La capacità elettrica è uno dei concetti base dell'elettrostatica. Questo termine si riferisce alla capacità di accumulare una carica elettrica. Puoi parlare della capacità di un conduttore separato, puoi parlare della capacità di un sistema di due o più conduttori. I processi fisici sono simili.
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Concetti di base relativi alla capacità elettrica
Se il conduttore ha ricevuto una carica q, su di esso sorge un potenziale φ. Questo potenziale dipende dalla geometria e dall'ambiente: per diversi conduttori e condizioni, la stessa carica causerà un potenziale diverso. Ma φ è sempre proporzionale a q:
φ=Cq
Il coefficiente C è chiamato capacità elettrica.Se stiamo parlando di un sistema di più conduttori (di solito due), quando una carica viene impartita a un conduttore (piastra), si verifica una differenza di potenziale o tensione U:
U=Cq, quindi С=U/q
La capacità può essere definita come il rapporto tra la differenza di potenziale e la carica che l'ha causata. L'unità SI per la capacità è il farad (si diceva farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. In altre parole, un sistema ha una capacità di 1 farad, in cui, quando viene impartita una carica di 1 coulomb, si verifica una differenza di potenziale di 1 volt. 1 Farad è un valore molto grande. In pratica, i valori frazionari sono più spesso utilizzati: picofarad, nanofarad, microfarad.
In pratica, tale collegamento consente di ottenere una batteria in grado di sopportare una tensione di rottura del dielettrico maggiore di quella di una singola cella.
Calcolo della capacità dei condensatori
In pratica, come elementi con una capacità elettrica normalizzata, più spesso utilizzati condensatori, costituito da due conduttori piatti (piastre), separati da un dielettrico. La formula per calcolare la capacità elettrica di un tale condensatore è simile alla seguente:
C=(S/d)*ε*ε0
dove:
- C - capacità, F;
- S è la superficie dei paramenti, mq;
- d è la distanza tra le piastre, m;
- ε0 - costante elettrica, costante, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε è la permittività elettrica del dielettrico, una quantità adimensionale.
Da ciò è facile intuire che la capacità è direttamente proporzionale all'area delle piastre e inversamente proporzionale alla distanza tra i conduttori. Inoltre, la capacità è influenzata dal materiale che separa le piastre.
Per capire come le quantità che determinano la capacità influiscono sulla capacità di un condensatore di immagazzinare la carica, puoi fare un esperimento mentale per creare un condensatore con la capacità più grande possibile.
- Puoi provare ad aumentare l'area dei piatti. Ciò comporterà un forte aumento delle dimensioni e del peso del dispositivo. Per ridurre le dimensioni del rivestimento con un dielettrico che li separa, vengono arrotolati (in un tubo, mattonelle piatte, ecc.).
- Un altro modo è ridurre la distanza tra le piastre. Non è sempre possibile posizionare i conduttori molto vicini, poiché lo strato dielettrico deve sopportare una certa differenza di potenziale tra le piastre. Minore è lo spessore, minore è la rigidità dielettrica della fessura isolante. Se segui questa strada, arriverà il momento in cui l'uso pratico di un tale condensatore diventerà privo di significato: può funzionare solo a tensioni estremamente basse.
- Aumento della permeabilità elettrica del dielettrico. Questo percorso dipende dallo sviluppo delle tecnologie di produzione attualmente esistenti. Il materiale isolante non deve avere solo un alto valore di permeabilità, ma anche buone proprietà dielettriche e anche mantenere i suoi parametri nell'intervallo di frequenza richiesto (con un aumento della frequenza a cui opera il condensatore, le caratteristiche del dielettrico diminuiscono).
Alcune installazioni specializzate o di ricerca possono utilizzare condensatori sferici o cilindrici.
La capacità di un condensatore sferico può essere calcolata dalla formula
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
dove R sono i raggi delle sfere e π=3,14.
Per un condensatore cilindrico, la capacità è calcolata come:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l è l'altezza dei cilindri e R1 e R2 sono i loro raggi.
Fondamentalmente, entrambe le formule non differiscono dalla formula per un condensatore piatto. La capacità è sempre determinata dalle dimensioni lineari delle piastre, dalla distanza tra loro e dalle proprietà del dielettrico.
Collegamento in serie e in parallelo di condensatori
È possibile collegare condensatori in serie o in parallelo, ottenendo un insieme con nuove caratteristiche.
Collegamento in parallelo
Se colleghi i condensatori in parallelo, la capacità totale della batteria risultante è uguale alla somma di tutte le capacità dei suoi componenti. Se la batteria è composta da condensatori dello stesso design, questa può essere considerata come l'aggiunta dell'area di tutte le piastre. In questo caso, la tensione su ciascuna cella della batteria sarà la stessa e le cariche si sommeranno. Per tre condensatori collegati in parallelo:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
connessione seriale
Se collegati in serie, le cariche di ciascuna capacità saranno le stesse:
q1=q2=q3=q
La tensione totale è distribuita proporzionalmente capacità dei condensatori:
- u1=q/C1;
- u2=q/C2;
- u3= q/c3.
Se tutti i condensatori sono uguali, la tensione cade uguale su ciascuno. La capacità totale si trova come:
С=q/( U1+U2+U3), quindi 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
L'uso dei condensatori nella tecnologia
È logico utilizzare condensatori come dispositivi di accumulo di energia elettrica. In questa capacità, non possono competere con le sorgenti elettrochimiche (batterie galvaniche, condensatori) a causa della poca energia immagazzinata e dell'autoscarica piuttosto rapida dovuta alla dispersione della carica attraverso il dielettrico.Ma la loro capacità di accumulare energia per un lungo periodo e poi di darla via quasi istantaneamente è ampiamente utilizzata. Questa proprietà viene utilizzata nelle lampade flash per la fotografia o nelle lampade per l'eccitazione dei laser.
I condensatori sono ampiamente utilizzati nell'ingegneria radio e nell'elettronica. Le capacità sono utilizzate come parte dei circuiti risonanti come uno degli elementi di impostazione della frequenza dei circuiti (l'altro elemento è l'induttanza). Sfrutta anche la capacità dei condensatori di non far passare la corrente continua senza ritardare la componente variabile. Tale applicazione è comune per separare gli stadi di amplificazione al fine di escludere l'influenza dei modi CC di uno stadio sull'altro. I grandi condensatori sono usati come filtri di livellamento negli alimentatori. Esistono anche un numero enorme di altre applicazioni di condensatori in cui le loro proprietà sono utili.
Alcuni pratici modelli di condensatori
In pratica, vengono utilizzati vari modelli di condensatori piatti. Il design del dispositivo ne determina le caratteristiche e la portata.
condensatore variabile
Un tipo comune di condensatore variabile (VPC) è costituito da un blocco di piastre mobili e fisse separate da aria o da un isolante solido. Le piastre mobili ruotano attorno all'asse, aumentando o diminuendo l'area di sovrapposizione. Quando il blocco mobile viene rimosso, lo spazio tra gli elettrodi rimane invariato, ma aumenta anche la distanza media tra le piastre. Anche la costante dielettrica dell'isolante rimane invariata. La capacità è regolata modificando l'area dei piatti e la distanza media tra di loro.
condensatore di ossido
In precedenza, un tale condensatore era chiamato elettrolitico. È costituito da due strisce di lamina separate da un dielettrico di carta impregnato di un elettrolita. La prima striscia funge da piastra, la seconda piastra funge da elettrolita. Il dielettrico è un sottile strato di ossido su una delle strisce di metallo e la seconda striscia funge da collettore di corrente.
A causa del fatto che lo strato di ossido è molto sottile e l'elettrolita è strettamente confinante con esso, è stato possibile ottenere capacità sufficientemente grandi con dimensioni moderate. Il prezzo per questo era una bassa tensione operativa: lo strato di ossido non ha un'elevata resistenza elettrica. Con un aumento della tensione di esercizio, è necessario aumentare significativamente le dimensioni del condensatore.
Un altro problema è che l'ossido ha una conduttività unilaterale, quindi tali contenitori sono utilizzati solo nei circuiti CC con polarità.
ionizzatore
Come mostrato sopra, i metodi tradizionali di aumento Condensatori hanno dei limiti naturali. Pertanto, la vera svolta è stata la creazione di ionisti.
Sebbene questo dispositivo sia considerato un collegamento intermedio tra un condensatore e una batteria, in sostanza è pur sempre un condensatore.
La distanza tra le piastre è drasticamente ridotta grazie all'utilizzo di un doppio strato elettrico. Le piastre sono strati di ioni con cariche opposte. È diventato possibile aumentare notevolmente l'area delle piastre grazie ai materiali porosi espansi. Di conseguenza, è possibile ottenere supercondensatori con una capacità fino a centinaia di farad.Una malattia congenita di tali dispositivi è la bassa tensione operativa (di solito entro 10 volt).
Lo sviluppo della tecnologia non si ferma: le lampade di molte aree vengono sostituite da transistor bipolari, a loro volta vengono sostituite da triodi unipolari. Quando si progettano i circuiti, cercano di eliminare le induttanze ove possibile. E i condensatori non hanno perso le loro posizioni per il secondo secolo, il loro design non è cambiato radicalmente dall'invenzione del vaso di Leida e non ci sono prospettive per porre fine alla loro carriera.
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