Elektrická kapacita je jedním ze základních pojmů elektrostatiky. Tento termín označuje schopnost uchovávat elektrický náboj. Můžete hovořit o kapacitě jednoho vodiče nebo o kapacitě soustavy dvou či více vodičů. Fyzikální procesy jsou podobné.
Obsah
Základní pojmy související s kapacitou
Pokud vodič obdrží náboj q, vznikne na něm potenciál φ. Tento potenciál závisí na geometrii a prostředí - pro různé vodiče a podmínky bude stejný náboj mít různý potenciál. φ je však vždy úměrné q:
φ=Cq
Koeficient C a se nazývá elektrická kapacita. Pokud hovoříme o soustavě několika vodičů (obvykle dvou), vzniká při přivedení náboje do jednoho vodiče (pláště) rozdíl potenciálů neboli napětí U:
U=Cq, tedy C=U/q
Kapacitu lze definovat jako poměr rozdílu potenciálů a výsledného náboje. Měrnou jednotkou kapacity v soustavě SI je farad (dříve se říkalo farad). 1 F = 1 V/1k. Kapacita 1 farad je soustava, v níž náboj 1 coulomb vede k rozdílu potenciálů 1 volt. 1 Farad je velmi velká hodnota. V praxi se nejčastěji používají zlomkové hodnoty - pikofarady, nanofarady, mikrofarady.
V praxi tato kombinace vede k tomu, že baterie vydrží vyšší dielektrické průrazné napětí než samostatný článek.
Výpočet kapacity kondenzátoru
V praxi se nejčastěji používají prvky s jmenovitou kapacitou. kondenzátoryse skládá ze dvou plochých vodičů (svorek) oddělených dielektrikem. Vzorec pro výpočet elektrické kapacity takového kondenzátoru je následující:
C=(S/d)*ε*ε0
kde:
- C je kapacita, F;
- S je plocha vložek v m2;
- d je vzdálenost mezi kryty, m;
- ε0 - elektrická konstanta, konstantní, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektrická permitivita, bezrozměrná hodnota.
Z toho snadno pochopíme, že kapacita je přímo úměrná ploše krytů a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi vodiči. Kapacitu ovlivňuje také materiál, kterým jsou kryty odděleny.
Abyste pochopili, jak veličiny, které určují kapacitu, ovlivňují schopnost kondenzátoru uchovávat náboj, můžete provést mentální experiment a vytvořit kondenzátor s co největší kapacitou.
- Můžete zkusit zvětšit plochu vinutí. To by vedlo k dramatickému nárůstu velikosti a hmotnosti zařízení. Aby se zmenšila velikost vrstev, které od sebe odděluje dielektrikum, vrstvy se srolují (do trubky, ploché brikety atd.).
- Dalším způsobem je zmenšení vzdálenosti mezi vložkami. Ne vždy je možné umístit vodiče těsně vedle sebe, protože dielektrická vrstva musí být schopna vydržet určitý rozdíl potenciálů mezi vinutími. Čím menší je tloušťka, tím menší je elektrická pevnost izolační mezery. Pokud se vydáte touto cestou, dostanete se do bodu, kdy kondenzátor v praxi ztratí smysl - bude schopen pracovat pouze při velmi nízkých napětích.
- Zvyšte elektrickou propustnost dielektrika. Tento způsob závisí na současné výrobní technologii. Izolační materiál musí mít nejen vysokou hodnotu permeability, ale musí mít také dobré dielektrické vlastnosti a zachovat si své parametry v potřebném frekvenčním rozsahu (s rostoucí frekvencí, při které kondenzátor pracuje, se dielektrické vlastnosti snižují).
V některých specializovaných nebo výzkumných aplikacích lze použít kulové nebo válcové kondenzátory.
Kapacitu kulového kondenzátoru lze vypočítat podle vzorce
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kde R je poloměr koulí a π=3,14.
Pro válcovou konstrukci kondenzátoru se kapacita vypočítá jako:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l je výška válců a R1 a R2 jsou jejich poloměry.
Oba vzorce se v zásadě neliší od vzorce pro plochý kondenzátor. Kapacita je vždy určena lineárními rozměry svorek, vzdáleností mezi nimi a vlastnostmi dielektrika.
Sériové a paralelní zapojení kondenzátorů
Kondenzátory lze zapojit do série sériově nebo paralelně, čímž se vytvoří soubor s novými vlastnostmi.
Paralelní připojení
Pokud jsou kondenzátory zapojeny paralelně, je celková kapacita výsledné baterie rovna součtu kapacit všech jejích součástí. Pokud se baterie skládá ze stejné konstrukce kondenzátorů, lze si ji představit jako součet ploch všech desek. V tomto případě bude napětí na každém prvku baterie stejné a náboje se budou sčítat. Pro tři paralelně zapojené kondenzátory:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Sériové zapojení
Při sériovém zapojení jsou náboje jednotlivých kapacit stejné:
q1=q2=q3=q
Celkové napětí je rozloženo v poměru k kapacita kondenzátorů:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Pokud jsou všechny kondenzátory stejné, dopadá na každý z nich stejné napětí. Celkovou kapacitu zjistíme jako:
C=q/( U1+U2+U3), tedy 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Použití kondenzátorů v technice
Použití kondenzátorů jako zařízení pro ukládání elektrické energie je logické. Jako takové nemohou konkurovat elektrochemickým zdrojům (galvanickým bateriím, kondenzátorům) kvůli své nízké kapacitě pro ukládání energie a poměrně rychlému samovybíjení v důsledku úniku náboje přes dielektrikum. Jejich schopnost ukládat energii po dlouhou dobu a pak ji téměř okamžitě uvolňovat je však hojně využívána. Tato vlastnost se využívá v zábleskových lampách pro fotografování nebo v lampách pro buzení laserů.
Kondenzátory se hojně používají v radiotechnice a elektronice. Kondenzátory se používají v rezonančních obvodech jako jeden z prvků udržujících frekvenci obvodů (druhým prvkem je indukčnost). Využívá se také schopnosti kondenzátorů zadržet stejnosměrný proud bez zpoždění střídavé složky. Takové použití je běžné pro rozdělení zesilovacích stupňů, aby se eliminoval vliv stejnosměrných režimů jednoho stupně na druhý. Vysokokapacitní kondenzátory se používají jako vyhlazovací filtry v napájecích zdrojích. Existuje také obrovské množství dalších aplikací kondenzátorů, kde se jejich vlastnosti ukazují jako užitečné.
Některá praktická provedení kondenzátorů
V praxi se používají různé konstrukce plochých kondenzátorů. Konstrukce zařízení určuje jeho vlastnosti a oblast použití.
Proměnný kondenzátor
Běžný typ proměnného kondenzátoru (VAC) se skládá ze svazku pohyblivých a pevných desek oddělených vzduchem nebo pevným izolátorem. Pohyblivé desky se otáčejí kolem osy a zvětšují nebo zmenšují překrývající se plochu. Po vysunutí pohyblivé jednotky zůstane mezera mezi elektrodami nezměněna, ale zvětší se průměrná vzdálenost mezi deskami. Dielektrická konstanta izolantu se rovněž nemění. Kapacita se nastavuje změnou plochy krytů a průměrné vzdálenosti mezi nimi.
Oxidový kondenzátor
V minulosti se tento typ kondenzátoru nazýval elektrolytický kondenzátor. Skládá se ze dvou pásů fólie oddělených papírovým dielektrikem napuštěným elektrolytem. První pásek slouží jako jeden plášť a druhý pásek jako elektrolyt. Dielektrikem je tenká vrstva oxidu na jednom z kovových proužků a druhý proužek slouží jako sběrač proudu.
Díky tomu, že vrstva oxidu je velmi tenká a elektrolyt je v její blízkosti, je možné získat dostatečně vysokou kapacitu při mírné velikosti. Cenou za to je nízké provozní napětí - oxidová vrstva nemá vysokou dielektrickou pevnost. Zvyšuje-li se provozní napětí, musí se značně zvětšit velikost kondenzátoru.
Dalším problémem je, že oxid má jednosměrnou vodivost, takže takové kondenzátory se používají pouze ve stejnosměrných obvodech s ohledem na polaritu.
Ionistor
Jak je uvedeno výše, tradiční metody zvyšování kondenzátory mají přirozená omezení. Skutečným průlomem byl tedy vývoj ionistoru.
Ačkoli je toto zařízení považováno za mezistupeň mezi kondenzátorem a baterií, stále se v podstatě jedná o kondenzátor.
Vzdálenost mezi elektrodami se výrazně zmenšuje použitím dvojité elektrické vrstvy. Vrstvy jsou vrstvy iontů, které mají opačný náboj. Vysoce porézní pěnový materiál umožňuje výrazně zvětšit povrch vrstev. Výsledkem jsou superkondenzátory s kapacitou až stovek faradů. Vrozenou vadou těchto zařízení je nízké provozní napětí (obvykle do 10 V).
Vývoj technologie pokračoval - lampy byly v mnoha aplikacích nahrazeny bipolárními tranzistory a ty zase unipolárními triodami. Všude, kde je to možné, se při návrhu obvodů upouští od indukčností. A kondenzátory se nevzdávají svých pozic už druhé století, jejich konstrukce se od vynálezu leidenské nádoby zásadně nezměnila a není vyhlídka na ukončení jejich kariéry.
Související články:
