Elektrisk kapacitans er et af de grundlæggende begreber inden for elektrostatik. Dette udtryk refererer til evnen til at akkumulere en elektrisk ladning. Du kan tale om kapaciteten af en separat leder, du kan tale om kapaciteten af et system med to eller flere ledere. De fysiske processer ligner hinanden.
Indhold
Grundlæggende begreber relateret til elektrisk kapacitet
Hvis lederen har modtaget en ladning q, opstår der et potentiale φ på den. Dette potentiale afhænger af geometrien og miljøet - for forskellige ledere og forhold vil den samme ladning forårsage et andet potentiale. Men φ er altid proportional med q:
φ=Cq
Koefficienten C kaldes den elektriske kapacitans.Hvis vi taler om et system med flere ledere (normalt to), så når en ladning overføres til en leder (plade), opstår der en potentialforskel eller spænding U:
U=Cq, derfor С=U/q
Kapacitans kan defineres som forholdet mellem potentialforskellen og ladningen, der forårsagede den. SI-enheden for kapacitans er farad (de plejede at sige farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Et system har med andre ord en kapacitet på 1 farad, hvor der, når en ladning på 1 coulomb gives, opstår en potentialforskel på 1 volt. 1 Farad er en meget stor værdi. I praksis er brøkværdier oftest brugt - picofarad, nanofarad, microfarad.
I praksis gør en sådan forbindelse det muligt at opnå et batteri, der kan modstå en større gennemslagsspænding af dielektrikumet end for en enkelt celle.
Beregning af kondensatorernes kapacitans
I praksis, som elementer med en normaliseret elektrisk kapacitans, oftest brugt kondensatorer, bestående af to flade ledere (plader), adskilt af et dielektrikum. Formlen til beregning af den elektriske kapacitans af en sådan kondensator ser sådan ud:
C=(S/d)*ε*ε0
hvor:
- C - kapacitet, F;
- S er beklædningens areal, kvm;
- d er afstanden mellem pladerne, m;
- ε0 - elektrisk konstant, konstant, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε er dielektrikumets elektriske permittivitet, en dimensionsløs størrelse.
Ud fra dette er det let at forstå, at kapacitansen er direkte proportional med pladernes areal og omvendt proportional med afstanden mellem lederne. Også kapaciteten påvirkes af materialet, der adskiller pladerne.
For at forstå, hvordan de mængder, der bestemmer kapacitansen, påvirker en kondensators evne til at lagre ladning, kan du lave et tankeeksperiment for at skabe en kondensator med den størst mulige kapacitans.
- Du kan prøve at øge pladernes areal. Dette vil føre til en kraftig stigning i enhedens dimensioner og vægt. For at reducere størrelsen af foringen med et dielektrikum, der adskiller dem, rulles de op (i et rør, flad briket osv.).
- En anden måde er at reducere afstanden mellem pladerne. Det er ikke altid muligt at placere lederne meget tæt, da det dielektriske lag skal modstå en vis potentialforskel mellem pladerne. Jo mindre tykkelsen er, jo lavere er den dielektriske styrke af det isolerende mellemrum. Hvis du tager denne vej, vil der komme et tidspunkt, hvor den praktiske brug af en sådan kondensator bliver meningsløs - den kan kun fungere ved ekstremt lave spændinger.
- Forøgelse af dielektrikumets elektriske permeabilitet. Denne vej afhænger af udviklingen af produktionsteknologier, der eksisterer i øjeblikket. Det isolerende materiale skal ikke kun have en høj permeabilitetsværdi, men også gode dielektriske egenskaber og også opretholde dets parametre i det krævede frekvensområde (med en stigning i frekvensen, hvormed kondensatoren fungerer, karakteristikaene for det dielektriske fald).
Nogle specialiserede eller forskningsinstallationer kan bruge sfæriske eller cylindriske kondensatorer.
Kapacitansen af en sfærisk kondensator kan beregnes ved hjælp af formlen
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
hvor R er sfærernes radier, og π=3,14.
For en cylindrisk kondensator beregnes kapacitansen som:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l er højden af cylindrene, og R1 og R2 er deres radier.
Grundlæggende adskiller begge formler sig ikke fra formlen for en flad kondensator. Kapacitansen bestemmes altid af pladernes lineære dimensioner, afstanden mellem dem og dielektrikumets egenskaber.
Serie- og parallelforbindelse af kondensatorer
Kondensatorer kan tilsluttes i serie eller parallelt, opnåelse af et sæt med nye egenskaber.
Parallel forbindelse
Hvis du forbinder kondensatorerne parallelt, er den samlede kapacitet af det resulterende batteri lig med summen af alle kapaciteterne af dets komponenter. Hvis batteriet består af kondensatorer af samme design, kan dette betragtes som en tilføjelse af området for pladerne. I dette tilfælde vil spændingen på hver celle i batteriet være den samme, og ladningerne vil lægges sammen. For tre kondensatorer forbundet parallelt:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
seriel forbindelse
Når den er forbundet i serie, vil ladningerne for hver kapacitans være den samme:
q1=q2=q3=q
Den samlede spænding fordeles proportionalt kapacitanser af kondensatorer:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Hvis alle kondensatorer er ens, falder ens spændingsfald over hver. Den samlede kapacitet findes som:
С=q/( U1+U2+U3), derfor 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Brugen af kondensatorer i teknologi
Det er logisk at bruge kondensatorer som enheder til lagring af elektrisk energi. I denne egenskab kan de ikke konkurrere med elektrokemiske kilder (galvaniske batterier, kondensatorer) på grund af den lille oplagrede energi og ret hurtige selvafladning på grund af ladningslækage gennem dielektrikumet.Men deres evne til at akkumulere energi i en lang periode, og så næsten øjeblikkeligt give den væk, er meget brugt. Denne egenskab bruges i flashlamper til fotografering eller lamper til excitation af lasere.
Kondensatorer er meget udbredt i radioteknik og elektronik. Kapacitanser bruges som en del af resonanskredsløb som et af kredsløbenes frekvensindstillingselementer (det andet element er induktans). Det bruger også kondensatorernes evne til ikke at sende jævnstrøm uden at forsinke den variable komponent. En sådan applikation er almindelig til at adskille forstærkningstrin for at udelukke indflydelsen af DC-modi af et trin på et andet. Store kondensatorer bruges som udjævningsfiltre i strømforsyninger. Der er også et stort antal andre anvendelser af kondensatorer, hvor deres egenskaber er nyttige.
Nogle praktiske kondensatordesigns
I praksis bruges forskellige designs af flade kondensatorer. Enhedens design bestemmer dens egenskaber og omfang.
variabel kondensator
En almindelig type variabel kondensator (VPC) består af en blok af bevægelige og faste plader adskilt af luft eller en solid isolator. De bevægelige plader roterer rundt om aksen og øger eller mindsker overlapningsområdet. Når den bevægelige blok fjernes, forbliver interelektrodegabet uændret, men den gennemsnitlige afstand mellem pladerne øges også. Isolatorens dielektriske konstant forbliver også uændret. Kapaciteten reguleres ved at ændre pladernes areal og den gennemsnitlige afstand mellem dem.
oxid kondensator
Tidligere blev en sådan kondensator kaldt elektrolytisk. Den består af to strimler folie adskilt af et papirdielektrikum imprægneret med en elektrolyt. Den første strimmel tjener som en plade, den anden plade tjener som en elektrolyt. Dielektrikumet er et tyndt lag oxid på en af metalstrimlerne, og den anden strimmel tjener som strømaftager.
På grund af det faktum, at oxidlaget er meget tyndt, og elektrolytten støder tæt op til det, blev det muligt at opnå tilstrækkeligt store kapaciteter med moderate størrelser. Prisen for dette var en lav driftsspænding - oxidlaget har ikke høj elektrisk styrke. Med en stigning i driftsspændingen er det nødvendigt at øge dimensionerne af kondensatoren betydeligt.
Et andet problem er, at oxidet har ensidig ledningsevne, så sådanne beholdere bruges kun i DC-kredsløb med polaritet.
Ionistor
Som vist ovenfor, de traditionelle metoder til at øge Kondensatorer har naturlige begrænsninger. Derfor var det virkelige gennembrud skabelsen af ionistorer.
Selvom denne enhed betragtes som et mellemled mellem en kondensator og et batteri, er det i det væsentlige stadig en kondensator.
Afstanden mellem pladerne er drastisk reduceret takket være brugen af et dobbelt elektrisk lag. Pladerne er lag af ioner med modsatte ladninger. Det blev muligt kraftigt at øge pladernes areal på grund af opskummede porøse materialer. Som et resultat er det muligt at få superkondensatorer med en kapacitet på op til hundredvis af farad.En medfødt sygdom af sådanne enheder er lav driftsspænding (normalt inden for 10 volt).
Udviklingen af teknologi står ikke stille - lamper fra mange områder forskydes af bipolære transistorer, de erstattes til gengæld af unipolære trioder. Når de designer kredsløb, forsøger de at slippe af med induktanser, hvor det er muligt. Og kondensatorer har ikke mistet deres positioner i det andet århundrede, deres design har ikke ændret sig fundamentalt siden opfindelsen af Leyden-krukken, og der er ingen udsigter til at afslutte deres karriere.
Lignende artikler:
