Capacitatea electrică este unul dintre conceptele de bază ale electrostaticei. Acest termen se referă la capacitatea de a acumula o sarcină electrică. Puteți vorbi despre capacitatea unui conductor separat, puteți vorbi despre capacitatea unui sistem de doi sau mai mulți conductori. Procesele fizice sunt similare.
Conţinut
Concepte de bază legate de capacitatea electrică
Dacă conductorul a primit o sarcină q, pe acesta ia naștere un potențial φ. Acest potențial depinde de geometrie și mediu - pentru conductori și condiții diferiți, aceeași sarcină va provoca un potențial diferit. Dar φ este întotdeauna proporțional cu q:
φ=Cq
Coeficientul C se numește capacitatea electrică.Dacă vorbim despre un sistem de mai mulți conductori (de obicei doi), atunci când o sarcină este transmisă unui conductor (placă), apare o diferență de potențial sau tensiune U:
U=Cq, deci С=U/q
Capacitatea poate fi definită ca raportul dintre diferența de potențial și sarcina care a cauzat-o. Unitatea SI pentru capacitate este faradul (se spuneau farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Cu alte cuvinte, un sistem are o capacitate de 1 farad, în care, atunci când este transmisă o sarcină de 1 coulomb, apare o diferență de potențial de 1 volt. 1 Farad este o valoare foarte mare. În practică, valorile fracționale sunt cel mai des utilizate - picofarad, nanofarad, microfarad.
În practică, o astfel de conexiune face posibilă obținerea unei baterii care poate rezista la o tensiune de rupere a dielectricului mai mare decât cea a unei singure celule.
Calculul capacității condensatoarelor
În practică, ca elemente cu o capacitate electrică normalizată, cel mai des utilizate condensatoare, format din doi conductori plani (plăci), despărțiți printr-un dielectric. Formula pentru calcularea capacității electrice a unui astfel de condensator arată astfel:
C=(S/d)*ε*ε0
Unde:
- C - capacitate, F;
- S este suprafata paramentelor, mp;
- d este distanța dintre plăci, m;
- ε0 - constantă electrică, constantă, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε este permisivitatea electrică a dielectricului, o mărime adimensională.
Din aceasta, este ușor de înțeles că capacitatea este direct proporțională cu aria plăcilor și invers proporțională cu distanța dintre conductori. De asemenea, capacitatea este afectată de materialul care separă plăcile.
Pentru a înțelege modul în care cantitățile care determină capacitatea afectează capacitatea unui condensator de a stoca sarcina, puteți face un experiment de gândire pentru a crea un condensator cu cea mai mare capacitate posibilă.
- Puteți încerca să măriți suprafața plăcilor. Acest lucru va duce la o creștere bruscă a dimensiunilor și greutății dispozitivului. Pentru a reduce dimensiunea căptușelii cu un dielectric care le separă, acestea sunt rulate (într-un tub, brichetă plată etc.).
- O altă modalitate este de a reduce distanța dintre plăci. Nu este întotdeauna posibil să plasați conductorii foarte aproape, deoarece stratul dielectric trebuie să reziste la o anumită diferență de potențial între plăci. Cu cât grosimea este mai mică, cu atât rigiditatea dielectrică a golului izolator este mai mică. Dacă luați această cale, va veni un moment în care utilizarea practică a unui astfel de condensator va deveni lipsită de sens - poate funcționa doar la tensiuni extrem de scăzute.
- Creșterea permeabilității electrice a dielectricului. Această cale depinde de dezvoltarea tehnologiilor de producție care există în acest moment. Materialul izolator trebuie să aibă nu numai o valoare mare de permeabilitate, ci și proprietăți dielectrice bune și, de asemenea, să-și mențină parametrii în intervalul de frecvență necesar (cu o creștere a frecvenței la care funcționează condensatorul, caracteristicile dielectricului scad).
Unele instalații specializate sau de cercetare pot folosi condensatori sferici sau cilindrici.
Capacitatea unui condensator sferic poate fi calculată prin formula
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
unde R sunt razele sferelor și π=3,14.
Pentru un condensator cilindric, capacitatea se calculează astfel:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l este înălțimea cilindrilor, iar R1 și R2 sunt razele acestora.
În principiu, ambele formule nu diferă de formula pentru un condensator plat. Capacitatea este întotdeauna determinată de dimensiunile liniare ale plăcilor, distanța dintre ele și proprietățile dielectricului.
Conectarea în serie și paralelă a condensatoarelor
Condensatoarele pot fi conectate în serie sau în paralel, obținând un set cu noi caracteristici.
Conexiune paralelă
Dacă conectați condensatorii în paralel, atunci capacitatea totală a bateriei rezultate este egală cu suma tuturor capacităților componentelor sale. Dacă bateria constă din condensatoare de același design, aceasta poate fi considerată o adăugare a zonei bilei plăcilor. În acest caz, tensiunea de pe fiecare celulă a bateriei va fi aceeași, iar încărcările se vor aduna. Pentru trei condensatoare conectate în paralel:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
conexiune serială
Când sunt conectate în serie, sarcinile fiecărei capacități vor fi aceleași:
q1=q2=q3=q
Tensiunea totală este distribuită proporțional capacități ale condensatoarelor:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Dacă toți condensatorii sunt la fel, atunci tensiunea egală scade pe fiecare. Capacitatea totala se gaseste astfel:
С=q/( U1+U2+U3), prin urmare 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Utilizarea condensatoarelor în tehnologie
Este logic să folosim condensatori ca dispozitive de stocare a energiei electrice. În această capacitate, nu pot concura cu sursele electrochimice (baterii galvanice, condensatoare) din cauza energiei stocate reduse și a autodescărcării destul de rapide din cauza scurgerii de încărcare prin dielectric.Dar capacitatea lor de a acumula energie pentru o perioadă lungă de timp și apoi de a o da aproape instantaneu este utilizată pe scară largă. Această proprietate este utilizată în lămpile bliț pentru fotografie sau lămpile pentru excitarea laserelor.
Condensatorii sunt utilizați pe scară largă în inginerie radio și electronică. Capacitanțele sunt utilizate ca parte a circuitelor rezonante ca unul dintre elementele de setare a frecvenței ale circuitelor (celălalt element este inductanța). De asemenea, folosește capacitatea condensatoarelor de a nu trece curent continuu fără a întârzia componenta variabilă. O astfel de aplicație este comună pentru separarea treptelor de amplificare pentru a exclude influența modurilor DC ale unei trepte asupra alteia. Condensatoarele mari sunt folosite ca filtre de netezire în sursele de alimentare. Există, de asemenea, un număr mare de alte aplicații ale condensatoarelor în care proprietățile lor sunt utile.
Câteva modele practice de condensatoare
În practică, sunt utilizate diferite modele de condensatoare plate. Designul dispozitivului determină caracteristicile și domeniul de aplicare al acestuia.
condensator variabil
Un tip comun de condensator variabil (VPC) constă dintr-un bloc de plăci mobile și fixe separate prin aer sau un izolator solid. Plăcile mobile se rotesc în jurul axei, crescând sau micșorând zona de suprapunere. Când blocul în mișcare este îndepărtat, spațiul dintre electrozi rămâne neschimbat, dar distanța medie dintre plăci crește și ea. De asemenea, constanta dielectrică a izolatorului rămâne neschimbată. Capacitatea este reglată prin modificarea suprafeței plăcilor și a distanței medii dintre ele.
condensator de oxid
Anterior, un astfel de condensator era numit electrolitic. Este format din două benzi de folie separate de un dielectric de hârtie impregnat cu un electrolit. Prima bandă servește ca o singură placă, a doua placă servește ca electrolit. Dielectricul este un strat subțire de oxid pe una dintre benzile metalice, iar a doua bandă servește ca colector de curent.
Datorită faptului că stratul de oxid este foarte subțire, iar electrolitul se învecinează strâns cu acesta, a devenit posibilă obținerea unor capacități suficient de mari cu dimensiuni moderate. Prețul pentru aceasta a fost o tensiune de funcționare scăzută - stratul de oxid nu are rezistență electrică ridicată. Odată cu creșterea tensiunii de funcționare, este necesară creșterea semnificativă a dimensiunilor condensatorului.
O altă problemă este că oxidul are o conductivitate unilaterală, astfel încât astfel de recipiente sunt utilizate numai în circuitele DC cu polaritate.
Ionistor
După cum se arată mai sus, metodele tradiționale de creștere Condensatoare au limitări naturale. Prin urmare, adevărata descoperire a fost crearea ionistorilor.
Deși acest dispozitiv este considerat o legătură intermediară între un condensator și o baterie, în esență este încă un condensator.
Distanța dintre plăci este redusă drastic datorită utilizării unui dublu strat electric. Plăcile sunt straturi de ioni cu sarcini opuse. A devenit posibilă creșterea bruscă a suprafeței plăcilor datorită materialelor poroase spumate. Ca rezultat, este posibil să se obțină supercondensatori cu o capacitate de până la sute de farazi.O boală congenitală a unor astfel de dispozitive este tensiunea de funcționare scăzută (de obicei, la 10 volți).
Dezvoltarea tehnologiei nu stă pe loc - lămpile din multe zone sunt înlocuite de tranzistori bipolari, acestea, la rândul lor, sunt înlocuite cu triode unipolare. Atunci când proiectează circuite, ei încearcă să scape de inductanțe ori de câte ori este posibil. Iar condensatoarele nu și-au pierdut pozițiile pentru al doilea secol, designul lor nu s-a schimbat fundamental de la inventarea borcanului Leyden și nu există perspective de a-și pune capăt carierei.
Articole similare:
