Plokščiojo kondensatoriaus talpos formulė ir skaičiavimas

Kondensatoriaus talpa yra mokesčio kiekis, kurį kondensatorius gali laikyti tam tikros įtampos. Kondensatoriuje laikomas krūvio kiekis priklauso nuo dviejų pagrindinių veiksnių: kondensatoriaus įtampos ir fizinės savybės. Kondensatorius yra prietaisas, kuris kaupia elektros krūvius, tepant mažą įtampą per dvi lygiagrečias plokšteles. Kai kondensatorius neturi dielektrinės medžiagos tarp plokštelių, talpa yra lygi boldsymbolc=varepsilon_0; Fracadas, kur A yra vienos plokštės plotas, o D yra atstumas tarp plokštelių. Yra daugybė skirtingų kondensatorių tipų, kurių kiekvienas yra unikalią formą ir dydį. Jie gali būti cilindriniai, stačiakampiai, žiediniai ar sferiniai. Kondensatorius turi du elektrodus, kuriuos sujungia viela. Kiekvienas elektrodas turi specifinį laidumą arba elektrinį atsparumą. Kuo didesnė kondensatoriaus talpa, tuo daugiau įkrovimo jis gali laikyti už tam tikrą įtampą.

Kondensatoriaus talpos pagrindai

Kondensatoriaus talpą lemia plokštelių plotas, jų atstumas ir medžiagos dielektrinė konstanta. Lygiagrečios plokštelės kondensatorius yra paprastas būdas parodyti, kaip veikia kondensatorius. Laboratorijos kondensatorius yra reguliuojamas, ir mes galime atlikti įvairius eksperimentus, susijusius su plokštelių dydžio keitimu ir dielektriko pridėjimu. Paralelinės plokštelės kondensatoriaus talpa yra vienos plokštės ploto (A, A, metrais) ir atstumo tarp plokščių (d, metrais) produktas. Laisvos erdvės ar oro, atskiriančios plokšteles, dielektrinė konstanta yra e. Kondensatorius (lot. condensatus - sutirštintas), elektros grandinės elementas, galintis kaupti elektros energiją ir tiekti ją elektros grandinei. Sudaromas iš dviejų laidžių tam tikros formos elektrodų, tarp kurių yra dielektrikas (rečiau puslaidininkio) sluoksnis. Prie elektrodų prijungus nuolatinę įtampą jie įkraunami, dielektrikas poliarizuojasi ir susikaupia vienodo dydžio, bet priešingo ženklo krūviai - kondensatoriuje susidaro elektrinis laukas. Kondensatoriaus svarbiausias parametras yra elektrinė talpa. Ją lemia kondensatoriaus elektrodų geometriniai matmenys, medžiagos tarp jų sluoksnio storis ir jos dielektrinė skvarba. Kiti svarbūs parametrai - darbinė įtampa, leidžiamasis talpos nuokrypis, temperatūrinis talpos koeficientas. Kondensatoriaus dielektrinius nuostolius nusako nuostolių parametras. Kondensatorius nuolatinės srovės nepraleidžia. Jei kondensatoriaus veikia kintamoji, pvz., sinusinė, įtampa, tai dėl periodiškai vykstančių įkrovų ir iškrovų per kondensatorių teka kintamoji to paties dažnio sinusinė srovė, kuri savo faze pralenkia kondensatorių veikiančią įtampą beveik ketvirčiu periodo, arba 90° kampu. Kondensatorius kintamajai srovei sudaro talpinę varža, kuri maža tik aukšto dažnio srovėms. Kondensatoriaus savasis induktyvumas labai mažas, dažniausiai jo nepaisoma.

Talpos skaičiavimas

Praktikoje dažniausiai naudojami šie vardinės talpos elementai kondensatoriais sudarytas iš dviejų plokščių laidininkų (gnybtų), atskirtų dielektriku. Tokio kondensatoriaus elektrinės talpos apskaičiavimo formulė yra tokia: C = (S/d) * ε * ε0. Čia C - talpa, F; S - įdėklų plotas, m^2; d - atstumas tarp dangčių, m; ε0 - elektrinė konstanta, 8,854×10−12 F/m; ε - dielektrinė skvarba (bedimensinė). Iš to matome, kad talpa tiesiogiai priklauso nuo plokštelių ploto ir dielektrinės medžiagos, o atvirkščiai - nuo jų atstumo. Taip pat čia yra svarbi dielektrinės medžiagos charakteristika: didesnė skvarba didina talpą.

Norėdami suprasti, kaip talpą lemia dydžiai veikia kondensatoriaus gebėjimą kaupti krūvį, galite mintinį eksperimentą: padidinti dangčių plotą arba sumažinti atstumą tarp jų, taip pat padidinti dielektriko skvarbą. Tačiau reikia atsižvelgti į praktines ribas: didinant plotą ir mažinant atstumą, įmanoma pasiekti didesnę talpą, bet tai gali sukelti per didelį elektrinį išlydį ar mechaninius trūkumus. Kuo mažesnis storis, tuo mažesnis izoliacinio tarpo elektrinis stipris. Jei pasirinksite kelią mažinti atstumą, kondensatorius gali būti tol, kol dielektrika atlaiko potencialų skirtumą.

Padidinkite dielektriko elektrinę skvarbą. Šis metodas 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.

Sferiniai arba cilindriniai kondensatoriai gali būti naudojami tam tikrose specializuotose ar mokslinių tyrimų srityse. Sferinio kondensatoriaus talpą galima apskaičiuoti pagal formulę C = 4 * π * ε0 * R1 R2 / (R2 - R1), kur R yra rutulių spinduliai, o π = 3,14. Cilindrinio kondensatoriaus konstrukcija: C = 2 * π * ε * ε0 * l / ln(R2/R1), kur l - cilindrų aukštis, o R1 ir R2 - jų spinduliai. Iš esmės abi formulės nesiskiria nuo plokščiojo kondensatoriaus formulės. Talpą visada lemia linijinių gnybtų matmenys, atstumas tarp jų ir dielektriko savybės.

Nuoseklus ir lygiagretus kondensatorių jungimas

Kondensatoriai gali būti sujungti nuosekliai arba lygiagrečiai, ir 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 krenta vienoda įtampa. Bendra talpa nustatoma taip: C = q / (U1 + U2 + U3), todėl 1/C = (U1 + U2 + U3)/q = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3.

Kondensatorių taikymas inžinerijoje

Kondensatoriai naudojami kaip energijos kaupikliai: rezonansinėse grandinėse laikyti dažnį, sulaikyti nuolatinę srovę per kintamąją srovę grandinėse, išlyginant maitinimo šaltinius, ir daugelyje kitų sričių. Dideli talpos kondensatoriai veikia kaip išlyginamieji filtrai maitinimo šaltiniuose. Taip pat kondensatoriai naudojami signalų diferencijavimui, uždelčiai, įsiminti ir kt. Kondensatoriai plačiai naudojami radiotechnikoje ir elektronikoje, dažnai kaip vienas iš grandinių dažnį išlaikančių elementų.

Kondensatorių konstrukcijos

Praktikoje naudojamos įvairios plokščiojo kondensatoriaus konstrukcijos. Kintamasis kondensatorius (VAC) sudaro judančių ir nejudančių plokštelių rinkinys, atskirtų oro arba kietuoju izoliatoriumiu. Kilnojamosios plokštelės sukasi aplink ašį, didindamos arba mažindamos persidengimo plotą. Talpa reguliuojama keičiant dangtelių plotą ir vidutinį atstumą tarp jų.

Oksido kondensatorius anksčiau vadintas elektrolitiniu. Jį sudaro dvi folijos juostelės, atskirtos popieriniu dielektriku, įmirkytu elektrolite. Dielektrikas yra plonas oksido sluoksnis ant vienos iš metalinių juostelių, o antroji - elektrolitas. Dėl labai plono oksido sluoksnio ir arti esančio elektrolito galima gauti didelę talpą, tačiau darbinė įtampa būna ribota. Tokie kondensatoriai naudojami tik nuolatinės srovės grandinėse, atsižvelgiant į poliškumą.

Jonistorius - svarbus proveržis, kai didinant atstumą tarp elektrodų sutaupoma itin didelė talpa. Atstumas tarp elektrodų mažinamas dvigubu elektriniu sluoksniu, sudarytu iš jonų sluoksnių, o labai akyta putų medžiaga padidina paviršiaus plotą. Rezultatas - superkondensatoriai, kurių talpa siekia šimtus faradų, tačiau darbinė įtampa yra maža (dažnai iki 10 V).

Technologijos tobulėjo - lempas pakeitė dvipoliai tranzistoriai, o kondensatoriai išlieka svarbūs: jų konstrukcija iš esmės nepasikeitė nuo Leideno stiklainio laikų, ir kol kas nėra tikėtinų perspektyvų jų karjerai pasibaigti.

Autorius: Ewaldas Georgas von Kleistas ir Pieteris van Musschenbroekas pirmieji kilnojamuosius kondensatoriaus principus pristatė 1745 metais, o 1837 metais talpos sąvoka buvo formalizuota. Taip pat žinomas teiginys, kad elektrinė talpa taip pat gali būti įvardijama kaip gebėjimas kaupti elektros krūvį. Įvartinimui, dvi lygiagrečiai plokštės, vienodo dydžio, laikomos kaip paprastas izoliuotas scenarijus, kuris parodo, kaip negali būti išvengta lyginamojo potencialo tarp laidininkų.

Tai tik kelios pagrindinės kondensatorių konstrukcijų kryptys, kurios naudojamos skirtingose pramonės srityse: nuo paprastų elektronikos grandinių iki aukšto efektyvumo energijos kaupiklių ir specialių laboratorijų tyrimų įrangos.

tags: #ploksciojo #kondensatoriaus #talpa