Električna kapacitivnost je eden od osnovnih pojmov elektrostatike. Ta izraz se nanaša na sposobnost kopičenja električnega naboja. Lahko govorimo o kapacitivnosti enega prevodnika, lahko govorimo o kapacitivnosti sistema dveh ali več prevodnikov. Fizični procesi so podobni.
Vsebina
Osnovni pojmi, povezani s kapacitivnostjo
Če je prevodnik prejel naboj q, se na njem pojavi potencial φ. Ta potencial je odvisen od geometrije in okolja – za različne prevodnike in pogoje bo isti naboj povzročil drugačen potencial. Toda φ je vedno sorazmeren z q:
φ=Cq
Koeficient C in se imenuje električna kapacitivnost. Če govorimo o sistemu več vodnikov (običajno dveh), ko se en vodnik napolni (oplašča), obstaja potencialna razlika ali napetost U:
U=Cq, torej C=U/q
Kapacitivnost lahko definiramo kot razmerje med potencialno razliko in nabojem, ki jo je povzročil. Enota za kapaciteto v SI je farad (prej so rekli farad). 1 F = 1 V/1 Cl.Z drugimi besedami, sistem, v katerem naboj 1 kulona povzroči potencialno razliko 1 volta, ima kapaciteto 1 farad. 1 Farad je zelo velika vrednost. V praksi se najpogosteje uporabljajo frakcijske vrednosti - pikofaradi, nanofaradi, mikrofaradi.
V praksi ta povezava omogoča baterijo, ki lahko prenese višjo dielektrično prebojno napetost kot ena celica.
Izračun kapacitete kondenzatorja
V praksi se kot elementi z normalizirano električno kapacitivnostjo najpogosteje uporabljajo kondenzatorji, sestavljen iz dveh ravnih vodnikov (terminalov), ločenih z dielektrikom. Formula za izračun električne kapacitivnosti takšnega kondenzatorja je naslednja:
C=(S/d)*ε*ε0
kje:
- C je kapacitivnost, F;
- S je površina vložkov, m2;
- d je razdalja med pokrovi, m;
- ε0 - električna konstanta, konstanta, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektrična prepustnost, brezdimenzijska vrednost.
Iz tega je enostavno razumeti, da je kapacitivnost neposredno sorazmerna s površino pokrovov in obratno sorazmerna z razdaljo med vodniki. Na kapacitivnost vpliva tudi material, s katerim so pokrovi ločeni.
Da bi razumeli, kako količine, ki določajo kapacitivnost, vplivajo na kondenzatorjevo sposobnost shranjevanja naboja, lahko izvedete miselni poskus, da ustvarite kondenzator z največjo možno kapacitivnostjo.
- Lahko poskusite povečati površino navitij. To bo povzročilo dramatično povečanje velikosti in teže naprave. Da bi zmanjšali velikost plasti z dielektrikom, ki jih ločuje, jih zvijemo (v cev, ploščat briket itd.).
- Drugi način je zmanjšanje razdalje med pokrovi. Prevodnikov ni vedno mogoče postaviti zelo blizu drug drugemu, ker mora biti dielektrična plast sposobna prenesti določeno potencialno razliko med pokrovi.Manjša kot je debelina, manjša je električna trdnost izolacijske reže. Če uporabimo ta način, bo prišel trenutek, ko bo praktična uporaba takšnega kondenzatorja nesmiselna - deluje lahko le pri izjemno nizkih napetostih.
- Povečanje dielektrične električne prepustnosti. Ta način je odvisen od razvoja trenutne proizvodne tehnologije. Izolacijski material mora imeti ne le visoko vrednost prepustnosti, ampak tudi dobre dielektrične lastnosti in ohraniti svoje parametre v zahtevanem frekvenčnem območju (z naraščanjem frekvence, pri kateri deluje kondenzator, se dielektrične lastnosti zmanjšujejo).
Sferični ali cilindrični kondenzatorji se lahko uporabljajo v nekaterih specializiranih ali raziskovalnih napravah.
Kapaciteto sferičnega kondenzatorja lahko izračunamo po formuli
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kjer je R polmer krogel in π=3,14.
Za zasnovo cilindričnega kondenzatorja se kapacitivnost izračuna kot:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l je višina valjev, R1 in R2 pa sta njihova polmera.
Obe formuli se načeloma ne razlikujeta od formule za ploščati kondenzator. Kapacitivnost vedno določajo linearne dimenzije sponk, razdalja med njimi in lastnosti dielektrika.
Vezava kondenzatorjev zaporedno in vzporedno
Kondenzatorje je mogoče povezati zaporedno ali vzporedno, ustvarjanje niza z novimi lastnostmi.
Vzporedna povezava
Če sta kondenzatorja povezana vzporedno, je skupna kapacitivnost nastale baterije enaka vsoti vseh kapacitivnosti njenih komponent. Če je baterija sestavljena iz kondenzatorjev enake zasnove, si lahko predstavljamo seštevek površine vseh plošč. V tem primeru bo napetost na vsakem elementu baterije enaka in napolnjenosti se bodo seštevale. Za tri vzporedno vezane kondenzatorje:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Povezava v seriji
Pri zaporedni povezavi bodo naboji vsake kapacitivnosti enaki:
q1=q2=q3=q
Skupna napetost se porazdeli sorazmerno z na kapacitivnost kondenzatorjev:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Če so vsi kondenzatorji enaki, potem na vsakem pade enaka napetost. Skupna kapacitivnost se izračuna kot:
C=q/( U1+U2+U3), torej 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Uporaba kondenzatorjev v tehniki
Kot akumulatorje električne energije je smiselno uporabiti kondenzatorje. Kot taki ne morejo tekmovati z elektrokemičnimi viri (galvanske baterije, kondenzatorji) zaradi majhne shranjene energije in precej hitrega samopraznjenja zaradi uhajanja naboja skozi dielektrik. Toda njihova sposobnost, da dolgo časa shranijo energijo in jo nato skoraj v trenutku oddajo, se pogosto uporablja. Ta lastnost se uporablja v bliskavicah za fotografijo ali v žarnicah za vzbujanje laserjev.
Kondenzatorji so zelo pogosti v radijski tehniki in elektroniki. Kondenzatorji se uporabljajo v resonančnih vezjih kot eden izmed elementov za ohranjanje frekvence v vezjih (drug element je induktivnost). Uporablja se tudi zmožnost kondenzatorjev, da preprečijo enosmerni tok, ne da bi ujeli AC komponento. Takšna uporaba je običajna za razdelitev stopenj ojačevalnika, da se odpravi vpliv enosmernih načinov ene stopnje na drugo. Visoko zmogljivi kondenzatorji se uporabljajo kot gladilni filtri v napajalnikih. Obstaja tudi nešteto drugih aplikacij kondenzatorjev, kjer se njihove lastnosti izkažejo za koristne.
Nekaj praktičnih modelov kondenzatorjev
V praksi se uporabljajo različne izvedbe ploščatih kondenzatorjev. Zasnova naprave določa njene značilnosti in uporabo.
Spremenljivi kondenzator
Običajen tip spremenljivega kondenzatorja (AC kondenzator) je sestavljen iz bloka premičnih in fiksnih plošč, ločenih z zrakom ali trdnim izolatorjem.Premične plošče se vrtijo okoli osi in tako povečajo ali zmanjšajo površino prekrivanja. Ko se premična enota umakne, medelektrodna reža ostane nespremenjena, poveča pa se tudi povprečna razdalja med ploščama. Tudi dielektrična konstanta izolatorja ostane nespremenjena. Kapacitivnost se prilagaja s spreminjanjem površine pokrovov in povprečne razdalje med njimi.
Oksidni kondenzator
To vrsto kondenzatorja so včasih imenovali elektrolitski kondenzator. Sestavljen je iz dveh trakov folije, ločenih s papirnatim dielektrikom, namočenim v elektrolit. Prvi trak služi kot en pokrov, drugi pa kot elektrolit. Dielektrik je tanka plast oksida na enem od kovinskih trakov, drugi trak pa služi kot zbiralnik toka.
Ker je oksidna plast zelo tanka in elektrolit blizu nje, je bilo mogoče dobiti precej velike kapacitete z zmerno velikostjo. Cena za to je nizka delovna napetost - oksidna plast nima visoke električne trdnosti. Ko se delovna napetost poveča, se mora velikost kondenzatorja znatno povečati.
Druga težava je, da ima oksid enosmerno prevodnost, zato se takšni kondenzatorji uporabljajo samo v enosmernih tokokrogih z upoštevanjem polarnosti.
Ionistor
Kot je prikazano zgoraj, tradicionalne metode povečanja kondenzatorji imajo naravne omejitve. Zato je bil pravi preboj ustvarjanje ionistorjev.
Čeprav se ta naprava šteje za vmesno mesto med kondenzatorjem in baterijo, je v bistvu še vedno kondenzator.
Razdalja med tuljavama se drastično zmanjša z uporabo dvojne električne plasti. Kot plasti služijo plasti ionov z nasprotnimi naboji. Zaradi penastih poroznih materialov je mogoče drastično povečati površino prevlek.Posledično je mogoče dobiti superkondenzatorje z zmogljivostjo do stotin faradov. Inherentna bolezen takih naprav je nizka delovna napetost (običajno znotraj 10 voltov).
Razvoj tehnologije ne miruje - svetilke z mnogih področij so nadomestili bipolarni tranzistorji, zamenjali pa so jih unipolarne triode. Induktorji se v načrtovanju vezja znebijo, kjer koli je to mogoče. In kondenzatorji se že drugo stoletje ne odrečejo svojim položajem, njihova zasnova se od izuma Leidenskega kozarca ni bistveno spremenila in možnosti za konec njihove kariere niso opažene.
Povezani članki:
