Sähkökapasitanssi on yksi sähköstaattisen tekniikan peruskäsitteistä. Tämä termi viittaa sen kykyyn varastoida sähkövarausta. Voit puhua yksittäisen johtimen kapasitanssista tai kahden tai useamman johtimen muodostaman järjestelmän kapasitanssista. Fysikaaliset prosessit ovat samanlaisia.
Sisältö
Kapasitanssiin liittyvät peruskäsitteet
Jos johdin on saanut varauksen q, siihen syntyy potentiaali φ. Tämä potentiaali riippuu geometriasta ja ympäristöstä - eri johtimissa ja olosuhteissa sama varaus aiheuttaa erilaisen potentiaalin. Mutta φ on aina verrannollinen q:hen:
φ=Cq
Kerrointa C ja kutsutaan sähkökapasitanssiksi. Jos kyseessä on usean (yleensä kahden) johtimen järjestelmä, syntyy potentiaaliero tai jännite U, kun yhteen johtimeen (vaippaan) kohdistetaan varaus:
U=Cq, joten C=U/q.
Kapasitanssi voidaan määritellä potentiaalieron ja syntyvän varauksen suhteena. Kapasitanssin mittayksikkö SI-järjestelmässä on farad (aiemmin sanottu farad). 1 F = 1 V/1k. 1 Faradin kapasitanssi on järjestelmä, jossa 1 coulombin varauksen antaminen johtaa 1 voltin potentiaalieroon. 1 Farad on hyvin suuri arvo. Käytännössä käytetään yleisimmin murtolukuja - pikofaradeja, nanofaradeja ja mikrofaradeja.
Käytännössä tämä yhdistelmä johtaa akkuun, joka kestää suuremman dielektrisen läpilyöntijännitteen kuin yksittäinen kenno.
Kondensaattorin kapasiteetin laskeminen
Käytännössä yleisimmin käytetyt elementit, joilla on nimelliskapasitanssi, ovat seuraavat kondensaattoritkoostuu kahdesta litteästä johtimesta (liittimistä), jotka on erotettu toisistaan dielektrisellä aineella. Tällaisen kondensaattorin sähkökapasitanssin laskentakaava on seuraava:
C=(S/d)*ε*ε0
missä:
- C on kapasitanssi, F;
- S on inserttien pinta-ala, neliömetriä;
- d on kansien välinen etäisyys, m;
- ε0 - sähköinen vakio, vakio, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektrinen permittiivisyys, dimensioton arvo.
Tästä on helppo ymmärtää, että kapasitanssi on suoraan verrannollinen peitteiden pinta-alaan ja kääntäen verrannollinen johtimien väliseen etäisyyteen. Kapasitanssiin vaikuttaa myös materiaali, jolla kannet on erotettu toisistaan.
Jotta ymmärtäisit, miten kapasitanssin määrittävät suureet vaikuttavat kondensaattorin kykyyn varastoida varausta, voit tehdä mielikuvituskokeen, jossa luot kondensaattorin, jonka kapasitanssi on mahdollisimman suuri.
- Voisit kokeilla lisätä käämien pinta-alaa. Tämä johtaisi laitteen koon ja painon dramaattiseen kasvuun. Kerrosten ja niitä erottavan dielektrisen aineen pienentämiseksi kerrokset rullataan kokoon (putkeksi, litteäksi briketiksi jne.).
- Toinen tapa on pienentää inserttien välistä etäisyyttä. Johtimia ei ole aina mahdollista sijoittaa kovin lähelle toisiaan, koska dielektrisen kerroksen on kestettävä tietty potentiaaliero käämien välillä. Mitä pienempi paksuus on, sitä pienempi on eristysvälin sähköinen lujuus. Jos valitset tämän reitin, saavutat pisteen, jossa kondensaattorista tulee käytännössä merkityksetön - se pystyy toimimaan vain hyvin alhaisilla jännitteillä.
- Lisää dielektrisen sähköisen läpäisevyyden määrää. Tämä tapa riippuu nykyisestä tuotantotekniikasta. Eristysmateriaalilla ei saa olla ainoastaan korkea läpäisevyysarvo, vaan sillä on myös oltava hyvät dielektriset ominaisuudet ja sen on säilytettävä parametrit tarvittavilla taajuusalueilla (kun kondensaattorin käyttämä taajuus kasvaa, dielektriset ominaisuudet heikkenevät).
Pallomaisia tai lieriömäisiä kondensaattoreita voidaan käyttää joissakin erikois- tai tutkimussovelluksissa.
Pallokondensaattorin kapasitanssi voidaan laskea kaavalla
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
jossa R on pallojen säde ja π=3,14.
Sylinterimäisen kondensaattorin tapauksessa kapasitanssi lasketaan seuraavasti:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l on sylinterien korkeus ja R1 ja R2 ovat niiden säteet.
Periaatteessa molemmat kaavat eivät eroa litteän kondensaattorin kaavasta. Kapasitanssi määräytyy aina liittimien lineaaristen mittojen, niiden välisen etäisyyden ja dielektrisen materiaalin ominaisuuksien perusteella.
Kondensaattoreiden kytkentä sarjaan ja rinnakkain
Kondensaattorit voidaan kytkeä sarjaan sarjaan tai rinnakkain, jolloin luodaan joukko, jolla on uudet ominaisuudet.
Rinnakkaiskytkentä
Jos kondensaattorit kytketään rinnakkain, syntyvän pariston kokonaiskapasitanssi on yhtä suuri kuin kaikkien sen komponenttien kapasitanssien summa. Jos akku koostuu samasta kondensaattorirakenteesta, voidaan ajatella, että kaikkien levyjen pinta-alat lasketaan yhteen. Tällöin akun jokaisen elementin jännite on sama ja varaukset summautuvat. Kolmen rinnakkain kytketyn kondensaattorin osalta:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Sarjakytkentä
Sarjaan kytkettynä kunkin kapasitanssin varaukset ovat samat:
q1=q2=q3=q
Kokonaisjännite jakautuu suhteessa kondensaattorien kapasitanssi:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Jos kaikki kondensaattorit ovat samanlaisia, jokaisessa kondensaattorissa on sama jännite. Kokonaiskapasitanssi saadaan seuraavasti:
C=q/( U1+U2+U3), joten 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Kondensaattoreiden sovellukset tekniikassa
On loogista käyttää kondensaattoreita sähköenergian varastointilaitteina. Sellaisina ne eivät pysty kilpailemaan sähkökemialähteiden (galvaaniset akut, kondensaattorit) kanssa, koska niiden energiavarastointikapasiteetti on pieni ja ne purkautuvat melko nopeasti itsestään dielektrisen materiaalin läpi tapahtuvan varauksen vuodon vuoksi. Niiden kykyä varastoida energiaa pitkäksi aikaa ja vapauttaa se sitten lähes välittömästi käytetään kuitenkin laajalti. Tätä ominaisuutta käytetään valokuvauksessa käytettävissä salamalampuissa tai lasereiden herätevalaisimissa.
Kondensaattoreita käytetään laajalti radiotekniikassa ja elektroniikassa. Kondensaattoreita käytetään resonanssipiireissä yhtenä piirien taajuutta ylläpitävistä elementeistä (toinen elementti on induktanssi). Lisäksi käytetään kondensaattoreiden kykyä estää tasavirran kulkeminen viivyttämättä vaihtovirtakomponenttia. Tällainen käyttö on yleistä vahvistinvaiheiden jakamisessa, jotta yhden vaiheen DC-tilojen vaikutus toiseen vaiheeseen voidaan eliminoida. Suurikapasiteettisia kondensaattoreita käytetään teholähteiden tasoitussuodattimina. Kondensaattoreilla on myös valtava määrä muita sovelluksia, joissa niiden ominaisuudet osoittautuvat hyödyllisiksi.
Joitakin käytännön kondensaattorimalleja
Käytännössä käytetään erilaisia litteitä kondensaattorimalleja. Laitteen rakenne määrittää sen ominaisuudet ja käyttöalueen.
Muuttuva kondensaattori
Yleinen muuttuvan kondensaattorin tyyppi (VAC) koostuu liikkuvien ja kiinteiden levyjen pankista, jotka on erotettu toisistaan ilmalla tai kiinteällä eristeellä. Liikuteltavat levyt pyörivät akselin ympäri, jolloin päällekkäinen alue kasvaa tai pienenee. Kun liikkuva yksikkö vedetään pois, elektrodien välinen rako pysyy muuttumattomana, mutta myös levyjen keskimääräinen etäisyys kasvaa. Myös eristeen dielektrisyysvakio pysyy muuttumattomana. Kapasitanssia säädetään muuttamalla kansien pinta-alaa ja niiden välistä keskimääräistä etäisyyttä.
Oksidikondensaattori
Aikaisemmin tällaista kondensaattoria kutsuttiin elektrolyyttikondensaattoriksi. Se koostuu kahdesta foliokaistaleesta, jotka on erotettu toisistaan elektrolyyttiin liotetulla paperidielektrillä. Ensimmäinen kaistale toimii yhtenä vaippana ja toinen kaistale toimii elektrolyyttinä. Dielektrinen kerros on ohut oksidikerros toisella metalliliuskalla, ja toinen liuska toimii virran kerääjänä.
Koska oksidikerros on hyvin ohut ja elektrolyytti on lähellä sitä, on mahdollista saavuttaa riittävän suuri kapasiteetti kohtuullisella koolla. Tämän hintana on alhainen käyttöjännite - oksidikerroksella ei ole suurta dielektristä lujuutta. Jos käyttöjännite kasvaa, kondensaattorin koon on kasvettava huomattavasti.
Toinen ongelma on se, että oksidin johtavuus on yksisuuntainen, joten tällaisia kondensaattoreita käytetään vain tasavirtapiireissä napaisuuden suhteen.
Ionistori
Kuten edellä on esitetty, perinteiset menetelmät kondensaattorit on luonnollisia rajoituksia. Todellinen läpimurto oli siis ionistorin kehittäminen.
Vaikka tätä laitetta pidetäänkin kondensaattorin ja akun välimuotona, se on kuitenkin pohjimmiltaan kondensaattori.
Elektrodien välinen etäisyys lyhenee huomattavasti käyttämällä kaksinkertaista sähkökerrosta. Kerrokset ovat vastakkaisen varauksen omaavien ionien kerroksia. Erittäin huokoisen vaahtomateriaalin ansiosta kerrosten pinta-alaa voidaan kasvattaa huomattavasti. Tuloksena on superkondensaattoreita, joiden kapasiteetti on jopa satoja faradeja. Näiden laitteiden synnynnäinen sairaus on alhainen käyttöjännite (yleensä alle 10 voltin).
Tekniikan kehitys on jatkunut - lamput on monissa sovelluksissa korvattu bipolaarisilla transistoreilla, jotka puolestaan on korvattu unipolaarisilla triodeilla. Induktanssit poistetaan piirisuunnittelusta aina kun se on mahdollista. Kondensaattorit eivät luovu asemastaan toista vuosisataa, niiden rakenne ei ole muuttunut olennaisesti Leidenin purkin keksimisen jälkeen, eikä niiden uran päättyminen ole näköpiirissä.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
