Capacitatea electrică este unul dintre conceptele de bază ale electrostaticii. Acest termen se referă la capacitatea sa de a stoca o sarcină electrică. Se poate vorbi despre capacitatea unui singur conductor sau despre capacitatea unui sistem format din doi sau mai mulți conductori. Procesele fizice implicate sunt similare.
Conținut
Concepte de bază legate de capacitate
Dacă un conductor a primit o sarcină q, pe el apare un potențial φ. Acest potențial depinde de geometrie și de mediul înconjurător - pentru conductori și condiții diferite, aceeași sarcină va determina un potențial diferit. Dar φ este întotdeauna proporțional cu q:
φ=Cq
Coeficientul C și se numește capacitate electrică. Dacă vorbim despre un sistem format din mai mulți conductori (de obicei doi), atunci când un conductor (învelișul) primește o sarcină, apare o diferență de potențial sau o tensiune U:
U=Cq, deci C=U/q
Capacitatea poate fi definită ca fiind raportul dintre diferența de potențial și sarcina rezultată. Unitatea de măsură a capacității în SI este Faradul (denumit anterior Farad). 1 F = 1 V/1k. Capacitatea de 1 Farad este un sistem în care o sarcină de 1 coulomb are ca rezultat o diferență de potențial de 1 volt. 1 Farad este o valoare foarte mare. În practică, valorile fracționare - picofaradii, nanofaradii, microfaradii - sunt utilizate cel mai frecvent.
În practică, această combinație are ca rezultat o baterie care poate rezista la o tensiune de rupere dielectrică mai mare decât o singură celulă.
Calcularea capacității condensatorului
În practică, cele mai frecvent utilizate elemente cu capacitate nominală sunt condensatorialcătuit din doi conductori (terminale), separați de un dielectric. Formula de calcul a capacității electrice a unui astfel de condensator este următoarea:
C=(S/d)*ε*ε0
unde:
- C este capacitatea, F;
- S este suprafața inserțiilor, în metri pătrați;
- d este distanța dintre capace, m;
- ε0 - constantă electrică, constantă, 8.854*10−12 F/m;
- ε - permitivitatea dielectrică, valoare adimensională.
De aici este ușor de înțeles că capacitatea este direct proporțională cu suprafața capacelor și invers proporțională cu distanța dintre conductoare. Capacitatea este, de asemenea, afectată de materialul cu care sunt separate capacele.
Pentru a înțelege modul în care cantitățile care determină capacitatea afectează capacitatea unui condensator de a stoca sarcină, puteți face un experiment mental pentru a crea un condensator cu cea mai mare capacitate posibilă.
- Ați putea încerca să măriți suprafața înfășurărilor. Acest lucru ar duce la o creștere dramatică a dimensiunii și greutății dispozitivului. Pentru a reduce dimensiunea straturilor cu dielectricul care le separă, straturile sunt rulate (sub formă de tub, brichetă plată etc.).
- O altă modalitate este de a reduce distanța dintre inserții. Nu este întotdeauna posibilă poziționarea foarte apropiată a conductorilor, deoarece stratul dielectric trebuie să poată rezista la o anumită diferență de potențial între înfășurări. Cu cât grosimea este mai mică, cu atât este mai mică rezistența electrică a spațiului izolator. Dacă urmați această cale, veți ajunge la un punct în care condensatorul devine inutil în practică - va putea funcționa doar la tensiuni foarte mici.
- Creșterea permeabilității electrice dielectrice. Acest mod depinde de tehnologia de producție actuală. Materialul izolator nu trebuie să aibă doar o valoare ridicată a permeabilității, ci trebuie să aibă și proprietăți dielectrice bune și să își mențină parametrii în intervalul de frecvență necesar (pe măsură ce frecvența la care funcționează condensatorul crește, caracteristicile dielectrice scad).
Condensatoarele sferice sau cilindrice pot fi utilizate în anumite aplicații specializate sau de cercetare.
Capacitatea unui condensator sferic poate fi calculată conform formulei
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
unde R este raza 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 terminalelor, de distanța dintre ele și de proprietățile dielectricului.
Conectarea condensatoarelor în serie și în paralel
Condensatoarele pot fi conectate în serie în serie sau în paralel, creând un set cu caracteristici noi.
Conexiune paralelă
Dacă condensatoarele sunt conectate în paralel, capacitatea totală a bateriei rezultate este egală cu suma capacităților tuturor componentelor sale. Dacă o baterie este formată din aceeași construcție de condensatori, se poate considera că se adună suprafața tuturor plăcilor. În acest caz, tensiunea pe fiecare element al bateriei va fi aceeași, iar sarcinile se vor aduna. Pentru trei condensatoare conectate în paralel:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Conexiune în serie
Atunci când sunt conectate în serie, sarcinile fiecărei capacități vor fi aceleași:
q1=q2=q3=q
Tensiunea totală este distribuită proporțional cu capacitatea condensatoarelor:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Dacă toate condensatoarele sunt identice, pe fiecare dintre ele cade o tensiune egală. Capacitatea totală se calculează astfel:
C=q/( U1+U2+U3), deci 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Aplicații ale condensatorilor în tehnologie
Este logic să se utilizeze condensatorii ca dispozitive de stocare a energiei electrice. Ca atare, ele nu pot concura cu sursele electrochimice (baterii galvanice, condensatori) din cauza capacității lor scăzute de stocare a energiei și a descărcării automate destul de rapide din cauza scurgerilor de sarcină prin dielectric. Dar capacitatea lor de a stoca energie pe o perioadă lungă de timp și apoi de a o elibera aproape instantaneu este utilizată pe scară largă. Această proprietate este utilizată la lămpile cu bliț pentru fotografie sau la lămpile pentru excitarea laserelor.
Condensatoarele sunt utilizate pe scară largă în radiotehnică și electronică. Condensatoarele sunt utilizate în circuitele rezonante ca unul dintre elementele de menținere a frecvenței în circuite (celălalt element este inductanța). Se utilizează, de asemenea, capacitatea condensatoarelor de a împiedica curentul continuu fără a întârzia componenta de curent alternativ. O astfel de utilizare este obișnuită pentru divizarea etajelor de amplificare pentru a elimina influența modurilor de curent continuu ale unui etaj asupra celuilalt. Condensatoarele de mare capacitate sunt utilizate ca filtre de netezire în sursele de alimentare. Există, de asemenea, un număr foarte mare de alte aplicații ale condensatoarelor în care proprietățile acestora se dovedesc utile.
Unele modele practice de condensator
În practică se utilizează o varietate de modele de condensatoare plate. Proiectarea dispozitivului determină caracteristicile și domeniul de aplicare al acestuia.
Condensator variabil
Un tip obișnuit de condensator variabil (VAC) constă dintr-un banc de plăci mobile și fixe, separate de aer sau de un izolator solid. Plăcile mobile se rotesc în jurul unei axe, mărind sau reducând suprafața de suprapunere. Atunci când unitatea mobilă este retrasă, distanța dintre electrozi rămâne neschimbată, dar distanța medie dintre plăci crește și ea. Constanta dielectrică a izolatorului rămâne, de asemenea, neschimbată. Capacitatea este ajustată prin modificarea suprafeței capacelor și a distanței medii dintre ele.
Condensator de oxid
În trecut, acest tip de condensator se numea condensator electrolitic. Acesta este format din două benzi de folie separate de un dielectric din hârtie îmbibat în electrolit. Prima bandă servește drept înveliș, iar cea de-a doua bandă servește drept electrolit. Dielectricul este un strat subțire de oxid pe una dintre benzile metalice, iar cea de-a doua bandă servește drept colector de curent.
Faptul că stratul de oxid este foarte subțire și că electrolitul este aproape de el, este posibil să se obțină o capacitate suficient de mare cu o dimensiune moderată. Prețul plătit pentru acest lucru este tensiunea de funcționare scăzută - stratul de oxid nu are o rezistență dielectrică ridicată. În cazul în care tensiunea de funcționare crește, dimensiunea condensatorului trebuie să crească considerabil.
O altă problemă este că oxidul are o conductivitate unidirecțională, astfel încât astfel de condensatori sunt utilizați numai în circuitele de curent continuu în ceea ce privește polaritatea.
Ionistor
După cum s-a arătat mai sus, metodele tradiționale de creștere a condensatori au limitări naturale. Prin urmare, adevărata descoperire a fost dezvoltarea ionistorului.
Deși acest dispozitiv este considerat a fi un intermediar între un condensator și o baterie, este în esență un condensator.
Distanța dintre electrozi este redusă drastic prin utilizarea unui strat electric dublu. Straturile sunt straturi de ioni care au o sarcină opusă. Un material spumă foarte poros face posibilă creșterea drastică a suprafeței straturilor. Rezultatul este reprezentat de supercondensatori cu capacități de până la sute de farade. Boala congenitală a acestor dispozitive este tensiunea de funcționare scăzută (de obicei, în limita a 10 volți).
Dezvoltarea tehnologiei a continuat - lămpile au fost înlocuite de tranzistori bipolari în multe aplicații, iar aceștia, la rândul lor, au fost înlocuiți de diode unipolare. Se renunță la inductanțe ori de câte ori este posibil în proiectarea circuitelor. Iar condensatorii nu renunță la pozițiile lor pentru al doilea secol, designul lor nu s-a schimbat fundamental de la inventarea borcanului de la Leiden și nu există nicio perspectivă de încheiere a carierei lor.
Articole conexe:
