Elektriskā kapacitāte ir viens no elektrostatikas pamatjēdzieniem. Šis termins attiecas uz spēju uzkrāt elektrisko lādiņu. Var runāt par atsevišķa vadītāja kapacitāti, var runāt par divu vai vairāku vadītāju sistēmas kapacitāti. Fiziskie procesi ir līdzīgi.
Saturs
Ar elektrisko jaudu saistītie pamatjēdzieni
Ja vadītājs ir saņēmis lādiņu q, uz tā rodas potenciāls φ. Šis potenciāls ir atkarīgs no ģeometrijas un vides – dažādiem vadītājiem un apstākļiem viens un tas pats lādiņš radīs atšķirīgu potenciālu. Bet φ vienmēr ir proporcionāls q:
φ=Cq
Koeficientu C sauc par elektrisko kapacitāti.Ja mēs runājam par vairāku vadītāju sistēmu (parasti diviem), tad, kad vienam vadītājam (plāksnei) tiek nodots lādiņš, rodas potenciāla starpība vai spriegums U:
U=Cq, tātad С=U/q
Kapacitāti var definēt kā potenciālās starpības attiecību pret lādiņu, kas to izraisīja. Kapacitātes SI vienība ir farads (viņi mēdza teikt farads). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Citiem vārdiem sakot, sistēmas ietilpība ir 1 farads, kurā, iedodot 1 kulona lādiņu, rodas 1 volta potenciālu starpība. 1 Farad ir ļoti liela vērtība. Praksē visbiežāk tiek izmantotas frakcionētas vērtības - pikofarads, nanofarads, mikrofarads.
Praksē šāds savienojums ļauj iegūt akumulatoru, kas spēj izturēt lielāku dielektriķa pārrāvuma spriegumu nekā viena elementa.
Kondensatoru kapacitātes aprēķins
Praksē visbiežāk izmanto kā elementus ar normalizētu elektrisko kapacitāti kondensatori, kas sastāv no diviem plakaniem vadītājiem (plāksnēm), kas atdalīti ar dielektriķi. Šāda kondensatora elektriskās kapacitātes aprēķināšanas formula izskatās šādi:
C=(S/d)*ε*ε0
kur:
- C - jauda, F;
- S ir apšuvuma laukums, kv.m;
- d ir attālums starp plāksnēm, m;
- ε0 - elektriskā konstante, konstante, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε ir dielektriķa elektriskā caurlaidība, bezizmēra lielums.
No tā ir viegli saprast, ka kapacitāte ir tieši proporcionāla plākšņu laukumam un apgriezti proporcionāla attālumam starp vadītājiem. Arī ietilpību ietekmē materiāls, kas atdala plāksnes.
Lai saprastu, kā daudzumi, kas nosaka kapacitāti, ietekmē kondensatora spēju uzglabāt lādiņu, varat veikt domu eksperimentu, lai izveidotu kondensatoru ar vislielāko iespējamo kapacitāti.
- Varat mēģināt palielināt plākšņu laukumu. Tas izraisīs strauju ierīces izmēru un svara pieaugumu. Lai samazinātu oderes izmērus ar dielektriķi, kas tos atdala, tos sarullē (caurulītē, plakanā briketē utt.).
- Vēl viens veids ir samazināt attālumu starp plāksnēm. Ne vienmēr ir iespējams novietot vadītājus ļoti tuvu, jo dielektriskajam slānim ir jāiztur noteikta potenciāla atšķirība starp plāksnēm. Jo mazāks biezums, jo mazāka ir izolācijas spraugas dielektriskā izturība. Ja izvēlēsities šo ceļu, pienāks brīdis, kad šāda kondensatora praktiskā izmantošana kļūs bezjēdzīga - tas var darboties tikai ar ārkārtīgi zemu spriegumu.
- Dielektriķa elektriskās caurlaidības palielināšana. Šis ceļš ir atkarīgs no šobrīd pastāvošo ražošanas tehnoloģiju attīstības. Izolācijas materiālam jābūt ne tikai ar augstu caurlaidības vērtību, bet arī labām dielektriskajām īpašībām, kā arī jāuztur tā parametri vajadzīgajā frekvenču diapazonā (palielinoties kondensatora darbības frekvencei, dielektriķa raksturlielumi samazinās).
Dažās specializētās vai pētniecības iekārtās var izmantot sfēriskus vai cilindriskus kondensatorus.
Sfēriskā kondensatora kapacitāti var aprēķināt pēc formulas
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kur R ir sfēru rādiusi un π=3,14.
Cilindriskam kondensatoram kapacitāti aprēķina šādi:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l ir cilindru augstums, un R1 un R2 ir to rādiusi.
Principā abas formulas neatšķiras no plakanā kondensatora formulas. Kapacitāti vienmēr nosaka plākšņu lineārie izmēri, attālums starp tiem un dielektriķa īpašības.
Kondensatoru sērijveida un paralēlais savienojums
Var pieslēgt kondensatorus virknē vai paralēli, iegūstot komplektu ar jauniem raksturlielumiem.
Paralēlais savienojums
Ja kondensatorus pievienojat paralēli, iegūtā akumulatora kopējā jauda ir vienāda ar visu tā komponentu jaudu summu. Ja akumulators sastāv no tāda paša dizaina kondensatoriem, to var uzskatīt par plākšņu laukuma pievienošanu. Šajā gadījumā spriegums katrā akumulatora šūnā būs vienāds, un lādiņi tiks summēti. Trīs kondensatoriem, kas savienoti paralēli:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
seriālais savienojums
Ja ir pievienots virknē, katras kapacitātes lādiņi būs vienādi:
q1=q2=q3=q
Kopējais spriegums tiek sadalīts proporcionāli kondensatoru kapacitātes:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Ja visi kondensatori ir vienādi, tad katrā vienāds spriegums. Kopējā jauda ir atrodama šādi:
С=q/( U1+U2+U3), tātad 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Kondensatoru izmantošana tehnoloģijā
Ir loģiski izmantot kondensatorus kā elektriskās enerģijas uzkrāšanas ierīces. Šajā kapacitātē tie nevar konkurēt ar elektroķīmiskiem avotiem (galvaniskām baterijām, kondensatoriem) mazās uzkrātās enerģijas un diezgan ātras pašizlādes dēļ lādiņa noplūdes dēļ caur dielektriķi.Taču plaši tiek izmantota viņu spēja uzkrāt enerģiju ilgu laiku un pēc tam gandrīz uzreiz to atdot. Šo īpašību izmanto zibspuldzēs fotografēšanai vai lampās lāzeru ierosināšanai.
Kondensatori tiek plaši izmantoti radiotehnikā un elektronikā. Kapacitātes tiek izmantotas kā daļa no rezonanses ķēdēm kā viens no ķēžu frekvences iestatīšanas elementiem (otrs elements ir induktivitāte). Tas izmanto arī kondensatoru spēju neizlaist līdzstrāvu, neaizkavējot mainīgo komponentu. Šāds pielietojums ir izplatīts pastiprināšanas posmu atdalīšanai, lai izslēgtu vienas pakāpes līdzstrāvas režīmu ietekmi uz otru. Lielie kondensatori tiek izmantoti kā izlīdzinošie filtri barošanas blokos. Ir arī ļoti daudz citu kondensatoru lietojumu, kur to īpašības ir noderīgas.
Daži praktiski kondensatoru modeļi
Praksē tiek izmantoti dažāda dizaina plakanie kondensatori. Ierīces dizains nosaka tās īpašības un darbības jomu.
mainīgs kondensators
Izplatīts mainīgo kondensatoru (VPC) veids sastāv no kustīgu un fiksētu plākšņu bloka, kas atdalīts ar gaisu vai cietu izolatoru. Kustīgās plāksnes griežas ap asi, palielinot vai samazinot pārklāšanās laukumu. Noņemot kustīgo bloku, starpelektrodu sprauga paliek nemainīga, bet palielinās arī vidējais attālums starp plāksnēm. Arī izolatora dielektriskā konstante paliek nemainīga. Jauda tiek regulēta, mainot plākšņu laukumu un vidējo attālumu starp tām.
oksīda kondensators
Iepriekš šādu kondensatoru sauca par elektrolītisko. Tas sastāv no divām folijas sloksnēm, kas atdalītas ar papīra dielektriķi, kas piesūcināts ar elektrolītu. Pirmā sloksne kalpo kā viena plāksne, otrā plāksne kalpo kā elektrolīts. Dielektriķis ir plāns oksīda slānis uz vienas no metāla sloksnēm, un otrā sloksne kalpo kā strāvas savācējs.
Sakarā ar to, ka oksīda slānis ir ļoti plāns un elektrolīts tam cieši pieguļ, kļuva iespējams iegūt pietiekami lielas jaudas ar vidējiem izmēriem. Cena par to bija zems darba spriegums - oksīda slānim nav augsta elektriskā izturība. Palielinoties darba spriegumam, ir nepieciešams ievērojami palielināt kondensatora izmērus.
Vēl viena problēma ir tāda, ka oksīdam ir vienpusēja vadītspēja, tāpēc šādus konteinerus izmanto tikai līdzstrāvas ķēdēs ar polaritāti.
Jonists
Kā parādīts iepriekš, tradicionālās metodes, palielinot Kondensatori ir dabiski ierobežojumi. Tāpēc patiesais izrāviens bija jonistoru izveide.
Lai gan šī ierīce tiek uzskatīta par starpposmu starp kondensatoru un akumulatoru, pēc būtības tas joprojām ir kondensators.
Pateicoties dubultā elektriskā slāņa izmantošanai, attālums starp plāksnēm ir krasi samazināts. Plāksnes ir jonu slāņi ar pretējiem lādiņiem. Putu porainu materiālu dēļ kļuva iespējams strauji palielināt plākšņu laukumu. Rezultātā ir iespējams iegūt superkondensatorus ar jaudu līdz pat simtiem faradu.Iedzimta šādu ierīču slimība ir zems darba spriegums (parasti 10 voltu robežās).
Tehnoloģiju attīstība nestāv uz vietas - lampas no daudzām jomām izspiež bipolāri tranzistori, tos savukārt aizstāj ar vienpolāriem triodēm. Projektējot shēmas, viņi cenšas atbrīvoties no induktivitātes, kur vien iespējams. Un kondensatori savas pozīcijas nav zaudējuši jau otro gadsimtu, to dizains nav būtiski mainījies kopš Leidenas burkas izgudrošanas, un nav izredžu beigt karjeru.
Līdzīgi raksti:
