Η ηλεκτρική χωρητικότητα είναι μία από τις βασικές έννοιες της ηλεκτροστατικής. Ο όρος αυτός αναφέρεται στην ικανότητά του να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο. Μπορείτε να μιλήσετε για τη χωρητικότητα ενός μόνο αγωγού ή για τη χωρητικότητα ενός συστήματος δύο ή περισσότερων αγωγών. Οι φυσικές διεργασίες που εμπλέκονται είναι παρόμοιες.
Περιεχόμενο
Βασικές έννοιες σχετικά με τη χωρητικότητα
Εάν ένας αγωγός έχει δεχθεί φορτίο q, δημιουργείται πάνω του ένα δυναμικό φ. Αυτό το δυναμικό εξαρτάται από τη γεωμετρία και το περιβάλλον - για διαφορετικούς αγωγούς και συνθήκες, το ίδιο φορτίο θα προκαλέσει διαφορετικό δυναμικό. Αλλά το φ είναι πάντα ανάλογο του q:
φ=Cq
Ο συντελεστής C και ονομάζεται ηλεκτρική χωρητικότητα. Αν μιλάμε για ένα σύστημα πολλών αγωγών (συνήθως δύο), μια διαφορά δυναμικού ή τάση U προκύπτει όταν ένα φορτίο δίνεται σε έναν αγωγό (το περίβλημα):
U=Cq, άρα C=U/q
Η χωρητικότητα μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της διαφοράς δυναμικού προς το φορτίο που προκύπτει. Η μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας στο SI είναι το Farad (παλαιότερα ονομαζόταν Farad). 1 F = 1 V/1k. Η χωρητικότητα του 1 Farad είναι ένα σύστημα, στο οποίο δίνοντας ένα φορτίο 1 coulomb προκύπτει μια διαφορά δυναμικού 1 volt. Το 1 Farad είναι μια πολύ μεγάλη τιμή. Στην πράξη, χρησιμοποιούνται συνήθως κλασματικές τιμές - πικοφαράδες, νανοφαράδες, μικροφαράδες.
Στην πράξη, ο συνδυασμός αυτός οδηγεί σε μια μπαταρία που μπορεί να αντέξει υψηλότερη τάση διηλεκτρικής διάσπασης από ό,τι ένα μεμονωμένο κύτταρο.
Υπολογισμός της χωρητικότητας του πυκνωτή
Στην πράξη, τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα στοιχεία με ονομαστική χωρητικότητα είναι τα εξής πυκνωτέςαποτελείται από δύο επίπεδους αγωγούς (ακροδέκτες), που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό. Ο τύπος για τον υπολογισμό της ηλεκτρικής χωρητικότητας ενός τέτοιου πυκνωτή έχει ως εξής:
C=(S/d)*ε*ε0
όπου:
- C είναι η χωρητικότητα, F,
- S είναι το εμβαδόν των ενθεμάτων, τ.μ,
- d είναι η απόσταση μεταξύ των καλυμμάτων, m,
- ε0 - ηλεκτρική σταθερά, σταθερά, 8,854*10−12 F/m,
- ε - διηλεκτρική διαπερατότητα, τιμή χωρίς διάσταση.
Από αυτό γίνεται εύκολα κατανοητό ότι η χωρητικότητα είναι ευθέως ανάλογη του εμβαδού των καλυμμάτων και αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης μεταξύ των αγωγών. Η χωρητικότητα επηρεάζεται επίσης από το υλικό με το οποίο διαχωρίζονται τα καλύμματα.
Για να καταλάβετε πώς τα μεγέθη που καθορίζουν τη χωρητικότητα επηρεάζουν την ικανότητα ενός πυκνωτή να αποθηκεύει φορτίο, μπορείτε να κάνετε ένα νοητικό πείραμα για να δημιουργήσετε έναν πυκνωτή με τη μεγαλύτερη δυνατή χωρητικότητα.
- Θα μπορούσατε να δοκιμάσετε να αυξήσετε το εμβαδόν των περιελίξεων. Αυτό θα οδηγούσε σε δραματική αύξηση του μεγέθους και του βάρους της συσκευής. Προκειμένου να μειωθεί το μέγεθος των στρωμάτων με το διηλεκτρικό που τα χωρίζει, τα στρώματα τυλίγονται σε ρολό (σε σωλήνα, επίπεδο μπρικέτο κ.λπ.).
- Ένας άλλος τρόπος είναι να μειώσετε την απόσταση μεταξύ των ενθέτων. Δεν είναι πάντα δυνατό να τοποθετηθούν οι αγωγοί πολύ κοντά, καθώς το διηλεκτρικό στρώμα πρέπει να αντέχει μια ορισμένη διαφορά δυναμικού μεταξύ των περιελίξεων. Όσο μικρότερο είναι το πάχος, τόσο μικρότερη είναι η ηλεκτρική αντοχή του μονωτικού διακένου. Αν ακολουθήσετε αυτή την οδό, θα φτάσετε σε ένα σημείο όπου ο πυκνωτής θα καταστεί άνευ σημασίας στην πράξη - θα είναι σε θέση να λειτουργήσει μόνο σε πολύ χαμηλές τάσεις.
- Αύξηση της διηλεκτρικής ηλεκτρικής διαπερατότητας. Αυτός ο τρόπος εξαρτάται από την τρέχουσα τεχνολογία παραγωγής. Το μονωτικό υλικό πρέπει όχι μόνο να έχει υψηλή τιμή διαπερατότητας, αλλά και να έχει καλές διηλεκτρικές ιδιότητες και να διατηρεί τις παραμέτρους του στο απαραίτητο εύρος συχνοτήτων (καθώς αυξάνεται η συχνότητα στην οποία λειτουργεί ο πυκνωτής, τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά μειώνονται).
Σφαιρικοί ή κυλινδρικοί πυκνωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ορισμένες εξειδικευμένες ή ερευνητικές εφαρμογές.
Η χωρητικότητα ενός σφαιρικού πυκνωτή μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τον τύπο
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
όπου R είναι η ακτίνα των σφαιρών και π=3,14.
Για κυλινδρικό πυκνωτή, η χωρητικότητα υπολογίζεται ως εξής:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l είναι το ύψος των κυλίνδρων και R1 και R2 είναι οι ακτίνες τους.
Κατ' αρχήν και οι δύο τύποι δεν διαφέρουν από τον τύπο για έναν επίπεδο πυκνωτή. Η χωρητικότητα καθορίζεται πάντα από τις γραμμικές διαστάσεις των ακροδεκτών, την απόσταση μεταξύ τους και τις ιδιότητες του διηλεκτρικού.
Σύνδεση πυκνωτών σε σειρά και παράλληλα
Οι πυκνωτές μπορούν να συνδεθούν σε σειρά σε σειρά ή παράλληλα, δημιουργώντας ένα σύνολο με νέα χαρακτηριστικά.
Παράλληλη σύνδεση
Εάν οι πυκνωτές συνδεθούν παράλληλα, η συνολική χωρητικότητα της προκύπτουσας μπαταρίας είναι ίση με το άθροισμα των χωρητικοτήτων όλων των στοιχείων της. Εάν μια μπαταρία αποτελείται από την ίδια κατασκευή πυκνωτών, μπορεί να θεωρηθεί ότι αθροίζουμε το εμβαδόν όλων των πλακών. Σε αυτή την περίπτωση, η τάση σε κάθε στοιχείο της μπαταρίας θα είναι η ίδια και τα φορτία θα αθροίζονται. Για τρεις πυκνωτές συνδεδεμένους παράλληλα:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Σύνδεση σε σειρά
Όταν συνδέονται σε σειρά, τα φορτία κάθε χωρητικότητας θα είναι τα ίδια:
q1=q2=q3=q
Η συνολική τάση κατανέμεται κατ' αναλογία χωρητικότητα των πυκνωτών:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Αν όλοι οι πυκνωτές είναι ίδιοι, σε κάθε έναν πέφτει ίση τάση. Η συνολική χωρητικότητα βρίσκεται ως εξής:
C=q/( U1+U2+U3), επομένως 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Εφαρμογές των πυκνωτών στην τεχνολογία
Είναι λογικό να χρησιμοποιούνται πυκνωτές ως συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Ως εκ τούτου, δεν μπορούν να ανταγωνιστούν τις ηλεκτροχημικές πηγές (γαλβανικές μπαταρίες, πυκνωτές) λόγω της χαμηλής ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας και της μάλλον ταχείας αυτοεκφόρτισης λόγω διαρροής φορτίου μέσω του διηλεκτρικού. Αλλά η ικανότητά τους να αποθηκεύουν ενέργεια για μεγάλο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια να την απελευθερώνουν σχεδόν ακαριαία χρησιμοποιείται ευρέως. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε λαμπτήρες φλας για τη φωτογραφία ή σε λαμπτήρες για τη διέγερση λέιζερ.
Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται ευρέως στη ραδιομηχανική και την ηλεκτρονική. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα συντονισμού ως ένα από τα στοιχεία διατήρησης της συχνότητας των κυκλωμάτων (το άλλο στοιχείο είναι η αυτεπαγωγή). Χρησιμοποιείται επίσης η ικανότητα των πυκνωτών να συγκρατούν το συνεχές ρεύμα χωρίς να καθυστερούν τη συνιστώσα εναλλασσόμενου ρεύματος. Μια τέτοια χρήση είναι κοινή για τη διαίρεση των βαθμίδων του ενισχυτή για την εξάλειψη της επιρροής των λειτουργιών DC της μιας βαθμίδας στην άλλη. Οι πυκνωτές υψηλής χωρητικότητας χρησιμοποιούνται ως φίλτρα εξομάλυνσης στα τροφοδοτικά. Υπάρχει επίσης ένας τεράστιος αριθμός άλλων εφαρμογών πυκνωτών όπου οι ιδιότητές τους αποδεικνύονται χρήσιμες.
Ορισμένα πρακτικά σχέδια πυκνωτών
Στην πράξη χρησιμοποιούνται διάφορα σχέδια επίπεδων πυκνωτών. Ο σχεδιασμός της συσκευής καθορίζει τα χαρακτηριστικά της και την περιοχή εφαρμογής της.
Μεταβλητός πυκνωτής
Ένας κοινός τύπος μεταβλητού πυκνωτή (VAC) αποτελείται από μια τράπεζα κινητών και σταθερών πλακών, που διαχωρίζονται από αέρα ή στερεό μονωτή. Οι κινητές πλάκες περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα, αυξάνοντας ή μειώνοντας την περιοχή επικάλυψης. Όταν η κινητή μονάδα αποσύρεται, το διάκενο μεταξύ των ηλεκτροδίων παραμένει αμετάβλητο, αλλά η μέση απόσταση μεταξύ των πλακών επίσης αυξάνεται. Η διηλεκτρική σταθερά του μονωτή παραμένει επίσης αμετάβλητη. Η χωρητικότητα ρυθμίζεται μεταβάλλοντας το εμβαδόν των καλυμμάτων και τη μέση απόσταση μεταξύ τους.
Πυκνωτής οξειδίου
Στο παρελθόν, αυτός ο τύπος πυκνωτή ονομαζόταν ηλεκτρολυτικός πυκνωτής. Αποτελείται από δύο λωρίδες αλουμινόχαρτου που χωρίζονται από ένα χάρτινο διηλεκτρικό εμποτισμένο σε ηλεκτρολύτη. Η πρώτη λωρίδα χρησιμεύει ως ένα περίβλημα και η δεύτερη λωρίδα χρησιμεύει ως ηλεκτρολύτης. Το διηλεκτρικό είναι ένα λεπτό στρώμα οξειδίου σε μία από τις μεταλλικές λωρίδες και η δεύτερη λωρίδα χρησιμεύει ως συλλέκτης ρεύματος.
Το γεγονός ότι το στρώμα οξειδίου είναι πολύ λεπτό και ο ηλεκτρολύτης είναι κοντά σε αυτό, είναι δυνατόν να επιτευχθεί αρκετά υψηλή χωρητικότητα με μέτριο μέγεθος. Το τίμημα που πρέπει να πληρώσετε γι' αυτό είναι η χαμηλή τάση λειτουργίας - το στρώμα οξειδίου δεν έχει υψηλή διηλεκτρική αντοχή. Εάν η τάση λειτουργίας αυξηθεί, το μέγεθος του πυκνωτή πρέπει να αυξηθεί σημαντικά.
Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι το οξείδιο έχει μονόδρομη αγωγιμότητα, οπότε τέτοιοι πυκνωτές χρησιμοποιούνται μόνο σε κυκλώματα συνεχούς ρεύματος σε σχέση με την πολικότητα.
Ionistor
Όπως φαίνεται παραπάνω, οι παραδοσιακές μέθοδοι αύξησης των πυκνωτές έχουν φυσικούς περιορισμούς. Επομένως, η πραγματική ανακάλυψη ήταν η ανάπτυξη του ιονιστόρ.
Αν και η συσκευή αυτή θεωρείται ενδιάμεση μεταξύ πυκνωτή και μπαταρίας, παραμένει ουσιαστικά πυκνωτής.
Η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων μειώνεται δραστικά με τη χρήση ενός διπλού ηλεκτρικού στρώματος. Τα στρώματα είναι στρώματα ιόντων που έχουν αντίθετο φορτίο. Ένα ιδιαίτερα πορώδες αφρώδες υλικό καθιστά δυνατή τη δραστική αύξηση της επιφάνειας των στρωμάτων. Το αποτέλεσμα είναι υπερπυκνωτές με χωρητικότητα έως και εκατοντάδες φαράντ. Η εγγενής ασθένεια αυτών των συσκευών είναι η χαμηλή τάση λειτουργίας (συνήθως στην περιοχή των 10 βολτ).
Η εξέλιξη της τεχνολογίας συνεχίστηκε - οι λαμπτήρες αντικαταστάθηκαν από διπολικά τρανζίστορ σε πολλές εφαρμογές, και αυτά με τη σειρά τους αντικαταστάθηκαν από μονοπολικές τρίοδους. Οι επαγωγές εξαλείφονται από το σχεδιασμό κυκλωμάτων όπου είναι δυνατόν. Και οι πυκνωτές δεν εγκαταλείπουν τις θέσεις τους για τον δεύτερο αιώνα, ο σχεδιασμός τους δεν έχει αλλάξει ριζικά από την εφεύρεση του βάζου Leiden και δεν υπάρχει καμία προοπτική τερματισμού της καριέρας τους.
Σχετικά άρθρα:
