Η ηλεκτρική χωρητικότητα είναι μια από τις βασικές έννοιες της ηλεκτροστατικής. Αυτός ο όρος αναφέρεται στην ικανότητα συσσώρευσης ηλεκτρικού φορτίου. Μπορείτε να μιλήσετε για τη χωρητικότητα ενός ξεχωριστού αγωγού, μπορείτε να μιλήσετε για τη χωρητικότητα ενός συστήματος δύο ή περισσότερων αγωγών. Οι φυσικές διαδικασίες είναι παρόμοιες.
Περιεχόμενο
Βασικές έννοιες που σχετίζονται με την ηλεκτρική χωρητικότητα
Εάν ο αγωγός έχει λάβει φορτίο q, προκύπτει ένα δυναμικό φ σε αυτόν. Αυτό το δυναμικό εξαρτάται από τη γεωμετρία και το περιβάλλον - για διαφορετικούς αγωγούς και συνθήκες, το ίδιο φορτίο θα προκαλέσει διαφορετικό δυναμικό. Αλλά το φ είναι πάντα ανάλογο του q:
φ=Cq
Ο συντελεστής C ονομάζεται ηλεκτρική χωρητικότητα.Εάν μιλάμε για ένα σύστημα πολλών αγωγών (συνήθως δύο), τότε όταν ένα φορτίο μεταδίδεται σε έναν αγωγό (πλάκα), εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού ή τάση U:
U=Cq, άρα С=U/q
Η χωρητικότητα μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της διαφοράς δυναμικού προς το φορτίο που την προκάλεσε. Η μονάδα SI για την χωρητικότητα είναι το farad (λέγανε και farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Με άλλα λόγια, ένα σύστημα έχει χωρητικότητα 1 φαράντ, στο οποίο, όταν μεταδίδεται φορτίο 1 κουλόμπ, προκύπτει διαφορά δυναμικού 1 βολτ. Το 1 Farad είναι πολύ μεγάλη αξία. Στην πράξη, οι κλασματικές τιμές χρησιμοποιούνται συχνότερα - picofarad, nanofarad, microfarad.
Στην πράξη, μια τέτοια σύνδεση καθιστά δυνατή την απόκτηση μιας μπαταρίας που μπορεί να αντέξει μεγαλύτερη τάση διάσπασης του διηλεκτρικού από αυτή ενός μεμονωμένου στοιχείου.
Υπολογισμός της χωρητικότητας των πυκνωτών
Στην πράξη, ως στοιχεία με κανονικοποιημένη ηλεκτρική χωρητικότητα, που χρησιμοποιούνται συχνότερα πυκνωτές, που αποτελείται από δύο επίπεδους αγωγούς (πλάκες), που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό. Ο τύπος για τον υπολογισμό της ηλεκτρικής χωρητικότητας ενός τέτοιου πυκνωτή μοιάζει με αυτό:
C=(S/d)*ε*ε0
όπου:
- C - χωρητικότητα, F;
- S είναι η περιοχή των όψεων, τ.μ.
- d είναι η απόσταση μεταξύ των πλακών, m;
- ε0 - ηλεκτρική σταθερά, σταθερά, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε είναι η ηλεκτρική διαπερατότητα του διηλεκτρικού, ένα αδιάστατο μέγεθος.
Από αυτό είναι εύκολο να καταλάβουμε ότι η χωρητικότητα είναι ευθέως ανάλογη με την περιοχή των πλακών και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ των αγωγών. Επίσης, η χωρητικότητα επηρεάζεται από το υλικό που χωρίζει τις πλάκες.
Για να κατανοήσετε πώς οι ποσότητες που καθορίζουν την χωρητικότητα επηρεάζουν την ικανότητα ενός πυκνωτή να αποθηκεύει φορτίο, μπορείτε να κάνετε ένα πείραμα σκέψης για να δημιουργήσετε έναν πυκνωτή με τη μεγαλύτερη δυνατή χωρητικότητα.
- Μπορείτε να προσπαθήσετε να αυξήσετε την περιοχή των πλακών. Αυτό θα οδηγήσει σε απότομη αύξηση των διαστάσεων και του βάρους της συσκευής. Για να μειωθεί το μέγεθος της επένδυσης με ένα διηλεκτρικό που τα χωρίζει, τυλίγονται σε ρολό (σε σωλήνα, επίπεδη μπρικέτα κ.λπ.).
- Ένας άλλος τρόπος είναι να μειώσετε την απόσταση μεταξύ των πλακών. Δεν είναι πάντα δυνατό να τοποθετούνται οι αγωγοί πολύ κοντά, καθώς το διηλεκτρικό στρώμα πρέπει να αντέχει μια ορισμένη διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών. Όσο μικρότερο είναι το πάχος, τόσο μικρότερη είναι η διηλεκτρική αντοχή του μονωτικού διακένου. Εάν ακολουθήσετε αυτό το μονοπάτι, θα έρθει μια στιγμή που η πρακτική χρήση ενός τέτοιου πυκνωτή δεν θα έχει νόημα - μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές τάσεις.
- Αύξηση της ηλεκτρικής διαπερατότητας του διηλεκτρικού. Αυτή η διαδρομή εξαρτάται από την ανάπτυξη των τεχνολογιών παραγωγής που υπάρχουν αυτή τη στιγμή. Το μονωτικό υλικό δεν πρέπει να έχει μόνο υψηλή τιμή διαπερατότητας, αλλά και καλές διηλεκτρικές ιδιότητες και επίσης να διατηρεί τις παραμέτρους του στην απαιτούμενη περιοχή συχνοτήτων (με αύξηση της συχνότητας στην οποία λειτουργεί ο πυκνωτής, τα χαρακτηριστικά του διηλεκτρικού μειώνονται).
Ορισμένες εξειδικευμένες ή ερευνητικές εγκαταστάσεις μπορεί να χρησιμοποιούν σφαιρικούς ή κυλινδρικούς πυκνωτές.
Η χωρητικότητα ενός σφαιρικού πυκνωτή μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
όπου R είναι οι ακτίνες των σφαιρών, και π=3,14.
Για έναν κυλινδρικό πυκνωτή, η χωρητικότητα υπολογίζεται ως εξής:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l είναι το ύψος των κυλίνδρων και R1 και R2 είναι οι ακτίνες τους.
Βασικά, και οι δύο τύποι δεν διαφέρουν από τον τύπο για επίπεδο πυκνωτή. Η χωρητικότητα καθορίζεται πάντα από τις γραμμικές διαστάσεις των πλακών, την απόσταση μεταξύ τους και τις ιδιότητες του διηλεκτρικού.
Σειρά και παράλληλη σύνδεση πυκνωτών
Οι πυκνωτές μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα, αποκτώντας ένα σετ με νέα χαρακτηριστικά.
Παράλληλη σύνδεση
Εάν συνδέσετε τους πυκνωτές παράλληλα, τότε η συνολική χωρητικότητα της μπαταρίας που προκύπτει είναι ίση με το άθροισμα όλων των χωρητικοτήτων των εξαρτημάτων της. Εάν η μπαταρία αποτελείται από πυκνωτές του ίδιου σχεδιασμού, αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως προσθήκη της επιφάνειας όλων των πλακών. Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση σε κάθε στοιχείο της μπαταρίας θα είναι η ίδια και τα φορτία θα αθροιστούν. Για τρεις πυκνωτές που συνδέονται παράλληλα:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
σειριακή σύνδεση
Όταν συνδέονται σε σειρά, τα φορτία κάθε χωρητικότητας θα είναι τα ίδια:
q1=q2=q3=q
Η συνολική τάση κατανέμεται αναλογικά χωρητικότητες πυκνωτών:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Εάν όλοι οι πυκνωτές είναι ίδιοι, τότε πέφτει ίση τάση στον καθένα. Η συνολική χωρητικότητα βρίσκεται ως εξής:
С=q/( U1+U2+U3), επομένως 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Η χρήση των πυκνωτών στην τεχνολογία
Είναι λογικό να χρησιμοποιείτε πυκνωτές ως συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Με αυτή την ικανότητα, δεν μπορούν να ανταγωνιστούν ηλεκτροχημικές πηγές (γαλβανικές μπαταρίες, πυκνωτές) λόγω της μικρής αποθηκευμένης ενέργειας και της μάλλον γρήγορης αυτοεκφόρτισης λόγω διαρροής φορτίου μέσω του διηλεκτρικού.Αλλά η ικανότητά τους να συσσωρεύουν ενέργεια για μεγάλο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια να τη δίνουν σχεδόν αμέσως χρησιμοποιείται ευρέως. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε λάμπες φλας για φωτογραφία ή σε λάμπες διέγερσης λέιζερ.
Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται ευρέως στη ραδιομηχανική και την ηλεκτρονική. Οι χωρητικότητες χρησιμοποιούνται ως μέρος των κυκλωμάτων συντονισμού ως ένα από τα στοιχεία ρύθμισης συχνότητας των κυκλωμάτων (το άλλο στοιχείο είναι η επαγωγή). Χρησιμοποιεί επίσης την ικανότητα των πυκνωτών να μην περνούν συνεχές ρεύμα χωρίς να καθυστερεί η μεταβλητή συνιστώσα. Μια τέτοια εφαρμογή είναι κοινή για τον διαχωρισμό σταδίων ενίσχυσης προκειμένου να αποκλειστεί η επίδραση των τρόπων DC ενός σταδίου σε ένα άλλο. Οι μεγάλοι πυκνωτές χρησιμοποιούνται ως φίλτρα εξομάλυνσης σε τροφοδοτικά. Υπάρχει επίσης ένας τεράστιος αριθμός άλλων εφαρμογών πυκνωτών όπου οι ιδιότητές τους είναι χρήσιμες.
Μερικά πρακτικά σχέδια πυκνωτών
Στην πράξη, χρησιμοποιούνται διάφορα σχέδια επίπεδων πυκνωτών. Ο σχεδιασμός της συσκευής καθορίζει τα χαρακτηριστικά και το πεδίο εφαρμογής της.
μεταβλητός πυκνωτής
Ένας κοινός τύπος μεταβλητού πυκνωτή (VPC) αποτελείται από ένα μπλοκ κινητών και σταθερών πλακών που χωρίζονται με αέρα ή έναν στερεό μονωτή. Οι κινητές πλάκες περιστρέφονται γύρω από τον άξονα, αυξάνοντας ή μειώνοντας την περιοχή επικάλυψης. Όταν αφαιρεθεί το κινούμενο μπλοκ, το διάκενο μεταξύ των ηλεκτροδίων παραμένει αμετάβλητο, αλλά η μέση απόσταση μεταξύ των πλακών επίσης αυξάνεται. Η διηλεκτρική σταθερά του μονωτή παραμένει επίσης αμετάβλητη. Η χωρητικότητα ρυθμίζεται αλλάζοντας την περιοχή των πλακών και τη μέση απόσταση μεταξύ τους.
πυκνωτής οξειδίου
Προηγουμένως, ένας τέτοιος πυκνωτής ονομαζόταν ηλεκτρολυτικός. Αποτελείται από δύο λωρίδες φύλλου που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό χαρτί εμποτισμένο με ηλεκτρολύτη. Η πρώτη λωρίδα χρησιμεύει ως μία πλάκα, η δεύτερη πλάκα χρησιμεύει ως ηλεκτρολύτης. Το διηλεκτρικό είναι ένα λεπτό στρώμα οξειδίου σε μία από τις μεταλλικές λωρίδες και η δεύτερη λωρίδα χρησιμεύει ως συλλέκτης ρεύματος.
Λόγω του γεγονότος ότι το στρώμα οξειδίου είναι πολύ λεπτό και ο ηλεκτρολύτης γειτνιάζει στενά με αυτό, κατέστη δυνατό να ληφθούν επαρκώς μεγάλες χωρητικότητες με μέτρια μεγέθη. Η τιμή για αυτό ήταν μια χαμηλή τάση λειτουργίας - το στρώμα οξειδίου δεν έχει υψηλή ηλεκτρική αντοχή. Με αύξηση της τάσης λειτουργίας, είναι απαραίτητο να αυξηθούν σημαντικά οι διαστάσεις του πυκνωτή.
Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι το οξείδιο έχει μονόπλευρη αγωγιμότητα, επομένως τέτοια δοχεία χρησιμοποιούνται μόνο σε κυκλώματα συνεχούς ρεύματος με πολικότητα.
Ionistor
Όπως φαίνεται παραπάνω, οι παραδοσιακές μέθοδοι αύξησης Πυκνωτές έχουν φυσικούς περιορισμούς. Ως εκ τούτου, η πραγματική σημαντική ανακάλυψη ήταν η δημιουργία ιονιστών.
Αν και αυτή η συσκευή θεωρείται ενδιάμεσος σύνδεσμος μεταξύ πυκνωτή και μπαταρίας, στην ουσία εξακολουθεί να είναι ένας πυκνωτής.
Η απόσταση μεταξύ των πλακών μειώνεται δραστικά χάρη στη χρήση διπλού ηλεκτρικού στρώματος. Οι πλάκες είναι στρώματα ιόντων με αντίθετα φορτία. Κατέστη δυνατή η απότομη αύξηση της περιοχής των πλακών λόγω αφρισμένων πορωδών υλικών. Ως αποτέλεσμα, είναι δυνατή η απόκτηση υπερπυκνωτών με χωρητικότητα έως και εκατοντάδες farads.Μια συγγενής ασθένεια τέτοιων συσκευών είναι η χαμηλή τάση λειτουργίας (συνήθως εντός 10 βολτ).
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας δεν μένει ακίνητη - οι λαμπτήρες από πολλές περιοχές μετατοπίζονται από διπολικά τρανζίστορ, με τη σειρά τους αντικαθίστανται από μονοπολικούς τριόδους. Όταν σχεδιάζουν κυκλώματα, προσπαθούν να απαλλαγούν από επαγωγές όπου είναι δυνατόν. Και οι πυκνωτές δεν έχουν χάσει τις θέσεις τους για τον δεύτερο αιώνα, ο σχεδιασμός τους δεν έχει αλλάξει ριζικά από την εφεύρεση του βάζου Leyden και δεν υπάρχουν προοπτικές για το τέλος της καριέρας τους.
Παρόμοια άρθρα:
