Sähkökapasitanssi on yksi sähköstaattisen tekniikan peruskäsitteistä. Tämä termi viittaa kykyyn kerätä sähkövarausta. Voit puhua erillisen johtimen kapasiteetista, voit puhua kahden tai useamman johtimen järjestelmän kapasiteetista. Fysikaaliset prosessit ovat samanlaisia.
Sisältö
Sähkökapasiteettiin liittyvät peruskäsitteet
Jos johdin on saanut varauksen q, syntyy siihen potentiaali φ. Tämä potentiaali riippuu geometriasta ja ympäristöstä - eri johtimissa ja olosuhteissa sama varaus aiheuttaa erilaisen potentiaalin. Mutta φ on aina verrannollinen q:hen:
φ = Cq
Kerrointa C kutsutaan sähköiseksi kapasitanssiksi.Jos puhumme useiden johtimien järjestelmästä (yleensä kaksi), niin kun varaus välitetään yhteen johtimeen (levyyn), syntyy potentiaaliero tai jännite U:
U=Cq, joten С=U/q
Kapasitanssi voidaan määritellä potentiaalieron suhteeksi sen aiheuttaneeseen varaukseen. Kapasitanssin SI-yksikkö on farad (heillä oli tapana sanoa farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Toisin sanoen järjestelmän kapasiteetti on 1 farad, jossa 1 coulombin varauksella syntyy 1 voltin potentiaaliero. 1 Farad on erittäin suuri arvo. Käytännössä käytetään useimmiten murto-osia - picofarad, nanofarad, microfarad.
Käytännössä tällaisella liitännällä on mahdollista saada akku, joka kestää suuremman eristeen läpilyöntijännitteen kuin yksittäisen kennon.
Kondensaattorien kapasitanssin laskeminen
Käytännössä elementteinä, joilla on normalisoitu sähköinen kapasitanssi, useimmiten käytetty kondensaattorit, joka koostuu kahdesta litteästä johtimesta (levystä), jotka on erotettu eristeellä. Kaava tällaisen kondensaattorin sähköisen kapasitanssin laskemiseksi näyttää tältä:
C=(S/d)*e*e0
missä:
- C - kapasiteetti, F;
- S on päällysteiden pinta-ala, neliömetriä;
- d on levyjen välinen etäisyys, m;
- ε0 - sähköinen vakio, vakio, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε on dielektrin sähköinen permittiivisyys, dimensioton suure.
Tästä on helppo ymmärtää, että kapasitanssi on suoraan verrannollinen levyjen pinta-alaan ja kääntäen verrannollinen johtimien väliseen etäisyyteen. Kapasiteettiin vaikuttaa myös materiaali, joka erottaa levyt.
Ymmärtääksesi kuinka suuret, jotka määrittävät kapasitanssin, vaikuttavat kondensaattorin kykyyn varastoida varausta, voit tehdä ajatuskokeen luodaksesi kondensaattorin, jolla on suurin mahdollinen kapasitanssi.
- Voit yrittää lisätä levyjen pinta-alaa. Tämä johtaa laitteen mittojen ja painon jyrkkään kasvuun. Vuorauksen koon pienentämiseksi ne erottavalla dielektrillä ne rullataan (putkeksi, litteäksi briketiksi jne.).
- Toinen tapa on vähentää levyjen välistä etäisyyttä. Aina ei ole mahdollista sijoittaa johtimia kovin lähelle, koska dielektrisen kerroksen on kestettävä tietty potentiaaliero levyjen välillä. Mitä pienempi paksuus, sitä pienempi eristysraon dielektrinen lujuus. Jos valitset tämän polun, tulee aika, jolloin tällaisen kondensaattorin käytännön käyttö tulee merkityksettömäksi - se voi toimia vain erittäin alhaisilla jännitteillä.
- Dielektrisen sähköisen läpäisevyyden lisääminen. Tämä polku riippuu tällä hetkellä olemassa olevien tuotantotekniikoiden kehityksestä. Eristysmateriaalilla ei saa olla vain korkea läpäisyarvo, vaan myös hyvät dielektriset ominaisuudet ja myös sen parametrien säilyttäminen vaaditulla taajuusalueella (kondensaattorin toiminnan taajuuden kasvaessa dielektrisyyden ominaisuudet pienenevät).
Jotkut erikoistuneet tai tutkimuslaitokset voivat käyttää pallomaisia tai sylinterimäisiä kondensaattoreita.
Pallokondensaattorin kapasitanssi voidaan laskea kaavalla
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
missä R ovat pallojen säteet ja π=3,14.
Sylinterimäisen kondensaattorin kapasitanssi lasketaan seuraavasti:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l on sylinterien korkeus ja R1 ja R2 ovat niiden säteet.
Pohjimmiltaan molemmat kaavat eivät eroa litteän kondensaattorin kaavasta. Kapasitanssi määräytyy aina levyjen lineaaristen mittojen, niiden välisen etäisyyden ja eristeen ominaisuuksien mukaan.
Kondensaattorien sarja- ja rinnakkaiskytkentä
Kondensaattorit voidaan kytkeä sarjassa tai rinnan, saada joukko uusia ominaisuuksia.
Rinnakkaisliitäntä
Jos kytket kondensaattorit rinnakkain, tuloksena olevan akun kokonaiskapasiteetti on yhtä suuri kuin sen komponenttien kaikkien kapasiteettien summa. Jos akku koostuu saman mallin kondensaattoreista, tätä voidaan pitää levyjen pinta-alan lisäyksenä. Tässä tapauksessa akun jokaisen kennon jännite on sama ja lataukset kasvavat. Kolmelle rinnakkain kytketylle kondensaattorille:
- U = U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
sarjaliitäntä
Kun kytketään sarjaan, kunkin kapasitanssin varaukset ovat samat:
q1=q2=q3=q
Kokonaisjännite jakautuu suhteellisesti kondensaattorien kapasitanssit:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Jos kaikki kondensaattorit ovat samat, jännite putoaa kummassakin. Kokonaiskapasiteetti löytyy seuraavasti:
С=q/( U1+U2+U3), siis 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Kondensaattorien käyttö tekniikassa
On loogista käyttää kondensaattoreita sähköenergian varastointilaitteina. Tässä ominaisuudessa ne eivät voi kilpailla sähkökemiallisten lähteiden (galvaaniset akut, kondensaattorit) kanssa johtuen pienestä varastoidusta energiasta ja melko nopeasta itsepurkauksesta johtuen varausvuodosta eristeen läpi.Mutta heidän kykyään kerätä energiaa pitkään ja sitten melkein heti luovuttaa sitä käytetään laajalti. Tätä ominaisuutta käytetään salamalampuissa valokuvaukseen tai lampuissa laserien herättämiseen.
Kondensaattoreita käytetään laajalti radiotekniikassa ja elektroniikassa. Kapasitansseja käytetään osana resonanssipiirejä yhtenä piirien taajuudensäätöelementtinä (toinen elementti on induktanssi). Se käyttää myös kondensaattoreiden kykyä olla välittämättä tasavirtaa viivyttelemättä muuttuvaa komponenttia. Tällainen sovellus on yleinen vahvistusasteiden erottamisessa, jotta voidaan sulkea pois yhden vaiheen DC-moodien vaikutus toiseen. Suuria kondensaattoreita käytetään tasoitussuodattimina teholähteissä. Kondensaattoreille on myös valtava määrä muita sovelluksia, joissa niiden ominaisuudet ovat hyödyllisiä.
Jotkut käytännölliset kondensaattorimallit
Käytännössä käytetään erilaisia litteitä kondensaattoreita. Laitteen suunnittelu määrittää sen ominaisuudet ja laajuuden.
säädettävä kondensaattori
Yleinen muuttuva kondensaattori (VPC) koostuu liikkuvista ja kiinteistä levyistä, jotka on erotettu toisistaan ilmalla tai kiinteällä eristeellä. Liikkuvat levyt pyörivät akselin ympäri, mikä lisää tai pienentää limitysaluetta. Kun liikkuva lohko poistetaan, elektrodien välinen rako pysyy ennallaan, mutta myös levyjen keskimääräinen etäisyys kasvaa. Myös eristimen dielektrisyysvakio pysyy muuttumattomana. Kapasiteettia säädetään muuttamalla levyjen pinta-alaa ja keskimääräistä etäisyyttä niiden välillä.
oksidikondensaattori
Aikaisemmin tällaista kondensaattoria kutsuttiin elektrolyyttiseksi. Se koostuu kahdesta folioliuskasta, jotka on erotettu elektrolyytillä kyllästetyllä paperieristeellä. Ensimmäinen liuska toimii yhtenä levynä, toinen levy toimii elektrolyyttinä. Dielektrinen aine on ohut oksidikerros yhdellä metallinauhalla, ja toinen nauha toimii virran kerääjänä.
Koska oksidikerros on erittäin ohut ja elektrolyytti tiiviisti sen vieressä, tuli mahdolliseksi saada riittävän suuria kapasiteettia kohtuullisilla kooilla. Hinta tälle oli alhainen käyttöjännite - oksidikerroksella ei ole suurta sähkölujuutta. Käyttöjännitteen kasvaessa on tarpeen lisätä merkittävästi kondensaattorin mittoja.
Toinen ongelma on, että oksidilla on yksipuolinen johtavuus, joten tällaisia säiliöitä käytetään vain DC-piireissä, joissa on napaisuus.
Ionistori
Kuten edellä näkyy, perinteiset menetelmät lisätä Kondensaattorit on luonnollisia rajoituksia. Siksi todellinen läpimurto oli ionistorien luominen.
Vaikka tätä laitetta pidetäänkin kondensaattorin ja akun välisenä linkkinä, se on pohjimmiltaan silti kondensaattori.
Levyjen välinen etäisyys pienenee huomattavasti kaksinkertaisen sähkökerroksen käytön ansiosta. Levyt ovat ionikerroksia, joilla on vastakkaiset varaukset. Levyjen pinta-alaa voitiin lisätä jyrkästi vaahdotettujen huokoisten materiaalien vuoksi. Tämän seurauksena on mahdollista saada superkondensaattoreita, joiden kapasiteetti on jopa satoja faradeja.Tällaisten laitteiden synnynnäinen sairaus on alhainen käyttöjännite (yleensä 10 voltin sisällä).
Teknologian kehitys ei pysähdy - monien alueiden lamput syrjäytetään bipolaarisilla transistoreilla, ja ne vuorostaan korvataan unipolaarisilla triodeilla. Piirejä suunniteltaessa he yrittävät päästä eroon induktanssista aina kun mahdollista. Ja kondensaattorit eivät ole menettäneet asemaansa toisella vuosisadalla, niiden suunnittelu ei ole olennaisesti muuttunut Leyden-purkin keksimisen jälkeen, eikä heidän uransa lopettamiseen ole mahdollisuuksia.
Samanlaisia artikkeleita:
