Kapasitansi listrik adalah salah satu konsep dasar elektrostatika. Istilah ini mengacu pada kemampuan untuk mengakumulasi muatan listrik. Anda dapat berbicara tentang kapasitansi konduktor tunggal, Anda dapat berbicara tentang kapasitansi sistem dua atau lebih konduktor. Proses fisiknya mirip.
Isi
Konsep dasar yang berkaitan dengan kapasitansi
Jika sebuah konduktor menerima muatan q, sebuah potensial muncul di atasnya. Potensial ini tergantung pada geometri dan lingkungan - untuk konduktor dan kondisi yang berbeda, muatan yang sama akan menyebabkan potensial yang berbeda. Tetapi selalu sebanding dengan q:
=Cq
Koefisien C dan disebut kapasitansi listrik. Jika kita berbicara tentang sistem beberapa konduktor (biasanya dua), ketika muatan diberikan ke satu konduktor (cladding), ada beda potensial atau tegangan U:
U=Cq, maka C=U/q
Kapasitansi dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara beda potensial dengan muatan yang menyebabkannya. Satuan kapasitas dalam SI adalah Farad (biasa disebut Farad). 1 F = 1 V/1 Cl.Dengan kata lain, sistem di mana muatan 1 coulomb menimbulkan beda potensial 1 volt memiliki kapasitas 1 farad. 1 Farad adalah nilai yang sangat besar. Dalam praktiknya, nilai pecahan - picofarads, nanofarads, microfarads - paling sering digunakan.
Dalam praktiknya, koneksi ini memungkinkan baterai yang dapat menahan tegangan tembus dielektrik yang lebih tinggi daripada satu sel.
Perhitungan kapasitas kapasitor
Dalam praktiknya, sebagai elemen dengan kapasitansi listrik yang dinormalisasi, yang paling umum digunakan adalah: kapasitor, terdiri dari dua konduktor datar (terminal), dipisahkan oleh dielektrik. Rumus untuk menghitung kapasitansi listrik kapasitor tersebut adalah sebagai berikut:
C=(S/d)*ε*ε0
di mana:
- C adalah kapasitansi, F;
- S adalah luas sisipan, sq.m;
- d adalah jarak antara penutup, m;
- 0 - konstanta listrik, konstanta, 8.854*10−12 F/m;
- - permitivitas dielektrik, nilai tak berdimensi.
Dari sini mudah dipahami bahwa kapasitansi berbanding lurus dengan luas selimut dan berbanding terbalik dengan jarak antara konduktor. Kapasitansi juga dipengaruhi oleh bahan yang penutupnya dipisahkan.
Untuk memahami bagaimana besaran yang menentukan kapasitansi mempengaruhi kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan, Anda dapat melakukan eksperimen mental untuk membuat kapasitor dengan kapasitansi setinggi mungkin.
- Anda dapat mencoba menambah luas belitan. Ini akan menyebabkan peningkatan dramatis dalam ukuran dan berat perangkat. Untuk mengurangi ukuran lapisan dengan dielektrik yang memisahkannya, lapisan tersebut digulung (menjadi tabung, briket datar, dll.).
- Cara lain adalah dengan mengurangi jarak antara penutup. Tidak selalu mungkin untuk menempatkan konduktor sangat dekat satu sama lain, karena lapisan dielektrik harus mampu menahan perbedaan potensial tertentu antara penutup.Semakin kecil ketebalannya, semakin rendah kekuatan listrik dari celah isolasi. Jika kita menggunakan cara ini, akan tiba saatnya ketika aplikasi praktis kapasitor semacam itu menjadi tidak berarti - ia hanya dapat bekerja pada tegangan yang sangat rendah.
- Meningkatkan permeabilitas listrik dielektrik. Cara ini tergantung pada perkembangan teknologi produksi saat ini. Bahan isolasi tidak hanya harus memiliki nilai permeabilitas yang tinggi, tetapi juga sifat dielektrik yang baik, dan mempertahankan parameternya dalam rentang frekuensi yang diperlukan (karena frekuensi pengoperasian kapasitor meningkat, karakteristik dielektrik menurun).
Kapasitor berbentuk bola atau silinder dapat digunakan di beberapa instalasi khusus atau penelitian.
Kapasitas kapasitor bola dapat dihitung dengan rumus
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
di mana R adalah jari-jari bola dan = 3,14.
Untuk desain kapasitor silinder, kapasitansi dihitung sebagai:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l adalah tinggi silinder, dan R1 dan R2 adalah jari-jarinya.
Pada prinsipnya kedua rumus tersebut tidak berbeda dengan rumus kapasitor datar. Kapasitansi selalu ditentukan oleh dimensi linier terminal, jarak antara terminal, dan sifat dielektrik.
Menghubungkan kapasitor secara seri dan paralel
Kapasitor dapat dihubungkan secara seri atau paralel, membuat satu set dengan karakteristik baru.
Koneksi paralel
Jika kapasitor dihubungkan secara paralel, kapasitansi total baterai yang dihasilkan sama dengan jumlah semua kapasitansi komponennya. Jika baterai terdiri dari kapasitor dengan desain yang sama, itu dapat dianggap sebagai penambahan luas semua pelat. Dalam hal ini, tegangan pada setiap elemen baterai akan sama dan muatannya akan bertambah. Untuk tiga kapasitor yang dihubungkan paralel:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Koneksi secara seri
Ketika dihubungkan secara seri, muatan setiap kapasitansi akan sama:
q1=q2=q3=q
Tegangan total didistribusikan secara proporsional dengan dengan kapasitansi kapasitor:
- kamu1=q/ C1;
- kamu2=q/ C2;
- kamu3= q/ C3.
Jika semua kapasitor sama, maka tegangan yang sama jatuh pada masing-masing kapasitor. Total kapasitansi ditemukan sebagai:
C=q/( U1+U2+U3), maka 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/2+1/3.
Aplikasi kapasitor dalam rekayasa
Masuk akal untuk menggunakan kapasitor sebagai akumulator energi listrik. Dengan demikian, mereka tidak dapat bersaing dengan sumber elektrokimia (baterai galvanik, kapasitor) karena energi yang tersimpan kecil dan self-discharge yang agak cepat karena kebocoran muatan melalui dielektrik. Tetapi kemampuan mereka untuk menyimpan energi untuk waktu yang lama dan kemudian memberikannya hampir seketika banyak digunakan. Properti ini digunakan dalam lampu flash untuk fotografi atau lampu untuk eksitasi laser.
Kapasitor sangat umum dalam teknik radio dan elektronik. Kapasitor digunakan dalam rangkaian resonansi sebagai salah satu elemen penahan frekuensi rangkaian (elemen lainnya adalah induktansi). Kemampuan kapasitor untuk menahan arus searah tanpa menjebak komponen AC juga digunakan. Aplikasi seperti itu umum untuk membagi tahap penguat untuk menghilangkan pengaruh mode DC dari satu tahap ke tahap lainnya. Kapasitor berkapasitas tinggi digunakan sebagai filter penghalus pada catu daya. Ada juga segudang aplikasi kapasitor lain di mana sifat-sifatnya terbukti bermanfaat.
Beberapa desain kapasitor praktis
Berbagai desain kapasitor datar digunakan dalam praktik. Desain perangkat menentukan karakteristik dan aplikasinya.
Kapasitor variabel
Jenis umum kapasitor variabel (kapasitor AC) terdiri dari blok pelat bergerak dan tetap yang dipisahkan oleh udara atau isolator padat.Pelat bergerak berputar di sekitar sumbu, menambah atau mengurangi area yang tumpang tindih. Ketika unit bergerak ditarik, celah antarelektroda tetap tidak berubah, tetapi jarak rata-rata antara pelat juga meningkat. Konstanta dielektrik isolator juga tetap tidak berubah. Kapasitansi disesuaikan dengan mengubah area penutup dan jarak rata-rata di antara mereka.
Kapasitor oksida
Jenis kapasitor ini dulu disebut kapasitor elektrolitik. Ini terdiri dari dua strip foil yang dipisahkan oleh dielektrik kertas yang direndam dalam elektrolit. Strip pertama berfungsi sebagai satu penutup dan yang kedua sebagai elektrolit. Dielektrik adalah lapisan tipis oksida pada salah satu strip logam, dan strip kedua berfungsi sebagai pengumpul arus.
Karena lapisan oksidanya sangat tipis dan elektrolitnya dekat dengannya, dimungkinkan untuk mendapatkan kapasitas yang cukup besar dengan ukuran sedang. Harga untuk ini adalah tegangan operasi yang rendah - lapisan oksida tidak memiliki kekuatan listrik yang tinggi. Ketika tegangan operasi meningkat, ukuran kapasitor harus meningkat secara signifikan.
Masalah lain adalah bahwa oksida memiliki konduktivitas satu arah, sehingga kapasitor tersebut hanya digunakan di sirkuit DC dengan memperhatikan polaritas.
Ionistor
Seperti yang ditunjukkan di atas, metode tradisional untuk meningkatkan kapasitor memiliki keterbatasan alam. Oleh karena itu, terobosan nyata adalah penciptaan ionistor.
Meskipun perangkat ini dianggap sebagai perantara antara kapasitor dan baterai, pada dasarnya masih merupakan kapasitor.
Jarak antara kumparan dikurangi secara drastis melalui penggunaan lapisan listrik ganda. Lapisan ion dengan muatan berlawanan berfungsi sebagai lapisan. Dimungkinkan untuk secara drastis meningkatkan luas permukaan penutup karena bahan berpori busa.Akibatnya, dimungkinkan untuk mendapatkan superkapasitor dengan kapasitas hingga ratusan farad. Penyakit yang melekat pada perangkat tersebut adalah tegangan operasi yang rendah (biasanya dalam 10 volt).
Perkembangan teknologi tidak berhenti - lampu dari banyak daerah telah digantikan oleh transistor bipolar, mereka, pada gilirannya, digantikan oleh trioda unipolar. Induktor menyingkirkan desain sirkuit sedapat mungkin. Dan kapasitor tidak melepaskan posisinya untuk abad kedua, desainnya tidak berubah secara mendasar sejak penemuan toples Leiden, dan prospek akhir kariernya tidak diamati.
Artikel terkait:
