Elektrisk kapacitet er et af de grundlæggende begreber inden for elektrostatik. Dette udtryk henviser til dens evne til at lagre en elektrisk ladning. Du kan tale om kapacitansen af en enkelt leder eller om kapacitansen af et system af to eller flere ledere. De fysiske processer, der er involveret, er ens.
Indhold
Grundlæggende koncepter i forbindelse med kapacitans
Hvis en leder har modtaget en ladning q, opstår der et potentiale φ på den. Dette potentiale afhænger af geometrien og miljøet - for forskellige ledere og forhold vil den samme ladning give et forskelligt potentiale. Men φ er altid proportional med q:
φ=Cq
Koefficienten C og kaldes den elektriske kapacitans. Hvis der er tale om et system med flere ledere (normalt to), opstår der en potentialforskel eller spænding U, når der tilføres en ladning til den ene leder (kappen):
U=Cq, og dermed C=U/q
Kapacitans kan defineres som forholdet mellem potentialforskellen og den resulterende ladning. Måleenheden for kapacitans i SI er farad (tidligere kaldet farad). 1 F = 1 V/1k. Kapacitansen på 1 Farad er et system, hvor en ladning på 1 coulomb resulterer i en potentialforskel på 1 volt. 1 farad er en meget stor værdi. I praksis anvendes der oftest brøkværdier - picofarads, nanofarads, mikrofarads - i praksis.
I praksis resulterer denne kombination i et batteri, der kan modstå en højere dielektrisk nedbrydningsspænding end en enkelt celle.
Beregning af kondensatorens kapacitet
I praksis er de mest almindeligt anvendte elementer med en nominel kapacitans kondensatorerbestår af to flade ledere (terminaler), der er adskilt af et dielektrikum. Formlen til beregning af den elektriske kapacitet for en sådan kondensator er som følger:
C=(S/d)*ε*ε0
hvor:
- C er kapacitansen, F;
- S er arealet af indsatserne, i m²;
- d er afstanden mellem dækslerne, m;
- ε0 - elektrisk konstant, konstant, 8.854*10−12 F/m;
- ε - dielektrisk permittivitet, dimensionsløs værdi.
Det er let at forstå, at kapacitansen er direkte proportional med dækningsfladenes areal og omvendt proportional med afstanden mellem lederne. Kapacitansen påvirkes også af det materiale, hvormed dækslerne er adskilt.
For at forstå, hvordan de størrelser, der bestemmer kapacitansen, påvirker en kondensators evne til at lagre ladning, kan du lave et mentalt eksperiment for at skabe en kondensator med den størst mulige kapacitet.
- Du kan prøve at øge arealet af viklingerne. Dette ville føre til en dramatisk forøgelse af enhedens størrelse og vægt. For at reducere størrelsen af lagene med det dielektriske materiale, der adskiller dem, rulles lagene sammen (til et rør, en flad briket osv.).
- En anden måde er at reducere afstanden mellem indsatserne. Det er ikke altid muligt at placere lederne meget tæt på hinanden, da det dielektriske lag skal kunne modstå en vis potentialforskel mellem viklingerne. Jo mindre tykkelsen er, jo lavere er den elektriske styrke af det isolerende mellemrum. Hvis du vælger denne vej, vil du nå et punkt, hvor kondensatoren bliver meningsløs i praksis - den vil kun kunne fungere ved meget lave spændinger.
- Forøgelse af den dielektriske elektriske permeabilitet. Denne måde afhænger af den aktuelle produktionsteknologi. Det isolerende materiale skal ikke blot have en høj permeabilitetsværdi, men skal også have gode dielektriske egenskaber og bevare sine parametre i det nødvendige frekvensområde (i takt med at kondensatorens frekvens stiger, falder de dielektriske egenskaber).
Sfæriske eller cylindriske kondensatorer kan anvendes i visse specialiserede eller forskningsmæssige anvendelser.
Kapacitansen for en kugleformet kondensator kan beregnes efter formlen
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
hvor R er kuglernes radius og π=3,14.
For en cylinderformet kondensator beregnes kapacitansen som:
C=2*π*ε*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l er cylindernes højde, og R1 og R2 er deres radier.
I princippet adskiller begge formler sig ikke fra formlen for en flad kondensator. Kapacitansen bestemmes altid af terminalernes lineære dimensioner, afstanden mellem dem og dielektrikummets egenskaber.
Tilslutning af kondensatorer i serie og parallelt
Kondensatorer kan være forbundet i serie i serie eller parallelt, hvorved der skabes et sæt med nye egenskaber.
Parallelforbindelse
Hvis kondensatorerne er parallelforbundet, er den samlede kapacitans af det resulterende batteri lig med summen af kapacitanserne af alle dets komponenter. Hvis et batteri består af den samme konstruktion af kondensatorer, kan det betragtes som en sammenlægning af arealet af alle pladerne. I dette tilfælde vil spændingen over hvert element i batteriet være den samme, og ladningerne vil blive lagt sammen. For tre kondensatorer, der er parallelforbundet:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Tilslutning i serie
Når de er forbundet i serie, er ladningerne i hver kapacitet de samme:
q1=q2=q3=q
Den samlede spænding er fordelt i forhold til kapacitans af kondensatorer:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Hvis alle kondensatorer er ens, falder der lige stor spænding på hver. Den samlede kapacitans findes som:
C=q/( U1+U2+U3), og derfor 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Anvendelse af kondensatorer i teknologien
Det er logisk at bruge kondensatorer som elektriske energilagringsenheder. Som sådan kan de ikke konkurrere med elektrokemiske kilder (galvaniske batterier, kondensatorer) på grund af deres lave energilagringskapacitet og ret hurtige selvafladning på grund af ladningslækage gennem dielektret. Men deres evne til at lagre energi over en lang periode og derefter frigive den næsten øjeblikkeligt anvendes i vid udstrækning. Denne egenskab anvendes i blitzlamper til fotografering eller i lamper til excitering af lasere.
Kondensatorer anvendes i vid udstrækning inden for radioteknik og elektronik. Kondensatorer anvendes i resonanskredsløb som et af de frekvensbevarende elementer i kredsløb (det andet element er induktans). Kondensatorers evne til at holde jævnstrøm ude uden at forsinke vekselstrømskomponenten anvendes også. En sådan anvendelse er almindelig ved opdeling af forstærkertrin for at eliminere påvirkningen af DC-tilstande i det ene trin på det andet. Kondensatorer med høj kapacitet anvendes som udjævningsfiltre i strømforsyninger. Der findes også et stort antal andre kondensatoranvendelser, hvor deres egenskaber er nyttige.
Nogle praktiske kondensatorkonstruktioner
I praksis anvendes en række forskellige flade kondensatorer i forskellige udformninger. Enhedens udformning bestemmer dens egenskaber og anvendelsesområde.
Variabel kondensator
En almindelig type variabel kondensator (VAC) består af en række bevægelige og faste plader, der er adskilt af luft eller en fast isolator. De bevægelige plader roterer rundt om en akse og øger eller mindsker det overlappende område. Når den bevægelige enhed trækkes tilbage, forbliver afstanden mellem elektroderne uændret, men den gennemsnitlige afstand mellem pladerne øges også. Isolatorens dielektriske konstant forbliver også uændret. Kapacitansen justeres ved at ændre dækkenes areal og den gennemsnitlige afstand mellem dem.
Oxidkondensator
Tidligere blev denne type kondensator kaldt en elektrolytisk kondensator. Den består af to folieremser adskilt af et papirdielektrikum, der er gennemvædet af elektrolyt. Den første strimmel tjener som en kappe, og den anden strimmel tjener som elektrolyt. Dielektrisket er et tyndt lag oxid på en af metalstrimlerne, og den anden strimmel tjener som strømaftager.
Da oxidlaget er meget tyndt, og elektrolytten er tæt på det, er det muligt at opnå en tilstrækkelig høj kapacitet med en moderat størrelse. Prisen for dette er den lave driftsspænding - oxidlaget har ikke en høj dielektrisk styrke. Når driftsspændingen stiger, skal kondensatorens størrelse øges betragteligt.
Et andet problem er, at oxidet har en ensrettet ledningsevne, så sådanne kondensatorer anvendes kun i jævnstrømskredsløb med hensyn til polaritet.
Ionistor
Som det fremgår ovenfor, er de traditionelle metoder til at øge kondensatorer har naturlige begrænsninger. Det virkelige gennembrud var derfor udviklingen af ionistoren.
Selv om denne anordning betragtes som et mellemprodukt mellem en kondensator og et batteri, er det stadig i bund og grund en kondensator.
Afstanden mellem elektroderne reduceres drastisk ved brug af et dobbelt elektrisk lag. Lagene er lag af ioner, der har modsat ladning. Et meget porøst skummateriale gør det muligt at øge lagrenes overfladeareal drastisk. Resultatet er superkondensatorer med kapaciteter på op til flere hundrede farads. Den medfødte sygdom i disse enheder er lav driftsspænding (normalt inden for 10 volt).
Den teknologiske udvikling er fortsat - lamperne er blevet erstattet af bipolære transistorer i mange applikationer, og disse er igen blevet erstattet af unipolære trioder. Induktiviteterne er så vidt muligt udelukket i kredsløbsdesignet. Og kondensatorer opgiver ikke deres positioner i det andet århundrede, deres design har ikke ændret sig grundlæggende siden opfindelsen af Leiden-krukken, og der er ingen udsigt til at stoppe deres karriere.
Relaterede artikler:
