Vad är elektrisk kapacitans, vad mäts och vad beror det på

Elektrisk kapacitans är ett av grundbegreppet inom elektrostatik. Denna term hänvisar till förmågan att ackumulera en elektrisk laddning. Du kan prata om kapaciteten hos en separat ledare, du kan prata om kapaciteten hos ett system med två eller flera ledare. De fysiska processerna liknar varandra.

Grundläggande begrepp relaterade till elektrisk kapacitet

Om ledaren har fått en laddning q uppstår en potential φ på den. Denna potential beror på geometrin och miljön - för olika ledare och förhållanden kommer samma laddning att orsaka en annan potential. Men φ är alltid proportionell mot q:

φ=Cq

Koefficienten C kallas den elektriska kapacitansen.Om vi ​​talar om ett system med flera ledare (vanligtvis två), så uppstår en potentialskillnad eller spänning U när en laddning överförs till en ledare (platta):

U=Cq, därav С=U/q

Kapacitans kan definieras som förhållandet mellan potentialskillnaden och laddningen som orsakade den. SI-enheten för kapacitans är farad (man brukade säga farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Med andra ord har ett system en kapacitet på 1 farad, där en potentialskillnad på 1 volt uppstår när en laddning på 1 coulomb överförs. 1 Farad är ett mycket stort värde. I praktiken används bråkvärden oftast - picofarad, nanofarad, microfarad.

I praktiken gör en sådan anslutning det möjligt att erhålla ett batteri som tål en större genombrottsspänning hos dielektrikumet än hos en enskild cell.

Beräkning av kondensatorernas kapacitans

I praktiken, som element med en normaliserad elektrisk kapacitans, oftast används kondensatorer, bestående av två platta ledare (plattor), åtskilda av ett dielektrikum. Formeln för att beräkna den elektriska kapacitansen för en sådan kondensator ser ut så här:

C=(S/d)*e*e₀

var:

• C - kapacitet, F;
• S är ytbeklädnadens yta, kvm;
• d är avståndet mellan plattorna, m;
• ε₀ - elektrisk konstant, konstant, 8,854 * 10⁻¹² f/m;
• ε är dielektrikets elektriska permittivitet, en dimensionslös storhet.

Av detta är det lätt att förstå att kapacitansen är direkt proportionell mot plattornas yta och omvänt proportionell mot avståndet mellan ledarna. Kapaciteten påverkas också av materialet som skiljer plattorna åt.

För att förstå hur storheterna som bestämmer kapacitansen påverkar en kondensators förmåga att lagra laddning kan man göra ett tankeexperiment för att skapa en kondensator med största möjliga kapacitans.

1. Du kan försöka öka plattornas yta. Detta kommer att leda till en kraftig ökning av enhetens dimensioner och vikt. För att minska storleken på fodret med ett dielektrikum som separerar dem, rullas de ihop (till ett rör, platt brikett, etc.).
2. Ett annat sätt är att minska avståndet mellan plattorna. Det är inte alltid möjligt att placera ledarna mycket nära, eftersom det dielektriska skiktet måste motstå en viss potentialskillnad mellan plattorna. Ju mindre tjocklek, desto lägre dielektrisk hållfasthet hos det isolerande gapet. Om du tar den här vägen kommer det att komma en tid då den praktiska användningen av en sådan kondensator blir meningslös - den kan bara fungera vid extremt låga spänningar.
3. Öka den elektriska permeabiliteten hos dielektrikumet. Denna väg beror på utvecklingen av produktionsteknologier som finns för tillfället. Det isolerande materialet måste inte bara ha ett högt permeabilitetsvärde, utan också goda dielektriska egenskaper, och även bibehålla sina parametrar i det erforderliga frekvensområdet (med en ökning av frekvensen vid vilken kondensatorn arbetar, egenskaperna hos den dielektriska minskningen).

Vissa specialiserade eller forskningsinstallationer kan använda sfäriska eller cylindriska kondensatorer.

Konstruktion av en sfärisk kondensator

Kapacitansen för en sfärisk kondensator kan beräknas med formeln

C=4*π*ε*ε₀ *R1R2/(R2-R1)

där R är sfärernas radier och π=3,14.

Design av en cylindrisk kondensator

För en cylindrisk kondensator beräknas kapacitansen som:

C=2*π*ε*ε₀ *l/ln(R2/R1)

l är höjden på cylindrarna, och R1 och R2 är deras radier.

I grunden skiljer sig båda formlerna inte från formeln för en platt kondensator. Kapacitansen bestäms alltid av plattornas linjära dimensioner, avståndet mellan dem och dielektrikumets egenskaper.

Serie- och parallellkoppling av kondensatorer

Kondensatorer kan anslutas i serie eller parallellt, få en uppsättning med nya egenskaper.

Parallellkoppling

Om du ansluter kondensatorerna parallellt, är den totala kapaciteten för det resulterande batteriet lika med summan av alla kapaciteter hos dess komponenter. Om batteriet består av kondensatorer av samma design, kan detta betraktas som tillägget av området för bollarna. I det här fallet kommer spänningen på varje cell i batteriet att vara densamma, och laddningarna kommer att läggas upp. För tre parallellkopplade kondensatorer:

• U=U₁=U₂=U₃;
• q=q₁+q₂+q₃;
• C=C₁+C₂+C₃.

seriell anslutning

När de är seriekopplade kommer laddningarna för varje kapacitans att vara desamma:

q₁=q₂=q₃=q

Den totala spänningen fördelas proportionellt kapacitanser hos kondensatorer:

• U₁=q/C₁;
• U₂=q/C₂;
• U₃= q/C₃.

Om alla kondensatorer är lika, faller lika spänningar över var och en. Den totala kapaciteten hittas som:

С=q/( U₁+U₂+U₃), därav 1/С=( U₁+U₂+U₃)/q=l/C₁+1/S₂+1/S₃.

Användningen av kondensatorer inom teknik

Det är logiskt att använda kondensatorer som lagringsenheter för elektrisk energi. I denna egenskap kan de inte konkurrera med elektrokemiska källor (galvaniska batterier, kondensatorer) på grund av den lilla lagrade energin och ganska snabba självurladdning på grund av laddningsläckage genom dielektrikumet.Men deras förmåga att samla energi under en lång period och sedan nästan omedelbart ge bort den används ofta. Denna egenskap används i blixtlampor för fotografering eller lampor för excitation av lasrar.

Kondensatorer används ofta inom radioteknik och elektronik. Kapacitanser används som en del av resonanskretsar som ett av kretsarnas frekvensinställningselement (det andra elementet är induktans). Den använder också kondensatorernas förmåga att inte passera likström utan att fördröja den variabla komponenten. En sådan applikation är vanlig för att separera förstärkningssteg för att utesluta påverkan av DC-moderna för ett steg på ett annat. Stora kondensatorer används som utjämningsfilter i nätaggregat. Det finns också ett stort antal andra tillämpningar av kondensatorer där deras egenskaper är användbara.

Några praktiska kondensatorkonstruktioner

I praktiken används olika utformningar av platta kondensatorer. Utformningen av enheten bestämmer dess egenskaper och omfattning.

variabel kondensator

En vanlig typ av variabel kondensator (VPC) består av ett block av rörliga och fasta plattor separerade av luft eller en solid isolator. De rörliga plattorna roterar runt axeln och ökar eller minskar överlappningsarean. När det rörliga blocket tas bort förblir mellanelektrodgapet oförändrat, men det genomsnittliga avståndet mellan plattorna ökar också. Isolatorns dielektriska konstant förblir också oförändrad. Kapaciteten regleras genom att ändra plattornas yta och det genomsnittliga avståndet mellan dem.

KPI i positionen för maximal (vänster) och minimal (höger) kapacitet

oxidkondensator

Tidigare kallades en sådan kondensator elektrolytisk. Den består av två remsor av folie åtskilda av ett pappersdielektrikum impregnerat med en elektrolyt. Den första remsan fungerar som en platta, den andra plattan fungerar som en elektrolyt. Dielektrikumet är ett tunt lager av oxid på en av metallremsorna, och den andra remsan fungerar som en strömavtagare.

På grund av det faktum att oxidskiktet är mycket tunt, och elektrolyten tätt ansluter till det, blev det möjligt att erhålla tillräckligt stora kapaciteter med måttliga storlekar. Priset för detta var en låg driftspänning - oxidskiktet har inte hög elektrisk hållfasthet. Med en ökning av driftsspänningen är det nödvändigt att avsevärt öka dimensionerna på kondensatorn.

Ett annat problem är att oxiden har ensidig konduktivitet, så sådana behållare används endast i DC-kretsar med polaritet.

Ionistor

Som visas ovan, de traditionella metoderna för att öka Kondensatorer har naturliga begränsningar. Därför var det verkliga genombrottet skapandet av jonistorer.

Även om denna enhet anses vara en mellanlänk mellan en kondensator och ett batteri, är det i huvudsak fortfarande en kondensator.

Avståndet mellan plattorna minskas drastiskt tack vare användningen av ett dubbelt elektriskt lager. Plattorna är lager av joner med motsatta laddningar. Det blev möjligt att kraftigt öka plattornas yta på grund av skummade porösa material. Som ett resultat är det möjligt att få superkondensatorer med en kapacitet på upp till hundratals farad.En medfödd sjukdom hos sådana enheter är låg driftspänning (vanligtvis inom 10 volt).

Utvecklingen av teknik står inte stilla - lampor från många områden förskjuts av bipolära transistorer, de i sin tur ersätts av unipolära trioder. När de designar kretsar försöker de bli av med induktanser där det är möjligt. Och kondensatorer har inte förlorat sina positioner för det andra århundradet, deras design har inte förändrats i grunden sedan uppfinningen av Leyden-burken, och det finns inga möjligheter att avsluta sin karriär.

Vad är en kondensator, var används den och varför behövs den

Vad är dielektrisk konstant

Bestämma kapacitansen för serie- eller parallellkondensatorer - formel

Hur mäter man kapacitansen för en kondensator med en multimeter?

Vad är en kondensator, typer av kondensatorer och deras tillämpning

Vad är induktans, vad mäts det i, grundläggande formler