Pojemność elektryczna jest jednym z podstawowych pojęć elektrostatyki. Termin ten odnosi się do jego zdolności do przechowywania ładunku elektrycznego. Można mówić o pojemności pojedynczego przewodnika lub o pojemności układu dwóch lub więcej przewodników. Zachodzące procesy fizyczne są podobne.
Zawartość
Podstawowe pojęcia związane z pojemnością
Jeżeli do przewodnika został przyniesiony ładunek q, to powstaje na nim potencjał φ. Potencjał ten zależy od geometrii i środowiska - w przypadku różnych przewodników i warunków ten sam ładunek spowoduje powstanie innego potencjału. Ale φ jest zawsze proporcjonalne do q:
φ=Cq
Współczynnik C i jest nazywany pojemnością elektryczną. Jeśli mówimy o układzie kilku przewodników (zwykle dwóch), to różnica potencjałów lub napięcie U powstaje, gdy do jednego przewodnika (okładziny) zostanie doprowadzony ładunek:
U=Cq, stąd C=U/q
Kapacytancję można zdefiniować jako stosunek różnicy potencjałów do powstałego ładunku. Jednostką miary pojemności w układzie SI jest farad (dawniej mówiło się Farad). 1 F = 1 V/1k. Pojemność 1 Farada to układ, w którym oddanie ładunku o wartości 1 kulomb powoduje powstanie różnicy potencjałów równej 1 wolt. 1 Farad to bardzo duża wartość. W praktyce najczęściej stosuje się wartości ułamkowe - pikofarady, nanofarady, mikrofarady.
W praktyce takie połączenie daje w efekcie baterię, która może wytrzymać wyższe napięcie przebicia dielektrycznego niż pojedyncza cela.
Obliczanie pojemności kondensatora
W praktyce najczęściej stosowanymi elementami o pojemności znamionowej są kondensatoryskłada się z dwóch płaskich przewodników (zacisków) oddzielonych dielektrykiem. Wzór na obliczenie pojemności elektrycznej takiego kondensatora jest następujący:
C=(S/d)*ε*ε0
gdzie:
- C jest pojemnością, F;
- S to powierzchnia wkładek, m²;
- d to odległość między osłonami, m;
- ε0 - stała elektryczna, stała, 8,854*10−12 F/m;
- ε - przenikalność dielektryczna, wartość bezwymiarowa.
Łatwo z tego zrozumieć, że pojemność jest wprost proporcjonalna do powierzchni okładek i odwrotnie proporcjonalna do odległości między przewodnikami. Na pojemność ma również wpływ materiał, którym są oddzielone okładki.
Aby zrozumieć, jak wielkości określające pojemność wpływają na zdolność kondensatora do magazynowania ładunku, można przeprowadzić eksperyment myślowy polegający na stworzeniu kondensatora o możliwie największej pojemności.
- Można spróbować zwiększyć powierzchnię uzwojeń. Doprowadziłoby to do znacznego zwiększenia rozmiarów i masy urządzenia. W celu zmniejszenia wymiarów warstw z oddzielającym je dielektrykiem, warstwy są zwijane (w rurkę, płaski brykiet itp.).
- Innym sposobem jest zmniejszenie odległości między wkładkami. Nie zawsze możliwe jest ścisłe rozmieszczenie przewodników, ponieważ warstwa dielektryczna musi wytrzymać pewną różnicę potencjałów między uzwojeniami. Im mniejsza grubość, tym mniejsza wytrzymałość elektryczna szczeliny izolacyjnej. Jeśli pójdziesz tą drogą, dojdziesz do punktu, w którym kondensator stanie się w praktyce bez znaczenia - będzie mógł pracować tylko przy bardzo niskich napięciach.
- Zwiększenie przenikalności elektrycznej dielektryka. Sposób ten zależy od aktualnej technologii produkcji. Materiał izolacyjny musi mieć nie tylko wysoką wartość przenikalności, ale także dobre właściwości dielektryczne i utrzymywać swoje parametry w wymaganym zakresie częstotliwości (wraz ze wzrostem częstotliwości, przy której pracuje kondensator, właściwości dielektryczne maleją).
Kondensatory sferyczne lub cylindryczne mogą być wykorzystywane w niektórych zastosowaniach specjalistycznych lub badawczych.
Pojemność kondensatora kulistego można obliczyć według wzoru
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
gdzie R to promień kuli, a π=3,14.
W przypadku kondensatora cylindrycznego pojemność oblicza się jako:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l jest wysokością cylindrów, a R1 i R2 są ich promieniami.
W zasadzie oba wzory nie różnią się od wzoru dla kondensatora płaskiego. Pojemność jest zawsze określana przez wymiary liniowe zacisków, odległość między nimi oraz właściwości dielektryka.
Łączenie kondensatorów szeregowo i równolegle
Kondensatory mogą być połączone szeregowo w układzie szeregowym lub równoległymtworząc zestaw o nowych cechach.
Połączenie równoległe
Jeśli kondensatory są połączone równolegle, całkowita pojemność powstałej baterii jest równa sumie pojemności wszystkich jej elementów. Jeśli bateria składa się z kondensatorów o takiej samej konstrukcji, można to rozumieć jako sumowanie powierzchni wszystkich płyt. W takim przypadku napięcie na każdym elemencie akumulatora będzie takie samo, a ładunki będą się sumować. Dla trzech kondensatorów połączonych równolegle:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Połączenie szeregowe
W przypadku połączenia szeregowego ładunki każdej z pojemności są takie same:
q1=q2=q3=q
Całkowite napięcie rozkłada się proporcjonalnie do pojemność kondensatorów:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Jeśli wszystkie kondensatory są takie same, na każdy z nich pada jednakowe napięcie. Pojemność całkowitą oblicza się jako:
C=q/( U1+U2+U3), stąd 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Zastosowania kondensatorów w technice
Logiczne jest wykorzystanie kondensatorów jako urządzeń magazynujących energię elektryczną. Z tego względu nie mogą one konkurować ze źródłami elektrochemicznymi (baterie galwaniczne, kondensatory) ze względu na niską zdolność magazynowania energii i dość szybkie samorozładowanie spowodowane przeciekiem ładunku przez dielektryk. Jednak ich zdolność do magazynowania energii przez długi czas, a następnie niemal natychmiastowego jej uwalniania, jest szeroko wykorzystywana. Ta właściwość jest wykorzystywana w lampach błyskowych do fotografii lub w lampach do wzbudzania laserów.
Kondensatory są szeroko stosowane w radiotechnice i elektronice. Kondensatory są stosowane w obwodach rezonansowych jako jeden z elementów utrzymujących częstotliwość w obwodach (drugim elementem jest indukcyjność). Wykorzystuje się również zdolność kondensatorów do zatrzymywania prądu stałego bez opóźniania składowej zmiennej. Takie zastosowanie jest powszechne w przypadku dzielenia stopni wzmacniacza w celu wyeliminowania wpływu trybów stałoprądowych jednego stopnia na drugi. Kondensatory o dużej pojemności są stosowane jako filtry wygładzające w zasilaczach. Istnieje również ogromna liczba innych zastosowań kondensatorów, w których ich właściwości okazują się przydatne.
Niektóre praktyczne konstrukcje kondensatorów
W praktyce stosuje się wiele różnych konstrukcji kondensatorów płaskich. Konstrukcja urządzenia określa jego charakterystykę i obszar zastosowań.
Kondensator zmienny
Typowy kondensator zmienny (VAC) składa się z szeregu ruchomych i nieruchomych płyt, oddzielonych powietrzem lub stałym izolatorem. Ruchome płyty obracają się wokół osi, zwiększając lub zmniejszając obszar zachodzenia na siebie. Gdy zespół ruchomy jest wycofywany, szczelina międzyelektrodowa pozostaje niezmieniona, ale zwiększa się średnia odległość między płytkami. Stała dielektryczna izolatora również pozostaje niezmieniona. Pojemność jest regulowana przez zmianę powierzchni okładek i średniej odległości między nimi.
Kondensator tlenkowy
W przeszłości ten typ kondensatora był nazywany kondensatorem elektrolitycznym. Składa się on z dwóch pasków folii oddzielonych papierowym dielektrykiem nasączonym elektrolitem. Pierwszy pasek służy jako osłona, a drugi pasek jako elektrolit. Dielektrykiem jest cienka warstwa tlenku na jednej z metalowych listew, a druga listwa służy jako kolektor prądu.
Dzięki temu, że warstwa tlenku jest bardzo cienka, a elektrolit znajduje się w jej pobliżu, możliwe jest uzyskanie odpowiednio dużej pojemności przy umiarkowanych rozmiarach. Ceną za to jest niskie napięcie robocze - warstwa tlenku nie ma dużej wytrzymałości dielektrycznej. Jeśli napięcie robocze wzrasta, rozmiar kondensatora musi się znacznie zwiększyć.
Innym problemem jest to, że tlenek ma przewodnictwo jednokierunkowe, więc takie kondensatory są stosowane tylko w obwodach prądu stałego z uwzględnieniem polaryzacji.
Ionistor
Jak pokazano powyżej, tradycyjne metody zwiększania kondensatory mają naturalne ograniczenia. Dlatego prawdziwym przełomem było opracowanie jonistora.
Chociaż to urządzenie jest uważane za pośrednie między kondensatorem a baterią, to jednak zasadniczo jest to kondensator.
Odległość między elektrodami jest znacznie zmniejszona dzięki zastosowaniu podwójnej warstwy elektrycznej. Są to warstwy jonów o przeciwnych ładunkach. Wysoce porowaty materiał piankowy umożliwia znaczne zwiększenie powierzchni warstw. W ten sposób powstały superkondensatory o pojemnościach sięgających setek faradów. Nieodłączną chorobą tych urządzeń jest niskie napięcie robocze (zwykle w zakresie 10 V).
Rozwój technologii postępował - w wielu zastosowaniach lampy zostały wyparte przez tranzystory bipolarne, a te z kolei zostały zastąpione przez triody unipolarne. W projektowaniu obwodów rezygnuje się z indukcyjności wszędzie tam, gdzie jest to możliwe. A kondensatory nie rezygnują ze swoich pozycji już drugi wiek, ich konstrukcja nie zmieniła się zasadniczo od czasu wynalezienia słoika lejdejskiego i nie zanosi się na zakończenie ich kariery.
Powiązane artykuły:
