Elektrická kapacita je jedním ze základních pojmů elektrostatiky. Tento termín označuje schopnost akumulovat elektrický náboj. Můžete mluvit o kapacitě samostatného vodiče, můžete mluvit o kapacitě systému dvou nebo více vodičů. Fyzikální procesy jsou podobné.
Obsah
Základní pojmy týkající se elektrické kapacity
Pokud vodič přijal náboj q, vzniká na něm potenciál φ. Tento potenciál závisí na geometrii a prostředí – pro různé vodiče a podmínky způsobí stejný náboj různý potenciál. Ale φ je vždy úměrné q:
φ=Cq
Koeficient C se nazývá elektrická kapacita.Pokud mluvíme o systému několika vodičů (obvykle dvou), pak když je náboj předán jednomu vodiči (desce), dochází k rozdílu potenciálů nebo napětí U:
U=Cq, tedy С=U/q
Kapacita může být definována jako poměr rozdílu potenciálu k náboji, který to způsobil. Jednotkou SI pro kapacitu je farad (říkali farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Jinými slovy, systém má kapacitu 1 farad, ve kterém, když je předán náboj 1 coulomb, vzniká potenciální rozdíl 1 volt. 1 Farad je velmi vysoká hodnota. V praxi se nejčastěji používají zlomkové hodnoty - pikofarad, nanofarad, mikrofarad.
V praxi takové spojení umožňuje získat baterii, která snese větší průrazné napětí dielektrika, než má jeden článek.
Výpočet kapacity kondenzátorů
V praxi se nejčastěji používají jako prvky s normalizovanou elektrickou kapacitou kondenzátory, skládající se ze dvou plochých vodičů (desek), oddělených dielektrikem. Vzorec pro výpočet elektrické kapacity takového kondenzátoru vypadá takto:
C=(S/d)*e*e0
kde:
- C - kapacita, F;
- S je plocha obkladů, m2;
- d je vzdálenost mezi deskami, m;
- ε0 - elektrická konstanta, konstanta, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε je elektrická permitivita dielektrika, bezrozměrná veličina.
Z toho je snadné pochopit, že kapacita je přímo úměrná ploše desek a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi vodiči. Také kapacita je ovlivněna materiálem, který odděluje desky.
Abyste pochopili, jak veličiny určující kapacitu ovlivňují schopnost kondenzátoru ukládat náboj, můžete provést myšlenkový experiment a vytvořit kondenzátor s největší možnou kapacitou.
- Můžete se pokusit zvětšit plochu desek. To povede k prudkému nárůstu rozměrů a hmotnosti zařízení. Aby se zmenšila velikost vyzdívky s dielektrikem, které je odděluje, jsou srolovány (do trubky, ploché brikety atd.).
- Dalším způsobem je zmenšit vzdálenost mezi deskami. Není vždy možné umístit vodiče velmi blízko, protože dielektrická vrstva musí odolat určitému rozdílu potenciálu mezi deskami. Čím menší je tloušťka, tím nižší je dielektrická pevnost izolační mezery. Pokud se vydáte touto cestou, přijde čas, kdy praktické použití takového kondenzátoru ztratí smysl - může fungovat pouze při extrémně nízkém napětí.
- Zvýšení elektrické permeability dielektrika. Tato cesta závisí na vývoji výrobních technologií, které v současnosti existují. Izolační materiál musí mít nejen vysokou hodnotu propustnosti, ale i dobré dielektrické vlastnosti a také si udržet své parametry v požadovaném frekvenčním rozsahu (s nárůstem frekvence, na které kondenzátor pracuje, se charakteristika dielektrika snižuje).
Některé specializované nebo výzkumné instalace mohou používat kulové nebo válcové kondenzátory.
Kapacitu kulového kondenzátoru lze vypočítat podle vzorce
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kde R jsou poloměry koulí a π=3,14.
Pro válcový kondenzátor se kapacita vypočítá jako:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l je výška válců a R1 a R2 jsou jejich poloměry.
V zásadě se oba vzorce neliší od vzorce pro plochý kondenzátor. Kapacita je vždy určena lineárními rozměry desek, vzdáleností mezi nimi a vlastnostmi dielektrika.
Sériové a paralelní zapojení kondenzátorů
Kondenzátory lze připojit sériově nebo paralelně, získání sady s novými vlastnostmi.
Paralelní připojení
Pokud zapojíte kondenzátory paralelně, pak se celková kapacita výsledné baterie rovná součtu všech kapacit jejích součástí. Pokud se baterie skládá z kondenzátorů stejného designu, lze to považovat za přidání plochy desek. V tomto případě bude napětí na každém článku baterie stejné a nabití se bude sčítat. Pro tři paralelně zapojené kondenzátory:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
sériové připojení
Při sériovém zapojení budou náboje každé kapacity stejné:
q1=q2=q3=q
Celkové napětí je rozloženo proporcionálně kapacity kondenzátorů:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Pokud jsou všechny kondenzátory stejné, poklesne na každém z nich stejné napětí. Celková kapacita se zjistí takto:
С=q/( U1+U2+U3), tedy 1/С=( U1+U2+U3)/q = 1/C1+1/S2+1/S3.
Využití kondenzátorů v technice
Je logické používat kondenzátory jako zařízení pro ukládání elektrické energie. V této kapacitě nemohou konkurovat elektrochemickým zdrojům (galvanické baterie, kondenzátory) kvůli malé akumulované energii a poměrně rychlému samovybíjení kvůli úniku náboje dielektrikem.Ale jejich schopnost akumulovat energii po dlouhou dobu a pak ji téměř okamžitě rozdávat je široce využívána. Tato vlastnost se využívá u zábleskových lamp pro fotografování nebo lamp pro buzení laserů.
Kondenzátory jsou široce používány v radiotechnice a elektronice. Kapacity se používají jako součást rezonančních obvodů jako jeden z frekvenčně nastavujících prvků obvodů (druhým prvkem je indukčnost). Využívá také schopnosti kondenzátorů nepropouštět stejnosměrný proud bez zpoždění proměnné složky. Taková aplikace je běžná pro oddělení zesilovacích stupňů, aby se vyloučil vliv stejnosměrných režimů jednoho stupně na jiný. Velké kondenzátory se používají jako vyhlazovací filtry v napájecích zdrojích. Existuje také obrovské množství dalších aplikací kondenzátorů, kde jsou jejich vlastnosti užitečné.
Některé praktické návrhy kondenzátorů
V praxi se používají různé konstrukce plochých kondenzátorů. Konstrukce zařízení určuje jeho vlastnosti a rozsah.
variabilní kondenzátor
Běžný typ variabilního kondenzátoru (VPC) sestává z bloku pohyblivých a pevných desek oddělených vzduchem nebo pevným izolátorem. Pohyblivé desky se otáčejí kolem osy a zvětšují nebo zmenšují plochu překrytí. Po odstranění pohyblivého bloku zůstane mezielektrodová mezera nezměněna, ale také se zvětší průměrná vzdálenost mezi deskami. Dielektrická konstanta izolantu také zůstává nezměněna. Kapacita je regulována změnou plochy desek a průměrné vzdálenosti mezi nimi.
oxidový kondenzátor
Dříve se takový kondenzátor nazýval elektrolytický. Skládá se ze dvou pásů fólie oddělených papírovým dielektrikem napuštěným elektrolytem. První pásek slouží jako jedna deska, druhá deska slouží jako elektrolyt. Dielektrikum je tenká vrstva oxidu na jednom z kovových pásků a druhý pásek slouží jako sběrač proudu.
Vzhledem k tomu, že vrstva oxidu je velmi tenká a elektrolyt k ní těsně přiléhá, bylo možné získat dostatečně velké kapacity se středními rozměry. Cenou za to bylo nízké provozní napětí - vrstva oxidu nemá vysokou elektrickou pevnost. Se zvýšením provozního napětí je nutné výrazně zvětšit rozměry kondenzátoru.
Dalším problémem je, že oxid má jednostrannou vodivost, takže takové nádoby se používají pouze ve stejnosměrných obvodech s polaritou.
Ionistor
Jak je uvedeno výše, tradiční metody zvyšování Kondenzátory mají přirozená omezení. Proto skutečným průlomem bylo vytvoření ionistorů.
Přestože je toto zařízení považováno za mezičlánek mezi kondenzátorem a baterií, v podstatě se stále jedná o kondenzátor.
Vzdálenost mezi deskami je drasticky snížena díky použití dvojité elektrické vrstvy. Desky jsou vrstvy iontů s opačným nábojem. Díky pěnovým porézním materiálům bylo možné prudce zvětšit plochu desek. Díky tomu je možné získat superkondenzátory s kapacitou až stovek farad.Vrozeným onemocněním takových zařízení je nízké provozní napětí (obvykle do 10 voltů).
Vývoj technologie se nezastaví - výbojky z mnoha oblastí jsou nahrazeny bipolárními tranzistory, ty jsou naopak nahrazeny unipolárními triodami. Při návrhu obvodů se snaží zbavit indukčností, kde je to možné. A kondenzátory neztratily své pozice ani druhé století, jejich konstrukce se od vynálezu leydenské sklenice zásadně nezměnila a vyhlídky na ukončení kariéry nejsou.
Podobné články:
