Ako sa meria kapacita kondenzátora: ako zistiť, prečo závisí napätie na tomto prvku

Kondenzátor je elektrický prvok, ktorý vám umožňuje ukladať náboj. Jeho najjednoduchšou formou sú dve dosky oddelené dielektrickou vrstvou. Ak je na platne privedené napätie, zostane nejaký čas po jeho odstránení. Je dôležité vedieť, v čom sa meria kapacita kondenzátora, aby bolo možné správne zostaviť obvody s týmito prvkami.

Aplikácia v technike

Kondenzátory sa používajú v rôznych elektrických a rádiových zariadeniach. Tieto články sú schopné uchovávať náboj a udržiavať napätie (napríklad sieťové) na správnej úrovni počas menších výpadkov prúdu. Samotné vysokokapacitné kondenzátory sa používajú ako výkonové prvky pre malé mobilné zariadenia. Nazývajú sa tiež superkondenzátory. Ich nevýhodou je nutnosť častého dobíjania.

Tieto prvky majú veľký význam aj vo filtračných zariadeniach, zariadeniach, ktorých úlohou je neprepustiť rušenie do užitočného signálu, prípadne zachytiť požadovaný signál v konštantnom napätí zvýšenej úrovne.

Žiadny generátor striedavého signálu nie je kompletný bez kondenzátorov. Ich účelom je nastavenie frekvencie generovania, periódy a iných časových parametrov. Používajú sa tu veľmi presné prvky s menovitou toleranciou maximálne 1 %.

Kondenzátory sa dodávajú v pevnej aj variabilnej kapacite. Prvky s premenlivou kapacitou sa používajú v zariadeniach, ktoré vyžadujú ladenie na rôzne frekvencie. Hojne sa používa napríklad pri ladení rádiových frekvencií v FM prijímačoch.

Vzorce na výpočet kondenzátorov

Na riešenie technických problémov a aplikovaných teoretických výpočtov potrebujete poznať zákony, podľa ktorých elektrické veličiny navzájom ovplyvňujú. Tieto zákony sú vyjadrené vo vzorcoch. Napríklad napätie na kondenzátore závisí od jeho kapacity a náboja, ktorý nahromadil.

Určenie kapacity

Táto hodnota závisí od viacerých parametrov. Na jej výpočet potrebujete vedieť, v čom sa meria kapacita kondenzátora. Táto hodnota je ekvivalentná tomu, koľko coulombu náboja akumuluje článok, keď sa naň privedie napätie 1 volt. Meria sa vo faradoch. Kapacita týchto prvkov závisí aj od ich tvaru.

• Ploché kondenzátory sú najjednoduchším typom ukladania náboja. Ako nájsť kapacitu kondenzátora, ktorý má plochý tvar, môžete zistiť, či určíte všetky parametre, ktoré to ovplyvňujú. Jeho kapacita je ovplyvnená vzdialenosťou medzi jeho doskami (vodivými doskami) d, plochou samotných dosiek S, dielektrická konštanta látky medzi doskami ε a elektrická konštanta ε0, ktorá sa rovná 8,85 ⋅ 10^-12 farad na meter. Vzorec kondenzátora je nasledujúci:

С = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

• Valcový kondenzátor tiež pozostáva z dvoch nabitých dosiek, z ktorých obe sú vo forme valcov umiestnených jeden v druhom. Vnútorný valec je jednodielny, vonkajší je dutý. Vzdialenosť medzi doskami sa rovná rozdielu medzi polomermi týchto valcov. Vzorec pre kapacitu kondenzátora môže byť znázornený rovnako ako v predchádzajúcom prípade, s tým rozdielom, že plocha dosiek sa vypočíta na základe ich výšky a polomeru:

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

kde h je výška dosky,

Rvn - vnútorný polomer, R lôžko - vonkajší polomer,

π = 3,14.

• Náboj môže mať nielen teleso s dvoma doskami, ale aj vodivý guľový predmet. Ak naň privediete napätie a potom zmeriate potenciál medzi ním a zemou, potenciál bude nenulový. Vzorec na výpočet sférického uloženia náboja:

С = 4 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ R

kde R je polomer gule.

Ak do vzorca dosadíte polomer Zeme a dielektrickú konštantu vzduchu, môžete získať hodnotu kapacity Zeme vo faradoch. Po výpočtoch:

C (Zem) = 700 mikrofarád

Takúto kapacitu môžu mať moderné elektrolytické kondenzátory.

Ak umiestnime jednu guľôčku do druhej a privedieme medzi ne napätie, výsledná štruktúra bude tiež akumulovať náboj medzi povrchmi guľôčok. Určenie kapacity takejto konštrukcie sa môže vykonať podľa vzorca:

C =ε ⋅ ε0⋅4⋅π ⋅ R1 ⋅ R2 / (R2 - R1)

kde R2 a R1 sú polomery zodpovedajúcich guľových plôch.

Kapacita kondenzátora závisí aj od typu použitého dielektrika. Najbežnejšie plnivá sú keramické, elektrolytické, papierové, vzduchové a sľudové plnivá.

Výpočet energie

Nabíjacie úložné zariadenia majú aj iné parametre. Jednou z nich je energia. Keď je kondenzátor nabitý, potenciálna energia sa hromadí na jeho platniach.

Vytvára silu, ktorá priťahuje opačne nabité platne, ako aj prúd, ktorý napája elektrické spotrebiče, ak ako zdroj energie použijete superkondenzátor. Energia môže byť vyjadrená ako závislosť od napätia dosiek a kapacity:

W = C ⋅ U ² /2

Dielektrický zvodový prúd

Zvodový prúd sa objaví v prvku, ak existujú cesty pre tok elektrického prúdu z jednej dosky na druhú. Čím má dielektrikum menšiu izoláciu, tým väčší bude zvodový prúd. To platí najmä pre kondenzátory s naolejovaným papierovým dielektrikom. Tento parameter závisí od konštrukcie prvku aj od znečistenia jeho tela. Ak článok netesní, zvodový prúd sa môže zvýšiť, ak vlhkosť prenikne do krytu. Tento prúd možno vypočítať podľa Ohmovho zákona:

Iut = U / R d

kde I ut je zvodový prúd,

U je napätie na doskách,

Rd je izolačný odpor dielektrika.

Spojovacie prvky

Pri vytváraní obvodov sa používa iné spojenie prvkov. Schematické prvky môžu byť spojené:

• Paralelný;
• Dôsledne;
• Paralelné - sekvenčne (zmiešané).

Ako zistiť kapacitu paralelne pripojených prvkov? Musíte pochopiť, čo je spoločné s týmto typom pripojenia. Keďže napätie je aplikované súčasne na všetky dosky, je to bežné. Poplatok bude pre každého iný. Podľa vzorca:

q = C ⋅ U, tu q je celkový náboj, tj

q = ΣC i ⋅ U = U ⋅ ΣC i

C total sa bude rovnať súčtu všetkých C.

Keď sú prvky zapojené do série, náboj bude spoločný pre všetky z nich. Stres bude zároveň pre každého iný a súčet sa bude sčítavať zo všetkých zvlášť.

U = q / C, tu U je súčet napätí na všetkých prvkoch

U celkom = q ⋅ Σ (1 / C i)

1/C spolu = 1/C1+1/C2+...+1/C i

Pri tomto zapojení bude celková hodnota kapacity menšia ako najmenšia hodnota tejto hodnoty v skupine.

V prípade použitia zmiešaného pripojenia je potrebné vypočítať zvlášť celkovú kapacitu pre paralelné pripojenie a zvlášť pre sériové pripojenie. Potom podľa vzorca sériového pripojenia nájdite hodnotu spoločnú pre dve výsledné hodnoty.