Az elektromos kapacitás az elektrosztatika egyik alapfogalma. Ez a kifejezés az elektromos töltés felhalmozódásának képességére utal. Beszélhetünk külön vezető kapacitásáról, beszélhetünk két vagy több vezetőből álló rendszer kapacitásáról. A fizikai folyamatok hasonlóak.
Tartalom
Az elektromos kapacitással kapcsolatos alapfogalmak
Ha a vezető q töltést kapott, φ potenciál keletkezik rajta. Ez a potenciál függ a geometriától és a környezettől – különböző vezetők és feltételek esetén ugyanaz a töltés eltérő potenciált okoz. De φ mindig arányos q-val:
φ=Cq
A C együtthatót elektromos kapacitásnak nevezzük.Ha több (általában kettő) vezetőből álló rendszerről beszélünk, akkor amikor egy vezetőre (lemezre) töltés kerül, potenciálkülönbség vagy U feszültség lép fel:
U=Cq, tehát С=U/q
A kapacitás a potenciálkülönbség és az azt okozó töltés arányaként határozható meg. A kapacitás SI mértékegysége a farad (szokás szerint farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Más szóval, egy rendszer kapacitása 1 farad, amelyben 1 coulomb töltés leadásakor 1 voltos potenciálkülönbség keletkezik. 1 Farad nagyon nagy érték. A gyakorlatban a törtértékeket használják leggyakrabban - picofarad, nanofarad, microfarad.
A gyakorlatban egy ilyen csatlakozás lehetővé teszi olyan akkumulátor előállítását, amely képes ellenállni a dielektrikum nagyobb áttörési feszültségének, mint egyetlen celláé.
Kondenzátorok kapacitásának kiszámítása
A gyakorlatban leggyakrabban normalizált elektromos kapacitású elemekként használják kondenzátorok, amely két dielektrikummal elválasztott lapos vezetőből (lemezből) áll. Az ilyen kondenzátor elektromos kapacitásának kiszámítására szolgáló képlet így néz ki:
C=(S/d)*ε*ε0
ahol:
- C - kapacitás, F;
- S a burkolatok területe, négyzetméter;
- d a lemezek közötti távolság, m;
- ε0 - elektromos állandó, állandó, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε a dielektrikum elektromos permittivitása, egy dimenzió nélküli mennyiség.
Ebből könnyen érthető, hogy a kapacitás egyenesen arányos a lemezek területével és fordítottan arányos a vezetők közötti távolsággal. A kapacitást a lemezeket elválasztó anyag is befolyásolja.
Annak megértéséhez, hogy a kapacitást meghatározó mennyiségek hogyan befolyásolják a kondenzátor töltéstároló képességét, végezhet egy gondolatkísérletet a lehető legnagyobb kapacitású kondenzátor létrehozására.
- Megpróbálhatja növelni a lemezek területét. Ez az eszköz méretének és súlyának meredek növekedéséhez vezet. A bélés méretének csökkentése érdekében az őket elválasztó dielektrikummal feltekerjük (csőbe, lapos brikettbe stb.).
- Egy másik módszer a lemezek közötti távolság csökkentése. A vezetőket nem mindig lehet nagyon közel elhelyezni, mivel a dielektromos rétegnek el kell viselnie a lemezek közötti bizonyos potenciálkülönbséget. Minél kisebb a vastagság, annál kisebb a szigetelőrés dielektromos szilárdsága. Ha ezt az utat választja, eljön az idő, amikor egy ilyen kondenzátor gyakorlati használata értelmetlenné válik - csak rendkívül alacsony feszültségen tud működni.
- A dielektrikum elektromos permeabilitásának növelése. Ez az út a jelenleg létező gyártási technológiák fejlődésétől függ. A szigetelőanyagnak nemcsak nagy áteresztőképességűnek kell lennie, hanem jó dielektromos tulajdonságokkal is kell rendelkeznie, és paramétereit a kívánt frekvenciatartományban kell tartania (a kondenzátor működési frekvenciájának növekedésével a dielektrikum jellemzői csökkennek).
Egyes speciális vagy kutató létesítmények gömb- vagy hengeres kondenzátorokat használhatnak.
A gömbkondenzátor kapacitását a képlettel lehet kiszámítani
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
ahol R a gömbök sugarai, és π=3,14.
Hengeres kondenzátor esetén a kapacitás kiszámítása a következőképpen történik:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l a hengerek magassága, és R1 és R2 a sugaruk.
Alapvetően mindkét képlet nem különbözik a lapos kondenzátor képletétől. A kapacitást mindig a lemezek lineáris méretei, a köztük lévő távolság és a dielektrikum tulajdonságai határozzák meg.
Kondenzátorok soros és párhuzamos csatlakoztatása
Kondenzátorok csatlakoztathatók sorosan vagy párhuzamosan, új jellemzőkkel rendelkező halmaz megszerzése.
Párhuzamos csatlakozás
Ha párhuzamosan csatlakoztatja a kondenzátorokat, akkor a kapott akkumulátor teljes kapacitása megegyezik az alkatrészeinek összes kapacitásának összegével. Ha az akkumulátor azonos kialakítású kondenzátorokból áll, ez a lemezek területének hozzáadásának tekinthető. Ebben az esetben az akkumulátor minden celláján a feszültség azonos lesz, és a töltések összeadódnak. Három párhuzamosan kapcsolt kondenzátorhoz:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
soros csatlakozás
Soros csatlakoztatás esetén az egyes kapacitások töltése azonos lesz:
q1=q2=q3=q
A teljes feszültség arányosan oszlik el kondenzátorok kapacitásai:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Ha minden kondenzátor egyforma, akkor mindegyikben egyenlő feszültségesés történik. A teljes kapacitás a következőképpen érhető el:
С=q/( U1+U2+U3), ezért 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
A kondenzátorok használata a technikában
Logikus a kondenzátorok használata elektromos energiatároló eszközként. Ebben a minőségben nem versenyezhetnek az elektrokémiai forrásokkal (galvanikus akkumulátorok, kondenzátorok) a kis tárolt energia és a dielektrikumon keresztüli töltésszivárgás miatti meglehetősen gyors önkisülés miatt.De széles körben használják azt a képességüket, hogy hosszú ideig felhalmozzák az energiát, majd szinte azonnal leadják. Ezt a tulajdonságot fotózáshoz használt vakulámpákban vagy lézerek gerjesztésére szolgáló lámpákban használják.
A kondenzátorokat széles körben használják a rádiótechnikában és az elektronikában. A kapacitásokat a rezonáns áramkörök részeként használják az áramkörök egyik frekvencia-beállító elemeként (a másik elem az induktivitás). Kihasználja a kondenzátorok azon képességét is, hogy ne engedjenek át egyenáramot a változó komponens késleltetése nélkül. Az ilyen alkalmazás gyakori az erősítő fokozatok szétválasztására annak érdekében, hogy kizárják az egyik fokozat DC módusainak hatását a másikra. A nagy kondenzátorokat simítószűrőként használják a tápegységekben. A kondenzátoroknak számos egyéb alkalmazása is létezik, ahol a tulajdonságaik hasznosak.
Néhány praktikus kondenzátor kialakítás
A gyakorlatban különféle lapos kondenzátorokat használnak. Az eszköz kialakítása határozza meg annak jellemzőit és hatókörét.
változtatható kondenzátor
A változó kondenzátorok (VPC) általános típusa mozgatható és rögzített lemezekből álló blokkból áll, amelyeket levegő vagy szilárd szigetelő választ el egymástól. A mozgatható lemezek a tengely körül forognak, növelve vagy csökkentve az átfedési területet. A mozgó blokk eltávolításakor az elektródák közötti rés változatlan marad, de a lemezek közötti átlagos távolság is megnő. A szigetelő dielektromos állandója szintén változatlan marad. A kapacitás szabályozása a lemezek területének és a köztük lévő átlagos távolság változtatásával történik.
oxid kondenzátor
Korábban egy ilyen kondenzátort elektrolitikusnak neveztek. Két fóliacsíkból áll, amelyeket elektrolittal impregnált papírdielektrikum választ el egymástól. Az első csík egy lemezként, a második lemez elektrolitként szolgál. A dielektrikum egy vékony oxidréteg az egyik fémszalagon, a második szalag pedig áramgyűjtőként szolgál.
Tekintettel arra, hogy az oxidréteg nagyon vékony, és az elektrolit szorosan hozzátartozik, lehetővé vált, hogy közepes méretekkel kellően nagy kapacitásokat kapjunk. Ennek ára alacsony üzemi feszültség volt - az oxidrétegnek nincs nagy elektromos szilárdsága. Az üzemi feszültség növekedésével jelentősen növelni kell a kondenzátor méreteit.
További probléma, hogy az oxidnak egyoldali vezetőképessége van, ezért az ilyen tartályokat csak polaritású DC áramkörökben használják.
Ionistor
Mint fentebb látható, a hagyományos módszerek növelése Kondenzátorok természetes korlátai vannak. Ezért az igazi áttörést az ionisztorok létrehozása jelentette.
Bár ezt az eszközt köztes kapcsolatnak tekintik a kondenzátor és az akkumulátor között, lényegében mégis kondenzátor.
A lemezek közötti távolság drasztikusan csökken a kettős elektromos réteg használatának köszönhetően. A lemezek ellentétes töltésű ionrétegek. Lehetővé vált a lemezek területének élesen növelése a habosított porózus anyagok miatt. Ennek eredményeként lehetőség nyílik akár több száz farad kapacitású szuperkondenzátorok beszerzésére.Az ilyen eszközök veleszületett betegsége az alacsony üzemi feszültség (általában 10 volton belül).
A technológia fejlődése nem áll meg – a sok területről származó lámpákat bipoláris tranzisztorok helyettesítik, ezeket pedig egypólusú triódák váltják fel. Az áramkörök tervezésekor igyekeznek megszabadulni az induktivitásoktól, ahol csak lehetséges. A kondenzátorok pedig a második évszázada sem veszítették el pozícióikat, kialakításuk alapvetően nem változott a Leyden tégely feltalálása óta, és nincs kilátás a karrierjük befejezésére.
Hasonló cikkek:
