La capacitat elèctrica és un dels conceptes bàsics de l'electrostàtica. Aquest terme fa referència a la capacitat d'acumular una càrrega elèctrica. Es pot parlar de la capacitat d'un conductor separat, es pot parlar de la capacitat d'un sistema de dos o més conductors. Els processos físics són semblants.
Contingut
Conceptes bàsics relacionats amb la capacitat elèctrica
Si el conductor ha rebut una càrrega q, hi sorgeix un potencial φ. Aquest potencial depèn de la geometria i l'entorn: per a diferents conductors i condicions, la mateixa càrrega provocarà un potencial diferent. Però φ és sempre proporcional a q:
φ=Cq
El coeficient C s'anomena capacitat elèctrica.Si estem parlant d'un sistema de diversos conductors (normalment dos), aleshores quan s'imparteix una càrrega a un conductor (placa), es produeix una diferència de potencial o voltatge U:
U=Cq, per tant С=U/q
La capacitància es pot definir com la relació entre la diferència de potencial i la càrrega que la va provocar. La unitat SI per a la capacitat és el farad (solien dir farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. En altres paraules, un sistema té una capacitat d'1 farad, en el qual, quan s'imparteix una càrrega d'1 coulomb, sorgeix una diferència de potencial d'1 volt. 1 Farad és un valor molt gran. A la pràctica, els valors fraccionaris s'utilitzen amb més freqüència: picofarad, nanofarad, microfarad.
A la pràctica, aquesta connexió permet obtenir una bateria que pugui suportar una tensió de ruptura del dielèctric més gran que la d'una sola cèl·lula.
Càlcul de la capacitat dels condensadors
A la pràctica, com a elements amb una capacitat elèctrica normalitzada, s'utilitzen més sovint condensadors, format per dos conductors plans (plaques), separats per un dielèctric. La fórmula per calcular la capacitat elèctrica d'aquest condensador és la següent:
C=(S/d)*ε*ε0
on:
- C - capacitat, F;
- S és la superfície dels paraments, m²;
- d és la distància entre les plaques, m;
- ε0 - constant elèctrica, constant, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε és la permitivitat elèctrica del dielèctric, una quantitat adimensional.
A partir d'això, és fàcil entendre que la capacitat és directament proporcional a l'àrea de les plaques i inversament proporcional a la distància entre els conductors. A més, la capacitat es veu afectada pel material que separa les plaques.
Per entendre com les quantitats que determinen la capacitat afecten la capacitat d'un condensador per emmagatzemar càrrega, podeu fer un experiment mental per crear un condensador amb la capacitat més gran possible.
- Podeu intentar augmentar l'àrea de les plaques. Això comportarà un fort augment de les dimensions i el pes del dispositiu. Per reduir la mida del revestiment amb un dielèctric que els separa, s'enrotllen (en tub, briqueta plana, etc.).
- Una altra manera és reduir la distància entre les plaques. No sempre és possible col·locar els conductors molt a prop, ja que la capa dielèctrica ha de suportar una certa diferència de potencial entre les plaques. Com més petit sigui el gruix, menor serà la rigidesa dielèctrica del buit aïllant. Si prens aquest camí, arribarà un moment en què l'ús pràctic d'aquest condensador no tindrà sentit: només pot funcionar a tensions extremadament baixes.
- Augment de la permeabilitat elèctrica del dielèctric. Aquest camí depèn del desenvolupament de les tecnologies de producció que existeixen en aquest moment. El material aïllant no només ha de tenir un alt valor de permeabilitat, sinó també bones propietats dielèctriques, i també ha de mantenir els seus paràmetres en el rang de freqüència requerit (amb un augment de la freqüència amb què funciona el condensador, les característiques del dielèctric disminueixen).
Algunes instal·lacions especialitzades o de recerca poden utilitzar condensadors esfèrics o cilíndrics.
La capacitat d'un condensador esfèric es pot calcular mitjançant la fórmula
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
on R són els radis de les esferes, i π=3,14.
Per a un condensador cilíndric, la capacitat es calcula com:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l és l'alçada dels cilindres, i R1 i R2 són els seus radis.
Bàsicament, ambdues fórmules no difereixen de la fórmula per a un condensador pla. La capacitat sempre ve determinada per les dimensions lineals de les plaques, la distància entre elles i les propietats del dielèctric.
Connexió en sèrie i paral·lel de condensadors
Es poden connectar condensadors en sèrie o en paral·lel, obtenint un conjunt amb noves característiques.
Connexió paral·lel
Si connecteu els condensadors en paral·lel, la capacitat total de la bateria resultant és igual a la suma de totes les capacitats dels seus components. Si la bateria consta de condensadors del mateix disseny, això es pot considerar com l'addició de l'àrea de la bola de les plaques. En aquest cas, la tensió de cada cel·la de la bateria serà la mateixa i les càrregues s'acumularan. Per a tres condensadors connectats en paral·lel:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
connexió en sèrie
Quan es connecten en sèrie, les càrregues de cada capacitat seran les mateixes:
q1=q2=q3=q
La tensió total es distribueix proporcionalment capacitats dels condensadors:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Si tots els condensadors són iguals, caurà la mateixa tensió entre cadascun. La capacitat total es troba com:
С=q/( U1+U2+U3), per tant 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
L'ús de condensadors en tecnologia
És lògic utilitzar condensadors com a dispositius d'emmagatzematge d'energia elèctrica. En aquesta capacitat, no poden competir amb les fonts electroquímiques (bateries galvàniques, condensadors) a causa de la poca energia emmagatzemada i de l'autodescàrrega força ràpida a causa de la fuita de càrrega a través del dielèctric.Però la seva capacitat d'acumular energia durant un llarg període, i després gairebé a l'instant, s'utilitza àmpliament. Aquesta propietat s'utilitza en llums de flaix per a fotografia o làmpades per excitació de làsers.
Els condensadors s'utilitzen àmpliament en enginyeria de ràdio i electrònica. Les capacitats s'utilitzen com a part dels circuits ressonants com un dels elements de configuració de freqüència dels circuits (l'altre element és la inductància). També utilitza la capacitat dels condensadors de no passar corrent continu sense retardar el component variable. Aquesta aplicació és habitual per separar les etapes d'amplificació per tal d'excloure la influència dels modes de corrent continu d'una etapa sobre una altra. Els condensadors grans s'utilitzen com a filtres suavitzants a les fonts d'alimentació. També hi ha un gran nombre d'altres aplicacions de condensadors on les seves propietats són útils.
Alguns dissenys pràctics de condensadors
A la pràctica, s'utilitzen diversos dissenys de condensadors plans. El disseny del dispositiu determina les seves característiques i abast.
condensador variable
Un tipus comú de condensador variable (VPC) consisteix en un bloc de plaques mòbils i fixes separades per aire o un aïllant sòlid. Les plaques mòbils giren al voltant de l'eix, augmentant o disminuint l'àrea de superposició. Quan s'elimina el bloc mòbil, l'espai interelèctrode es manté sense canvis, però la distància mitjana entre les plaques també augmenta. La constant dielèctrica de l'aïllant també es manté inalterada. La capacitat es regula canviant l'àrea de les plaques i la distància mitjana entre elles.
condensador d'òxid
Anteriorment, aquest condensador s'anomenava electrolític. Consta de dues tires de làmina separades per un dielèctric de paper impregnat amb un electròlit. La primera tira serveix com una placa, la segona placa serveix com a electròlit. El dielèctric és una fina capa d'òxid en una de les tires metàl·liques, i la segona tira serveix com a col·lector de corrent.
A causa del fet que la capa d'òxid és molt prima i l'electròlit es troba molt a prop, es va poder obtenir capacitats prou grans amb mides moderades. El preu d'això era una baixa tensió de funcionament: la capa d'òxid no té una gran resistència elèctrica. Amb un augment de la tensió de funcionament, cal augmentar significativament les dimensions del condensador.
Un altre problema és que l'òxid té una conductivitat unilateral, de manera que aquests contenidors només s'utilitzen en circuits de corrent continu amb polaritat.
Ionistor
Com es mostra anteriorment, els mètodes tradicionals d'augment Condensadors tenen limitacions naturals. Per tant, el veritable avenç va ser la creació d'ionistors.
Tot i que aquest dispositiu es considera un enllaç intermedi entre un condensador i una bateria, en essència segueix sent un condensador.
La distància entre les plaques es redueix dràsticament gràcies a l'ús d'una doble capa elèctrica. Les plaques són capes d'ions amb càrregues oposades. Va ser possible augmentar dràsticament l'àrea de les plaques a causa dels materials porosos amb escuma. Com a resultat, és possible obtenir supercondensadors amb una capacitat de fins a centenars de farads.Una malaltia congènita d'aquests dispositius és la baixa tensió de funcionament (generalment a 10 volts).
El desenvolupament de la tecnologia no s'atura: les làmpades de moltes àrees són desplaçades per transistors bipolars, que, al seu torn, se substitueixen per triodes unipolars. Quan es dissenyen circuits, intenten desfer-se de les inductàncies sempre que sigui possible. I els condensadors no han perdut les seves posicions durant el segle II, el seu disseny no ha canviat fonamentalment des de la invenció del pot de Leyden i no hi ha perspectives d'acabar la seva carrera.
Articles semblants:
