전기 용량은 정전기의 기본 개념 중 하나입니다. 이 용어는 전하를 축적하는 능력을 나타냅니다. 단일 도체의 커패시턴스에 대해 이야기할 수 있고 두 개 이상의 컨덕터 시스템의 커패시턴스에 대해 이야기할 수 있습니다. 물리적 프로세스는 유사합니다.
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커패시턴스와 관련된 기본 개념
도체가 전하 q를 받으면 전위 φ가 발생합니다. 이 전위는 형상과 환경에 따라 다릅니다. 도체와 조건이 다르면 동일한 전하가 다른 전위를 유발합니다. 그러나 φ는 항상 q에 비례합니다.
φ=Cq
계수 C는 전기 용량이라고 합니다. 여러 도체(보통 두 개)의 시스템에 대해 이야기하는 경우 한 도체(클래딩)에 전하가 주어질 때 전위차 또는 전압 U가 있습니다.
U=Cq, 따라서 C=U/q
커패시턴스는 전위차를 유발한 전하에 대한 전위차의 비율로 정의할 수 있습니다. SI의 용량 단위는 패럿(Farad라고 함)입니다. 1F = 1V/1Cl즉, 1쿨롱의 전하가 1볼트의 전위차를 발생시키는 시스템은 1패럿의 용량을 갖는다. 1 패럿은 매우 큰 값입니다. 실제로 분수 값(피코패럿, 나노패럿, 마이크로패럿)이 가장 일반적으로 사용됩니다.
실제로, 이 연결은 단일 셀보다 더 높은 절연 파괴 전압을 견딜 수 있는 배터리를 허용합니다.
커패시터 용량 계산
실제로, 정규화된 전기 용량을 갖는 요소로서 가장 일반적으로 사용되는 것은 다음과 같습니다. 커패시터, 유전체로 분리된 두 개의 평면 도체(단자)로 구성됩니다. 이러한 커패시터의 전기 커패시턴스를 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
C=(S/d)*ε*ε0
어디:
- C는 커패시턴스, F입니다.
- S는 인서트의 면적, sq.m입니다.
- d는 덮개 사이의 거리, m입니다.
- ε0 - 전기 상수, 상수, 8.854*10−12 F/m;
- ε - 유전율, 무차원 값.
이것으로부터 커패시턴스는 커버의 면적에 정비례하고 도체 사이의 거리에 반비례한다는 것을 이해하기 쉽습니다. 커패시턴스는 덮개를 분리하는 재료에 의해서도 영향을 받습니다.
커패시턴스를 결정하는 양이 커패시터의 전하 저장 능력에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해 가능한 가장 높은 커패시턴스를 갖는 커패시터를 만드는 정신적 실험을 할 수 있습니다.
- 권선의 면적을 늘릴 수 있습니다. 이것은 장치의 크기와 무게의 극적인 증가로 이어질 것입니다. 유전체로 층을 분리하는 층의 크기를 줄이기 위해 감겨서(튜브, 평평한 연탄 등으로) 감습니다.
- 또 다른 방법은 덮개 사이의 거리를 줄이는 것입니다. 유전체 층이 덮개 사이의 특정 전위차를 견딜 수 있어야 하기 때문에 도체를 서로 매우 가깝게 배치하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다.두께가 얇을수록 절연 갭의 전기적 강도가 낮아집니다. 이 방법을 사용하면 그러한 커패시터의 실제 적용이 무의미해지는 순간이 올 것입니다. 이는 극도로 낮은 전압에서만 작동할 수 있습니다.
- 유전체 전기 투자율을 증가시킵니다. 이 방법은 현재 생산 기술의 발전에 달려 있습니다. 절연 재료는 투자율 값이 높을 뿐만 아니라 유전 특성도 양호해야 하며 필요한 주파수 범위에서 매개변수를 유지해야 합니다(커패시터가 작동하는 주파수가 증가하면 유전 특성이 감소함).
구형 또는 원통형 커패시터는 일부 특수 또는 연구 설비에 사용할 수 있습니다.
구형 커패시터의 용량은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
여기서 R은 구의 반지름이고 π=3.14입니다.
원통형 커패시터 설계의 경우 커패시턴스는 다음과 같이 계산됩니다.
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l은 실린더의 높이이고 R1과 R2는 반지름입니다.
원칙적으로 두 공식은 플랫 커패시터의 공식과 다르지 않습니다. 커패시턴스는 항상 단자의 선형 치수, 단자 사이의 거리 및 유전체의 특성에 의해 결정됩니다.
직렬 및 병렬로 커패시터 연결
커패시터를 연결할 수 있습니다. 직렬 또는 병렬로, 새로운 특성을 가진 세트를 만듭니다.
병렬 연결
커패시터가 병렬로 연결되면 결과 배터리의 총 커패시턴스는 구성 요소의 모든 커패시턴스의 합과 같습니다. 배터리가 동일한 디자인의 커패시터로 구성된 경우 모든 플레이트의 면적을 합산하는 것으로 생각할 수 있습니다. 이 경우 배터리의 각 요소에 대한 전압은 동일하며 요금이 합산됩니다. 병렬로 연결된 3개의 커패시터의 경우:
- 유=유1=유2=유3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
직렬 연결
직렬로 연결하면 각 커패시턴스의 전하가 동일합니다.
큐1=q2=q3=q
총 전압은 커패시터의 커패시턴스에:
- 유1=q/C1;
- 유2=q/C2;
- 유3= q/C3.
모든 커패시터가 동일하면 동일한 전압이 각각에 떨어집니다. 총 커패시턴스는 다음과 같이 찾을 수 있습니다.
C=q/(유1+U2+U3), 따라서 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
엔지니어링 분야의 커패시터 응용
커패시터를 전기 에너지의 축전지로 사용하는 것이 합리적입니다. 따라서 저장 에너지가 적고 유전체를 통한 전하 누출로 인해 자체 방전이 빠르기 때문에 전기 화학 소스(갈바닉 배터리, 커패시터)와 경쟁할 수 없습니다. 그러나 장기간 에너지를 저장한 다음 거의 즉시 방출하는 능력은 널리 사용됩니다. 이 속성은 사진용 플래시 램프 또는 레이저 여기용 램프에 사용됩니다.
커패시터는 무선 엔지니어링 및 전자공학에서 매우 일반적입니다. 커패시터는 공진 회로에서 회로의 주파수 유지 요소 중 하나로 사용됩니다(또 다른 요소는 인덕턴스입니다). AC 구성 요소를 트래핑하지 않고 직류를 차단하는 커패시터의 기능도 사용됩니다. 이러한 애플리케이션은 증폭기 단계를 분할하여 한 단계의 DC 모드가 다른 단계에 미치는 영향을 제거하는 데 일반적입니다. 고용량 커패시터는 전원 공급 장치의 평활화 필터로 사용됩니다. 그 특성이 유용한 것으로 입증된 수많은 다른 커패시터 애플리케이션도 있습니다.
몇 가지 실용적인 커패시터 설계
다양한 평면 커패시터 설계가 실제로 사용됩니다. 장치의 디자인은 특성과 응용 프로그램을 결정합니다.
가변 커패시터
일반적인 유형의 가변 커패시터(AC 커패시터)는 공기 또는 고체 절연체로 분리된 이동식 및 고정 플레이트 블록으로 구성됩니다.가동 플레이트는 축을 중심으로 회전하여 중첩 영역을 늘리거나 줄입니다. 가동부를 빼면 전극간 갭은 변하지 않지만 플레이트 사이의 평균 거리도 증가합니다. 절연체의 유전 상수도 변하지 않습니다. 커패시턴스는 덮개의 면적과 덮개 사이의 평균 거리를 변경하여 조정됩니다.
산화물 커패시터
이러한 유형의 커패시터를 이전에는 전해 커패시터라고 불렀습니다. 이것은 전해질에 적신 종이 유전체로 분리된 두 개의 호일 스트립으로 구성됩니다. 첫 번째 스트립은 하나의 덮개 역할을 하고 두 번째 스트립은 전해질 역할을 합니다. 유전체는 금속 스트립 중 하나에 있는 얇은 산화물 층이고 두 번째 스트립은 집전체 역할을 합니다.
산화물층이 매우 얇고 전해액이 가깝기 때문에 적당한 크기로 꽤 큰 용량을 얻을 수 있었다. 이에 대한 가격은 낮은 작동 전압입니다. 산화물 층은 높은 전기적 강도를 갖지 않습니다. 작동 전압이 증가함에 따라 커패시터의 크기가 크게 증가해야 합니다.
또 다른 문제는 산화물이 단방향 전도성을 가지므로 이러한 커패시터는 극성을 준수하는 DC 회로에서만 사용된다는 것입니다.
이오니스터
위의 그림과 같이 기존의 증가 방법은 커패시터 타고난 한계가 있다. 따라서 진정한 돌파구는 ionistors의 생성이었습니다.
이 장치는 커패시터와 배터리의 중간체로 간주되지만 여전히 본질적으로 커패시터입니다.
이중 전기층을 사용하여 코일 사이의 거리를 획기적으로 줄였습니다. 반대 전하를 가진 이온 층이 층 역할을 합니다. 발포 다공질 소재로 인해 커버의 표면적을 획기적으로 증가시킬 수 있습니다.그 결과 수백 패럿의 용량을 가진 슈퍼커패시터를 얻을 수 있다. 이러한 장치의 고유한 질병은 낮은 작동 전압(보통 10볼트 이내)입니다.
기술 개발은 멈추지 않습니다. 많은 지역의 램프가 바이폴라 트랜지스터로 교체되었으며 차례로 단극 3 극관으로 교체되었습니다. 인덕터는 가능한 한 회로 설계에서 제거하고 있습니다. 그리고 축전기는 2세기 동안 자신의 위치를 포기하지 않으며, 라이덴 병이 발명된 이후로 설계가 근본적으로 변경되지 않았으며, 경력이 끝날 것이라는 전망도 관찰되지 않습니다.
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