Elektrische capaciteit is een van de basisconcepten van elektrostatica. Deze term verwijst naar het vermogen om een elektrische lading te accumuleren. Je kunt praten over de capaciteit van een afzonderlijke geleider, je kunt praten over de capaciteit van een systeem van twee of meer geleiders. De fysieke processen zijn vergelijkbaar.
Inhoud
Basisconcepten met betrekking tot elektrisch vermogen
Als de geleider een lading q heeft ontvangen, ontstaat er een potentiaal φ. Dit potentieel hangt af van de geometrie en de omgeving - voor verschillende geleiders en omstandigheden zal dezelfde lading een ander potentieel veroorzaken. Maar φ is altijd evenredig met q:
φ=Cq
De coëfficiënt C wordt de elektrische capaciteit genoemd.Als we het hebben over een systeem van meerdere geleiders (meestal twee), dan treedt er een potentiaalverschil of spanning U op wanneer een lading wordt gegeven aan één geleider (plaat):
U=Cq, dus С=U/q
Capaciteit kan worden gedefinieerd als de verhouding van het potentiaalverschil tot de lading die het heeft veroorzaakt. De SI-eenheid voor capaciteit is de farad (ze zeiden farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Met andere woorden, een systeem heeft een capaciteit van 1 farad, waarbij bij het aanbrengen van een lading van 1 coulomb een potentiaalverschil van 1 volt ontstaat. 1 Farad is een zeer grote waarde. In de praktijk worden fractionele waarden het vaakst gebruikt - picofarad, nanofarad, microfarad.
In de praktijk maakt een dergelijke verbinding het mogelijk een batterij te verkrijgen die een grotere doorslagspanning van het diëlektricum kan weerstaan dan die van een enkele cel.
Berekening van de capaciteit van condensatoren
In de praktijk, als elementen met een genormaliseerde elektrische capaciteit, het meest gebruikt condensatoren, bestaande uit twee platte geleiders (platen), gescheiden door een diëlektricum. De formule voor het berekenen van de elektrische capaciteit van een dergelijke condensator ziet er als volgt uit:
C=(S/d)*ε*ε0
waar:
- C - capaciteit, F;
- S is het gebied van de facings, m²;
- d is de afstand tussen de platen, m;
- 0 - elektrische constante, constante, 8.854 * 10−12 v/m;
- ε is de elektrische permittiviteit van het diëlektricum, een dimensieloze grootheid.
Hieruit is het gemakkelijk te begrijpen dat de capaciteit recht evenredig is met het oppervlak van de platen en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de geleiders. Ook wordt de capaciteit beïnvloed door het materiaal dat de platen scheidt.
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 gedachte-experiment doen om een condensator met de grootst mogelijke capaciteit te maken.
- U kunt proberen het oppervlak van de platen te vergroten. Dit zal leiden tot een forse toename van de afmetingen en het gewicht van het apparaat. Om de voering te verkleinen met een diëlektricum dat ze scheidt, worden ze opgerold (in een buis, platte briket, enz.).
- Een andere manier is om de afstand tussen de platen te verkleinen. Het is niet altijd mogelijk om de geleiders heel dichtbij te plaatsen, aangezien de diëlektrische laag een bepaald potentiaalverschil tussen de platen moet weerstaan. Hoe kleiner de dikte, hoe lager de diëlektrische sterkte van de isolatiespleet. Als je dit pad volgt, zal er een tijd komen dat het praktische gebruik van zo'n condensator zinloos wordt - het kan alleen werken bij extreem lage spanningen.
- Verhoging van de elektrische permeabiliteit van het diëlektricum. Dit pad is afhankelijk van de ontwikkeling van productietechnologieën die op dit moment bestaan. Het isolatiemateriaal moet niet alleen een hoge permeabiliteitswaarde hebben, maar ook goede diëlektrische eigenschappen, en ook de parameters ervan in het vereiste frequentiebereik houden (met een toename van de frequentie waarmee de condensator werkt, nemen de kenmerken van het diëlektricum af).
Sommige gespecialiseerde of onderzoeksinstallaties kunnen sferische of cilindrische condensatoren gebruiken.
De capaciteit van een bolvormige condensator kan worden berekend met de formule:
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
waarbij R de stralen van de bollen zijn, en π=3.14.
Voor een cilindrische condensator wordt de capaciteit berekend als:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l is de hoogte van de cilinders, en R1 en R2 zijn hun stralen.
In principe verschillen beide formules niet van de formule voor een platte condensator. De capaciteit wordt altijd bepaald door de lineaire afmetingen van de platen, de afstand ertussen en de eigenschappen van het diëlektricum.
Serie- en parallelschakeling van condensatoren
Condensatoren kunnen worden aangesloten in serie of parallel, het verkrijgen van een set met nieuwe kenmerken.
Parallelle verbinding
Als u de condensatoren parallel aansluit, is de totale capaciteit van de resulterende batterij gelijk aan de som van alle capaciteiten van de componenten. Als de batterij bestaat uit condensatoren van hetzelfde ontwerp, kan dit worden beschouwd als de toevoeging van het gebied van de platen. In dit geval zal de spanning op elke cel van de batterij hetzelfde zijn en zullen de ladingen oplopen. Voor drie parallel geschakelde condensatoren:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
seriële verbinding
Bij serieschakeling zijn de ladingen van elke capaciteit hetzelfde:
q1=q2=q3=q
De totale spanning wordt proportioneel verdeeld capaciteiten van condensatoren:
- jij1=q/C1;
- jij2=q/C2;
- jij3= q/C3.
Als alle condensatoren hetzelfde zijn, daalt over elke condensator een gelijke spanning. De totale capaciteit wordt gevonden als:
С=q/( U1+U2+U3), vandaar 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Het gebruik van condensatoren in technologie
Het is logisch om condensatoren te gebruiken als opslagapparaten voor elektrische energie. In deze hoedanigheid kunnen ze niet concurreren met elektrochemische bronnen (galvanische batterijen, condensatoren) vanwege de kleine opgeslagen energie en de vrij snelle zelfontlading als gevolg van ladingslekkage door het diëlektricum.Maar hun vermogen om gedurende een lange periode energie te accumuleren en het dan vrijwel onmiddellijk weg te geven, wordt veel gebruikt. Deze eigenschap wordt gebruikt in flitslampen voor fotografie of lampen voor excitatie van lasers.
Condensatoren worden veel gebruikt in radiotechniek en elektronica. Capaciteiten worden gebruikt als onderdeel van resonantiecircuits als een van de frequentie-instellende elementen van de circuits (het andere element is inductantie). Het maakt ook gebruik van het vermogen van condensatoren om geen gelijkstroom door te laten zonder de variabele component te vertragen. Een dergelijke toepassing is gebruikelijk voor het scheiden van versterkertrappen om de invloed van de DC-modi van de ene trap op de andere uit te sluiten. Grote condensatoren worden gebruikt als afvlakfilters in voedingen. Er zijn ook een groot aantal andere toepassingen van condensatoren waar hun eigenschappen nuttig zijn.
Enkele praktische condensatorontwerpen
In de praktijk worden verschillende uitvoeringen van platte condensatoren gebruikt. Het ontwerp van het apparaat bepaalt de kenmerken en omvang ervan.
variabele condensator:
Een veelvoorkomend type variabele condensator (VPC) bestaat uit een blok beweegbare en vaste platen gescheiden door lucht of een vaste isolator. De beweegbare platen roteren rond de as, waardoor het overlapgebied groter of kleiner wordt. Wanneer het bewegende blok wordt verwijderd, blijft de spleet tussen de elektroden ongewijzigd, maar neemt ook de gemiddelde afstand tussen de platen toe. De diëlektrische constante van de isolator blijft ook ongewijzigd. De capaciteit wordt geregeld door het gebied van de platen en de gemiddelde afstand ertussen te veranderen.
oxide condensator
Voorheen werd zo'n condensator elektrolytisch genoemd. Het bestaat uit twee stroken folie gescheiden door een papieren diëlektricum geïmpregneerd met een elektrolyt. De eerste strip dient als één plaat, de tweede plaat als elektrolyt. Het diëlektricum is een dunne laag oxide op een van de metalen strips en de tweede strip dient als stroomcollector.
Doordat de oxidelaag erg dun is en de elektrolyt er nauw aan grenst, werd het mogelijk om voldoende grote capaciteiten te verkrijgen met matige afmetingen. De prijs hiervoor was een lage bedrijfsspanning - de oxidelaag heeft geen hoge elektrische sterkte. Bij een toename van de bedrijfsspanning is het noodzakelijk om de afmetingen van de condensator aanzienlijk te vergroten.
Een ander probleem is dat het oxide een eenzijdige geleidbaarheid heeft, dus dergelijke containers worden alleen gebruikt in DC-circuits met polariteit.
Ionistor
Zoals hierboven getoond, zijn de traditionele methoden om te verhogen: condensatoren natuurlijke beperkingen hebben. Daarom was de echte doorbraak de creatie van ionistoren.
Hoewel dit apparaat wordt beschouwd als een tussenschakel tussen een condensator en een batterij, is het in wezen nog steeds een condensator.
Door het gebruik van een dubbele elektrische laag wordt de afstand tussen de platen drastisch verkleind. De platen zijn lagen ionen met tegengestelde ladingen. Het werd mogelijk om het oppervlak van de platen sterk te vergroten door geschuimde poreuze materialen. Hierdoor is het mogelijk om supercondensatoren te verkrijgen met een capaciteit tot honderden farads.Een aangeboren ziekte van dergelijke apparaten is een lage bedrijfsspanning (meestal binnen 10 volt).
De ontwikkeling van technologie staat niet stil - lampen uit veel gebieden worden vervangen door bipolaire transistors, ze worden op hun beurt vervangen door unipolaire triodes. Bij het ontwerpen van circuits proberen ze waar mogelijk inductanties weg te werken. En condensatoren hebben hun positie voor de tweede eeuw niet verloren, hun ontwerp is niet fundamenteel veranderd sinds de uitvinding van de Leidse pot en er zijn geen vooruitzichten om hun carrière te beëindigen.
Vergelijkbare artikelen:
