Elektrinė talpa yra viena iš pagrindinių elektrostatikos sąvokų. Šis terminas reiškia gebėjimą kaupti elektros krūvį. Galima kalbėti apie vieno laidininko talpą arba apie dviejų ar daugiau laidininkų sistemos talpą. Fizikiniai procesai yra panašūs.
Turinys
Pagrindinės su talpa susijusios sąvokos
Jei laidininkas gavo krūvį q, jame atsiranda potencialas φ. Šis potencialas priklauso nuo geometrijos ir aplinkos - skirtinguose laidininkuose ir skirtingomis sąlygomis tas pats krūvis sukels skirtingą potencialą. Tačiau φ visada proporcingas q:
φ=Cq
Koeficientas C ir vadinamas elektrine talpa. Jei kalbame apie kelių laidininkų (dažniausiai dviejų) sistemą, potencialų skirtumas arba įtampa U atsiranda, kai į vieną laidininką (apvalkalą) įkraunamas krūvis:
U=Cq, taigi C=U/q
Talpą galima apibrėžti kaip potencialų skirtumo ir susidariusio krūvio santykį. Talpos matavimo vienetas SI sistemoje yra faradas (anksčiau vadintas faradu). 1 F = 1 V/1k. 1 farado talpa - tai sistema, kurioje 1 kulono krūvis sukelia 1 volto potencialų skirtumą. 1 faradas yra labai didelė vertė. Praktikoje dažniausiai naudojamos dalinės vertės - pikofaradai, nanofaradai, mikrofaradai.
Praktikoje šis derinys leidžia sukurti akumuliatorių, kuris gali išlaikyti didesnę dielektrinio pramušimo įtampą nei atskiras elementas.
Kondensatoriaus talpos apskaičiavimas
Praktikoje dažniausiai naudojami šie vardinės talpos elementai kondensatoriaisudarytas iš dviejų plokščių laidininkų (gnybtų), atskirtų dielektriku. Tokio kondensatoriaus elektrinės talpos apskaičiavimo formulė yra tokia:
C=(S/d)*ε*ε0
kur:
- C yra talpa, F;
- S - įdėklų plotas, kv. m;
- d - atstumas tarp dangčių, m;
- ε0 - elektrinė konstanta, pastovi, 8,854*10−12 F/m;
- ε - dielektrinė skvarba, bedimensinė vertė.
Iš to nesunku suprasti, kad talpa yra tiesiogiai proporcinga dangčių plotui ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp laidininkų. Talpai įtakos turi ir medžiaga, kuria atskirti dangteliai.
Norėdami suprasti, kaip talpą lemiantys dydžiai veikia kondensatoriaus gebėjimą kaupti krūvį, galite atlikti mintinį eksperimentą ir sukurti kuo didesnės talpos kondensatorių.
- Galite pabandyti padidinti apvijų plotą. Dėl to labai padidėtų prietaiso dydis ir svoris. Siekiant sumažinti sluoksnių su juos skiriančiu dielektriku dydį, sluoksniai suvyniojami (į vamzdelį, plokščią briketą ir pan.).
- Kitas būdas - sumažinti atstumą tarp įdėklų. Ne visada įmanoma laidininkus išdėstyti labai arti, nes dielektriko sluoksnis turi atlaikyti tam tikrą potencialų skirtumą tarp apvijų. Kuo mažesnis storis, tuo mažesnis izoliacinio tarpo elektrinis stipris. Jei pasirinksite šį kelią, pasieksite tašką, kuriame kondensatorius praktiškai taps beprasmis - jis galės veikti tik esant labai mažoms įtampoms.
- Padidinkite dielektriko elektrinę skvarbą. Šis būdas priklauso nuo dabartinės gamybos technologijos. Izoliacinė medžiaga turi ne tik pasižymėti didele pralaidumo verte, bet ir geromis dielektrinėmis savybėmis ir išlaikyti savo parametrus reikiamame dažnių diapazone (didėjant kondensatoriaus veikimo dažniui, dielektrinės savybės mažėja).
Sferiniai arba cilindriniai kondensatoriai gali būti naudojami tam tikrose specializuotose arba mokslinių tyrimų srityse.
Sferinio kondensatoriaus talpą galima apskaičiuoti pagal formulę
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
kur R yra rutulių spindulys, o π=3,14.
Cilindrinio kondensatoriaus konstrukcijos talpa apskaičiuojama taip:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l yra cilindrų aukštis, o R1 ir R2 - jų spinduliai.
Iš esmės abi formulės nesiskiria nuo plokščiojo kondensatoriaus formulės. Talpą visada lemia linijiniai gnybtų matmenys, atstumas tarp jų ir dielektriko savybės.
Nuoseklus ir lygiagretus kondensatorių jungimas
Kondensatoriai gali būti sujungti nuosekliai nuosekliai arba lygiagrečiaiir taip sukuriamas rinkinys su naujomis savybėmis.
Lygiagretus sujungimas
Jei kondensatoriai sujungti lygiagrečiai, bendra gautos baterijos talpa lygi visų jos komponentų talpų sumai. Jei akumuliatorių sudaro tos pačios konstrukcijos kondensatoriai, galima įsivaizduoti, kad visų plokštelių plotas sumuojamas. Tokiu atveju įtampa kiekviename akumuliatoriaus elemente bus vienoda ir krūviai sumuosis. Trims lygiagrečiai sujungtiems kondensatoriams:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Nuoseklus jungimas
Nuosekliai sujungtų talpų krūviai bus vienodi:
q1=q2=q3=q
Bendra įtampa pasiskirsto proporcingai kondensatorių talpa:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Jei visi kondensatoriai yra vienodi, ant kiekvieno iš jų krinta vienoda įtampa. Bendra talpa nustatoma taip:
C=q/( U1+U2+U3), todėl 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Kondensatorių taikymas technologijose
Logiška kondensatorius naudoti kaip elektros energijos kaupiklius. Todėl jie negali konkuruoti su elektrocheminiais šaltiniais (galvaniniais akumuliatoriais, kondensatoriais) dėl mažos energijos kaupimo talpos ir gana greito savaiminio išsikrovimo dėl krūvio nutekėjimo per dielektriką. Tačiau plačiai naudojamas jų gebėjimas kaupti energiją ilgą laiką, o paskui beveik akimirksniu ją išlaisvinti. Ši savybė naudojama fotografijos blykstės lempose arba lazerių žadinimo lempose.
Kondensatoriai plačiai naudojami radiotechnikoje ir elektronikoje. Kondensatoriai rezonansinėse grandinėse naudojami kaip vienas iš grandinių dažnį išlaikančių elementų (kitas elementas yra induktyvumas). Taip pat naudojamas kondensatorių gebėjimas sulaikyti nuolatinę srovę, neatsilikdamas nuo kintamosios srovės komponento. Toks naudojimas yra įprastas stiprintuvo pakopų padalijimui, siekiant pašalinti vienos pakopos nuolatinės srovės režimų įtaką kitai pakopai. Didelės talpos kondensatoriai naudojami kaip išlyginamieji filtrai maitinimo šaltiniuose. Taip pat yra daugybė kitų kondensatorių taikymo sričių, kuriose jų savybės yra naudingos.
Keletas praktinių kondensatorių konstrukcijų
Praktikoje naudojamos įvairios plokščiojo kondensatoriaus konstrukcijos. Nuo prietaiso konstrukcijos priklauso jo savybės ir taikymo sritis.
Kintamas kondensatorius
Įprastą kintamojo kondensatoriaus (VAC) tipą sudaro judančių ir nejudančių plokštelių, atskirtų oru arba kietuoju izoliatoriumi, rinkinys. Kilnojamosios plokštelės sukasi aplink ašį, didindamos arba mažindamos persidengimo plotą. Kai judamasis blokas atitraukiamas, tarpas tarp elektrodų išlieka nepakitęs, tačiau vidutinis atstumas tarp plokštelių taip pat padidėja. Izoliatoriaus dielektrinė skvarba taip pat išlieka nepakitusi. Talpa reguliuojama keičiant dangtelių plotą ir vidutinį atstumą tarp jų.
Oksido kondensatorius
Anksčiau tokio tipo kondensatorius buvo vadinamas elektrolitiniu kondensatoriumi. Jį sudaro dvi folijos juostelės, atskirtos popieriniu dielektriku, įmirkytu elektrolite. Pirmoji juostelė naudojama kaip apvalkalas, o antroji - kaip elektrolitas. Dielektrikas yra plonas oksido sluoksnis ant vienos iš metalinių juostelių, o antroji juostelė yra srovės imtuvas.
Kadangi oksido sluoksnis yra labai plonas, o elektrolitas yra arti jo, galima gauti pakankamai didelę talpą esant vidutiniam dydžiui. Už tai tenka mokėti maža darbine įtampa - oksido sluoksnis neturi didelio dielektrinio stiprio. Didėjant darbinei įtampai, kondensatoriaus dydis turi gerokai padidėti.
Kita problema yra ta, kad oksidas yra vienpusio laidumo, todėl tokie kondensatoriai naudojami tik nuolatinės srovės grandinėse, atsižvelgiant į poliškumą.
Jonistorius
Kaip parodyta pirmiau, tradiciniai didinimo metodai kondensatoriai turi natūralių apribojimų. Todėl tikrasis proveržis buvo jonistoriaus sukūrimas.
Nors šis prietaisas laikomas tarpiniu tarp kondensatoriaus ir akumuliatoriaus, iš esmės jis vis tiek yra kondensatorius.
Atstumas tarp elektrodų smarkiai sumažėja naudojant dvigubą elektrinį sluoksnį. Sluoksniai yra priešingą krūvį turinčių jonų sluoksniai. Labai akyta putų medžiaga leidžia smarkiai padidinti sluoksnių paviršiaus plotą. Rezultatas - superkondensatoriai, kurių talpa siekia šimtus faradų. Šių prietaisų įgimta liga yra maža darbinė įtampa (paprastai ne didesnė kaip 10 voltų).
Technologijos tobulėjo toliau - lempas daugelyje sričių pakeitė dvipoliai tranzistoriai, o juos savo ruožtu - vienpoliai triodai. Kur tik įmanoma, projektuojant grandines atsisakoma induktyvumo. O kondensatoriai savo pozicijų neužleidžia jau antrą šimtmetį, jų konstrukcija iš esmės nepasikeitė nuo pat Leideno stiklainio išradimo, ir nėra jokių perspektyvų, kad jų karjera baigsis.
Susiję straipsniai:
