कैपेसिटेंस क्या है, इसे कैसे मापा जाता है और यह किस पर निर्भर करता है?

विद्युत समाई इलेक्ट्रोस्टैटिक्स की मूल अवधारणाओं में से एक है। यह शब्द विद्युत आवेश को संचित करने की क्षमता को संदर्भित करता है। आप एकल कंडक्टर के समाई के बारे में बात कर सकते हैं, आप दो या दो से अधिक कंडक्टरों की एक प्रणाली के समाई के बारे में बात कर सकते हैं। शारीरिक प्रक्रियाएं समान हैं।

समाई से संबंधित बुनियादी अवधारणाएं

यदि किसी चालक को आवेश q प्राप्त हुआ है, तो उस पर एक विभव उत्पन्न होता है। यह क्षमता ज्यामिति और पर्यावरण पर निर्भर करती है - विभिन्न कंडक्टरों और स्थितियों के लिए, एक ही चार्ज एक अलग क्षमता का कारण बनेगा। लेकिन हमेशा q के समानुपाती होता है:

φ = सीक्यू

गुणांक सी और विद्युत समाई कहा जाता है। यदि हम कई कंडक्टरों (आमतौर पर दो) की एक प्रणाली के बारे में बात कर रहे हैं, जब एक कंडक्टर (क्लैडिंग) को चार्ज दिया जाता है, तो संभावित अंतर या वोल्टेज यू होता है:

यू=सीक्यू, इसलिए सी=यू/क्यू

कैपेसिटेंस को संभावित अंतर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसके कारण चार्ज होता है। SI में क्षमता की इकाई फैराड है (वे फराद कहते थे)। 1 एफ = 1 वी/1 सीएल।दूसरे शब्दों में, एक प्रणाली जिसमें 1 कूलम्ब का आवेश 1 वोल्ट के संभावित अंतर को जन्म देता है उसकी क्षमता 1 फैराड होती है। 1 फैराड एक बहुत बड़ा मूल्य है। व्यवहार में, भिन्नात्मक मान - पिकोफ़ारड, नैनोफ़ारड, माइक्रोफ़ारड - सबसे अधिक उपयोग किए जाते हैं।

व्यवहार में, यह कनेक्शन एक ऐसी बैटरी की अनुमति देता है जो एकल सेल की तुलना में उच्च ढांकता हुआ ब्रेकडाउन वोल्टेज का सामना कर सकती है।

संधारित्र क्षमता की गणना

व्यवहार में, सामान्यीकृत विद्युत समाई वाले तत्वों के रूप में, सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले तत्व हैं संधारित्र, एक ढांकता हुआ द्वारा अलग किए गए दो फ्लैट कंडक्टर (टर्मिनल) से मिलकर। ऐसे संधारित्र की विद्युत धारिता की गणना करने का सूत्र इस प्रकार है:

सी=(एस/डी)*ε*ε₀

कहाँ पे:

• सी समाई है, एफ;
• एस आवेषण का क्षेत्र है, वर्गमीटर;
• घ कवर के बीच की दूरी है, मी;
• मैं₀ - विद्युत स्थिरांक, स्थिरांक, 8.854*10⁻¹² एफ / एम;
• - ढांकता हुआ पारगम्यता, आयाम रहित मूल्य।

इससे यह समझना आसान है कि समाई सीधे कवर के क्षेत्र के समानुपाती होती है और कंडक्टरों के बीच की दूरी के व्युत्क्रमानुपाती होती है। समाई उस सामग्री से भी प्रभावित होती है जिसके साथ कवर अलग किए जाते हैं।

यह समझने के लिए कि कैपेसिटेंस निर्धारित करने वाली मात्रा कैपेसिटर की चार्ज को स्टोर करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करती है, आप उच्चतम संभव कैपेसिटेंस के साथ कैपेसिटर बनाने के लिए एक मानसिक प्रयोग कर सकते हैं।

1. आप वाइंडिंग के क्षेत्र को बढ़ाने का प्रयास कर सकते हैं। इससे डिवाइस के आकार और वजन में नाटकीय वृद्धि होगी। ढांकता हुआ उन्हें अलग करने वाली परतों के आकार को कम करने के लिए, उन्हें लुढ़काया जाता है (एक ट्यूब, फ्लैट ब्रिकेट, आदि में)।
2. दूसरा तरीका कवर के बीच की दूरी को कम करना है। कंडक्टरों को एक-दूसरे के बहुत करीब रखना हमेशा संभव नहीं होता है, क्योंकि ढांकता हुआ परत कवर के बीच एक निश्चित संभावित अंतर का सामना करने में सक्षम होना चाहिए।मोटाई जितनी छोटी होगी, इंसुलेटिंग गैप की विद्युत शक्ति उतनी ही कम होगी। यदि हम इस तरह से उपयोग करते हैं, तो एक क्षण आएगा जब ऐसे संधारित्र का व्यावहारिक अनुप्रयोग अर्थहीन हो जाता है - यह केवल बहुत कम वोल्टेज पर ही काम कर सकता है।
3. ढांकता हुआ विद्युत पारगम्यता में वृद्धि। यह तरीका वर्तमान उत्पादन तकनीक के विकास पर निर्भर करता है। इन्सुलेट सामग्री में न केवल एक उच्च पारगम्यता मूल्य होना चाहिए, बल्कि अच्छा ढांकता हुआ गुण भी होना चाहिए, और इसके मापदंडों को आवश्यक आवृत्ति रेंज में बनाए रखना चाहिए (जिस आवृत्ति पर संधारित्र संचालित होता है, ढांकता हुआ विशेषताओं में कमी आती है)।

गोलाकार या बेलनाकार कैपेसिटर का उपयोग कुछ विशेष या अनुसंधान प्रतिष्ठानों में किया जा सकता है।

एक गोलाकार संधारित्र का निर्माण

गोलाकार संधारित्र की क्षमता की गणना सूत्र द्वारा की जा सकती है

सी=4*π*ε₀ *R1R2/(R2-R1)

जहाँ R गोले की त्रिज्या है और π=3.14 है।

बेलनाकार संधारित्र डिजाइन

एक बेलनाकार संधारित्र डिजाइन के लिए, समाई की गणना इस प्रकार की जाती है:

सी=2*π*ε*ε₀ *एल/एलएन(आर2/आर1)

l बेलन की ऊँचाई है, और R1 और R2 उनकी त्रिज्याएँ हैं।

सिद्धांत रूप में, दोनों सूत्र एक फ्लैट संधारित्र के सूत्र से भिन्न नहीं होते हैं। समाई हमेशा टर्मिनलों के रैखिक आयामों, उनके बीच की दूरी और ढांकता हुआ के गुणों से निर्धारित होती है।

श्रृंखला और समानांतर में कैपेसिटर्स को जोड़ना

कैपेसिटर को जोड़ा जा सकता है श्रृंखला में या समानांतर में, नई विशेषताओं के साथ एक सेट बनाना।

समानांतर कनेक्शन

यदि कैपेसिटर समानांतर में जुड़े हुए हैं, तो परिणामी बैटरी की कुल क्षमता उसके घटकों के सभी समाई के योग के बराबर है। यदि एक बैटरी में एक ही डिज़ाइन के कैपेसिटर होते हैं, तो इसे सभी प्लेटों के क्षेत्र को जोड़ने के बारे में सोचा जा सकता है। इस मामले में, बैटरी के प्रत्येक तत्व पर वोल्टेज समान होगा और शुल्क बढ़ जाएगा। समानांतर में जुड़े तीन कैपेसिटर के लिए:

• यू = यू₁=यू₂=यू₃;
• क्यू = क्यू₁+क्यू₂+क्यू₃;
• सी = सी₁+सी₂+सी₃.

श्रृंखला में कनेक्शन

श्रृंखला में जुड़े होने पर, प्रत्येक समाई का शुल्क समान होगा:

क्यू₁=क्यू₂=क्यू₃=क्यू

कुल वोल्टेज के अनुपात में वितरित किया जाता है संधारित्रों की धारिता के लिए:

• यू₁=क्यू/सी₁;
• यू₂=क्यू/सी₂;
• यू₃= क्यू/सी₃.

यदि सभी कैपेसिटर समान हैं, तो प्रत्येक पर समान वोल्टेज गिरता है। कुल समाई के रूप में पाया जाता है:

सी=क्यू/(यू₁+उ₂+उ₃), इसलिए 1/सी=( यू₁+उ₂+उ₃)/क्यू=1/सी₁+1/С₂+1/С₃.

इंजीनियरिंग में कैपेसिटर के अनुप्रयोग

विद्युत ऊर्जा के संचायक के रूप में कैपेसिटर का उपयोग करना समझ में आता है। जैसे, वे छोटी संग्रहीत ऊर्जा के कारण विद्युत रासायनिक स्रोतों (गैल्वेनिक बैटरी, कैपेसिटर) के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकते हैं और ढांकता हुआ के माध्यम से चार्ज रिसाव के कारण तेजी से स्व-निर्वहन करते हैं। लेकिन ऊर्जा को लंबे समय तक संग्रहीत करने और फिर इसे लगभग तुरंत देने की उनकी क्षमता का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इस गुण का उपयोग फोटोग्राफी के लिए फ्लैश लैंप में या लेजर के उत्तेजना के लिए लैंप में किया जाता है।

रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स में कैपेसिटर बहुत आम हैं। अनुनाद सर्किट में कैपेसिटर का उपयोग सर्किट के आवृत्ति-बनाए रखने वाले तत्वों में से एक के रूप में किया जाता है (एक अन्य तत्व अधिष्ठापन है)। एसी घटक को फँसाए बिना सीधे करंट को बाहर रखने के लिए कैपेसिटर की क्षमता का भी उपयोग किया जाता है। इस तरह के एक आवेदन दूसरे पर एक चरण के डीसी मोड के प्रभाव को खत्म करने के लिए एम्पलीफायर चरणों को विभाजित करने के लिए आम है। उच्च क्षमता वाले कैपेसिटर का उपयोग बिजली आपूर्ति में स्मूथिंग फिल्टर के रूप में किया जाता है। अन्य संधारित्र अनुप्रयोगों के असंख्य भी हैं जहां उनके गुण उपयोगी साबित होते हैं।

कुछ व्यावहारिक संधारित्र डिजाइन

अभ्यास में विभिन्न प्रकार के फ्लैट कैपेसिटर डिज़ाइन का उपयोग किया जाता है। डिवाइस का डिज़ाइन इसकी विशेषताओं और अनुप्रयोग को निर्धारित करता है।

चर संधारित्र

एक सामान्य प्रकार के परिवर्तनीय संधारित्र (एसी संधारित्र) में हवा या ठोस इन्सुलेटर से अलग चल और स्थिर प्लेटों का एक ब्लॉक होता है।चल प्लेटें एक अक्ष के चारों ओर घूमती हैं, अतिव्यापी क्षेत्र को बढ़ाती या घटाती हैं। जब चल इकाई को वापस ले लिया जाता है, तो इंटरइलेक्ट्रोड गैप अपरिवर्तित रहता है, लेकिन प्लेटों के बीच की औसत दूरी भी बढ़ जाती है। इन्सुलेटर का ढांकता हुआ स्थिरांक भी अपरिवर्तित रहता है। कैपेसिटेंस को कवर के क्षेत्र और उनके बीच की औसत दूरी को बदलकर समायोजित किया जाता है।

अधिकतम (बाएं) और न्यूनतम (दाएं) समाई स्थिति

ऑक्साइड संधारित्र

इस प्रकार के कैपेसिटर को इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर कहा जाता था। इसमें इलेक्ट्रोलाइट में भिगोए गए पेपर डाइइलेक्ट्रिक द्वारा अलग किए गए पन्नी के दो स्ट्रिप्स होते हैं। पहली पट्टी एक आवरण के रूप में और दूसरी इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य करती है। ढांकता हुआ धातु स्ट्रिप्स में से एक पर ऑक्साइड की एक पतली परत है, और दूसरी पट्टी वर्तमान कलेक्टर के रूप में कार्य करती है।

क्योंकि ऑक्साइड की परत बहुत पतली है और इलेक्ट्रोलाइट इसके करीब है, मध्यम आकार के साथ काफी बड़ी क्षमता प्राप्त करना संभव था। इसके लिए कीमत कम ऑपरेटिंग वोल्टेज है - ऑक्साइड परत में उच्च विद्युत शक्ति नहीं होती है। जैसे-जैसे ऑपरेटिंग वोल्टेज बढ़ता है, कैपेसिटर के आकार में काफी वृद्धि करनी पड़ती है।

एक और समस्या यह है कि ऑक्साइड में एकतरफा चालकता होती है, इसलिए ऐसे कैपेसिटर का उपयोग केवल डीसी सर्किट में ध्रुवीयता के पालन के साथ किया जाता है।

आयनिस्टर

जैसा कि ऊपर दिखाया गया है, बढ़ने के पारंपरिक तरीके संधारित्र प्राकृतिक सीमाएँ हैं। इसलिए, वास्तविक सफलता आयनिस्टर्स का निर्माण था।

यद्यपि इस उपकरण को संधारित्र और बैटरी के बीच एक मध्यवर्ती माना जाता है, फिर भी यह अनिवार्य रूप से एक संधारित्र है।

डबल इलेक्ट्रिक लेयर के इस्तेमाल से कॉइल्स के बीच की दूरी काफी कम हो जाती है। विपरीत आवेश वाले आयनों की परतें परतों के रूप में कार्य करती हैं। फोम झरझरा सामग्री के कारण कवर के सतह क्षेत्र में काफी वृद्धि करना संभव है।नतीजतन, सैकड़ों फैराड तक की क्षमता वाले सुपरकैपेसिटर प्राप्त करना संभव है। ऐसे उपकरणों की अंतर्निहित बीमारी कम ऑपरेटिंग वोल्टेज (आमतौर पर 10 वोल्ट के भीतर) होती है।

प्रौद्योगिकी का विकास अभी भी खड़ा नहीं है - कई क्षेत्रों के लैंप को द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर द्वारा बदल दिया गया है, वे बदले में, एकध्रुवीय ट्रायोड द्वारा प्रतिस्थापित किए जाते हैं। जहां भी संभव हो, इंडक्टर्स को सर्किट डिजाइन से छुटकारा मिल रहा है। और कैपेसिटर दूसरी शताब्दी के लिए अपनी स्थिति नहीं छोड़ते हैं, लीडेन जार के आविष्कार के बाद से उनका डिजाइन मौलिक रूप से नहीं बदला है, और उनके करियर के अंत की संभावनाएं नहीं देखी गई हैं।

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