Jak se měří kapacita kondenzátoru: jak zjistit, proč závisí napětí na tomto prvku

Kondenzátor je elektrický prvek, který umožňuje ukládat náboj. Jeho nejjednodušší formou jsou dvě desky oddělené dielektrickou vrstvou. Pokud je na desky přivedeno napětí, zůstane ještě nějakou dobu po jeho odstranění. Pro správné sestavení obvodů s těmito prvky je důležité vědět, v čem se měří kapacita kondenzátoru.

Aplikace v technologii

Kondenzátory se používají v různých elektrických a rádiových zařízeních. Tyto články jsou schopny akumulovat náboj a udržovat napětí (například síťového) na správné úrovni během menších výpadků proudu. Vysokokapacitní kondenzátory se samy používají jako výkonové prvky pro malá mobilní zařízení. Říká se jim také superkondenzátory. Jejich nevýhodou je nutnost častého dobíjení.

Tyto prvky mají velký význam i ve filtračních zařízeních, zařízeních, jejichž úkolem je nepustit rušení do užitečného signálu, případně zachytit požadovaný signál v konstantním napětí zvýšené úrovně.

Žádný generátor střídavého signálu není kompletní bez kondenzátorů. Jejich účelem je nastavit frekvenci generování, periodu a další časové parametry. Jsou zde použity velmi přesné prvky s nominální tolerancí nejvýše 1 %.

Kondenzátory se dodávají v pevné i variabilní kapacitě. Prvky s proměnnou kapacitou se používají v zařízeních, která vyžadují ladění na různé frekvence. Hojně se používá například při ladění rádiových frekvencí v FM přijímačích.

Vzorce pro výpočet kondenzátorů

K řešení technických problémů a aplikovaných teoretických výpočtů potřebujete znát zákony, kterými elektrické veličiny na sebe vzájemně působí. Tyto zákony jsou vyjádřeny ve vzorcích. Například napětí na kondenzátoru závisí na jeho kapacitě a náboji, který nashromáždil.

Stanovení kapacity

Tato hodnota závisí na několika parametrech. Pro jeho výpočet potřebujete vědět, v čem se měří kapacita kondenzátoru. Tato hodnota je ekvivalentní tomu, kolik coulombů náboje je akumulováno článkem, když je na něj aplikováno napětí 1 volt. Měří se ve faradech. Kapacita těchto prvků závisí také na jejich tvaru.

• Ploché kondenzátory jsou nejjednodušším typem ukládání náboje. Jak zjistit kapacitu kondenzátoru, který má plochý tvar, můžete zjistit, zda určíte všechny parametry, které to ovlivňují. Jeho kapacita je ovlivněna vzdáleností mezi jeho deskami (vodivými deskami) d, plochou samotných desek S, dielektrická konstanta látky mezi deskami ε a elektrická konstanta ε0, která je rovna 8,85 ⋅ 10^-12 farad na metr. Vzorec kondenzátoru je následující:

С = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

• Válcový kondenzátor se také skládá ze dvou nabitých desek, z nichž obě jsou ve formě válců umístěných jeden uvnitř druhého. Vnitřní válec je jednodílný, vnější je dutý. Vzdálenost mezi deskami se rovná rozdílu poloměrů těchto válců. Vzorec pro kapacitu kondenzátoru může být znázorněn stejně jako v předchozím případě, s tím rozdílem, že plocha desek se vypočítá na základě jejich výšky a poloměru:

С = 2 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ h ⋅ R ext / (R ext - R ext) = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

kde h je výška desky,

Rvn - vnitřní poloměr, R lůžko - vnější poloměr,

π = 3,14.

• Náboj může mít nejen těleso se dvěma deskami, ale i vodivý kulový předmět. Pokud na něj přivedete napětí a poté změříte potenciál mezi ním a zemí, potenciál bude nenulový. Vzorec pro výpočet sférického uložení náboje:

С = 4 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ R

kde R je poloměr koule.

Pokud do vzorce dosadíte poloměr Země a dielektrickou konstantu vzduchu, můžete získat hodnotu kapacity Země ve faradech. Po výpočtech:

C (Země) = 700 mikrofaradů

Takovou kapacitu mohou mít moderní elektrolytické kondenzátory.

Umístíme-li jednu kuličku do druhé a přivedeme mezi ně napětí, pak výsledná struktura bude také akumulovat náboj mezi povrchy kuliček. Určení kapacity takového návrhu lze provést podle vzorce:

C =ε ⋅ ε0⋅4⋅π ⋅ R1 ⋅ R2 / (R2 - R1)

kde R2 a R1 jsou poloměry odpovídajících kulových ploch.

Kapacita kondenzátoru závisí také na typu použitého dielektrika. Nejběžnějšími plnidly jsou keramická, elektrolytická, papírová, vzduchová a slídová plniva.

Výpočet energie

Nabíjecí úložná zařízení mají i další parametry. Jedním z nich je energie. Když je kondenzátor nabitý, potenciální energie se hromadí na jeho deskách.

Vytváří sílu, která přitahuje opačně nabité desky, a také proud, který napájí elektrické spotřebiče, pokud jako zdroj energie použijete superkondenzátor. Energii lze vyjádřit jako závislost na napětí desek a kapacitě:

W = C ⋅ U ² /2

Dielektrický svodový proud

Svodový proud se objeví v prvku, pokud existují cesty pro tok elektrického proudu z jedné desky na druhou. Čím méně je dielektrikum izolační, tím větší bude svodový proud. To platí zejména pro kondenzátory s naolejovaným papírovým dielektrikem. Tento parametr závisí jak na konstrukci prvku, tak na znečištění jeho těla. Pokud článek netěsní, může se svodový proud zvýšit, pokud do pouzdra pronikne vlhkost. Tento proud lze vypočítat podle Ohmova zákona:

Iut = U / R d

kde I ut je svodový proud,

U je napětí na deskách,

R d je izolační odpor dielektrika.

Spojovací prvky

Při vytváření obvodů se používá jiné zapojení prvků. Schématické prvky lze propojit:

• Paralelní;
• Důsledně;
• Paralelní - sekvenčně (smíšené).

Jak zjistit kapacitu paralelně připojených prvků? Musíte pochopit, co je společné s tímto typem připojení. Protože napětí je aplikováno současně na všechny desky, je to běžné. Poplatek bude pro každého jiný. Podle vzorce:

q = C ⋅ U, zde q je celkový náboj, tzn

q = ΣC i ⋅ U = U ⋅ ΣC i

C total se bude rovnat součtu všech C.

Když jsou prvky zapojeny do série, náboj bude společný pro všechny. Stres bude přitom u každého jiný a součet se bude sčítat ze všech zvlášť.

U = q / C, zde U je součet napětí na všech prvcích

U celkem = q ⋅ Σ (1 / C i)

1/C celkem = 1/C1+1/C2+...+1/Ci

S tímto zapojením bude celková hodnota kapacity menší než nejmenší hodnota této hodnoty ve skupině.

V případě použití smíšeného připojení je nutné počítat zvlášť celkovou kapacitu pro paralelní připojení a zvlášť pro sériové připojení. Poté podle vzorce sériového připojení najděte hodnotu společnou oběma výsledným hodnotám.