Elektrisk kapacitans är ett av de grundläggande begreppen inom elektrostatiken. Denna term syftar på dess förmåga att lagra en elektrisk laddning. Du kan tala om kapacitansen hos en enskild ledare eller om kapacitansen hos ett system med två eller flera ledare. De fysikaliska processerna är likartade.
Innehåll
Grundläggande begrepp om kapacitans
Om en ledare har fått en laddning q uppstår en potential φ på den. Potentialen beror på geometrin och miljön - för olika ledare och förhållanden kommer samma laddning att ge en annan potential. Men φ är alltid proportionell mot q:
φ=Cq
Koefficienten C och kallas elektrisk kapacitans. Om vi talar om ett system med flera ledare (vanligtvis två) uppstår en potentialskillnad eller spänning U när en laddning ges till en ledare (manteln):
U=Cq, alltså C=U/q
Kapacitans kan definieras som förhållandet mellan potentialskillnaden och den resulterande laddningen. Måttenheten för kapacitans i SI är farad (tidigare Farad). 1 F = 1 V/1k. Kapaciteten på 1 farad är ett system där en laddning på 1 coulomb resulterar i en potentialskillnad på 1 volt. 1 farad är ett mycket stort värde. I praktiken används oftast bråkvärden - picofarads, nanofarads, mikrofarads -.
I praktiken resulterar denna kombination i ett batteri som klarar en högre dielektrisk brytningsspänning än en enskild cell.
Beräkning av kondensatorns kapacitet
I praktiken är de vanligaste elementen med en nominell kapacitans följande kondensatorerbestår av två platta ledare (terminaler) som är åtskilda av ett dielektrikum. Formeln för att beräkna den elektriska kapacitansen för en sådan kondensator är följande:
C=(S/d)*ε*ε0
där:
- C är kapacitansen, F;
- S är insatsernas area, i kvadratmeter;
- d är avståndet mellan täckena, m;
- ε0 - elektrisk konstant, konstant, 8.854*10−12 F/m;
- ε - dielektrisk permittivitet, dimensionslöst värde.
Det är lätt att förstå att kapacitansen är direkt proportionell mot ytan av täckningarna och omvänt proportionell mot avståndet mellan ledarna. Kapacitansen påverkas också av det material som används för att separera höljet.
För att förstå hur de storheter som bestämmer kapaciteten påverkar kondensatorns förmåga att lagra laddning kan du göra ett mentalt experiment för att skapa en kondensator med högsta möjliga kapacitans.
- Du kan försöka öka arean på lindningarna. Detta skulle leda till en dramatisk ökning av enhetens storlek och vikt. För att minska storleken på skikten med dielektricitet som skiljer dem åt rullas skikten ihop (till ett rör, en platt brikett osv.).
- Ett annat sätt är att minska avståndet mellan insatserna. Det är inte alltid möjligt att placera ledarna mycket nära varandra, eftersom det dielektriska skiktet måste klara en viss potentialskillnad mellan lindningarna. Ju mindre tjocklek, desto lägre elektrisk styrka hos isoleringsgapet. Om du väljer den här vägen kommer du att nå en punkt där kondensatorn blir meningslös i praktiken - den kan bara fungera vid mycket låga spänningar.
- Öka den dielektriska elektriska permeabiliteten. Detta sätt beror på den aktuella produktionstekniken. Isoleringsmaterialet måste inte bara ha ett högt permeabilitetsvärde, utan det måste också ha goda dielektriska egenskaper och bibehålla sina parametrar i det nödvändiga frekvensområdet (när frekvensen vid vilken kondensatorn fungerar ökar, minskar de dielektriska egenskaperna).
Sfäriska eller cylindriska kondensatorer kan användas i vissa specialiserade tillämpningar eller forskningstillämpningar.
Kapaciteten hos en sfärisk kondensator kan beräknas enligt följande formel
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
där R är sfärernas radie och π=3,14.
För en cylindrisk kondensatorkonstruktion beräknas kapacitansen på följande sätt:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l är cylinderns höjd och R1 och R2 är deras radier.
I princip skiljer sig båda formlerna inte från formeln för en platt kondensator. Kapacitansen bestäms alltid av terminalernas linjära dimensioner, avståndet mellan dem och dielektrikets egenskaper.
Anslutning av kondensatorer i serie och parallellt
Kondensatorer kan kopplas i serie i serie eller parallellt., vilket skapar en uppsättning med nya egenskaper.
Parallellanslutning
Om kondensatorerna är parallellkopplade är den totala kapacitansen hos det resulterande batteriet lika med summan av kapacitanserna hos alla dess komponenter. Om ett batteri består av samma konstruktion av kondensatorer kan man tänka sig att det är som att addera ytan på alla plattor. I det här fallet är spänningen över varje del av batteriet lika stor och laddningarna summeras. För tre kondensatorer som är parallellt anslutna:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Anslutning i serie
När de är kopplade i serie är laddningarna i varje kondensator lika stora:
q1=q2=q3=q
Den totala spänningen fördelas i proportion till kapacitans av kondensatorer:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Om alla kondensatorer är likadana faller en lika stor spänning på alla. Den totala kapacitansen fås som:
C=q/( U1+U2+U3), och därmed 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Tillämpningar av kondensatorer inom tekniken
Det är logiskt att använda kondensatorer som lagringsenheter för elektrisk energi. Som sådana kan de inte konkurrera med elektrokemiska källor (galvaniska batterier, kondensatorer) på grund av deras låga energilagringskapacitet och ganska snabba självurladdning på grund av laddningsläckage genom dielektrikumet. Men deras förmåga att lagra energi under lång tid och sedan frigöra den nästan omedelbart används i stor utsträckning. Denna egenskap används i blixtlampor för fotografering eller i lampor för excitering av lasrar.
Kondensatorer används ofta inom radioteknik och elektronik. Kondensatorer används i resonanskretsar som ett av de frekvenshållande elementen i kretsar (det andra elementet är induktans). Kondensatorernas förmåga att hålla likströmmen borta utan att fördröja växelströmskomponenten används också. Sådan användning är vanlig för att dela upp förstärkarsteg för att eliminera påverkan från likströmslägena i ett steg på det andra. Kondensatorer med hög kapacitet används som utjämningsfilter i strömförsörjningen. Det finns också ett stort antal andra kondensatortillämpningar där deras egenskaper är användbara.
Några praktiska kondensatorkonstruktioner
I praktiken används en mängd olika platta kondensatorer. Utformningen av anordningen bestämmer dess egenskaper och användningsområde.
Variabel kondensator
En vanlig typ av variabel kondensator (VAC) består av en rad rörliga och fasta plattor som är separerade av luft eller en fast isolator. De rörliga plattorna roterar runt en axel och ökar eller minskar det överlappande området. När den rörliga enheten dras tillbaka förblir avståndet mellan elektroderna oförändrat, men det genomsnittliga avståndet mellan plattorna ökar också. Isolatorns dielektriska konstant förblir också oförändrad. Kapacitansen justeras genom att ändra ytan på täckena och det genomsnittliga avståndet mellan dem.
Oxidkondensator
Tidigare kallades denna typ av kondensator för en elektrolytisk kondensator. Den består av två remsor av folie som är åtskilda av ett dielektriskt papper som är indränkt i elektrolyt. Den första remsan tjänar som ett hölje och den andra remsan tjänar som elektrolyt. Dielektrikumet är ett tunt oxidskikt på en av metallremsorna, och den andra remsan fungerar som strömavtagare.
Eftersom oxidskiktet är mycket tunt och elektrolyten ligger nära det är det möjligt att få en tillräckligt hög kapacitet med en måttlig storlek. Priset för detta är den låga driftsspänningen - oxidskiktet har ingen hög dielektrisk styrka. Om driftsspänningen ökar måste kondensatorns storlek öka avsevärt.
Ett annat problem är att oxiden har en enkelriktad ledningsförmåga, så sådana kondensatorer används endast i likströmskretsar med avseende på polaritet.
Jonistor
Som framgår ovan har de traditionella metoderna för att öka kondensatorer har naturliga begränsningar. Det verkliga genombrottet var därför utvecklingen av jonistoren.
Även om denna anordning anses vara ett mellanting mellan en kondensator och ett batteri, är den fortfarande i huvudsak en kondensator.
Avståndet mellan elektroderna minskas drastiskt genom användningen av ett dubbelt elektriskt skikt. Lagren är lager av joner som har motsatt laddning. Ett mycket poröst skummaterial gör det möjligt att drastiskt öka lagrens yta. Resultatet är superkondensatorer med en kapacitet på upp till hundratals farads. Den medfödda sjukdomen hos dessa apparater är låg driftsspänning (vanligtvis inom 10 volt).
Den tekniska utvecklingen har fortsatt - lampor har ersatts av bipolära transistorer i många tillämpningar, och dessa har i sin tur ersatts av unipolära trioder. Induktanser elimineras i kretsdesignen så långt det är möjligt. Kondensatorer ger inte upp sina positioner för det andra århundradet, deras konstruktion har inte ändrats i grunden sedan uppfinningen av Leidenburken, och det finns inga utsikter att deras karriär ska upphöra.
Relaterade artiklar:
