Az elektromos kapacitás az elektrosztatika egyik alapfogalma. Ez a kifejezés arra utal, hogy képes elektromos töltést tárolni. Beszélhetünk egyetlen vezető kapacitásáról, vagy beszélhetünk két vagy több vezetőből álló rendszer kapacitásáról. Az érintett fizikai folyamatok hasonlóak.
Tartalom
A kapacitással kapcsolatos alapfogalmak
Ha egy vezető q töltést kapott, akkor φ potenciál keletkezik rajta. Ez a potenciál a geometriától és a környezettől függ - különböző vezetők és körülmények esetén ugyanaz a töltés más-más potenciált okoz. A φ azonban mindig arányos q-val:
φ=Cq
A C és együtthatót elektromos kapacitásnak nevezzük. Ha több (általában két) vezetőből álló rendszerről beszélünk, akkor potenciálkülönbség vagy U feszültség keletkezik, amikor az egyik vezető (a burkolat) töltést kap:
U=Cq, tehát C=U/q
A kapacitást a potenciálkülönbség és a keletkező töltés arányaként határozhatjuk meg. Az SI-ben a kapacitás mértékegysége a Farad (korábban Farad). 1 F = 1 V/1k. Az 1 Farad kapacitás egy olyan rendszer, amelyben 1 coulomb töltés 1 volt potenciálkülönbséget eredményez. 1 Farad nagyon nagy érték. A gyakorlatban leggyakrabban tört értékeket - pikofarad, nanofarad, mikrofarad - használnak.
A gyakorlatban ez a kombináció olyan akkumulátort eredményez, amely nagyobb dielektromos átütési feszültséget képes elviselni, mint az egyes cellák.
A kondenzátor kapacitásának kiszámítása
A gyakorlatban a leggyakrabban használt névleges kapacitású elemek a következők kondenzátorokkét lapos vezetőből (csatlakozókból) áll, amelyeket dielektrikum választ el egymástól. Az ilyen kondenzátor elektromos kapacitásának kiszámítására szolgáló képlet a következő:
C=(S/d)*ε*ε0
ahol:
- C a kapacitás, F;
- S a betétek területe, négyzetméter;
- d a fedelek közötti távolság, m;
- ε0 - elektromos állandó, állandó, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektromos permittivitás, dimenziótlan érték.
Ebből könnyen megérthető, hogy a kapacitás egyenesen arányos a burkolatok területével és fordítottan arányos a vezetők közötti távolsággal. A kapacitást az is befolyásolja, hogy milyen anyaggal választják el a burkolatokat.
Annak megértéséhez, hogy a kapacitást meghatározó mennyiségek hogyan befolyásolják a kondenzátor töltéstároló képességét, elvégezhet egy mentális kísérletet, amelynek során a lehető legnagyobb kapacitású kondenzátort hozhatja létre.
- Megpróbálhatja növelni a tekercsek területét. Ez a készülék méretének és súlyának drámai növekedéséhez vezetne. A rétegek méretének csökkentése érdekében a dielektrikummal elválasztott rétegeket feltekerik (csőbe, lapos brikettbe stb.).
- Egy másik lehetőség a betétek közötti távolság csökkentése. A vezetőket nem mindig lehet nagyon közel elhelyezni egymáshoz, mivel a dielektromos rétegnek el kell viselnie egy bizonyos potenciálkülönbséget a tekercsek között. Minél kisebb a vastagság, annál kisebb a szigetelő rés elektromos szilárdsága. Ha ezt az utat választja, akkor eléri azt a pontot, ahol a kondenzátor a gyakorlatban értelmetlenné válik - csak nagyon alacsony feszültségen lesz képes működni.
- Növeli a dielektromos elektromos permeabilitást. Ez az út a jelenlegi gyártási technológiától függ. A szigetelőanyagnak nemcsak magas permeabilitási értékkel kell rendelkeznie, hanem jó dielektromos tulajdonságokkal is, és a szükséges frekvenciatartományban meg kell tartania paramétereit (ahogy nő a frekvencia, amelyen a kondenzátor működik, úgy csökkennek a dielektromos jellemzők).
Egyes speciális vagy kutatási alkalmazásokban gömb- vagy henger alakú kondenzátorok is alkalmazhatók.
A gömbkondenzátor kapacitása a következő képlet szerint számítható ki
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
ahol R a gömbök sugara és π=3,14.
Henger alakú kondenzátor esetén a kapacitást a következőképpen kell kiszámítani:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l a hengerek magassága, R1 és R2 pedig a sugaruk.
Elvileg mindkét képlet nem különbözik a lapos kondenzátorra vonatkozó képlettől. A kapacitást mindig a csatlakozók lineáris méretei, a köztük lévő távolság és a dielektrikum tulajdonságai határozzák meg.
Kondenzátorok soros és párhuzamos kapcsolása
A kondenzátorok sorba kapcsolhatók sorosan vagy párhuzamosan, új jellemzőkkel rendelkező készletet hozva létre.
Párhuzamos csatlakozás
Ha a kondenzátorokat párhuzamosan kapcsoljuk össze, akkor az így kapott akkumulátor teljes kapacitása egyenlő az összes összetevő kapacitásának összegével. Ha egy akkumulátor ugyanolyan felépítésű kondenzátorokból áll, akkor úgy lehet elképzelni, hogy az összes lemez területét összeadjuk. Ebben az esetben az akkumulátor minden elemén azonos lesz a feszültség, és a töltések összeadódnak. Három párhuzamosan kapcsolt kondenzátor esetén:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Soros csatlakozás
Sorba kapcsolva az egyes kapacitások töltése azonos lesz:
q1=q2=q3=q
A teljes feszültség a következő arányban oszlik meg kondenzátorok kapacitása:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Ha az összes kondenzátor egyforma, mindegyikre azonos feszültség esik. A teljes kapacitást a következőképpen találjuk:
C=q/( U1+U2+U3), tehát 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
A kondenzátorok mérnöki alkalmazásai
Logikus, hogy a kondenzátorokat elektromos energiatárolóként használják. Mint ilyenek, nem tudnak versenyezni az elektrokémiai forrásokkal (galvánelemek, kondenzátorok), mivel alacsony az energiatárolási kapacitásuk és a dielektrikumon keresztül történő töltésszivárgás miatt meglehetősen gyors az önkisülésük. Széles körben használják azonban azt a képességüket, hogy hosszú időn keresztül tárolják az energiát, majd szinte azonnal felszabadítják azt. Ezt a tulajdonságot a fényképezéshez használt vakukban vagy a lézerek gerjesztésére szolgáló lámpákban használják.
A kondenzátorokat széles körben használják a rádiótechnikában és az elektronikában. A kondenzátorokat rezonáns áramkörökben az áramkörök egyik frekvenciatartó elemeként használják (a másik elem az induktivitás). A kondenzátorok azon képességét is kihasználják, hogy az egyenáramot a váltakozó áramú komponens késleltetése nélkül tartják távol. Az ilyen használat gyakori az erősítőfokozatok felosztásánál, hogy kiküszöböljék az egyik fokozat egyenáramú üzemmódjainak a másikra gyakorolt hatását. A nagy kapacitású kondenzátorokat a tápegységekben simító szűrőként használják. Rengeteg egyéb kondenzátor-alkalmazás is létezik, ahol a kondenzátorok tulajdonságai hasznosnak bizonyulnak.
Néhány gyakorlati kondenzátor-konstrukció
A gyakorlatban többféle lapos kondenzátor-konstrukciót használnak. A készülék kialakítása határozza meg a jellemzőit és alkalmazási területét.
Változó kondenzátor
A változtatható kondenzátorok (VAC) gyakori típusa mozgó és rögzített lemezek bankjából áll, amelyeket levegő vagy szilárd szigetelő választ el egymástól. A mozgatható lemezek egy tengely körül forognak, növelve vagy csökkentve az átfedési területet. Ha a mozgatható egységet visszahúzzák, az elektródák közötti távolság nem változik, de a lemezek közötti átlagos távolság is megnő. A szigetelő dielektromos állandója szintén változatlan marad. A kapacitást a burkolatok területének és a köztük lévő átlagos távolságnak a változtatásával lehet beállítani.
Oxid kondenzátor
Régebben az ilyen típusú kondenzátort elektrolitikus kondenzátornak nevezték. Két fóliacsíkból áll, amelyeket egy elektrolittal átitatott papír dielektrikum választ el egymástól. Az első csík szolgál az egyik burkolatként, a második csík pedig az elektrolitként. A dielektrikum egy vékony oxidréteg az egyik fémcsíkon, a második csík pedig áramgyűjtőként szolgál.
Az a tény, hogy az oxidréteg nagyon vékony, és az elektrolit közel van hozzá, lehetővé teszi, hogy közepes méret mellett kellően nagy kapacitást érjünk el. Ennek ára az alacsony üzemi feszültség - az oxidréteg nem rendelkezik nagy dielektromos szilárdsággal. Ha az üzemi feszültség nő, a kondenzátor méretének jelentősen meg kell növekednie.
További probléma, hogy az oxid egyirányú vezetőképességgel rendelkezik, ezért az ilyen kondenzátorok csak egyenáramú áramkörökben használhatók a polaritás tekintetében.
Ionisztor
Amint a fentiekből kiderül, a hagyományos módszerek a kondenzátorok természetes korlátai vannak. Az igazi áttörést tehát az ionisztor kifejlesztése jelentette.
Bár ez az eszköz a kondenzátor és az akkumulátor közötti köztes terméknek tekinthető, alapvetően mégis kondenzátor.
Az elektródák közötti távolságot drasztikusan csökkenti a kettős elektromos réteg alkalmazása. A rétegek ellentétes töltésű ionok rétegei. Az erősen porózus habanyag lehetővé teszi a rétegek felületének drasztikus növelését. Az eredmény akár több száz farád kapacitású szuperkondenzátorok. Ezeknek az eszközöknek a veleszületett betegsége az alacsony üzemi feszültség (általában 10 volton belül).
A technológia fejlődése tovább folytatódott - a lámpákat számos alkalmazásban felváltották a bipoláris tranzisztorok, ezeket pedig az egypólusú triódák. Az induktivitásokat, ahol csak lehet, elhagyják az áramkörök tervezésénél. A kondenzátorok pedig nem adják fel pozícióikat a második évszázadra, a leideni befőttesüveg feltalálása óta nem változott alapvetően a felépítésük, és nincs kilátás arra, hogy véget érjen a pályafutásuk.
Kapcsolódó cikkek:
