Elektrisk kapasitans er et av de grunnleggende konseptene for elektrostatikk. Dette begrepet refererer til evnen til å akkumulere en elektrisk ladning. Du kan snakke om kapasiteten til en separat leder, du kan snakke om kapasiteten til et system med to eller flere ledere. De fysiske prosessene er like.
Innhold
Grunnleggende begreper knyttet til elektrisk kapasitet
Hvis lederen har fått en ladning q, oppstår det en potensiell φ på den. Dette potensialet avhenger av geometrien og miljøet - for forskjellige ledere og forhold vil samme ladning forårsake et annet potensial. Men φ er alltid proporsjonal med q:
φ=Cq
Koeffisienten C kalles den elektriske kapasitansen.Hvis vi snakker om et system med flere ledere (vanligvis to), så oppstår det en potensialforskjell eller spenning U når en ladning overføres til en leder (plate):
U=Cq, derav С=U/q
Kapasitans kan defineres som forholdet mellom potensialforskjellen og ladningen som forårsaket den. SI-enheten for kapasitans er farad (de pleide å si farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Med andre ord, et system har en kapasitet på 1 farad, der det, når en ladning på 1 coulomb gis, oppstår en potensialforskjell på 1 volt. 1 Farad er en veldig stor verdi. I praksis er brøkverdier oftest brukt - picofarad, nanofarad, microfarad.
I praksis gjør en slik kobling det mulig å få et batteri som tåler en større gjennomslagsspenning av dielektrikumet enn for en enkelt celle.
Beregning av kapasitansen til kondensatorer
I praksis, som elementer med en normalisert elektrisk kapasitans, oftest brukt kondensatorer, bestående av to flate ledere (plater), atskilt med et dielektrikum. Formelen for å beregne den elektriske kapasitansen til en slik kondensator ser slik ut:
C=(S/d)*ε*ε0
hvor:
- C - kapasitet, F;
- S er flatenes areal, kvm;
- d er avstanden mellom platene, m;
- ε0 - elektrisk konstant, konstant, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε er den elektriske permittiviteten til dielektrikumet, en dimensjonsløs størrelse.
Fra dette er det lett å forstå at kapasitansen er direkte proporsjonal med arealet av platene og omvendt proporsjonal med avstanden mellom lederne. Kapasiteten påvirkes også av materialet som skiller platene.
For å forstå hvordan mengdene som bestemmer kapasitans påvirker evnen til en kondensator til å lagre ladning, kan du gjøre et tankeeksperiment for å lage en kondensator med størst mulig kapasitans.
- Du kan prøve å øke arealet av platene. Dette vil føre til en kraftig økning i dimensjonene og vekten til enheten. For å redusere størrelsen på foringen med et dielektrikum som skiller dem, rulles de sammen (til et rør, flat brikett, etc.).
- En annen måte er å redusere avstanden mellom platene. Det er ikke alltid mulig å plassere lederne veldig tett, siden det dielektriske laget må tåle en viss potensialforskjell mellom platene. Jo mindre tykkelsen er, desto lavere er den dielektriske styrken til isolasjonsgapet. Hvis du tar denne veien, vil det komme en tid da den praktiske bruken av en slik kondensator vil bli meningsløs - den kan bare fungere ved ekstremt lave spenninger.
- Øke den elektriske permeabiliteten til dielektrikumet. Denne veien avhenger av utviklingen av produksjonsteknologier som eksisterer for øyeblikket. Det isolerende materialet må ikke bare ha en høy permeabilitetsverdi, men også gode dielektriske egenskaper, og også opprettholde sine parametere i det nødvendige frekvensområdet (med en økning i frekvensen som kondensatoren opererer med, egenskapene til den dielektriske reduksjonen).
Noen spesialiserte eller forskningsinstallasjoner kan bruke sfæriske eller sylindriske kondensatorer.
Kapasitansen til en sfærisk kondensator kan beregnes ved hjelp av formelen
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
hvor R er radiene til kulene, og π=3,14.
For en sylindrisk kondensator beregnes kapasitansen som:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l er høyden på sylindrene, og R1 og R2 er deres radier.
I utgangspunktet skiller ikke begge formlene seg fra formelen for en flat kondensator. Kapasitansen bestemmes alltid av de lineære dimensjonene til platene, avstanden mellom dem og egenskapene til dielektrikumet.
Serie- og parallellkobling av kondensatorer
Kondensatorer kan kobles til i serie eller parallelt, få et sett med nye egenskaper.
Parallellkobling
Hvis du kobler kondensatorene parallelt, er den totale kapasiteten til det resulterende batteriet lik summen av alle kapasitetene til komponentene. Hvis batteriet består av kondensatorer av samme design, kan dette betraktes som tillegg av arealet til platene. I dette tilfellet vil spenningen på hver celle i batteriet være den samme, og ladningene vil legge seg opp. For tre kondensatorer koblet parallelt:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
seriell tilkobling
Når koblet i serie, vil ladningene til hver kapasitans være de samme:
q1=q2=q3=q
Den totale spenningen fordeles proporsjonalt kapasitanser til kondensatorer:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Hvis alle kondensatorer er like, faller like spenningsfall over hver. Den totale kapasiteten er funnet som:
С=q/( U1+U2+U3), derav 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Bruken av kondensatorer i teknologi
Det er logisk å bruke kondensatorer som lagringsenheter for elektrisk energi. I denne egenskapen kan de ikke konkurrere med elektrokjemiske kilder (galvaniske batterier, kondensatorer) på grunn av liten lagret energi og ganske rask selvutlading på grunn av ladelekkasje gjennom dielektrikumet.Men deres evne til å akkumulere energi i en lang periode, og deretter nesten umiddelbart gi den bort, er mye brukt. Denne egenskapen brukes i blitslamper for fotografering eller lamper for eksitering av lasere.
Kondensatorer er mye brukt i radioteknikk og elektronikk. Kapasitanser brukes som en del av resonanskretser som et av frekvensinnstillingselementene til kretsene (det andre elementet er induktans). Den bruker også evnen til kondensatorer til ikke å passere likestrøm uten å forsinke den variable komponenten. En slik applikasjon er vanlig for å separere forsterkningstrinn for å utelukke innflytelsen av DC-modusene til ett trinn på et annet. Store kondensatorer brukes som utjevningsfiltre i strømforsyninger. Det er også et stort antall andre applikasjoner av kondensatorer hvor egenskapene deres er nyttige.
Noen praktiske kondensatordesign
I praksis brukes ulike design av flate kondensatorer. Utformingen av enheten bestemmer dens egenskaper og omfang.
variabel kondensator
En vanlig type variabel kondensator (VPC) består av en blokk med bevegelige og faste plater atskilt med luft eller en solid isolator. De bevegelige platene roterer rundt aksen, og øker eller reduserer overlappingsområdet. Når den bevegelige blokken fjernes, forblir interelektrodegapet uendret, men den gjennomsnittlige avstanden mellom platene øker også. Den dielektriske konstanten til isolatoren forblir også uendret. Kapasiteten reguleres ved å endre arealet på platene og den gjennomsnittlige avstanden mellom dem.
oksid kondensator
Tidligere ble en slik kondensator kalt elektrolytisk. Den består av to foliestrimler adskilt av et papirdielektrikum impregnert med en elektrolytt. Den første stripen fungerer som en plate, den andre platen fungerer som en elektrolytt. Dielektrikumet er et tynt lag med oksid på en av metallstripene, og den andre stripen fungerer som en strømkollektor.
På grunn av det faktum at oksidlaget er veldig tynt, og elektrolytten ligger tett opp til det, ble det mulig å oppnå tilstrekkelig store kapasiteter med moderate størrelser. Prisen for dette var en lav driftsspenning - oksidlaget har ikke høy elektrisk styrke. Med en økning i driftsspenningen er det nødvendig å øke dimensjonene til kondensatoren betydelig.
Et annet problem er at oksidet har ensidig ledningsevne, så slike beholdere brukes kun i DC-kretser med polaritet.
Ionistor
Som vist ovenfor, de tradisjonelle metodene for å øke Kondensatorer har naturlige begrensninger. Derfor var det virkelige gjennombruddet opprettelsen av ionistorer.
Selv om denne enheten regnes som en mellomledd mellom en kondensator og et batteri, er det i hovedsak fortsatt en kondensator.
Avstanden mellom platene reduseres drastisk takket være bruken av et dobbelt elektrisk lag. Platene er lag av ioner med motsatt ladning. Det ble mulig å øke arealet på platene kraftig på grunn av skummet porøse materialer. Som et resultat er det mulig å få superkondensatorer med en kapasitet på opptil hundrevis av farad.En medfødt sykdom hos slike enheter er lav driftsspenning (vanligvis innenfor 10 volt).
Utviklingen av teknologi står ikke stille - lamper fra mange områder blir fortrengt av bipolare transistorer, de erstattes på sin side av unipolare trioder. Når de designer kretser, prøver de å kvitte seg med induktanser der det er mulig. Og kondensatorer har ikke mistet sine posisjoner i det andre århundre, designet deres har ikke endret seg fundamentalt siden oppfinnelsen av Leyden-krukken, og det er ingen utsikter til å avslutte karrieren.
Lignende artikler:
