Elektrická kapacita je jedným zo základných pojmov elektrostatiky. Tento pojem sa vzťahuje na jeho schopnosť uchovávať elektrický náboj. Môžete hovoriť o kapacite jedného vodiča alebo o kapacite sústavy dvoch alebo viacerých vodičov. Fyzikálne procesy sú podobné.
Obsah
Základné pojmy súvisiace s kapacitou
Ak vodič dostal náboj q, vznikne na ňom potenciál φ. Tento potenciál závisí od geometrie a prostredia - v prípade rôznych vodičov a podmienok spôsobí rovnaký náboj rôzny potenciál. Ale φ je vždy úmerný q:
φ=Cq
Koeficient C a sa nazýva elektrická kapacita. Ak hovoríme o sústave viacerých vodičov (zvyčajne dvoch), vzniká rozdiel potenciálov alebo napätie U, keď sa na jeden vodič (plášť) privedie náboj:
U=Cq, teda C=U/q
Kapacitu možno definovať ako pomer rozdielu potenciálov a výsledného náboja. Jednotkou merania kapacity v sústave SI je farad (predtým sa hovorilo o farade). 1 F = 1 V/1k. Kapacita 1 farad je sústava, v ktorej pri náboji 1 coulombu vzniká rozdiel potenciálov 1 volt. 1 Farad je veľmi veľká hodnota. V praxi sa najčastejšie používajú zlomkové hodnoty - pikofarady, nanofarady, mikrofarady.
V praxi táto kombinácia vedie k batérii, ktorá vydrží vyššie dielektrické prierazné napätie ako samostatný článok.
Výpočet kapacity kondenzátora
V praxi sa najčastejšie používajú tieto prvky s menovitou kapacitou kondenzátoryKondenzátory pozostávajúce z dvoch plochých vodičov (svoriek) oddelených dielektrikom. Vzorec na výpočet elektrickej kapacity takéhoto kondenzátora je nasledujúci:
C=(S/d)*ε*ε0
kde:
- C je kapacita, F;
- S je plocha vložiek v m2;
- d je vzdialenosť medzi krytmi, m;
- ε0 - elektrická konštanta, konštantná, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektrická permitivita, bezrozmerná hodnota.
Z toho je zrejmé, že kapacita je priamo úmerná ploche krytov a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi vodičmi. Kapacitu ovplyvňuje aj materiál, ktorým sú kryty oddelené.
Ak chcete pochopiť, ako veličiny, ktoré určujú kapacitu, ovplyvňujú schopnosť kondenzátora uchovávať náboj, môžete urobiť mentálny experiment a vytvoriť kondenzátor s čo najväčšou kapacitou.
- Môžete skúsiť zväčšiť plochu vinutia. To by viedlo k výraznému zväčšeniu veľkosti a hmotnosti zariadenia. Aby sa zmenšila veľkosť vrstiev, ktoré oddeľuje dielektrikum, vrstvy sa zrolujú (do trubice, plochej brikety atď.).
- Ďalším spôsobom je zmenšenie vzdialenosti medzi vložkami. Nie vždy je možné umiestniť vodiče veľmi tesne vedľa seba, pretože dielektrická vrstva musí vydržať určitý rozdiel potenciálov medzi vinutiami. Čím menšia je hrúbka, tým nižšia je elektrická pevnosť izolačnej medzery. Ak sa vydáte touto cestou, dosiahnete bod, kedy kondenzátor stratí praktický význam - bude schopný pracovať len pri veľmi nízkych napätiach.
- Zvýšenie elektrickej priepustnosti dielektrika. Tento spôsob závisí od aktuálnej výrobnej technológie. Izolačný materiál musí mať nielen vysokú hodnotu permeability, ale musí mať aj dobré dielektrické vlastnosti a zachovať si svoje parametre v potrebnom frekvenčnom rozsahu (s rastúcou frekvenciou, pri ktorej kondenzátor pracuje, sa dielektrické vlastnosti znižujú).
Sférické alebo valcové kondenzátory sa môžu používať v niektorých špecializovaných alebo výskumných aplikáciách.
Kapacitu sférického kondenzátora možno vypočítať podľa vzorca
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kde R je polomer gule a π=3,14.
Pri valcovej konštrukcii kondenzátora sa kapacita vypočíta ako:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l je výška valcov a R1 a R2 sú ich polomery.
Oba vzorce sa v zásade nelíšia od vzorca pre plochý kondenzátor. Kapacita je vždy daná lineárnymi rozmermi svoriek, vzdialenosťou medzi nimi a vlastnosťami dielektrika.
Sériové a paralelné zapojenie kondenzátorov
Kondenzátory môžu byť zapojené do série sériovo alebo paralelne, čím sa vytvorí súbor s novými vlastnosťami.
Paralelné pripojenie
Ak sú kondenzátory zapojené paralelne, celková kapacita výslednej batérie sa rovná súčtu kapacít všetkých jej komponentov. Ak sa batéria skladá z rovnakej konštrukcie kondenzátorov, možno si ju predstaviť ako súčet plôch všetkých dosiek. V tomto prípade bude napätie na každom prvku batérie rovnaké a náboje sa budú sčítavať. Pre tri paralelne zapojené kondenzátory:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Sériové zapojenie
Pri sériovom zapojení budú náboje každej kapacity rovnaké:
q1=q2=q3=q
Celkové napätie je rozložené v pomere k kapacita kondenzátorov:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Ak sú všetky kondenzátory rovnaké, na každý z nich dopadá rovnaké napätie. Celková kapacita sa zistí ako:
C=q/( U1+U2+U3), teda 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Použitie kondenzátorov v technológii
Používanie kondenzátorov ako zariadení na uskladnenie elektrickej energie je logické. Ako také nemôžu konkurovať elektrochemickým zdrojom (galvanické batérie, kondenzátory), pretože majú nízku kapacitu uskladnenia energie a pomerne rýchle samovybíjanie v dôsledku úniku náboja cez dielektrikum. Ich schopnosť dlhodobo uchovávať energiu a potom ju takmer okamžite uvoľňovať je však široko využívaná. Táto vlastnosť sa využíva v zábleskových lampách na fotografovanie alebo v lampách na excitáciu laserov.
Kondenzátory sa široko používajú v rádiotechnike a elektronike. Kondenzátory sa používajú v rezonančných obvodoch ako jeden z prvkov udržiavajúcich frekvenciu obvodov (druhým prvkom je indukčnosť). Využíva sa aj schopnosť kondenzátorov zadržať jednosmerný prúd bez oneskorenia striedavej zložky. Takéto použitie je bežné pri delení stupňov zosilňovača, aby sa eliminoval vplyv jednosmerných režimov jedného stupňa na druhý. Vysokokapacitné kondenzátory sa používajú ako vyhladzovacie filtre v napájacích zdrojoch. Existuje aj obrovské množstvo ďalších aplikácií kondenzátorov, kde sa ich vlastnosti ukazujú ako užitočné.
Niektoré praktické návrhy kondenzátorov
V praxi sa používajú rôzne konštrukcie plochých kondenzátorov. Konštrukcia zariadenia určuje jeho vlastnosti a oblasť použitia.
Variabilný kondenzátor
Bežný typ premenlivého kondenzátora (VAC) pozostáva z banky pohyblivých a pevných dosiek oddelených vzduchom alebo pevným izolantom. Pohyblivé dosky sa otáčajú okolo osi, čím sa zväčšuje alebo zmenšuje plocha prekrytia. Keď sa pohyblivá jednotka stiahne, medzera medzi elektródami zostane nezmenená, ale priemerná vzdialenosť medzi platňami sa tiež zväčší. Dielektrická konštanta izolantu sa tiež nemení. Kapacita sa nastavuje zmenou plochy krytov a priemernej vzdialenosti medzi nimi.
Oxidový kondenzátor
V minulosti sa tento typ kondenzátora nazýval elektrolytický kondenzátor. Pozostáva z dvoch pásov fólie oddelených papierovým dielektrikom namočeným v elektrolyte. Prvý pás slúži ako jeden plášť a druhý pás slúži ako elektrolyt. Dielektrikom je tenká vrstva oxidu na jednom z kovových pásikov a druhý pásik slúži ako prúdový kolektor.
Vďaka tomu, že vrstva oxidu je veľmi tenká a elektrolyt je v jej blízkosti, je možné dosiahnuť dostatočne vysokú kapacitu pri miernej veľkosti. Cenou za to je nízke prevádzkové napätie - oxidová vrstva nemá vysokú dielektrickú pevnosť. Ak sa zvýši prevádzkové napätie, veľkosť kondenzátora sa musí výrazne zväčšiť.
Ďalším problémom je, že oxid má jednosmernú vodivosť, takže takéto kondenzátory sa používajú len v jednosmerných obvodoch s ohľadom na polaritu.
Ionistor
Ako je uvedené vyššie, tradičné metódy zvyšovania kondenzátory majú prirodzené obmedzenia. Preto skutočným prelomom bol vývoj ionistora.
Hoci sa toto zariadenie považuje za medzistupeň medzi kondenzátorom a batériou, stále je to v podstate kondenzátor.
Vzdialenosť medzi elektródami sa výrazne zmenšuje použitím dvojitej elektrickej vrstvy. Vrstvy sú vrstvy iónov, ktoré majú opačný náboj. Vysoko porézny penový materiál umožňuje výrazne zväčšiť povrch vrstiev. Výsledkom sú superkondenzátory s kapacitou až stovky faradov. Vlastnou chorobou týchto zariadení je nízke prevádzkové napätie (zvyčajne v rozsahu 10 V).
Vývoj technológie pokračoval - lampy boli v mnohých aplikáciách nahradené bipolárnymi tranzistormi a tie zasa unipolárnymi triódami. Pri návrhu obvodov sa upúšťa od indukčností všade, kde je to možné. A kondenzátory sa nevzdávajú svojich pozícií už druhé storočie, ich konštrukcia sa od vynálezu Leidenskej nádoby zásadne nezmenila a neexistuje žiadna perspektíva ukončenia ich kariéry.
Súvisiace články:
