La capacità elettrica è uno dei concetti di base dell'elettrostatica. Questo termine si riferisce alla sua capacità di immagazzinare una carica elettrica. Si può parlare della capacità di un singolo conduttore o della capacità di un sistema di due o più conduttori. I processi fisici coinvolti sono simili.
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Concetti di base relativi alla capacità
Se un conduttore ha ricevuto una carica q, su di esso si genera un potenziale φ. Questo potenziale dipende dalla geometria e dall'ambiente - per conduttori e condizioni diverse, la stessa carica causerà un potenziale diverso. Ma φ è sempre proporzionale a q:
φ=Cq
Il coefficiente C e viene chiamato capacità elettrica. Se stiamo parlando di un sistema di diversi conduttori (di solito due), una differenza di potenziale o tensione U nasce quando si dà una carica a un conduttore (il rivestimento):
U=Cq, quindi C=U/q
La capacità può essere definita come il rapporto tra la differenza di potenziale e la carica risultante. L'unità di misura della capacità nel SI è il Farad (precedentemente detto Farad). 1 F = 1 V/1k. La capacità di 1 Farad è un sistema in cui dando una carica di 1 coulomb si ottiene una differenza di potenziale di 1 volt. 1 Farad è un valore molto grande. In pratica, i valori frazionari - picofarad, nanofarad, microfarad - sono i più usati.
In pratica, questa combinazione si traduce in una batteria che può sopportare una tensione di rottura dielettrica più alta di una cella singola.
Calcolo della capacità del condensatore
In pratica, gli elementi più comunemente usati con una capacità nominale sono condensatoricostituito da due conduttori piatti (terminali), separati da un dielettrico. La formula per calcolare la capacità elettrica di un tale condensatore è la seguente:
C=(S/d)*ε*ε0
dove:
- C è la capacità, F;
- S è l'area degli inserti, mq;
- d è la distanza tra le coperture, m;
- ε0 - costante elettrica, costante, 8.854*10−12 F/m;
- ε - permittività dielettrica, valore adimensionale.
Da questo è facile capire che la capacità è direttamente proporzionale all'area delle coperture e inversamente proporzionale alla distanza tra i conduttori. La capacità è anche influenzata dal materiale con cui le coperture sono separate.
Per capire come le quantità che determinano la capacità influenzano la capacità di immagazzinare carica di un condensatore, si può fare un esperimento mentale per creare un condensatore con la più alta capacità possibile.
- Potresti provare ad aumentare l'area degli avvolgimenti. Questo porterebbe ad un drammatico aumento delle dimensioni e del peso del dispositivo. Per ridurre le dimensioni degli strati con il dielettrico che li separa, gli strati vengono arrotolati (in un tubo, una bricchetta piatta, ecc.).
- Un altro modo è quello di ridurre la distanza tra gli inserti. Non è sempre possibile posizionare i conduttori molto vicini, poiché lo strato dielettrico deve essere in grado di sopportare una certa differenza di potenziale tra gli avvolgimenti. Minore è lo spessore, minore è la resistenza elettrica del gap isolante. Se prendete questa strada, raggiungerete un punto in cui il condensatore diventa privo di significato nella pratica - può funzionare solo a tensioni molto basse.
- Aumentare la permeabilità elettrica del dielettrico. Questo modo dipende dalla tecnologia di produzione attuale. Il materiale isolante non solo deve avere un alto valore di permeabilità, ma deve anche avere buone proprietà dielettriche e mantenere i suoi parametri nell'intervallo di frequenza necessario (all'aumentare della frequenza a cui opera il condensatore, le caratteristiche dielettriche diminuiscono).
I condensatori sferici o cilindrici possono essere utilizzati in alcune applicazioni specializzate o di ricerca.
La capacità di un condensatore sferico può essere calcolata secondo la formula
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
dove R è il raggio delle sfere e π=3,14.
Per un condensatore cilindrico, la capacità è calcolata come:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l è l'altezza dei cilindri e R1 e R2 sono i loro raggi.
In linea di principio entrambe le formule non differiscono dalla formula per un condensatore piatto. La capacità è sempre determinata dalle dimensioni lineari dei terminali, dalla distanza tra loro e dalle proprietà del dielettrico.
Collegamento dei condensatori in serie e in parallelo
I condensatori possono essere collegati in serie in serie o in parallelocreando un insieme con nuove caratteristiche.
Collegamento in parallelo
Se i condensatori sono collegati in parallelo, la capacità totale della batteria risultante è uguale alla somma delle capacità di tutti i suoi componenti. Se una batteria è composta dalla stessa costruzione di condensatori, si può pensare di sommare l'area di tutte le piastre. In questo caso, la tensione attraverso ogni elemento della batteria sarà la stessa e le cariche si sommeranno. Per tre condensatori collegati in parallelo:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Collegamento in serie
Quando sono collegati in serie, le cariche di ogni capacità saranno le stesse:
q1=q2=q3=q
La tensione totale è distribuita in proporzione a capacità dei condensatori:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Se tutti i condensatori sono uguali, una tensione uguale cade su ognuno. La capacità totale si trova come:
C=q/( U1+U2+U3), quindi 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Applicazioni dei condensatori nella tecnologia
È logico utilizzare i condensatori come dispositivi di stoccaggio dell'energia elettrica. Come tali, non possono competere con le fonti elettrochimiche (batterie galvaniche, condensatori) a causa della loro bassa capacità di immagazzinare energia e dell'autoscarica piuttosto rapida dovuta alla perdita di carica attraverso il dielettrico. Ma la loro capacità di immagazzinare energia per un lungo periodo e poi rilasciarla quasi istantaneamente è ampiamente utilizzata. Questa proprietà è utilizzata nelle lampade flash per la fotografia o nelle lampade per l'eccitazione dei laser.
I condensatori sono ampiamente utilizzati nella radiotecnica e nell'elettronica. I condensatori sono utilizzati nei circuiti risonanti come uno degli elementi di mantenimento della frequenza dei circuiti (l'altro elemento è l'induttanza). La capacità dei condensatori di tenere fuori la corrente continua senza ritardare la componente AC è anche utilizzata. Tale uso è comune per dividere gli stadi dell'amplificatore per eliminare l'influenza dei modi DC di uno stadio sull'altro. I condensatori ad alta capacità sono utilizzati come filtri di livellamento negli alimentatori. Ci sono anche un numero enorme di altre applicazioni di condensatori in cui le loro proprietà si rivelano utili.
Alcuni progetti pratici di condensatori
Una varietà di design di condensatori piatti sono utilizzati in pratica. Il design del dispositivo determina le sue caratteristiche e il suo campo di applicazione.
Condensatore variabile
Un tipo comune di condensatore variabile (VAC) consiste in un banco di piastre mobili e fisse, separate da aria o da un isolante solido. Le piastre mobili ruotano intorno a un asse, aumentando o diminuendo l'area di sovrapposizione. Quando l'unità mobile viene ritirata, la distanza interelettrodica rimane invariata, ma aumenta anche la distanza media tra le piastre. Anche la costante dielettrica dell'isolante rimane invariata. La capacità viene regolata cambiando l'area delle coperture e la distanza media tra di esse.
Condensatore all'ossido
In passato, questo tipo di condensatore era chiamato condensatore elettrolitico. Consiste in due strisce di lamina separate da un dielettrico di carta imbevuto di elettrolita. La prima striscia serve come una guaina e la seconda striscia serve come elettrolita. Il dielettrico è un sottile strato di ossido su una delle strisce di metallo, e la seconda striscia serve come collettore di corrente.
Il fatto che lo strato di ossido è molto sottile e l'elettrolita è vicino ad esso, è possibile ottenere una capacità sufficientemente alta con una dimensione moderata. Il prezzo da pagare per questo è la bassa tensione operativa - lo strato di ossido non ha un'alta resistenza dielettrica. Se la tensione di funzionamento aumenta, la dimensione del condensatore deve aumentare considerevolmente.
Un altro problema è che l'ossido ha una conducibilità unidirezionale, quindi tali condensatori sono utilizzati solo in circuiti DC rispetto alla polarità.
Ionistor
Come mostrato sopra, i metodi tradizionali per aumentare condensatori hanno limiti naturali. Quindi la vera svolta è stata lo sviluppo dello ionistore.
Anche se questo dispositivo è considerato un intermedio tra un condensatore e una batteria, è ancora essenzialmente un condensatore.
La distanza tra gli elettrodi è drasticamente ridotta dall'uso di un doppio strato elettrico. Gli strati sono strati di ioni che hanno una carica opposta. Un materiale espanso altamente poroso permette di aumentare drasticamente la superficie degli strati. Il risultato sono supercondensatori con capacità fino a centinaia di farad. La malattia congenita di questi dispositivi è la bassa tensione di funzionamento (di solito entro i 10 volt).
Lo sviluppo della tecnologia è continuato - le lampade sono state sostituite da transistor bipolari in molte applicazioni, e questi a loro volta sono stati sostituiti da triodi unipolari. Si sta rinunciando alle induttanze ogni volta che è possibile nella progettazione dei circuiti. E i condensatori non abbandonano le loro posizioni per il secondo secolo, il loro design non è cambiato fondamentalmente dall'invenzione del vaso di Leida, e non c'è nessuna prospettiva di finire la loro carriera.
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