Elektriline mahtuvus on elektrostaatika üks põhimõisteid. See termin viitab võimele koguda elektrilaengut. Võib rääkida ühe juhi mahtuvusest, võib rääkida kahe või enama juhiga süsteemi mahtuvusest. Füüsikalised protsessid on sarnased.
Sisu
Mahtuvusega seotud põhimõisted
Kui juht on saanud laengu q, tekib sellel potentsiaal φ. See potentsiaal sõltub geomeetriast ja keskkonnast – erinevate juhtide ja tingimuste korral põhjustab sama laeng erineva potentsiaali. Kuid φ on alati võrdeline q-ga:
φ = Cq
Koefitsienti C ja nimetatakse elektriliseks mahtuvuseks. Kui me räägime mitmest juhist (tavaliselt kahest) koosnevast süsteemist, siis kui ühele juhile (kattekihile) antakse laeng, tekib potentsiaalide erinevus või pinge U:
U=Cq, seega C=U/q
Mahtuvust saab defineerida kui potentsiaalse erinevuse ja selle põhjustanud laengu suhet. Võimsuse ühik SI-s on Farad (vanasti öeldi Farad). 1 F = 1 V/1 Cl.Teisisõnu, süsteemil, milles 1 kuloni laeng tekitab 1 volti potentsiaalide erinevust, on võimsus 1 farad. 1 Farad on väga suur väärtus. Praktikas kasutatakse kõige sagedamini murdväärtusi – pikofarade, nanofaradi, mikrofaradi.
Praktikas võimaldab see ühendus aku, mis talub suuremat dielektrilist läbilöögipinget kui üksikelement.
Kondensaatori võimsuse arvutamine
Praktikas kasutatakse normaliseeritud elektrilise mahtuvusega elementidena kõige sagedamini kondensaatorid, mis koosneb kahest lamedast juhist (klemmidest), mis on eraldatud dielektrikuga. Sellise kondensaatori elektrilise mahtuvuse arvutamise valem on järgmine:
C=(S/d)*ε*ε0
kus:
- C on mahtuvus, F;
- S on vahetükkide pindala, ruutmeetrit;
- d on katete vaheline kaugus, m;
- ε0 - elektriline konstant, konstant, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektriline läbitavus, mõõtmeteta väärtus.
Sellest on lihtne aru saada, et mahtuvus on otseselt võrdeline katete pindalaga ja pöördvõrdeline juhtide vahelise kaugusega. Mahtuvust mõjutab ka materjal, millega katted on eraldatud.
Et mõista, kuidas mahtuvust määravad suurused mõjutavad kondensaatori võimet salvestada laengut, saate teha mõttelise katse, et luua võimalikult suure mahtuvusega kondensaator.
- Võite proovida mähiste pindala suurendada. See toob kaasa seadme suuruse ja kaalu järsu suurenemise. Kihtide suuruse vähendamiseks neid eraldava dielektrikuga rullitakse need kokku (toruks, lamedaks briketiks vms).
- Teine võimalus on vähendada kaante vahelist kaugust. Juhtmeid ei ole alati võimalik väga lähestikku asetada, sest dielektriline kiht peab taluma teatud potentsiaalivahet katete vahel.Mida väiksem on paksus, seda väiksem on isolatsioonivahe elektriline tugevus. Kui me nii kasutame, siis saabub hetk, mil sellise kondensaatori praktiline rakendamine muutub mõttetuks - see saab töötada ainult ülimadalatel pingetel.
- Dielektrilise elektrilise läbilaskvuse suurendamine. See viis sõltub praeguse tootmistehnoloogia arengust. Isolatsioonimaterjalil peab olema mitte ainult kõrge läbilaskvus, vaid ka head dielektrilised omadused ning see peab säilitama oma parameetrid vajalikus sagedusvahemikus (kondensaatori töösageduse suurenedes dielektrilised omadused vähenevad).
Sfäärilisi või silindrilisi kondensaatoreid saab kasutada mõnes spetsialiseeritud või uurimispaigaldises.
Sfäärilise kondensaatori võimsust saab arvutada valemiga
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kus R on sfääride raadiused ja π=3,14.
Silindrilise kondensaatori konstruktsiooni korral arvutatakse mahtuvus järgmiselt:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l on silindrite kõrgus ning R1 ja R2 on nende raadiused.
Põhimõtteliselt ei erine mõlemad valemid lamekondensaatori valemist. Mahtuvus määratakse alati klemmide lineaarsete mõõtmete, nendevahelise kauguse ja dielektriku omaduste järgi.
Kondensaatorite ühendamine järjestikku ja paralleelselt
Kondensaatoreid saab ühendada järjestikku või paralleelselt, luues uute omadustega komplekti.
Paralleelühendus
Kui kondensaatorid on paralleelselt ühendatud, on saadud aku kogumahtuvus võrdne selle komponentide kõigi mahtuvuste summaga. Kui aku koosneb sama disainiga kondensaatoritest, võib seda pidada kõigi plaatide pindala liitmiseks. Sel juhul on aku iga elemendi pinge sama ja laengud liidetakse. Kolme paralleelselt ühendatud kondensaatori jaoks:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Jadaühendus
Jadamisi ühendamisel on iga mahtuvuse laengud samad:
q1=q2=q3=q
Kogupinge jaotub proportsionaalselt kondensaatorite mahtuvusele:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/C3.
Kui kõik kondensaatorid on ühesugused, langeb mõlemale sama pinge. Kogumahtuvus leitakse järgmiselt:
C=q/( U1+U2+U3), seega 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Kondensaatorite rakendused tehnikas
Elektrienergia akumulaatoritena on mõttekas kasutada kondensaatoreid. Sellisena ei suuda nad konkureerida elektrokeemiliste allikatega (galvaanilised akud, kondensaatorid) tänu väikesele salvestatud energiale ja üsna kiirele isetühjenemisele, mis on tingitud laengu lekkest läbi dielektriku. Kuid nende võimet pikka aega energiat salvestada ja seejärel peaaegu koheselt ära anda kasutatakse laialdaselt. Seda omadust kasutatakse fotograafia välklampides või laserite ergastamiseks mõeldud lampides.
Kondensaatorid on raadiotehnikas ja elektroonikas väga levinud. Kondensaatoreid kasutatakse resonantsahelates ahelate ühe sagedust säilitava elemendina (teine element on induktiivsus). Kasutatakse ka kondensaatorite võimet hoida alalisvoolu välja ilma vahelduvvoolu komponenti kinni püüdmata. Selline rakendus on tavaline võimendi astmete jagamisel, et välistada ühe astme alalisvoolurežiimide mõju teisele. Suure võimsusega kondensaatoreid kasutatakse toiteplokkides silumisfiltritena. Samuti on palju muid kondensaatorirakendusi, kus nende omadused osutuvad kasulikuks.
Mõned praktilised kondensaatorite kujundused
Praktikas kasutatakse mitmesuguseid lamedaid kondensaatoreid. Seadme konstruktsioon määrab selle omadused ja rakenduse.
Muutuv kondensaator
Levinud tüüpi muutuv kondensaator (AC kondensaator) koosneb liikuvate ja fikseeritud plaatide plokist, mis on eraldatud õhu või tahke isolaatoriga.Liigutatavad plaadid pöörlevad ümber telje, suurendades või vähendades kattuvat ala. Liigutava üksuse väljatõmbamisel jääb elektroodide vahe muutumatuks, kuid suureneb ka keskmine plaatide vaheline kaugus. Samuti jääb muutumatuks isolaatori dielektriline konstant. Mahtuvust reguleeritakse kaante pindala ja nendevahelise keskmise kauguse muutmisega.
Oksiidkondensaator
Seda tüüpi kondensaatoreid nimetati varem elektrolüütkondensaatoriteks. See koosneb kahest fooliumiribast, mis on eraldatud elektrolüüdis leotatud paberdielektrikuga. Esimene riba toimib ühe kattena ja teine elektrolüüdina. Dielektrik on õhuke oksiidikiht ühel metallribal ja teine riba toimib voolukollektorina.
Kuna oksiidikiht on väga õhuke ja elektrolüüt on selle lähedal, siis oli mõõdukate mõõtmetega võimalik saada üsna suuri võimsusi. Selle hinnaks on madal tööpinge – oksiidikihil pole suurt elektrilist tugevust. Tööpinge kasvades peab kondensaatori suurus oluliselt suurenema.
Teine probleem on see, et oksiidil on ühesuunaline juhtivus, mistõttu selliseid kondensaatoreid kasutatakse ainult polaarsust järgides alalisvooluahelates.
Ionisaator
Nagu eespool näidatud, traditsioonilised meetodid suurendavad kondensaatorid neil on loomulikud piirangud. Seetõttu oli tõeline läbimurre ionistoride loomine.
Kuigi seda seadet peetakse kondensaatori ja aku vahepealseks, on see siiski sisuliselt kondensaator.
Rullide vahelist kaugust vähendatakse drastiliselt tänu kahekordse elektrilise kihi kasutamisele. Kihtideks on vastandlaengutega ioonide kihid. Tänu vahtplastist poorsetele materjalidele on võimalik drastiliselt suurendada katete pinda.Selle tulemusena on võimalik saada kuni sadade farade võimsusega superkondensaatoreid. Selliste seadmete omane haigus on madal tööpinge (tavaliselt 10 volti piires).
Tehnika areng ei seisa paigal - paljude piirkondade lambid on asendatud bipolaarsete transistoridega, need omakorda unipolaarsete trioodidega. Induktiivpoolid vabanevad vooluahela kujundamisel igal võimalusel. Ja kondensaatorid ei loobu oma positsioonidest teiseks sajandiks, nende disain pole pärast Leideni purgi leiutamist põhjalikult muutunud ja nende karjääri lõppemise väljavaateid ei täheldata.
Seotud artiklid:
