Elektrik kapasitansı, elektrostatiğin temel kavramlarından biridir. Bu terim, bir elektrik yükü biriktirme yeteneğini ifade eder. Ayrı bir iletkenin kapasitesi hakkında konuşabilirsiniz, iki veya daha fazla iletkenli bir sistemin kapasitesi hakkında konuşabilirsiniz. Fiziksel süreçler benzerdir.
İçerik
Elektrik kapasitesi ile ilgili temel kavramlar
İletken bir q yükü aldıysa, üzerinde bir φ potansiyeli ortaya çıkar. Bu potansiyel geometriye ve ortama bağlıdır - farklı iletkenler ve koşullar için aynı yük farklı bir potansiyele neden olur. Ancak φ her zaman q ile orantılıdır:
φ=Cq
C katsayısına elektrik kapasitansı denir.Birkaç iletkenden (genellikle iki) oluşan bir sistemden bahsediyorsak, o zaman bir iletkene (plaka) bir yük verildiğinde, potansiyel bir fark veya U voltajı oluşur:
U=Cq, dolayısıyla С=U/q
Kapasitans, potansiyel farkın buna neden olan yüke oranı olarak tanımlanabilir. Kapasitans için SI birimi faraddır (eskiden farad derlerdi). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Başka bir deyişle, bir sistem 1 farad kapasiteye sahiptir, burada 1 coulomb'luk bir yük verildiğinde 1 voltluk bir potansiyel fark ortaya çıkar. 1 Farad çok büyük bir değerdir. Uygulamada, kesirli değerler en sık kullanılır - picofarad, nanofarad, microfarad.
Pratikte, böyle bir bağlantı, tek bir hücreninkinden daha büyük bir dielektrik arıza voltajına dayanabilen bir pil elde etmeyi mümkün kılar.
Kondansatörlerin kapasitansının hesaplanması
Pratikte, normalleştirilmiş bir elektrik kapasitansına sahip elemanlar olarak, en sık kullanılanlar kapasitörler, bir dielektrik ile ayrılmış iki düz iletkenden (plaka) oluşur. Böyle bir kapasitörün elektrik kapasitansını hesaplama formülü şöyle görünür:
C=(S/d)*ε*ε0
nerede:
- C - kapasite, F;
- S, kaplamaların alanıdır, m2;
- d, plakalar arasındaki mesafedir, m;
- ε0 - elektrik sabiti, sabit, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε, boyutsuz bir miktar olan dielektrikin elektriksel geçirgenliğidir.
Bundan, kapasitansın plakaların alanıyla doğru orantılı ve iletkenler arasındaki mesafeyle ters orantılı olduğunu anlamak kolaydır. Ayrıca kapasite, plakaları ayıran malzemeden etkilenir.
Kapasitansı belirleyen miktarların bir kapasitörün yük depolama yeteneğini nasıl etkilediğini anlamak için, mümkün olan en büyük kapasitansa sahip bir kapasitör oluşturmak için bir düşünce deneyi yapabilirsiniz.
- Plakaların alanını arttırmayı deneyebilirsiniz. Bu, cihazın boyutlarında ve ağırlığında keskin bir artışa yol açacaktır. Astarın boyutunu, onları ayıran bir dielektrik ile azaltmak için, sarılırlar (bir tüp, düz briket, vb.).
- Başka bir yol, plakalar arasındaki mesafeyi azaltmaktır. Dielektrik katmanın plakalar arasındaki belirli bir potansiyel farkına dayanması gerektiğinden, iletkenleri çok yakın yerleştirmek her zaman mümkün değildir. Kalınlık ne kadar küçük olursa, yalıtım aralığının dielektrik gücü o kadar düşük olur. Bu yolu seçerseniz, böyle bir kapasitörün pratik kullanımının anlamsız hale geleceği bir zaman gelecek - sadece çok düşük voltajlarda çalışabilir.
- Dielektrikin elektrik geçirgenliğini arttırmak. Bu yol, şu anda var olan üretim teknolojilerinin geliştirilmesine bağlıdır. Yalıtım malzemesi sadece yüksek bir geçirgenlik değerine sahip değil, aynı zamanda iyi dielektrik özelliklere sahip olmalı ve aynı zamanda parametrelerini gerekli frekans aralığında tutmalıdır (kapasitörün çalıştığı frekanstaki bir artışla, dielektrik özellikleri azalır).
Bazı özel veya araştırma kurulumları küresel veya silindirik kapasitörler kullanabilir.
Küresel bir kapasitörün kapasitansı aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
burada R, kürelerin yarıçaplarıdır ve π=3.14.
Silindirik bir kapasitör için kapasitans şu şekilde hesaplanır:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l silindirlerin yüksekliğidir ve R1 ve R2 onların yarıçaplarıdır.
Temel olarak, her iki formül de düz kapasitör formülünden farklı değildir. Kapasitans her zaman plakaların doğrusal boyutları, aralarındaki mesafe ve dielektrik özellikleri ile belirlenir.
Kondansatörlerin seri ve paralel bağlantısı
Kondansatörler bağlanabilir seri veya paralel, yeni özelliklere sahip bir set elde etmek.
Paralel bağlantı
Kondansatörleri paralel bağlarsanız, ortaya çıkan pilin toplam kapasitesi, bileşenlerinin tüm kapasitelerinin toplamına eşittir. Batarya aynı tasarıma sahip kapasitörlerden oluşuyorsa, bu, tüm plakaların alanının eklenmesi olarak düşünülebilir. Bu durumda, pilin her hücresindeki voltaj aynı olacak ve şarjlar artacaktır. Paralel bağlı üç kapasitör için:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
seri bağlantı
Seri olarak bağlandığında, her bir kapasitansın ücretleri aynı olacaktır:
q1=q2=q3=q
Toplam voltaj orantılı olarak dağıtılır kapasitörlerin kapasitansları:
- sen1=q/C1;
- sen2=q/C2;
- sen3= q/C3.
Tüm kapasitörler aynıysa, her birinde eşit voltaj düşer. Toplam kapasite şu şekilde bulunur:
С=q/( U1+U2+U3), dolayısıyla 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Kondansatörlerin teknolojide kullanımı
Elektrik enerjisi depolama cihazları olarak kapasitörlerin kullanılması mantıklıdır. Bu kapasitede, depolanan küçük enerji nedeniyle elektrokimyasal kaynaklarla (galvanik piller, kapasitörler) rekabet edemezler ve dielektrik yoluyla şarj sızıntısı nedeniyle oldukça hızlı kendi kendine deşarj olurlar.Ancak uzun süre enerji biriktirme ve daha sonra neredeyse anında verme yetenekleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu özellik, fotoğrafçılık için flaş lambalarında veya lazerlerin uyarılması için lambalarda kullanılır.
Kondansatörler radyo mühendisliği ve elektronikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Kapasitanslar, devrelerin frekans ayar elemanlarından biri olarak rezonans devrelerinin bir parçası olarak kullanılır (diğer eleman endüktanstır). Ayrıca kapasitörlerin değişken bileşeni geciktirmeden doğru akımı geçmeme özelliğini de kullanır. Böyle bir uygulama, bir aşamanın DC modlarının bir diğeri üzerindeki etkisini dışlamak amacıyla, amplifikasyon aşamalarını ayırmak için yaygındır. Güç kaynaklarında yumuşatma filtreleri olarak büyük kapasitörler kullanılır. Ayrıca, özelliklerinin yararlı olduğu çok sayıda başka kapasitör uygulaması vardır.
Bazı pratik kapasitör tasarımları
Uygulamada, çeşitli düz kapasitör tasarımları kullanılmaktadır. Cihazın tasarımı, özelliklerini ve kapsamını belirler.
değişken kondansatör
Yaygın bir değişken kapasitör türü (VPC), hava veya katı bir yalıtkanla ayrılmış hareketli ve sabit plakalardan oluşan bir bloktan oluşur. Hareketli plakalar eksen etrafında dönerek örtüşme alanını arttırır veya azaltır. Hareketli blok kaldırıldığında, elektrotlar arası boşluk değişmeden kalır, ancak plakalar arasındaki ortalama mesafe de artar. İzolatörün dielektrik sabiti de değişmeden kalır. Kapasite, plakaların alanı ve aralarındaki ortalama mesafe değiştirilerek düzenlenir.
oksit kapasitör
Önceden, böyle bir kapasitöre elektrolitik deniyordu. Elektrolit emdirilmiş bir kağıt dielektrik ile ayrılmış iki şerit folyodan oluşur. İlk şerit bir plaka görevi görür, ikinci plaka elektrolit görevi görür. Dielektrik, metal şeritlerden biri üzerinde ince bir oksit tabakasıdır ve ikinci şerit bir akım toplayıcı görevi görür.
Oksit tabakasının çok ince olması ve elektrolitin buna çok yakın olması nedeniyle, orta boyutlarda yeterince büyük kapasiteler elde etmek mümkün hale geldi. Bunun fiyatı düşük bir çalışma voltajıydı - oksit tabakasının yüksek elektrik gücü yok. Çalışma voltajındaki bir artışla, kapasitörün boyutlarını önemli ölçüde artırmak gerekir.
Diğer bir problem, oksidin tek taraflı iletkenliğe sahip olmasıdır, bu nedenle bu tür kaplar sadece polariteli DC devrelerinde kullanılır.
iyonlaştırıcı
Yukarıda gösterildiği gibi, geleneksel yöntemler kapasitörler doğal sınırlamaları vardır. Bu nedenle, gerçek atılım iyonlaştırıcıların yaratılmasıydı.
Bu cihaz, bir kapasitör ile pil arasında bir ara bağlantı olarak düşünülse de, özünde yine de bir kapasitördür.
Çift elektrik katmanının kullanılması sayesinde plakalar arasındaki mesafe önemli ölçüde azalır. Plakalar, zıt yüklü iyon katmanlarıdır. Köpüklü gözenekli malzemeler nedeniyle plakaların alanını keskin bir şekilde artırmak mümkün hale geldi. Sonuç olarak, yüzlerce farad kapasiteli süper kapasitörler elde etmek mümkündür.Bu tür cihazların doğuştan gelen bir hastalığı, düşük çalışma voltajıdır (genellikle 10 volt içinde).
Teknolojinin gelişimi durmuyor - birçok alandaki lambaların yerini bipolar transistörler alıyor, bunlar da tek kutuplu triyotlarla değiştiriliyor. Devreleri tasarlarken mümkün olan her yerde endüktanslardan kurtulmaya çalışırlar. Ve kapasitörler ikinci yüzyıl için konumlarını kaybetmedi, tasarımları Leyden kavanozunun icadından bu yana temelde değişmedi ve kariyerlerini sona erdirme umutları yok.
Benzer makaleler:
