Kapasiti elektrik adalah salah satu konsep asas elektrostatik. Istilah ini merujuk kepada keupayaan untuk mengumpul cas elektrik. Anda boleh bercakap tentang kapasiti konduktor yang berasingan, anda boleh bercakap tentang kapasiti sistem dua atau lebih konduktor. Proses fizikal adalah serupa.
Kandungan
Konsep asas berkaitan kapasiti elektrik
Jika konduktor telah menerima cas q, potensi φ timbul padanya. Potensi ini bergantung kepada geometri dan persekitaran - untuk konduktor dan keadaan yang berbeza, cas yang sama akan menyebabkan potensi yang berbeza. Tetapi φ sentiasa berkadar dengan q:
φ=Cq
Pekali C dipanggil kapasiti elektrik.Jika kita bercakap tentang sistem beberapa konduktor (biasanya dua), maka apabila cas diberikan kepada satu konduktor (plat), perbezaan potensi atau voltan U berlaku:
U=Cq, maka С=U/q
Kapasitans boleh ditakrifkan sebagai nisbah beza keupayaan kepada cas yang menyebabkannya. Unit SI untuk kemuatan ialah farad (mereka biasa menyebut farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Dalam erti kata lain, sistem mempunyai kapasiti 1 farad, di mana, apabila cas sebanyak 1 coulomb diberikan, beza keupayaan 1 volt timbul. 1 Farad adalah nilai yang sangat besar. Dalam amalan, nilai pecahan paling kerap digunakan - picofarad, nanofarad, mikrofarad.
Dalam amalan, sambungan sedemikian memungkinkan untuk mendapatkan bateri yang boleh menahan voltan pecahan dielektrik yang lebih besar daripada satu sel.
Pengiraan kemuatan kapasitor
Dalam amalan, sebagai elemen dengan kapasitans elektrik yang dinormalkan, paling kerap digunakan kapasitor, terdiri daripada dua konduktor rata (plat), dipisahkan oleh dielektrik. Formula untuk mengira kapasitansi elektrik pemuat sedemikian kelihatan seperti ini:
C=(S/d)*ε*ε0
di mana:
- C - kapasiti, F;
- S ialah luas muka, sq.m;
- d ialah jarak antara plat, m;
- ε0 - pemalar elektrik, pemalar, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε ialah ketelusan elektrik dielektrik, kuantiti tanpa dimensi.
Daripada ini adalah mudah untuk memahami bahawa kapasitansi adalah berkadar terus dengan luas plat dan berkadar songsang dengan jarak antara konduktor. Juga, kapasiti dipengaruhi oleh bahan yang memisahkan plat.
Untuk memahami bagaimana kuantiti yang menentukan kapasitansi mempengaruhi keupayaan kapasitor menyimpan cas, anda boleh melakukan eksperimen pemikiran untuk mencipta kapasitor dengan kapasiti terbesar yang mungkin.
- Anda boleh cuba menambah luas plat. Ini akan membawa kepada peningkatan mendadak dalam dimensi dan berat peranti. Untuk mengurangkan saiz lapisan dengan dielektrik yang memisahkannya, ia digulung (ke dalam tiub, briket rata, dll.).
- Cara lain ialah mengurangkan jarak antara plat. Ia tidak selalu mungkin untuk meletakkan konduktor sangat rapat, kerana lapisan dielektrik mesti menahan perbezaan potensi tertentu antara plat. Semakin kecil ketebalan, semakin rendah kekuatan dielektrik jurang penebat. Jika anda mengambil jalan ini, akan tiba masanya penggunaan praktikal kapasitor sedemikian akan menjadi tidak bermakna - ia hanya boleh berfungsi pada voltan yang sangat rendah.
- Meningkatkan kebolehtelapan elektrik dielektrik. Laluan ini bergantung kepada perkembangan teknologi pengeluaran yang wujud pada masa ini. Bahan penebat bukan sahaja mesti mempunyai nilai kebolehtelapan yang tinggi, tetapi juga sifat dielektrik yang baik, dan juga mengekalkan parameternya dalam julat frekuensi yang diperlukan (dengan peningkatan dalam frekuensi di mana kapasitor beroperasi, ciri-ciri penurunan dielektrik).
Sesetengah pemasangan khusus atau penyelidikan mungkin menggunakan kapasitor sfera atau silinder.
Kapasiti pemuat sfera boleh dikira dengan formula
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
di mana R ialah jejari sfera, dan π=3.14.
Untuk kapasitor silinder, kemuatan dikira sebagai:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l ialah ketinggian silinder, dan R1 dan R2 ialah jejarinya.
Pada asasnya, kedua-dua formula tidak berbeza daripada formula untuk kapasitor rata. Kapasiti sentiasa ditentukan oleh dimensi linear plat, jarak antara mereka dan sifat dielektrik.
Sambungan siri dan selari kapasitor
Kapasitor boleh disambungkan secara bersiri atau selari, mendapatkan set dengan ciri-ciri baru.
Sambungan selari
Jika anda menyambungkan kapasitor secara selari, maka jumlah kapasiti bateri yang terhasil adalah sama dengan jumlah semua kapasiti komponennya. Jika bateri terdiri daripada kapasitor dengan reka bentuk yang sama, ini boleh dianggap sebagai penambahan kawasan bola plat. Dalam kes ini, voltan pada setiap sel bateri akan sama, dan caj akan bertambah. Untuk tiga kapasitor yang disambung secara selari:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
sambungan bersiri
Apabila disambungkan secara bersiri, cas setiap kapasitansi adalah sama:
q1=q2=q3=q
Jumlah voltan diagihkan secara berkadar kemuatan kapasitor:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Jika semua kapasitor adalah sama, maka voltan yang sama jatuh pada setiap kapasitor. Jumlah kapasiti didapati sebagai:
С=q/( U1+U2+U3), maka 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Penggunaan kapasitor dalam teknologi
Adalah logik untuk menggunakan kapasitor sebagai peranti penyimpanan tenaga elektrik. Dalam kapasiti ini, mereka tidak dapat bersaing dengan sumber elektrokimia (bateri galvanik, kapasitor) kerana tenaga tersimpan yang kecil dan nyahcas sendiri yang agak cepat akibat kebocoran cas melalui dielektrik.Tetapi keupayaan mereka untuk mengumpul tenaga untuk tempoh yang lama, dan kemudian hampir serta-merta memberikannya digunakan secara meluas. Harta ini digunakan dalam lampu kilat untuk fotografi atau lampu untuk pengujaan laser.
Kapasitor digunakan secara meluas dalam kejuruteraan radio dan elektronik. Kapasitans digunakan sebagai sebahagian daripada litar resonans sebagai salah satu elemen penetapan frekuensi litar (elemen lain ialah induktansi). Ia juga menggunakan keupayaan kapasitor untuk tidak menghantar arus terus tanpa melengahkan komponen berubah. Aplikasi sedemikian adalah biasa untuk memisahkan peringkat penguatan untuk mengecualikan pengaruh mod DC satu peringkat pada peringkat yang lain. Kapasitor besar digunakan sebagai penapis melicinkan dalam bekalan kuasa. Terdapat juga sejumlah besar aplikasi kapasitor lain di mana sifatnya berguna.
Beberapa reka bentuk kapasitor praktikal
Dalam amalan, pelbagai reka bentuk kapasitor rata digunakan. Reka bentuk peranti menentukan ciri dan skopnya.
kapasitor berubah-ubah
Jenis biasa kapasitor boleh ubah (VPC) terdiri daripada blok plat alih dan tetap yang dipisahkan oleh udara atau penebat pepejal. Plat boleh alih berputar mengelilingi paksi, menambah atau mengurangkan kawasan pertindihan. Apabila blok bergerak dikeluarkan, jurang antara elektrod kekal tidak berubah, tetapi jarak purata antara plat juga meningkat. Pemalar dielektrik penebat juga kekal tidak berubah. Kapasiti dikawal dengan menukar kawasan plat dan jarak purata di antara mereka.
kapasitor oksida
Sebelum ini, kapasitor sedemikian dipanggil elektrolitik. Ia terdiri daripada dua jalur kerajang yang dipisahkan oleh kertas dielektrik yang diresapi dengan elektrolit. Jalur pertama berfungsi sebagai satu plat, plat kedua berfungsi sebagai elektrolit. Dielektrik ialah lapisan nipis oksida pada salah satu jalur logam, dan jalur kedua berfungsi sebagai pengumpul arus.
Oleh kerana lapisan oksida sangat nipis, dan elektrolit bersebelahan dengannya, ia menjadi mungkin untuk mendapatkan kapasiti yang cukup besar dengan saiz sederhana. Harga untuk ini adalah voltan operasi yang rendah - lapisan oksida tidak mempunyai kekuatan elektrik yang tinggi. Dengan peningkatan dalam voltan operasi, adalah perlu untuk meningkatkan dengan ketara dimensi kapasitor.
Masalah lain ialah oksida mempunyai kekonduksian satu sisi, jadi bekas sedemikian hanya digunakan dalam litar DC dengan kekutuban.
Ionistor
Seperti yang ditunjukkan di atas, kaedah tradisional meningkat Kapasitor mempunyai batasan semula jadi. Oleh itu, kejayaan sebenar adalah penciptaan ionistor.
Walaupun peranti ini dianggap sebagai penghubung perantaraan antara kapasitor dan bateri, pada dasarnya ia masih merupakan kapasitor.
Jarak antara plat dikurangkan secara drastik berkat penggunaan lapisan elektrik berganda. Plat adalah lapisan ion dengan cas yang bertentangan. Ia menjadi mungkin untuk meningkatkan secara mendadak kawasan plat kerana bahan berliang berbuih. Akibatnya, adalah mungkin untuk mendapatkan supercapacitors dengan kapasiti sehingga ratusan farad.Penyakit kongenital peranti sedemikian ialah voltan operasi rendah (biasanya dalam 10 volt).
Perkembangan teknologi tidak berhenti - lampu dari banyak kawasan dipindahkan oleh transistor bipolar, mereka, seterusnya, digantikan oleh triod unipolar. Apabila mereka bentuk litar, mereka cuba menyingkirkan induktansi di mana mungkin. Dan kapasitor tidak kehilangan kedudukan mereka untuk abad kedua, reka bentuk mereka tidak berubah secara asas sejak penciptaan balang Leyden, dan tidak ada prospek untuk menamatkan kerjaya mereka.
Artikel yang serupa:
