Elektrische Kapazität ist eines der Grundkonzepte der Elektrostatik. Dieser Begriff bezieht sich auf die Fähigkeit, eine elektrische Ladung anzusammeln. Sie können von der Kapazität eines separaten Leiters sprechen, Sie können von der Kapazität eines Systems aus zwei oder mehr Leitern sprechen. Die physikalischen Prozesse sind ähnlich.
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Grundlegende Konzepte im Zusammenhang mit der elektrischen Kapazität
Hat der Leiter eine Ladung q erhalten, entsteht an ihm ein Potential φ. Dieses Potential hängt von der Geometrie und der Umgebung ab – für unterschiedliche Leiter und Bedingungen verursacht die gleiche Ladung ein unterschiedliches Potential. Aber φ ist immer proportional zu q:
φ=Cq
Der Koeffizient C wird als elektrische Kapazität bezeichnet.Wenn wir von einem System aus mehreren Leitern (normalerweise zwei) sprechen, dann tritt bei der Aufladung eines Leiters (Platte) eine Potentialdifferenz oder Spannung U auf:
U=Cq, also С=U/q
Die Kapazität kann als das Verhältnis der Potentialdifferenz zur Ladung, die sie verursacht hat, definiert werden. Die SI-Einheit für die Kapazität ist das Farad (früher hieß es Farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Mit anderen Worten, ein System hat eine Kapazität von 1 Farad, bei dem bei einer Ladung von 1 Coulomb eine Potentialdifferenz von 1 Volt entsteht. 1 Farad ist ein sehr großer Wert. In der Praxis werden am häufigsten Bruchwerte verwendet - Picofarad, Nanofarad, Mikrofarad.
In der Praxis ermöglicht eine solche Verbindung, eine Batterie zu erhalten, die einer größeren Durchbruchspannung des Dielektrikums standhalten kann als der einer Einzelzelle.
Berechnung der Kapazität von Kondensatoren
In der Praxis als Elemente mit einer normierten elektrischen Kapazität am häufigsten verwendet Kondensatoren, bestehend aus zwei Flachleitern (Platten), getrennt durch ein Dielektrikum. Die Formel zur Berechnung der elektrischen Kapazität eines solchen Kondensators sieht folgendermaßen aus:
C=(S/d)*ε*ε0
wo:
- C - Kapazität, F;
- S ist die Fläche der Verkleidungen, qm;
- d ist der Abstand zwischen den Platten, m;
- ε0 - elektrische Konstante, konstant, 8,854 * 10−12 w/m;
- ε ist die elektrische Permittivität des Dielektrikums, eine dimensionslose Größe.
Daraus ist leicht zu verstehen, dass die Kapazität direkt proportional zur Fläche der Platten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Leitern ist. Die Kapazität wird auch durch das Material beeinflusst, das die Platten trennt.
Um zu verstehen, wie die Größen, die die Kapazität bestimmen, die Fähigkeit eines Kondensators zum Speichern von Ladung beeinflussen, können Sie ein Gedankenexperiment durchführen, um einen Kondensator mit der größtmöglichen Kapazität zu erstellen.
- Sie können versuchen, die Fläche der Platten zu vergrößern. Dies wird zu einer starken Zunahme der Abmessungen und des Gewichts des Geräts führen. Um die Größe der Auskleidung mit einem sie trennenden Dielektrikum zu verringern, werden sie aufgerollt (in eine Röhre, ein flaches Brikett usw.).
- Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Abstand zwischen den Platten zu verringern. Es ist nicht immer möglich, die Leiter sehr nahe beieinander zu platzieren, da die dielektrische Schicht einer gewissen Potentialdifferenz zwischen den Platten standhalten muss. Je geringer die Dicke, desto geringer ist die Spannungsfestigkeit der Isolierstrecke. Wenn Sie diesen Weg einschlagen, wird der praktische Einsatz eines solchen Kondensators irgendwann bedeutungslos - er kann nur bei extrem niedrigen Spannungen arbeiten.
- Erhöhung der elektrischen Permeabilität des Dielektrikums. Dieser Weg hängt von der Entwicklung der derzeit vorhandenen Produktionstechnologien ab. Das Isoliermaterial muss nicht nur einen hohen Permeabilitätswert, sondern auch gute dielektrische Eigenschaften haben und seine Parameter im erforderlichen Frequenzbereich beibehalten (mit zunehmender Frequenz, mit der der Kondensator arbeitet, nehmen die Eigenschaften des Dielektrikums ab).
Einige Spezial- oder Forschungsinstallationen können sphärische oder zylindrische Kondensatoren verwenden.
Die Kapazität eines Kugelkondensators kann nach der Formel berechnet werden
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
wobei R die Radien der Kugeln sind und π=3,14.
Für einen zylindrischen Kondensator berechnet sich die Kapazität wie folgt:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l ist die Höhe der Zylinder und R1 und R2 sind ihre Radien.
Grundsätzlich unterscheiden sich beide Formeln nicht von der Formel für einen Flachkondensator. Die Kapazität wird immer durch die linearen Abmessungen der Platten, den Abstand zwischen ihnen und die Eigenschaften des Dielektrikums bestimmt.
Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren
Kondensatoren können angeschlossen werden in Reihe oder parallel, um einen Satz mit neuen Eigenschaften zu erhalten.
Parallele Verbindung
Wenn Sie die Kondensatoren parallel schalten, entspricht die Gesamtkapazität der resultierenden Batterie der Summe aller Kapazitäten ihrer Komponenten. Wenn die Batterie aus Kondensatoren gleicher Bauart besteht, kann dies als Addition der Fläche aller Platten betrachtet werden. In diesem Fall ist die Spannung an jeder Zelle der Batterie gleich und die Ladungen addieren sich. Für drei parallel geschaltete Kondensatoren:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
serielle Verbindung
Bei Reihenschaltung sind die Ladungen jeder Kapazität gleich:
q1=q2=q3=q
Die Gesamtspannung wird proportional verteilt Kapazitäten von Kondensatoren:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
Wenn alle Kondensatoren gleich sind, dann fällt an jedem die gleiche Spannung ab. Die Gesamtkapazität ergibt sich aus:
С=q/( U1+U2+U3), also 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Die Verwendung von Kondensatoren in der Technik
Es liegt nahe, Kondensatoren als elektrische Energiespeicher einzusetzen. In dieser Kapazität können sie aufgrund der geringen gespeicherten Energie und der ziemlich schnellen Selbstentladung aufgrund des Ladungsverlusts durch das Dielektrikum nicht mit elektrochemischen Quellen (galvanische Batterien, Kondensatoren) konkurrieren.Aber ihre Fähigkeit, Energie über einen langen Zeitraum zu akkumulieren und sie dann fast sofort wieder abzugeben, ist weit verbreitet. Diese Eigenschaft wird in Blitzlampen für die Fotografie oder Lampen zur Anregung von Lasern genutzt.
Kondensatoren sind in der Funktechnik und Elektronik weit verbreitet. Kapazitäten werden als Teil von Resonanzkreisen als eines der frequenzeinstellenden Elemente der Schaltungen verwendet (das andere Element ist die Induktivität). Es nutzt auch die Fähigkeit von Kondensatoren, Gleichstrom nicht durchzulassen, ohne die variable Komponente zu verzögern. Eine solche Anwendung ist üblich, um Verstärkerstufen zu trennen, um den Einfluss der DC-Moden einer Stufe auf eine andere auszuschließen. Große Kondensatoren werden als Glättungsfilter in Netzteilen verwendet. Es gibt auch eine Vielzahl anderer Anwendungen von Kondensatoren, bei denen ihre Eigenschaften nützlich sind.
Einige praktische Kondensatordesigns
In der Praxis werden verschiedene Bauformen von Flachkondensatoren verwendet. Das Design des Geräts bestimmt seine Eigenschaften und seinen Umfang.
variabler Kondensator
Ein üblicher Typ eines variablen Kondensators (VPC) besteht aus einem Block beweglicher und fester Platten, die durch Luft oder einen festen Isolator getrennt sind. Die beweglichen Platten drehen sich um die Achse und vergrößern oder verkleinern den Überlappungsbereich. Wenn der bewegliche Block entfernt wird, bleibt der Abstand zwischen den Elektroden unverändert, aber der durchschnittliche Abstand zwischen den Platten nimmt ebenfalls zu. Auch die Dielektrizitätskonstante des Isolators bleibt unverändert. Die Kapazität wird durch Ändern der Fläche der Platten und des durchschnittlichen Abstands zwischen ihnen reguliert.
Oxid-Kondensator
Früher wurde ein solcher Kondensator als Elektrolyt bezeichnet. Es besteht aus zwei Folienstreifen, die durch ein mit Elektrolyt imprägniertes Papierdielektrikum getrennt sind. Der erste Streifen dient als eine Platte, die zweite Platte dient als Elektrolyt. Das Dielektrikum ist eine dünne Oxidschicht auf einem der Metallstreifen, und der zweite Streifen dient als Stromkollektor.
Aufgrund der Tatsache, dass die Oxidschicht sehr dünn ist und der Elektrolyt eng daran angrenzt, wurde es möglich, ausreichend große Kapazitäten mit moderaten Größen zu erhalten. Der Preis dafür war eine niedrige Betriebsspannung – die Oxidschicht hat keine hohe elektrische Festigkeit. Bei einer Erhöhung der Betriebsspannung müssen die Abmessungen des Kondensators erheblich vergrößert werden.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass das Oxid einseitig leitfähig ist, weshalb solche Behälter nur in Gleichstromkreisen mit Polarität verwendet werden.
Ionistor
Wie oben gezeigt, die traditionellen Methoden der Erhöhung Kondensatoren natürliche Einschränkungen haben. Der eigentliche Durchbruch war daher die Schaffung von Ionistoren.
Obwohl dieses Gerät als Zwischenglied zwischen einem Kondensator und einer Batterie betrachtet wird, ist es im Wesentlichen immer noch ein Kondensator.
Durch die Verwendung einer doppelten elektrischen Schicht wird der Abstand zwischen den Platten drastisch reduziert. Die Platten sind Schichten von Ionen mit entgegengesetzten Ladungen. Durch geschäumte poröse Materialien wurde es möglich, die Fläche der Platten stark zu vergrößern. Dadurch ist es möglich, Superkondensatoren mit einer Kapazität von bis zu Hunderten von Farad zu erhalten.Eine angeborene Krankheit solcher Geräte ist eine niedrige Betriebsspannung (normalerweise innerhalb von 10 Volt).
Die Entwicklung der Technologie steht nicht still - Lampen aus vielen Bereichen werden durch Bipolartransistoren verdrängt, sie wiederum werden durch unipolare Trioden ersetzt. Beim Entwurf von Schaltungen versuchen sie, Induktivitäten wo immer möglich loszuwerden. Und Kondensatoren haben ihre Position im zweiten Jahrhundert nicht verloren, ihr Design hat sich seit der Erfindung des Leidener Gefäßes nicht grundlegend geändert, und es gibt keine Aussichten, ihre Karriere zu beenden.
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