Elektrische capaciteit is een van de basisbegrippen van de elektrostatica. Deze term verwijst naar zijn vermogen om een elektrische lading op te slaan. Men kan spreken over de capaciteit van een enkele geleider, of men kan spreken over de capaciteit van een systeem van twee of meer geleiders. De betrokken fysische processen zijn vergelijkbaar.
Inhoud
Basisbegrippen in verband met capaciteit
Indien een geleider een lading q heeft ontvangen, ontstaat op hem een potentiaal φ. Deze potentiaal is afhankelijk van de geometrie en de omgeving - voor verschillende geleiders en omstandigheden zal dezelfde lading een verschillende potentiaal veroorzaken. Maar φ is altijd evenredig met q:
φ=Cq
De coëfficiënt C en wordt de elektrische capaciteit genoemd. Als we het hebben over een systeem van meerdere geleiders (meestal twee), ontstaat er een potentiaalverschil of spanning U wanneer aan één geleider (de mantel) een lading wordt gegeven:
U=Cq, dus C=U/q
Capaciteit kan worden gedefinieerd als de verhouding tussen het potentiaalverschil en de resulterende lading. De meeteenheid van capaciteit in het SI is de Farad (vroeger Farad genoemd). 1 F = 1 V/1k. De capaciteit van 1 Farad is een systeem, waarin het geven van een lading van 1 coulomb resulteert in een potentiaalverschil van 1 volt. 1 Farad is een zeer grote waarde. In de praktijk worden meestal fractionele waarden - picofarads, nanofarads, microfarads - gebruikt.
In de praktijk resulteert deze combinatie in een batterij die bestand is tegen een hogere diëlektrische doorslagspanning dan een enkele cel.
Berekening van de capaciteit van de condensator
In de praktijk zijn de meest gebruikte elementen met een nominale capaciteit condensatorenbestaande uit twee platte geleiders (terminals), gescheiden door een diëlektricum. De formule voor het berekenen van de elektrische capaciteit van zo'n condensator is als volgt:
C=(S/d)*ε*ε0
waar:
- C is de capaciteit, F;
- S is de oppervlakte van de inzetstukken, m²;
- d is de afstand tussen de deksels, m;
- ε0 - elektrische constante, constante, 8.854*10−12 F/m;
- ε - diëlektrische permittiviteit, dimensieloze waarde.
Hieruit is gemakkelijk te begrijpen dat de capaciteit recht evenredig is met de oppervlakte van de bekledingen en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de geleiders. De capaciteit wordt ook beïnvloed door het materiaal waarmee de deksels worden gescheiden.
Om te begrijpen hoe de grootheden die de capaciteit bepalen van invloed zijn op het vermogen van een condensator om lading op te slaan, kun je een mentaal experiment doen om een condensator met de hoogst mogelijke capaciteit te maken.
- U kunt proberen het oppervlak van de wikkelingen te vergroten. Dit zou leiden tot een drastische toename van de omvang en het gewicht van het toestel. Om de omvang van de lagen met het diëlektricum ertussen te verkleinen, worden de lagen opgerold (tot een buis, een platte briket, enz.).
- Een andere manier is om de afstand tussen de inserts te verkleinen. Het is niet altijd mogelijk de geleiders zeer dicht bij elkaar te plaatsen, aangezien de diëlektrische laag bestand moet zijn tegen een zeker potentiaalverschil tussen de windingen. Hoe geringer de dikte, hoe geringer de elektrische sterkte van de isolatiespleet. Als u deze weg inslaat, zult u een punt bereiken waarop de condensator in de praktijk zinloos wordt - hij zal alleen bij zeer lage spanningen kunnen werken.
- Verhoog de diëlektrische elektrische permeabiliteit. Deze manier is afhankelijk van de huidige productietechnologie. Het isolatiemateriaal moet niet alleen een hoge permeabiliteitswaarde hebben, maar het moet ook goede diëlektrische eigenschappen hebben en zijn parameters in het vereiste frequentiebereik behouden (naarmate de frequentie waarop de condensator werkt toeneemt, nemen de diëlektrische eigenschappen af).
In sommige gespecialiseerde of onderzoekstoepassingen kunnen bolvormige of cilindrische condensatoren worden gebruikt.
De capaciteit van een bolvormige condensator kan worden berekend met de formule
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
waarbij R de straal van de bollen is en π=3,14.
Voor een cilindrisch condensatorontwerp wordt de capaciteit berekend als:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l de hoogte van de cilinders is, en R1 en R2 hun stralen zijn.
In principe verschillen beide formules niet van de formule voor een platte condensator. De capaciteit wordt altijd bepaald door de lineaire afmetingen van de aansluitklemmen, de afstand ertussen en de eigenschappen van het diëlektricum.
Aansluiting van condensatoren in serie en parallel
Condensatoren kunnen in serie worden geschakeld in serie of parallelwaardoor een set met nieuwe kenmerken ontstaat.
Parallelle aansluiting
Indien de condensatoren parallel worden geschakeld, is de totale capaciteit van de resulterende batterij gelijk aan de som van de capaciteiten van al zijn componenten. Als een batterij uit condensatoren van dezelfde constructie bestaat, kan men denken aan het optellen van de oppervlakte van alle platen. In dit geval zal de spanning over elk element van de batterij gelijk zijn en zullen de ladingen worden opgeteld. Voor drie parallel geschakelde condensatoren:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Aansluiting in serie
Wanneer ze in serie geschakeld zijn, zullen de ladingen van elke capaciteit gelijk zijn:
q1=q2=q3=q
De totale spanning wordt verdeeld in verhouding tot capaciteit van condensatoren:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Als alle condensatoren gelijk zijn, valt er op elk een gelijke spanning. De totale capaciteit wordt gevonden als:
C=q/( U1+U2+U3), dus 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Toepassingen van condensatoren in de techniek
Het is logisch om condensatoren te gebruiken als opslagplaatsen voor elektrische energie. Als zodanig kunnen zij niet concurreren met elektrochemische bronnen (galvanische batterijen, condensatoren) vanwege hun geringe energieopslagcapaciteit en hun vrij snelle zelfontlading ten gevolge van ladinglekkage door het diëlektricum. Maar hun vermogen om energie over een lange periode op te slaan en die dan bijna onmiddellijk weer af te geven, wordt op grote schaal gebruikt. Deze eigenschap wordt gebruikt in flitslampen voor de fotografie of in lampen voor de excitatie van lasers.
Condensatoren worden veel gebruikt in de radiotechniek en de elektronica. Condensatoren worden in resonantiekringen gebruikt als één van de frequentie-vasthoudende elementen van kringen (het andere element is inductie). Ook wordt gebruik gemaakt van het vermogen van condensatoren om gelijkstroom buiten te houden zonder de wisselstroomcomponent te vertragen. Een dergelijk gebruik is gebruikelijk voor het verdelen van versterkertrappen om de invloed van de DC-standen van de ene trap op de andere te elimineren. Condensatoren met hoge capaciteit worden gebruikt als afvlakkingsfilters in voedingen. Er zijn ook een groot aantal andere toepassingen van condensatoren waarbij hun eigenschappen nuttig blijken.
Enkele praktische condensatorontwerpen
In de praktijk wordt een verscheidenheid van platte condensatorontwerpen gebruikt. Het ontwerp van het toestel bepaalt de kenmerken en het toepassingsgebied ervan.
Variabele condensator
Een veel voorkomend type variabele condensator (VAC) bestaat uit een bank van bewegende en vaste platen, gescheiden door lucht of een vaste isolator. De beweegbare platen draaien rond een as, waardoor het overlappingsgebied groter of kleiner wordt. Wanneer de beweegbare eenheid wordt teruggetrokken, blijft de interelektrodenafstand onveranderd, maar de gemiddelde afstand tussen de platen neemt ook toe. De diëlektrische constante van de isolator blijft eveneens ongewijzigd. De capaciteit wordt aangepast door het oppervlak van de deksels en de gemiddelde afstand ertussen te wijzigen.
Oxidecondensator
In het verleden werd dit type condensator een elektrolytische condensator genoemd. Het bestaat uit twee stroken folie, gescheiden door een in elektrolyt gedrenkt diëlektrisch papier. De eerste strook dient als één omhulsel en de tweede strook dient als elektrolyt. Het diëlektricum is een dunne laag oxide op één van de metalen strips, en de tweede strip dient als stroomcollector.
Doordat de oxidelaag zeer dun is en de elektrolyt zich dicht ertegenaan bevindt, is het mogelijk een voldoende hoge capaciteit te verkrijgen bij een matige grootte. De prijs die hiervoor moet worden betaald is de lage bedrijfsspanning - de oxidelaag heeft geen hoge diëlektrische sterkte. Als de bedrijfsspanning toeneemt, moet de grootte van de condensator aanzienlijk toenemen.
Een ander probleem is dat het oxide een eenrichtingsgeleidingsvermogen heeft, zodat dergelijke condensatoren alleen worden gebruikt in gelijkstroomcircuits met betrekking tot de polariteit.
Ionistor
Zoals hierboven is aangetoond, zijn de traditionele methoden om condensatoren hebben natuurlijke beperkingen. De echte doorbraak was dan ook de ontwikkeling van de ionistor.
Hoewel dit toestel wordt beschouwd als een tussenvorm tussen een condensator en een batterij, is het toch in wezen een condensator.
De afstand tussen de elektroden wordt drastisch verkleind door het gebruik van een dubbele elektrische laag. De lagen zijn lagen van ionen die een tegengestelde lading hebben. Een zeer poreus schuimmateriaal maakt het mogelijk het oppervlak van de lagen drastisch te vergroten. Het resultaat zijn supercondensatoren met capaciteiten tot honderden farads. De aangeboren kwaal van deze apparaten is een lage bedrijfsspanning (gewoonlijk minder dan 10 volt).
De technologie heeft zich verder ontwikkeld - lampen zijn in veel toepassingen vervangen door bipolaire transistors, die op hun beurt zijn vervangen door unipolaire triodes. Inducties worden waar mogelijk geëlimineerd uit circuit-ontwerpen. En condensatoren geven hun positie niet op voor de tweede eeuw, hun ontwerp is niet fundamenteel veranderd sinds de uitvinding van de Leidse pot, en er is geen vooruitzicht op het einde van hun carrière.
Verwante artikelen:
