Električna kapacitivnost je eden od osnovnih konceptov elektrostatike. Ta izraz se nanaša na sposobnost kopičenja električnega naboja. Lahko govorite o zmogljivosti ločenega prevodnika, lahko govorite o zmogljivosti sistema dveh ali več prevodnikov. Fizikalni procesi so podobni.
Vsebina
Osnovni pojmi, povezani z električno zmogljivostjo
Če je vodnik prejel naboj q, na njem nastane potencial φ. Ta potencial je odvisen od geometrije in okolja – za različne prevodnike in pogoje bo enak naboj povzročil različen potencial. Toda φ je vedno sorazmeren s q:
φ=Cq
Koeficient C se imenuje električna kapacitivnost.Če govorimo o sistemu več prevodnikov (običajno dveh), potem ko se naboj prenese na en prevodnik (ploščo), pride do potencialne razlike ali napetosti U:
U=Cq, torej С=U/q
Kapacitivnost lahko definiramo kot razmerje med potencialno razliko in nabojem, ki jo je povzročil. Enota SI za kapacitivnost je farad (včasih so rekli farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Z drugimi besedami, sistem ima kapaciteto 1 farad, v katerem, ko se prenese naboj 1 kulon, nastane potencialna razlika 1 volta. 1 Farad je zelo velika vrednost. V praksi se najpogosteje uporabljajo frakcijske vrednosti - pikofarad, nanofarad, mikrofarad.
V praksi takšna povezava omogoča pridobitev baterije, ki lahko prenese večjo razpadno napetost dielektrika kot ena sama celica.
Izračun kapacitivnosti kondenzatorjev
V praksi se najpogosteje uporabljajo elementi z normalizirano električno kapacitivnostjo kondenzatorji, sestavljen iz dveh ploščatih prevodnikov (ploščic), ločenih z dielektrikom. Formula za izračun električne kapacitivnosti takšnega kondenzatorja izgleda takole:
C=(S/d)*ε*ε0
kje:
- C - zmogljivost, F;
- S je površina oblog, m2;
- d je razdalja med ploščami, m;
- ε0 - električna konstanta, konstanta, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε je električna prepustnost dielektrika, brezdimenzionalna količina.
Iz tega je enostavno razumeti, da je kapacitivnost neposredno sorazmerna s površino plošč in obratno sorazmerna z razdaljo med prevodniki. Na zmogljivost vpliva tudi material, ki ločuje plošče.
Če želite razumeti, kako količine, ki določajo kapacitivnost, vplivajo na sposobnost kondenzatorja za shranjevanje naboja, lahko naredite miselni poskus, da ustvarite kondenzator z največjo možno kapacitivnostjo.
- Lahko poskusite povečati površino plošč. To bo povzročilo močno povečanje dimenzij in teže naprave. Za zmanjšanje velikosti obloge z dielektrikom, ki jih ločuje, se zvijejo (v cev, ploščati briket itd.).
- Drug način je zmanjšanje razdalje med ploščami. Prevodnikov ni vedno mogoče namestiti zelo blizu, saj mora dielektrična plast vzdržati določeno potencialno razliko med ploščami. Manjša kot je debelina, nižja je dielektrična trdnost izolacijske reže. Če boste ubrali to pot, bo prišel čas, ko bo praktična uporaba takšnega kondenzatorja postala nesmiselna - deluje lahko le pri izjemno nizkih napetostih.
- Povečanje električne prepustnosti dielektrika. Ta pot je odvisna od razvoja proizvodnih tehnologij, ki obstajajo v tem trenutku. Izolacijski material mora imeti ne le visoko vrednost prepustnosti, temveč tudi dobre dielektrične lastnosti, poleg tega pa mora vzdrževati svoje parametre v zahtevanem frekvenčnem območju (s povečanjem frekvence, pri kateri deluje kondenzator, se značilnosti dielektrika zmanjšajo).
Nekatere specializirane ali raziskovalne naprave lahko uporabljajo sferične ali cilindrične kondenzatorje.
Kapacitivnost sferičnega kondenzatorja lahko izračunamo po formuli
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kjer sta R polmeri krogel in π=3,14.
Za cilindrični kondenzator se kapacitivnost izračuna kot:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l je višina valjev, R1 in R2 pa njuna polmera.
V bistvu se obe formuli ne razlikujeta od formule za ploščati kondenzator. Kapacitivnost je vedno določena z linearnimi dimenzijami plošč, razdaljo med njimi in lastnostmi dielektrika.
Zaporedna in vzporedna povezava kondenzatorjev
Kondenzatorje je mogoče priključiti zaporedno ali vzporedno, pridobitev kompleta z novimi lastnostmi.
Vzporedna povezava
Če kondenzatorje povežete vzporedno, je skupna zmogljivost nastale baterije enaka vsoti vseh zmogljivosti njenih komponent. Če je baterija sestavljena iz kondenzatorjev enake zasnove, se to lahko šteje za seštevanje površine krogličnih plošč. V tem primeru bo napetost na vsaki celici baterije enaka, naboji pa se bodo sešteli. Za tri vzporedno povezane kondenzatorje:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
serijska povezava
Pri zaporedni povezavi bodo naboji vsake kapacitivnosti enaki:
q1=q2=q3=q
Celotna napetost se porazdeli sorazmerno kapacitivnosti kondenzatorjev:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Če so vsi kondenzatorji enaki, potem na vsakem pade enak padec napetosti. Skupna zmogljivost se določi kot:
С=q/( U1+U2+U3), torej 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Uporaba kondenzatorjev v tehnologiji
Logično je uporabiti kondenzatorje kot naprave za shranjevanje električne energije. V tej zmogljivosti ne morejo tekmovati z elektrokemičnimi viri (galvanskimi baterijami, kondenzatorji) zaradi majhne shranjene energije in precej hitrega samopraznjenja zaradi uhajanja naboja skozi dielektrik.Toda njihova sposobnost, da dolgo kopičijo energijo in jo nato skoraj takoj oddajo, se pogosto uporablja. Ta lastnost se uporablja pri bliskavicah za fotografiranje ali svetilkah za vzbujanje laserjev.
Kondenzatorji se pogosto uporabljajo v radijski tehniki in elektroniki. Kapacitivnosti se uporabljajo kot del resonančnih vezij kot eden od frekvenčnih elementov vezij (drugi element je induktivnost). Uporablja tudi sposobnost kondenzatorjev, da ne prehajajo enosmernega toka, ne da bi zamujali spremenljivo komponento. Takšna aplikacija je običajna za ločevanje ojačevalnih stopenj, da se izključi vpliv enosmernih načinov ene stopnje na drugo. Veliki kondenzatorji se uporabljajo kot gladilni filtri v napajalnikih. Obstaja tudi ogromno drugih aplikacij kondenzatorjev, kjer so njihove lastnosti uporabne.
Nekaj praktičnih modelov kondenzatorjev
V praksi se uporabljajo različne izvedbe ploščatih kondenzatorjev. Zasnova naprave določa njene značilnosti in obseg.
spremenljiv kondenzator
Običajni tip spremenljivega kondenzatorja (VPC) je sestavljen iz bloka premičnih in fiksnih plošč, ločenih z zrakom ali trdnim izolatorjem. Premične plošče se vrtijo okoli osi in povečajo ali zmanjšajo površino prekrivanja. Ko se premikajoči blok odstrani, medelektrodna reža ostane nespremenjena, poveča pa se tudi povprečna razdalja med ploščami. Tudi dielektrična konstanta izolatorja ostane nespremenjena. Zmogljivost se uravnava s spreminjanjem površine plošč in povprečne razdalje med njimi.
oksidni kondenzator
Prej se je tak kondenzator imenoval elektrolitski. Sestavljen je iz dveh trakov folije, ločenih s papirnatim dielektrikom, impregniranim z elektrolitom. Prvi trak služi kot ena plošča, druga plošča služi kot elektrolit. Dielektrik je tanek sloj oksida na enem od kovinskih trakov, drugi trak pa služi kot zbiralnik toka.
Zaradi dejstva, da je oksidna plast zelo tanka in se ji tesno prilega elektrolit, je postalo mogoče pridobiti dovolj velike zmogljivosti z zmernimi velikostmi. Cena za to je bila nizka delovna napetost - oksidna plast nima visoke električne moči. S povečanjem delovne napetosti je potrebno znatno povečati dimenzije kondenzatorja.
Druga težava je, da ima oksid enostransko prevodnost, zato se takšne posode uporabljajo samo v enosmernih tokokrogih s polarnostjo.
Ionistor
Kot je prikazano zgoraj, tradicionalne metode povečanja Kondenzatorji imajo naravne omejitve. Zato je bil pravi preboj ustvarjanje ionistorjev.
Čeprav ta naprava velja za vmesni člen med kondenzatorjem in baterijo, je v bistvu še vedno kondenzator.
Razdalja med ploščami se drastično zmanjša zaradi uporabe dvojne električne plasti. Plošče so plasti ionov z nasprotnimi naboji. Zaradi penastih poroznih materialov je postalo mogoče močno povečati površino plošč. Posledično je mogoče dobiti superkondenzatorje z zmogljivostjo do sto farad.Prirojena bolezen takšnih naprav je nizka delovna napetost (običajno znotraj 10 voltov).
Razvoj tehnologije ne miruje - svetilke z mnogih področij izpodrivajo bipolarni tranzistorji, zamenjajo pa jih unipolarne triode. Pri načrtovanju vezij se poskušajo znebiti induktivnosti, kjer je le mogoče. In kondenzatorji že drugo stoletje niso izgubili svojih položajev, njihova zasnova se od izuma Leydenskega kozarca ni bistveno spremenila in ni možnosti za konec kariere.
Podobni članki:
