Шта је електрични капацитет, шта се мери и од чега зависи

Електрични капацитет је један од основних појмова електростатике. Овај термин се односи на способност акумулације електричног набоја. Можете говорити о капацитету посебног проводника, можете говорити о капацитету система од два или више проводника. Физички процеси су слични.

Основни појмови везани за електрични капацитет

Ако је проводник примио наелектрисање к, на њему настаје потенцијал φ. Овај потенцијал зависи од геометрије и окружења – за различите проводнике и услове, исто наелектрисање ће изазвати другачији потенцијал. Али φ је увек пропорционално к:

φ=Цк

Коефицијент Ц се назива електрични капацитет.Ако говоримо о систему од неколико проводника (обично два), онда када се наелектрисање пренесе на један проводник (плочу), долази до разлике потенцијала или напона У:

У=Цк, дакле С=У/к

Капацитет се може дефинисати као однос разлике потенцијала и наелектрисања које га је изазвало. СИ јединица за капацитет је фарад (некада су говорили фарад). 1 Ф \у003д 1 В / 1 Ц. Другим речима, систем има капацитет од 1 фарад, у коме, када се пренесе наелектрисање од 1 кулона, настаје разлика потенцијала од 1 волта. 1 Фарад је веома велика вредност. У пракси се најчешће користе фракционе вредности - пикофарад, нанофарад, микрофарад.

У пракси, таква веза омогућава да се добије батерија која може да издржи већи пробојни напон диелектрика од оне једне ћелије.

Прорачун капацитивности кондензатора

У пракси се најчешће користе као елементи са нормализованим електричним капацитетом кондензатори, који се састоји од два равна проводника (плоче), одвојених диелектриком. Формула за израчунавање електричне капацитивности таквог кондензатора изгледа овако:

Ц=(С/д)*ε*ε₀

где:

• Ц - капацитет, Ф;
• С је површина облога, м2;
• д је растојање између плоча, м;
• ε₀ - електрична константа, константа, 8.854 * 10⁻¹² ф/м;
• ε је електрична пермитивност диелектрика, бездимензионална величина.

Из овога је лако разумети да је капацитивност директно пропорционална површини плоча и обрнуто пропорционална растојању између проводника. Такође, на капацитет утиче и материјал који раздваја плоче.

Да бисте разумели како количине које одређују капацитивност утичу на способност кондензатора да ускладишти наелектрисање, можете да урадите мисаони експеримент да бисте направили кондензатор са највећим могућим капацитетом.

1. Можете покушати повећати површину плоча. То ће довести до наглог повећања димензија и тежине уређаја. Да би се смањила величина облоге са диелектриком који их раздваја, они су умотани (у цев, равни брикет, итд.).
2. Други начин је смањење растојања између плоча. Није увек могуће поставити проводнике веома близу, пошто диелектрични слој мора да издржи одређену потенцијалну разлику између плоча. Што је мања дебљина, то је нижа диелектрична чврстоћа изолационог зазора. Ако кренете овим путем, доћи ће време када ће практична употреба таквог кондензатора постати бесмислена - може радити само на изузетно ниским напонима.
3. Повећање електричне пермеабилности диелектрика. Овај пут зависи од развоја производних технологија које постоје у овом тренутку. Изолациони материјал мора имати не само високу вредност пропусности, већ и добре диелектричне особине, а такође и одржавати своје параметре у потребном фреквентном опсегу (са повећањем фреквенције на којој кондензатор ради, карактеристике диелектрика се смањују).

Неке специјализоване или истраживачке инсталације могу користити сферичне или цилиндричне кондензаторе.

Конструкција сферног кондензатора

Капацитет сферног кондензатора може се израчунати по формули

Ц=4*π*ε*ε₀ *Р1Р2/(Р2-Р1)

где су Р полупречници сфера, а π=3,14.

Дизајн цилиндричног кондензатора

За цилиндрични кондензатор, капацитивност се израчунава као:

Ц=2*π*ε*ε₀ *л/лн(Р2/Р1)

л је висина цилиндара, а Р1 и Р2 су њихови полупречники.

У основи, обе формуле се не разликују од формуле за равни кондензатор. Капацитет је увек одређен линеарним димензијама плоча, растојањем између њих и својствима диелектрика.

Серијско и паралелно повезивање кондензатора

Кондензатори се могу повезати серијски или паралелно, добијање комплета са новим карактеристикама.

Паралелна веза

Ако кондензаторе повежете паралелно, онда је укупан капацитет резултујуће батерије једнак збиру свих капацитета њених компоненти. Ако се батерија састоји од кондензатора истог дизајна, то се може сматрати додавањем површине кугличних плоча. У овом случају, напон на свакој ћелији батерије ће бити исти, а набоји ће се збрајати. За три паралелно повезана кондензатора:

• У=У₁=У₂=У₃;
• к=к₁+к₂+к₃;
• Ц=Ц₁+Ц₂+Ц₃.

серијска веза

Када су повезани у серију, наелектрисања сваке капацитивности ће бити иста:

к₁=к₂=к₃=к

Укупан напон је распоређен пропорционално капацитивности кондензатора:

• У₁=к/Ц₁;
• У₂=к/Ц₂;
• У₃= к/Ц₃.

Ако су сви кондензатори исти, онда на сваком пада једнак напон. Укупан капацитет се налази као:

С=к/( У₁+У₂+У₃), дакле 1/С=( У₁+У₂+У₃)/к=1/Ц₁+1/С₂+1/С₃.

Употреба кондензатора у техници

Логично је користити кондензаторе као уређаје за складиштење електричне енергије. У овом својству не могу да се такмиче са електрохемијским изворима (галванске батерије, кондензатори) због мале ускладиштене енергије и прилично брзог самопражњења услед цурења пуњења кроз диелектрик.Али њихова способност да акумулирају енергију током дужег периода, а затим је готово тренутно дају, широко се користи. Ово својство се користи у блиц лампама за фотографисање или лампама за побуду ласера.

Кондензатори се широко користе у радиотехници и електроници. Капацитивности се користе као део резонантних кола као један од елемената за подешавање фреквенције кола (други елемент је индуктивност). Такође користи способност кондензатора да не пропуштају једносмерну струју без одлагања променљиве компоненте. Таква примена је уобичајена за раздвајање појачавајућег степена како би се искључио утицај једносмерних модова једног степена на други. Велики кондензатори се користе као филтери за изравнавање у изворима напајања. Постоји и огроман број других примена кондензатора где су њихова својства корисна.

Неки практични дизајни кондензатора

У пракси се користе различити дизајни равних кондензатора. Дизајн уређаја одређује његове карактеристике и обим.

променљиви кондензатор

Уобичајени тип варијабилног кондензатора (ВПЦ) се састоји од блока покретних и фиксних плоча одвојених ваздухом или чврстим изолатором. Покретне плоче ротирају око осе, повећавајући или смањујући површину преклапања. Када се покретни блок уклони, међуелектродни размак остаје непромењен, али се просечно растојање између плоча такође повећава. Диелектрична константа изолатора такође остаје непромењена. Капацитет се регулише променом површине плоча и просечног растојања између њих.

КПИ у позицији максималног (лево) и минималног (десно) капацитета

оксидни кондензатор

Раније се такав кондензатор називао електролитички. Састоји се од две траке фолије које су раздвојене папирним диелектриком импрегнираним електролитом. Прва трака служи као једна плоча, друга плоча служи као електролит. Диелектрик је танак слој оксида на једној од металних трака, а друга трака служи као колектор струје.

Због чињенице да је оксидни слој веома танак, а електролит се налази близу њега, постало је могуће добити довољно велике капацитете умерених величина. Цена за ово је био низак радни напон - оксидни слој нема високу електричну снагу. Са повећањем радног напона, потребно је значајно повећати димензије кондензатора.

Други проблем је што оксид има једнострану проводљивост, па се такви контејнери користе само у ДЦ колима са поларитетом.

Ионистор

Као што је горе приказано, традиционалне методе повећања кондензатори имају природна ограничења. Стога је прави пробој било стварање јонистора.

Иако се овај уређај сматра посредном кариком између кондензатора и батерије, у суштини је и даље кондензатор.

Размак између плоча је драстично смањен захваљујући употреби двоструког електричног слоја. Плоче су слојеви јона са супротним наелектрисањем. Постало је могуће нагло повећати површину плоча због пенастих порозних материјала. Као резултат, могуће је добити суперкондензаторе капацитета до стотине фарада.Урођена болест таквих уређаја је низак радни напон (обично унутар 10 волти).

Развој технологије не стоји мирно - лампе из многих области замењују биполарни транзистори, а они су заузврат замењени униполарним триодама. Приликом пројектовања кола покушавају да се отарасе индуктивности где год је то могуће. А кондензатори нису изгубили своје позиције већ други век, њихов дизајн се није суштински променио од проналаска Лејденске тегле и нема изгледа за завршетак каријере.

Шта је кондензатор, где се користи и зашто је потребан

Шта је диелектрична константа

Одређивање капацитивности серијских или паралелних кондензатора – формула

Како измерити капацитивност кондензатора помоћу мултиметра?

Шта је кондензатор, врсте кондензатора и њихова примена

Шта је индуктивност, у чему се мери, основне формуле