dosiek, vzdialenosťou medzi nimi a vlastnosťami dielektrika.
Sériové a paralelné zapojenie kondenzátorov
Je možné pripojiť kondenzátory sériovo alebo paralelne, čím sa získa súbor s novými vlastnosťami.
Paralelné pripojenie
Ak zapojíte kondenzátory paralelne, potom sa celková kapacita výslednej batérie rovná súčtu všetkých kapacít jej komponentov. Ak sa batéria skladá z kondenzátorov rovnakého dizajnu, možno to považovať za pridanie plochy dosiek. V tomto prípade bude napätie na každom článku batérie rovnaké a poplatky sa sčítajú. Pre tri paralelne zapojené kondenzátory:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
sériové pripojenie
Pri sériovom zapojení budú náboje každej kapacity rovnaké:
q1=q2=q3=q
Celkové napätie je rozdelené proporcionálne kapacity kondenzátorov:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Ak sú všetky kondenzátory rovnaké, potom na každom z nich klesne rovnaké napätie. Celková kapacita sa zistí takto:
С=q/( U1+U2+U3), teda 1/С=( U1+U2+U3)/q = 1/C1+1/S2+1/S3.
Použitie kondenzátorov v technike
Je logické používať kondenzátory ako zariadenia na ukladanie elektrickej energie. V tejto kapacite nemôžu konkurovať elektrochemickým zdrojom (galvanické batérie, kondenzátory) pre malú uloženú energiu a pomerne rýchle samovybíjanie v dôsledku úniku náboja cez dielektrikum.Ale ich schopnosť akumulovať energiu po dlhú dobu a potom ju takmer okamžite rozdávať je široko používaná. Táto vlastnosť sa využíva v bleskových lampách na fotografovanie alebo lampách na budenie laserov.
Kondenzátory sú široko používané v rádiotechnike a elektronike. Kapacity sa používajú ako súčasť rezonančných obvodov ako jeden z frekvenčne nastavujúcich prvkov obvodov (druhým prvkom je indukčnosť). Využíva tiež schopnosť kondenzátorov neprechádzať jednosmerným prúdom bez oneskorenia premennej zložky. Takáto aplikácia je bežná pre oddelenie zosilňovacích stupňov, aby sa vylúčil vplyv jednosmerných režimov jedného stupňa na druhý. Veľké kondenzátory sa používajú ako vyhladzovacie filtre v napájacích zdrojoch. Existuje tiež obrovské množstvo iných aplikácií kondenzátorov, kde sú ich vlastnosti užitočné.
Niektoré praktické návrhy kondenzátorov
V praxi sa používajú rôzne konštrukcie plochých kondenzátorov. Konštrukcia zariadenia určuje jeho vlastnosti a rozsah.
variabilný kondenzátor
Bežný typ variabilného kondenzátora (VPC) pozostáva z bloku pohyblivých a pevných dosiek oddelených vzduchom alebo pevným izolátorom. Pohyblivé dosky sa otáčajú okolo osi, čím zväčšujú alebo zmenšujú oblasť prekrytia. Keď je pohyblivý blok odstránený, medzielektródová medzera zostáva nezmenená, ale priemerná vzdialenosť medzi doskami sa tiež zvyšuje. Dielektrická konštanta izolátora tiež zostáva nezmenená. Kapacita sa reguluje zmenou plochy dosiek a priemernej vzdialenosti medzi nimi.
oxidový kondenzátor
Predtým sa takýto kondenzátor nazýval elektrolytický. Pozostáva z dvoch pásov fólie oddelených papierovým dielektrikom napusteným elektrolytom. Prvý pásik slúži ako jedna platňa, druhá platňa slúži ako elektrolyt. Dielektrikum je tenká vrstva oxidu na jednom z kovových pásikov a druhý pásik slúži ako zberač prúdu.
Vzhľadom na skutočnosť, že vrstva oxidu je veľmi tenká a elektrolyt k nej tesne prilieha, bolo možné získať dostatočne veľké kapacity s miernymi veľkosťami. Cenou za to bolo nízke prevádzkové napätie - vrstva oxidu nemá vysokú elektrickú pevnosť. So zvýšením prevádzkového napätia je potrebné výrazne zväčšiť rozmery kondenzátora.
Ďalším problémom je, že oxid má jednostrannú vodivosť, takže takéto nádoby sa používajú iba v obvodoch DC s polaritou.
Ionistor
Ako je uvedené vyššie, tradičné metódy zvyšovania Kondenzátory majú prirodzené obmedzenia. Preto skutočným prelomom bolo vytvorenie ionistorov.
Aj keď sa toto zariadenie považuje za medzičlánok medzi kondenzátorom a batériou, v podstate je to stále kondenzátor.
Vzdialenosť medzi doskami je drasticky znížená vďaka použitiu dvojitej elektrickej vrstvy. Platne sú vrstvy iónov s opačným nábojom. Vďaka penovým poréznym materiálom bolo možné výrazne zväčšiť plochu dosiek. Vďaka tomu je možné získať superkondenzátory s kapacitou až stovky farad.Vrodeným ochorením takýchto zariadení je nízke prevádzkové napätie (zvyčajne do 10 voltov).
Vývoj technológie sa nezastaví - žiarovky z mnohých oblastí sú nahradené bipolárnymi tranzistormi, naopak sú nahradené unipolárnymi triódami. Pri navrhovaní obvodov sa snažia zbaviť indukčnosti všade, kde je to možné. A kondenzátory nestratili svoje pozície už druhé storočie, ich dizajn sa od vynálezu Leydenskej banky zásadne nezmenil a nie sú žiadne vyhliadky na ukončenie ich kariéry.
Podobné články:
