Elektriskā kapacitāte ir viens no elektrostatikas pamatjēdzieniem. Šis termins attiecas uz tās spēju saglabāt elektrisko lādiņu. Var runāt par viena vadītāja kapacitāti vai par divu vai vairāku vadītāju sistēmas kapacitāti. Fizikālie procesi ir līdzīgi.
Saturs
Pamatjēdzieni, kas saistīti ar kapacitāti
Ja vadītājs ir saņēmis lādiņu q, uz tā rodas potenciāls φ. Šis potenciāls ir atkarīgs no ģeometrijas un vides - dažādiem vadītājiem un apstākļiem viens un tas pats lādiņš radīs atšķirīgu potenciālu. Bet φ vienmēr ir proporcionāls q:
φ=Cq
Koeficientu C un sauc par elektrisko kapacitāti. Ja mēs runājam par sistēmu, kas sastāv no vairākiem (parasti diviem) vadītājiem, potenciālu starpība jeb spriegums U rodas tad, kad vienam vadītājam (apvalkam) tiek pievadīts lādiņš:
U=Cq, tātad C=U/q
Kapacitāti var definēt kā potenciālu starpības attiecību pret iegūto lādiņu. SI kapacitātes mērvienība ir farads (agrāk saukts par faradu). 1 F = 1 V/1k. 1 farada kapacitāte ir sistēma, kurā 1 kulona lādiņš rada 1 volta potenciālu starpību. 1 farads ir ļoti liela vērtība. Praksē visbiežāk tiek izmantotas frakcionālās vērtības - pikofaradi, nanofaradi, mikrofaradi.
Praksē šāda kombinācija ļauj iegūt akumulatoru, kas spēj izturēt augstāku dielektriskā caurdeguma spriegumu nekā atsevišķs elements.
Kondensatora jaudas aprēķināšana
Praksē visbiežāk izmantotie elementi ar nominālo kapacitāti ir šādi. kondensatorisastāv no diviem plakaniem vadītājiem (spailēm), kurus atdala dielektriķis. Šāda kondensatora elektriskās kapacitātes aprēķina formula ir šāda:
C=(S/d)*ε*ε0
kur:
- C ir kapacitāte, F;
- S ir ieliktņu laukums, kv.m;
- d ir attālums starp vākiem, m;
- ε0 - elektriskā konstante, konstanta, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektriskā caurlaidība, bezdimensiju vērtība.
No tā ir viegli saprast, ka kapacitāte ir tieši proporcionāla vāku laukumam un apgriezti proporcionāla attālumam starp vadītājiem. Kapacitāti ietekmē arī materiāls, ar kuru ir atdalīti vāki.
Lai saprastu, kā kapacitāti noteicošie lielumi ietekmē kondensatora spēju uzglabāt lādiņu, varat veikt mentālu eksperimentu, lai izveidotu kondensatoru ar pēc iespējas lielāku kapacitāti.
- Varētu mēģināt palielināt tinumu laukumu. Tas ievērojami palielinātu ierīces izmēru un svaru. Lai samazinātu slāņu ar dielektriķi, kas tos atdala, izmērus, slāņus satin (caurulītē, plakanā briketē utt.).
- Vēl viens veids ir samazināt attālumu starp ieliktņiem. Ne vienmēr ir iespējams novietot vadītājus ļoti tuvu, jo dielektriskam slānim jāspēj izturēt noteiktu potenciālu starpību starp tinumiem. Jo mazāks biezums, jo mazāka izolācijas spraugas elektriskā izturība. Ja izvēlēsieties šo ceļu, jūs nonāksiet pie tā, ka kondensators praksē zaudēs jēgu - tas varēs darboties tikai pie ļoti zemiem spriegumiem.
- Palielināt dielektrisko elektrisko caurlaidību. Šis veids ir atkarīgs no pašreizējās ražošanas tehnoloģijas. Izolācijas materiālam jābūt ne tikai ar augstu caurlaidības vērtību, bet arī ar labām dielektriskām īpašībām un jāsaglabā tā parametri vajadzīgajā frekvenču diapazonā (palielinoties kondensatora darbības frekvencei, dielektriskās īpašības samazinās).
Sfēriskus vai cilindriskus kondensatorus var izmantot dažos specializētos vai pētniecības lietojumos.
Sfēriska kondensatora kapacitāti var aprēķināt pēc formulas
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kur R ir lodīšu rādiuss un π = 3,14.
Cilindriskai kondensatora konstrukcijai kapacitāti aprēķina šādi:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l ir cilindru augstums, bet R1 un R2 ir to rādiusi.
Principā abas formulas neatšķiras no plakanā kondensatora formulas. Kapacitāti vienmēr nosaka terminālu lineārie izmēri, attālums starp tiem un dielektriķa īpašības.
Kondensatoru savienojums virknē un paralēli
Kondensatorus var savienot virknē secīgi vai paralēli, radot kopumu ar jaunām īpašībām.
Paralēlais savienojums
Ja kondensatori ir savienoti paralēli, iegūtās baterijas kopējā kapacitāte ir vienāda ar visu tās sastāvdaļu kapacitāšu summu. Ja baterija sastāv no vienas un tās pašas konstrukcijas kondensatoriem, to var uzskatīt par visu plākšņu laukumu saskaitīšanu. Šādā gadījumā spriegums katrā akumulatora elementā būs vienāds, un lādiņi saskaitīsies. Trīs paralēli savienotiem kondensatoriem:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Sērijveida savienojums
Ja tie ir savienoti virknē, katras kapacitātes lādiņi būs vienādi:
q1=q2=q3=q
Kopējais spriegums tiek sadalīts proporcionāli kondensatoru kapacitāte:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Ja visi kondensatori ir vienādi, uz katru no tiem krīt vienāds spriegums. Kopējo kapacitāti nosaka kā:
C=q/( U1+U2+U3), tātad 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Kondensatoru pielietojums inženierzinātnēs
Ir loģiski izmantot kondensatorus kā elektroenerģijas akumulēšanas ierīces. Tāpēc tie nevar konkurēt ar elektroķīmiskajiem avotiem (galvaniskajām baterijām, kondensatoriem), jo to enerģijas uzkrāšanas jauda ir zema un tie diezgan ātri pašizlādējas, jo caur dielektriķi izplūst lādiņš. Taču to spēja ilgstoši uzglabāt enerģiju un pēc tam gandrīz uzreiz to atbrīvot tiek plaši izmantota. Šo īpašību izmanto zibspuldzēs fotografēšanai vai lampās lāzeru ierosināšanai.
Kondensatorus plaši izmanto radiotehnikā un elektronikā. Kondensatorus izmanto rezonanses ķēdēs kā vienu no ķēdes frekvenci noturotajiem elementiem (otrs elements ir induktivitāte). Tiek izmantota arī kondensatoru spēja aizturēt līdzstrāvu, neaizkavējot maiņstrāvas komponenti. Šāda izmantošana ir izplatīta pastiprinātāju pakāpju sadalīšanai, lai novērstu vienas pakāpes līdzstrāvas režīmu ietekmi uz otru. Lielas jaudas kondensatorus izmanto kā izlīdzinošos filtrus barošanas avotos. Ir arī ļoti daudz citu kondensatoru pielietojumu, kur to īpašības ir noderīgas.
Daži praktiski kondensatoru dizaini
Praksē tiek izmantotas dažādas plakanā kondensatora konstrukcijas. Ierīces konstrukcija nosaka tās īpašības un pielietojuma jomu.
Mainīgs kondensators
Parastā tipa mainīgais kondensators (VAC) sastāv no kustīgu un nekustīgu plākšņu bloka, kas atdalītas ar gaisu vai cietu izolatoru. Kustīgās plāksnes rotē ap asi, palielinot vai samazinot pārklāšanās laukumu. Kad pārvietojamā vienība tiek noņemta, starpelektroda atstarpe paliek nemainīga, bet palielinās arī vidējais attālums starp plāksnēm. Izolatora dielektriskā konstante arī paliek nemainīga. Kapacitāti regulē, mainot vāciņu laukumu un vidējo attālumu starp tiem.
Oksīda kondensators
Agrāk šāda veida kondensatoru sauca par elektrolītisko kondensatoru. To veido divas folijas sloksnes, ko atdala elektrolītā iemērkts papīra dielektriķis. Pirmā sloksne kalpo kā apvalks, bet otrā sloksne kalpo kā elektrolīts. Dielektriķis ir plāns oksīda slānis uz vienas no metāla sloksnēm, un otrā sloksne kalpo kā strāvas kolektors.
Tā kā oksīda slānis ir ļoti plāns un elektrolīts atrodas tuvu tam, ir iespējams iegūt pietiekami lielu jaudu ar mērenu izmēru. Cena, ko par to jāmaksā, ir zems darba spriegums - oksīda slānim nav augstas dielektriskās izturības. Ja darba spriegums palielinās, kondensatora izmērs ir ievērojami jāpalielina.
Vēl viena problēma ir tā, ka oksīdam ir vienvirziena vadītspēja, tāpēc šādus kondensatorus izmanto tikai līdzstrāvas ķēdēs attiecībā uz polaritāti.
Ionistors
Kā norādīts iepriekš, tradicionālās metodes, kā palielināt kondensatori ir dabiski ierobežojumi. Tāpēc īstais izrāviens bija jonistora izstrāde.
Lai gan šo ierīci uzskata par starpposmu starp kondensatoru un akumulatoru, būtībā tā joprojām ir kondensators.
Attālums starp elektrodiem tiek krasi samazināts, izmantojot dubultu elektrisko slāni. Slāņi ir jonu slāņi ar pretēju lādiņu. Ļoti porains putu materiāls ļauj ievērojami palielināt slāņu virsmas laukumu. Rezultātā tiek iegūti superkondensatori ar jaudu līdz pat simtiem faradu. Šo ierīču iedzimta slimība ir zems darba spriegums (parasti 10 voltu robežās).
Tehnoloģiju attīstība ir turpinājusies - lampas daudzos lietojumos ir aizstājuši bipolārie tranzistori, un tos savukārt ir aizstājuši unipolārie triodi. Ja vien iespējams, no induktivitātēm tiek atteikts, izstrādājot shēmas. Un kondensatori neatsakās no savām pozīcijām jau otro gadsimtu, to konstrukcija nav būtiski mainījusies kopš Leidenes burkas izgudrošanas, un nav nekādu izredžu izbeigt savu karjeru.
Saistītie raksti:
