Elektrinė talpa yra viena iš pagrindinių elektrostatikos sąvokų. Šis terminas reiškia gebėjimą kaupti elektros krūvį. Galima kalbėti apie atskiro laidininko talpą, galima kalbėti apie dviejų ar daugiau laidininkų sistemos talpą. Fiziniai procesai yra panašūs.
Turinys
Pagrindinės sąvokos, susijusios su elektriniu pajėgumu
Jei laidininkas gavo krūvį q, jame atsiranda potencialas φ. Šis potencialas priklauso nuo geometrijos ir aplinkos – skirtingiems laidininkams ir sąlygoms tas pats krūvis sukels skirtingą potencialą. Bet φ visada yra proporcingas q:
φ = Cq
Koeficientas C vadinamas elektrine talpa.Jei mes kalbame apie kelių laidininkų (dažniausiai dviejų) sistemą, tada, kai įkrovimas perduodamas vienam laidininkui (plokštei), atsiranda potencialų skirtumas arba įtampa U:
U=Cq, taigi С=U/q
Talpa gali būti apibrėžta kaip potencialų skirtumo ir jį sukėlusio krūvio santykis. SI talpos vienetas yra faradas (jie sakydavo faradas). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Kitaip tariant, sistemos talpa yra 1 faradas, kurioje, įkraunant 1 kuloną, atsiranda 1 volto potencialų skirtumas. 1 Farad yra labai didelė vertė. Praktikoje dažniausiai naudojamos trupmeninės vertės - pikofaradas, nanofaradas, mikrofaradas.
Praktiškai tokia jungtis leidžia gauti bateriją, kuri gali atlaikyti didesnę dielektriko skilimo įtampą nei vieno elemento.
Kondensatorių talpos skaičiavimas
Praktiškai dažniausiai naudojami kaip elementai su normalizuota elektrine talpa kondensatoriai, susidedantis iš dviejų plokščių laidininkų (plokštelių), atskirtų dielektriku. Tokio kondensatoriaus elektrinės talpos apskaičiavimo formulė atrodo taip:
C=(S/d)*ε*ε0
kur:
- C - talpa, F;
- S – apmušalų plotas, kv.m;
- d – atstumas tarp plokščių, m;
- ε0 - elektros konstanta, konstanta, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε – dielektriko elektrinis laidumas, bematis dydis.
Iš to nesunku suprasti, kad talpa yra tiesiogiai proporcinga plokščių plotui ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp laidininkų. Taip pat talpą įtakoja medžiaga, skirianti plokštes.
Norėdami suprasti, kaip dydžiai, nustatantys talpą, veikia kondensatoriaus gebėjimą kaupti krūvį, galite atlikti minties eksperimentą, kad sukurtumėte didžiausios talpos kondensatorių.
- Galite pabandyti padidinti plokščių plotą. Dėl to smarkiai padidės prietaiso matmenys ir svoris. Norint sumažinti pamušalo dydį juos skiriančiu dielektriku, jie suvyniojami (į vamzdelį, plokščią briketą ir pan.).
- Kitas būdas – sumažinti atstumą tarp plokščių. Ne visada įmanoma laidininkus išdėstyti labai arti, nes dielektrinis sluoksnis turi atlaikyti tam tikrą potencialų skirtumą tarp plokščių. Kuo mažesnis storis, tuo mažesnė izoliacinio tarpo dielektrinė stipris. Jei pasirinksite šiuo keliu, ateis laikas, kai praktinis tokio kondensatoriaus naudojimas taps beprasmis – jis gali veikti tik esant itin žemai įtampai.
- Dielektriko elektrinio pralaidumo didinimas. Šis kelias priklauso nuo šiuo metu egzistuojančių gamybos technologijų plėtros. Izoliacinė medžiaga turi turėti ne tik didelę pralaidumo vertę, bet ir geras dielektrines savybes, taip pat išlaikyti savo parametrus reikiamame dažnių diapazone (padidėjus kondensatoriaus veikimo dažniui, dielektriko charakteristikos mažėja).
Kai kuriuose specializuotuose arba tyrimų įrenginiuose gali būti naudojami sferiniai arba cilindriniai kondensatoriai.
Sferinio kondensatoriaus talpą galima apskaičiuoti pagal formulę
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
čia R yra sferų spinduliai, o π=3,14.
Cilindrinio kondensatoriaus talpa apskaičiuojama taip:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l yra cilindrų aukštis, o R1 ir R2 yra jų spindulys.
Iš esmės abi formulės nesiskiria nuo plokščiojo kondensatoriaus formulės. Talpa visada nustatoma pagal plokščių linijinius matmenis, atstumą tarp jų ir dielektriko savybes.
Kondensatorių nuoseklus ir lygiagretus jungimas
Galima prijungti kondensatorius nuosekliai arba lygiagrečiai, gaunant rinkinį su naujomis charakteristikomis.
Lygiagretus ryšys
Jei kondensatorius prijungiate lygiagrečiai, tada bendra gautos baterijos talpa yra lygi visų jo komponentų talpų sumai. Jei akumuliatorių sudaro tos pačios konstrukcijos kondensatoriai, tai gali būti laikoma plokščių ploto pridėjimu. Tokiu atveju kiekvienos baterijos elemento įtampa bus tokia pati, o įkrovos padidės. Trims lygiagrečiai sujungtiems kondensatoriams:
- U = U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
serijinis ryšys
Kai prijungiama nuosekliai, kiekvienos talpos įkrovos bus vienodos:
q1=q2=q3=q
Bendra įtampa paskirstoma proporcingai kondensatorių talpos:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Jei visi kondensatoriai yra vienodi, tada kiekviename įtampa nukrenta vienodai. Bendra talpa aptinkama taip:
С=q/( U1+U2+U3), taigi 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Kondensatorių panaudojimas technikoje
Logiška naudoti kondensatorius kaip elektros energijos kaupimo įrenginius. Šia galia jie negali konkuruoti su elektrocheminiais šaltiniais (galvaninėmis baterijomis, kondensatoriais) dėl mažos sukauptos energijos ir gana greito savaiminio išsikrovimo dėl krūvio nutekėjimo per dielektriką.Tačiau plačiai naudojamas jų gebėjimas kaupti energiją ilgą laiką, o po to beveik akimirksniu ją atiduoti. Ši savybė naudojama blykstėse, skirtose fotografuoti, arba lempose, skirtose lazeriams sužadinti.
Kondensatoriai plačiai naudojami radijo inžinerijoje ir elektronikoje. Talpos naudojamos kaip rezonansinių grandinių dalis kaip vienas iš grandinių dažnio nustatymo elementų (kitas elementas yra induktyvumas). Jis taip pat naudoja kondensatorių galimybę nepraleisti nuolatinės srovės neuždelsdamas kintamo komponento. Toks pritaikymas yra įprastas stiprinimo etapų atskyrimui, siekiant pašalinti vienos pakopos nuolatinės srovės režimų įtaką kitai. Dideli kondensatoriai naudojami kaip išlyginamieji filtrai maitinimo šaltiniuose. Taip pat yra daugybė kitų kondensatorių pritaikymo būdų, kur jų savybės yra naudingos.
Kai kurie praktiški kondensatorių dizainai
Praktikoje naudojami įvairių konstrukcijų plokšti kondensatoriai. Įrenginio konstrukcija lemia jo charakteristikas ir taikymo sritį.
kintamasis kondensatorius
Įprastą kintamų kondensatorių (VPC) tipą sudaro kilnojamų ir fiksuotų plokščių blokas, atskirtas oru arba kietu izoliatoriumi. Judančios plokštės sukasi aplink ašį, padidindamos arba sumažindamos persidengimo plotą. Nuėmus judantį bloką tarpelektrodinis tarpelis išlieka nepakitęs, tačiau didėja ir vidutinis atstumas tarp plokščių. Izoliatoriaus dielektrinė konstanta taip pat išlieka nepakitusi. Talpa reguliuojama keičiant plokščių plotą ir vidutinį atstumą tarp jų.
oksidinis kondensatorius
Anksčiau toks kondensatorius buvo vadinamas elektrolitiniu. Jį sudaro dvi folijos juostelės, atskirtos popieriniu dielektriku, įmirkytu elektrolitu. Pirmoji juostelė tarnauja kaip viena plokštelė, antroji – kaip elektrolitas. Dielektrikas yra plonas oksido sluoksnis ant vienos iš metalinių juostelių, o antroji juosta tarnauja kaip srovės kolektorius.
Dėl to, kad oksido sluoksnis yra labai plonas, o elektrolitas glaudžiai ribojasi su juo, tapo įmanoma gauti pakankamai didelių talpų su vidutinio dydžio. Kaina už tai buvo žema darbinė įtampa – oksido sluoksnis nepasižymi dideliu elektriniu stiprumu. Padidėjus darbinei įtampai, būtina žymiai padidinti kondensatoriaus matmenis.
Kita problema yra ta, kad oksidas turi vienpusį laidumą, todėl tokie konteineriai naudojami tik nuolatinės srovės grandinėse su poliškumu.
Jonistorius
Kaip parodyta aukščiau, tradiciniai didinimo būdai Kondensatoriai turi natūralių apribojimų. Todėl tikrasis proveržis buvo jonistorių sukūrimas.
Nors šis įrenginys laikomas tarpine grandimi tarp kondensatoriaus ir baterijos, iš esmės jis vis tiek yra kondensatorius.
Naudojant dvigubą elektrinį sluoksnį, atstumas tarp plokščių smarkiai sumažėja. Plokštės yra priešingų krūvių jonų sluoksniai. Dėl putplasčio poringų medžiagų tapo įmanoma smarkiai padidinti plokščių plotą. Dėl to galima gauti iki šimtų faradų talpos superkondensatorius.Įgimta tokių prietaisų liga – žema darbinė įtampa (dažniausiai 10 voltų ribose).
Technologijos raida nestovi vietoje – daugelio sričių lempas išstumia dvipoliai tranzistoriai, o juos savo ruožtu pakeičia vienpoliai triodai. Kurdami grandines, jie stengiasi, kur tik įmanoma, atsikratyti induktyvumo. O kondensatoriai savo pozicijų neužleidžia jau antrą šimtmetį, jų dizainas iš esmės nepasikeitė nuo Leyden stiklainio išradimo, o baigti karjerą nėra perspektyvų.
Panašūs straipsniai:
