Електрическият капацитет е едно от основните понятия на електростатиката. Този термин се отнася до способността за натрупване на електрически заряд. Може да се говори за капацитета на отделен проводник, може да се говори за капацитета на система от два или повече проводника. Физическите процеси са подобни.
Съдържание
Основни понятия, свързани с електрическия капацитет
Ако проводникът е получил заряд q, върху него възниква потенциал φ. Този потенциал зависи от геометрията и околната среда - за различни проводници и условия един и същ заряд ще предизвика различен потенциал. Но φ винаги е пропорционален на q:
φ=Cq
Коефициентът C се нарича електрически капацитет.Ако говорим за система от няколко проводника (обикновено два), тогава когато се придаде заряд на един проводник (плоча), възниква потенциална разлика или напрежение U:
U=Cq, следователно С=U/q
Капацитетът може да се определи като съотношението на потенциалната разлика към заряда, който го е причинил. SI мерната единица за капацитет е фарадът (навремето казваха фарад). 1 F \u003d 1 V / 1 C. С други думи, една система има капацитет от 1 фарад, в който, когато се предаде заряд от 1 кулон, възниква потенциална разлика от 1 волт. 1 Фарад е много голяма стойност. На практика най-често се използват дробни стойности - пикофарад, нанофарад, микрофарад.
На практика такава връзка дава възможност да се получи батерия, която може да издържи на по-голямо пробивно напрежение на диелектрика от това на една клетка.
Изчисляване на капацитета на кондензаторите
На практика най-често се използват като елементи с нормализиран електрически капацитет кондензатори, състоящ се от два плоски проводника (плочи), разделени от диелектрик. Формулата за изчисляване на електрическия капацитет на такъв кондензатор изглежда така:
C=(S/d)*ε*ε0
където:
- C - капацитет, F;
- S е площта на облицовките, кв.м;
- d е разстоянието между плочите, m;
- ε0 - електрическа константа, константа, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε е електрическата проницаемост на диелектрика, безразмерна величина.
От това е лесно да се разбере, че капацитетът е право пропорционален на площта на плочите и обратно пропорционален на разстоянието между проводниците. Също така капацитетът се влияе от материала, който разделя плочите.
За да разберете как количествата, които определят капацитета, влияят върху способността на кондензатора да съхранява заряд, можете да направите мисловен експеримент, за да създадете кондензатор с възможно най-голям капацитет.
- Можете да опитате да увеличите площта на плочите. Това ще доведе до рязко увеличаване на размерите и теглото на устройството. За да се намали размерът на облицовката с разделящ ги диелектрик, те се навиват (на тръба, плосък брикет и др.).
- Друг начин е да намалите разстоянието между плочите. Не винаги е възможно да се поставят проводниците много близо, тъй като диелектричният слой трябва да издържа на определена потенциална разлика между плочите. Колкото по-малка е дебелината, толкова по-ниска е диелектричната якост на изолационната междина. Ако поемете по този път, ще дойде момент, когато практическото използване на такъв кондензатор ще стане безсмислено - той може да работи само при изключително ниски напрежения.
- Увеличаване на електрическата пропускливост на диелектрика. Този път зависи от развитието на производствените технологии, които съществуват в момента. Изолационният материал трябва не само да има висока стойност на проницаемост, но и добри диелектрични свойства, както и да поддържа параметрите си в необходимия честотен диапазон (с увеличаване на честотата, при която кондензаторът работи, характеристиките на диелектрика намаляват).
Някои специализирани или изследователски инсталации могат да използват сферични или цилиндрични кондензатори.
Капацитетът на сферичен кондензатор може да се изчисли по формулата
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
където R са радиусите на сферите и π=3.14.
За цилиндричен кондензатор, капацитетът се изчислява като:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l е височината на цилиндрите, а R1 и R2 са техните радиуси.
По принцип и двете формули не се различават от формулата за плосък кондензатор. Капацитетът винаги се определя от линейните размери на плочите, разстоянието между тях и свойствата на диелектрика.
Последователно и паралелно свързване на кондензатори
Кондензаторите могат да бъдат свързани последователно или паралелно, получаване на комплект с нови характеристики.
Паралелна връзка
Ако свържете кондензаторите паралелно, тогава общият капацитет на получената батерия е равен на сумата от всички капацитети на нейните компоненти. Ако батерията се състои от кондензатори със същия дизайн, това може да се счита за добавяне на площта на плочите. В този случай напрежението на всяка клетка на батерията ще бъде еднакво и зарядите ще се сумират. За три паралелно свързани кондензатора:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
серийна връзка
Когато са свързани последователно, зарядите на всеки капацитет ще бъдат еднакви:
q1=q2=q3=q
Общото напрежение се разпределя пропорционално капацитети на кондензаторите:
- У1=q/C1;
- У2=q/C2;
- У3= q/C3.
Ако всички кондензатори са едни и същи, тогава напрежението пада във всеки един. Общият капацитет се намира като:
С=q/( U1+U2+U3), следователно 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Използването на кондензатори в техниката
Логично е кондензаторите да се използват като устройства за съхранение на електрическа енергия. В това си качество те не могат да се конкурират с електрохимични източници (галванични батерии, кондензатори) поради малката запасена енергия и доста бързото саморазреждане поради изтичане на заряд през диелектрика.Но способността им да натрупват енергия за дълъг период от време и след това почти моментално да я раздават е широко използвана. Това свойство се използва при светкавици за фотография или лампи за възбуждане на лазери.
Кондензаторите се използват широко в радиотехниката и електрониката. Капацитетите се използват като част от резонансните вериги като един от честотните елементи на веригите (другият елемент е индуктивността). Той също така използва способността на кондензаторите да не пропускат постоянен ток, без да забавят променливия компонент. Такова приложение е обичайно за разделяне на усилващи стъпала, за да се изключи влиянието на DC режимите на един етап върху друг. Големите кондензатори се използват като изглаждащи филтри в захранванията. Има и огромен брой други приложения на кондензатори, където техните свойства са полезни.
Някои практични дизайни на кондензатори
На практика се използват различни конструкции на плоски кондензатори. Дизайнът на устройството определя неговите характеристики и обхват.
променлив кондензатор
Често срещан тип променлив кондензатор (VPC) се състои от блок от подвижни и неподвижни пластини, разделени от въздух или твърд изолатор. Подвижните плочи се въртят около оста, увеличавайки или намалявайки площта на припокриване. Когато подвижният блок се отстрани, междуелектродната междина остава непроменена, но средното разстояние между плочите също се увеличава. Диелектричната константа на изолатора също остава непроменена. Капацитетът се регулира чрез промяна на площта на плочите и средното разстояние между тях.
оксиден кондензатор
Преди това такъв кондензатор се наричаше електролитен. Състои се от две ленти фолио, разделени от хартиен диелектрик, импрегниран с електролит. Първата лента служи като една плоча, втората пластина служи като електролит. Диелектрикът е тънък слой оксид върху една от металните ленти, а втората лента служи като токосъбирател.
Поради факта, че оксидният слой е много тънък и електролитът плътно приляга към него, стана възможно да се получат достатъчно големи капацитети с умерени размери. Цената за това беше ниско работно напрежение - оксидният слой няма висока електрическа якост. С увеличаване на работното напрежение е необходимо значително да се увеличат размерите на кондензатора.
Друг проблем е, че оксидът има едностранна проводимост, така че такива контейнери се използват само в DC вериги с полярност.
йонистор
Както е показано по-горе, традиционните методи за увеличаване Кондензатори имат естествени ограничения. Следователно истинският пробив беше създаването на йонистори.
Въпреки че това устройство се счита за междинна връзка между кондензатор и батерия, по същество то все още е кондензатор.
Разстоянието между плочите е драстично намалено благодарение на използването на двоен електрически слой. Плочите са слоеве от йони с противоположни заряди. Стана възможно рязко увеличаване на площта на плочите поради разпенени порести материали. В резултат на това е възможно да се получат суперкондензатори с капацитет до стотици фаради.Вродено заболяване на такива устройства е ниско работно напрежение (обикновено в рамките на 10 волта).
Развитието на технологиите не стои на едно място - лампите от много области са изместени от биполярни транзистори, те от своя страна се заменят с еднополярни триоди. Когато проектират вериги, те се опитват да се отърват от индуктивностите, където е възможно. И кондензаторите не са загубили позициите си за втори век, дизайнът им не се е променил фундаментално след изобретяването на буркана от Лейден и няма изгледи за прекратяване на кариерата им.
Подобни статии:
