Ang electric capacitance ay isa sa mga pangunahing konsepto ng electrostatics. Ang terminong ito ay tumutukoy sa kakayahang makaipon ng singil sa kuryente. Maaari mong pag-usapan ang kapasidad ng isang hiwalay na konduktor, maaari mong pag-usapan ang kapasidad ng isang sistema ng dalawa o higit pang mga konduktor. Ang mga pisikal na proseso ay magkatulad.
Nilalaman
Mga pangunahing konsepto na may kaugnayan sa kapasidad ng kuryente
Kung ang konduktor ay nakatanggap ng singil q, isang potensyal na φ ang lumitaw dito. Ang potensyal na ito ay nakasalalay sa geometry at kapaligiran - para sa iba't ibang mga konduktor at kundisyon, ang parehong singil ay magdudulot ng ibang potensyal. Ngunit ang φ ay palaging proporsyonal sa q:
φ=Cq
Ang coefficient C ay tinatawag na electrical capacitance.Kung pinag-uusapan natin ang isang sistema ng maraming konduktor (karaniwan ay dalawa), kung gayon kapag ang isang singil ay ibinibigay sa isang konduktor (plate), isang potensyal na pagkakaiba o boltahe U ang nangyayari:
U=Cq, kaya С=U/q
Ang kapasidad ay maaaring tukuyin bilang ang ratio ng potensyal na pagkakaiba sa singil na sanhi nito. Ang yunit ng SI para sa kapasidad ay ang farad (sinasabi nilang farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Sa madaling salita, ang isang sistema ay may kapasidad na 1 farad, kung saan, kapag ang isang singil na 1 coulomb ay ibinigay, isang potensyal na pagkakaiba ng 1 bolta ang lumitaw. Ang 1 Farad ay isang napakalaking halaga. Sa pagsasagawa, ang mga fractional na halaga ay kadalasang ginagamit - picofarad, nanofarad, microfarad.
Sa pagsasagawa, ang gayong koneksyon ay ginagawang posible na makakuha ng isang baterya na makatiis ng isang mas malaking breakdown boltahe ng dielectric kaysa sa isang solong cell.
Pagkalkula ng kapasidad ng mga capacitor
Sa pagsasagawa, bilang mga elemento na may normalized electric capacitance, kadalasang ginagamit mga kapasitor, na binubuo ng dalawang flat conductors (plates), na pinaghihiwalay ng isang dielectric. Ang formula para sa pagkalkula ng electric capacitance ng naturang kapasitor ay ganito ang hitsura:
C=(S/d)*ε*ε0
saan:
- C - kapasidad, F;
- S ay ang lugar ng mga facings, sq.m;
- d ay ang distansya sa pagitan ng mga plato, m;
- ε0 - de-koryenteng pare-pareho, pare-pareho, 8.854 * 10−12 f/m;
- Ang ε ay ang electrical permittivity ng dielectric, isang walang sukat na dami.
Mula dito madaling maunawaan na ang kapasidad ay direktang proporsyonal sa lugar ng mga plato at inversely proporsyonal sa distansya sa pagitan ng mga konduktor. Gayundin, ang kapasidad ay apektado ng materyal na naghihiwalay sa mga plato.
Upang maunawaan kung paano nakakaapekto ang mga dami na tumutukoy sa kapasidad sa kakayahan ng isang kapasitor na mag-imbak ng singil, maaari kang gumawa ng eksperimento sa pag-iisip upang lumikha ng isang kapasitor na may pinakamalaking posibleng kapasidad.
- Maaari mong subukang dagdagan ang lugar ng mga plato. Ito ay hahantong sa isang matalim na pagtaas sa mga sukat at bigat ng aparato. Upang bawasan ang laki ng lining na may isang dielectric na naghihiwalay sa kanila, sila ay pinagsama (sa isang tubo, flat briquette, atbp.).
- Ang isa pang paraan ay upang bawasan ang distansya sa pagitan ng mga plato. Hindi laging posible na ilagay ang mga conductor nang napakalapit, dahil ang dielectric layer ay dapat makatiis sa isang tiyak na potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga plato. Ang mas maliit na kapal, mas mababa ang dielectric na lakas ng insulating gap. Kung tatahakin mo ang landas na ito, darating ang oras na ang praktikal na paggamit ng naturang kapasitor ay magiging walang kabuluhan - maaari lamang itong gumana sa napakababang boltahe.
- Pagtaas ng electrical permeability ng dielectric. Ang landas na ito ay nakasalalay sa pag-unlad ng mga teknolohiya ng produksyon na umiiral sa kasalukuyan. Ang insulating material ay hindi lamang dapat magkaroon ng isang mataas na halaga ng pagkamatagusin, kundi pati na rin ang mahusay na mga katangian ng dielectric, at mapanatili din ang mga parameter nito sa kinakailangang hanay ng dalas (na may pagtaas sa dalas kung saan gumagana ang kapasitor, ang mga katangian ng pagbaba ng dielectric).
Maaaring gumamit ng mga spherical o cylindrical na capacitor ang ilang espesyal o research installation.
Ang kapasidad ng isang spherical capacitor ay maaaring kalkulahin ng formula
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kung saan ang R ay ang radii ng mga sphere, at π=3.14.
Para sa isang cylindrical capacitor, ang kapasidad ay kinakalkula bilang:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l ay ang taas ng mga cylinder, at ang R1 at R2 ay ang kanilang radii.
Sa panimula, ang parehong mga formula ay hindi naiiba sa formula para sa isang flat capacitor. Ang kapasidad ay palaging tinutukoy ng mga linear na sukat ng mga plato, ang distansya sa pagitan ng mga ito at ang mga katangian ng dielectric.
Serye at parallel na koneksyon ng mga capacitor
Maaaring konektado ang mga capacitor sa serye o kahanay, pagkuha ng isang set na may mga bagong katangian.
Parallel na koneksyon
Kung ikinonekta mo ang mga capacitor nang magkatulad, kung gayon ang kabuuang kapasidad ng nagresultang baterya ay katumbas ng kabuuan ng lahat ng mga kapasidad ng mga bahagi nito. Kung ang baterya ay binubuo ng mga capacitor ng parehong disenyo, maaari itong isaalang-alang bilang pagdaragdag ng lugar ng bola ng mga plato. Sa kasong ito, ang boltahe sa bawat cell ng baterya ay magiging pareho, at ang mga singil ay magdaragdag. Para sa tatlong mga capacitor na konektado sa parallel:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
serial connection
Kapag konektado sa serye, ang mga singil ng bawat kapasidad ay magiging pareho:
q1=q2=q3=q
Ang kabuuang boltahe ay ibinahagi nang proporsyonal capacitances ng capacitors:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Kung ang lahat ng mga capacitor ay pareho, pagkatapos ay ang pantay na boltahe ay bumaba sa bawat isa. Ang kabuuang kapasidad ay makikita bilang:
С=q/( U1+U2+U3), kaya 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Ang paggamit ng mga capacitor sa teknolohiya
Ito ay lohikal na gumamit ng mga capacitor bilang mga de-koryenteng kagamitan sa pag-iimbak ng enerhiya. Sa kapasidad na ito, hindi sila maaaring makipagkumpitensya sa mga pinagmumulan ng electrochemical (mga galvanic na baterya, mga capacitor) dahil sa maliit na nakaimbak na enerhiya at sa halip ay mabilis na paglabas ng sarili dahil sa pagtagas ng singil sa pamamagitan ng dielectric.Ngunit ang kanilang kakayahang makaipon ng enerhiya sa loob ng mahabang panahon, at pagkatapos ay halos agad na ibigay ito ay malawakang ginagamit. Ang ari-arian na ito ay ginagamit sa mga flash lamp para sa photography o mga lamp para sa paggulo ng mga laser.
Ang mga capacitor ay malawakang ginagamit sa radio engineering at electronics. Ang mga kapasidad ay ginagamit bilang bahagi ng mga resonant circuit bilang isa sa mga elemento ng frequency-setting ng mga circuit (ang iba pang elemento ay inductance). Ginagamit din nito ang kakayahan ng mga capacitor na hindi pumasa sa direktang kasalukuyang nang hindi inaantala ang variable na bahagi. Ang ganitong aplikasyon ay karaniwan para sa paghihiwalay ng mga yugto ng pagpapalakas upang maibukod ang impluwensya ng mga mode ng DC ng isang yugto sa isa pa. Ang mga malalaking capacitor ay ginagamit bilang mga smoothing filter sa mga power supply. Mayroon ding isang malaking bilang ng iba pang mga aplikasyon ng mga capacitor kung saan ang kanilang mga katangian ay kapaki-pakinabang.
Ang ilang mga praktikal na disenyo ng kapasitor
Sa pagsasagawa, ang iba't ibang mga disenyo ng mga flat capacitor ay ginagamit. Tinutukoy ng disenyo ng device ang mga katangian at saklaw nito.
variable na kapasitor
Ang isang karaniwang uri ng variable capacitor (VPC) ay binubuo ng isang bloke ng movable at fixed plates na pinaghihiwalay ng hangin o solid insulator. Ang mga movable plate ay umiikot sa paligid ng axis, tumataas o bumababa sa overlap area. Kapag ang gumagalaw na bloke ay tinanggal, ang interelectrode gap ay nananatiling hindi nagbabago, ngunit ang average na distansya sa pagitan ng mga plato ay tumataas din. Ang dielectric constant ng insulator ay nananatiling hindi nagbabago. Ang kapasidad ay kinokontrol sa pamamagitan ng pagbabago ng lugar ng mga plato at ang average na distansya sa pagitan nila.
oxide kapasitor
Noong nakaraan, ang naturang kapasitor ay tinatawag na electrolytic. Binubuo ito ng dalawang piraso ng foil na pinaghihiwalay ng isang papel na dielectric na pinapagbinhi ng isang electrolyte. Ang unang strip ay nagsisilbing isang plato, ang pangalawang plato ay nagsisilbing electrolyte. Ang dielectric ay isang manipis na layer ng oksido sa isa sa mga piraso ng metal, at ang pangalawang strip ay nagsisilbing isang kasalukuyang kolektor.
Dahil sa ang katunayan na ang layer ng oksido ay napaka manipis, at ang electrolyte ay malapit na katabi nito, naging posible na makakuha ng sapat na malalaking kapasidad na may katamtamang laki. Ang presyo para dito ay isang mababang operating boltahe - ang layer ng oxide ay walang mataas na lakas ng kuryente. Sa isang pagtaas sa operating boltahe, ito ay kinakailangan upang makabuluhang taasan ang mga sukat ng kapasitor.
Ang isa pang problema ay ang oksido ay may isang panig na kondaktibiti, kaya ang mga naturang lalagyan ay ginagamit lamang sa mga DC circuit na may polarity.
Ionistor
Tulad ng ipinakita sa itaas, ang mga tradisyonal na pamamaraan ng pagtaas Mga kapasitor may likas na limitasyon. Samakatuwid, ang tunay na tagumpay ay ang paglikha ng mga ionistor.
Kahit na ang aparatong ito ay itinuturing na isang intermediate na link sa pagitan ng isang kapasitor at isang baterya, sa esensya ito ay isang kapasitor pa rin.
Ang distansya sa pagitan ng mga plato ay lubhang nabawasan salamat sa paggamit ng isang double electrical layer. Ang mga plato ay mga patong ng mga ion na may magkasalungat na singil. Naging posible na madagdagan nang husto ang lugar ng mga plato dahil sa foamed porous na materyales. Bilang resulta, posibleng makakuha ng mga supercapacitor na may kapasidad na hanggang daan-daang farad.Ang congenital disease ng naturang mga device ay mababa ang operating boltahe (karaniwan ay nasa loob ng 10 volts).
Ang pag-unlad ng teknolohiya ay hindi tumitigil - ang mga lamp mula sa maraming lugar ay inilipat ng mga bipolar transistors, sila naman, ay pinalitan ng mga unipolar triodes. Kapag nagdidisenyo ng mga circuit, sinisikap nilang alisin ang mga inductance hangga't maaari. At ang mga capacitor ay hindi nawala ang kanilang mga posisyon para sa ikalawang siglo, ang kanilang disenyo ay hindi nagbago sa panimula mula noong imbento ang Leyden jar, at walang mga prospect para sa pagtatapos ng kanilang karera.
Mga katulad na artikulo:
