Kapasitansi listrik adalah salah satu konsep dasar elektrostatika. Istilah ini mengacu pada kemampuan untuk mengakumulasi muatan listrik. Anda dapat berbicara tentang kapasitas konduktor terpisah, Anda dapat berbicara tentang kapasitas sistem dua atau lebih konduktor. Proses fisiknya mirip.
Isi
Konsep dasar yang berkaitan dengan kapasitas listrik
Jika konduktor telah menerima muatan q, potensial muncul di atasnya. Potensial ini tergantung pada geometri dan lingkungan - untuk konduktor dan kondisi yang berbeda, muatan yang sama akan menyebabkan potensial yang berbeda. Tetapi selalu sebanding dengan q:
=Cq
Koefisien C disebut kapasitansi listrik.Jika kita berbicara tentang sistem beberapa konduktor (biasanya dua), maka ketika muatan diberikan ke satu konduktor (pelat), perbedaan potensial atau tegangan U terjadi:
U=Cq, maka =U/q
Kapasitansi dapat didefinisikan sebagai perbandingan beda potensial dengan muatan yang menyebabkannya. Satuan SI untuk kapasitansi adalah farad (mereka biasa mengatakan farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Dengan kata lain, sebuah sistem memiliki kapasitas 1 farad, di mana, ketika muatan 1 coulomb diberikan, perbedaan potensial 1 volt muncul. 1 Farad adalah nilai yang sangat besar. Dalam praktiknya, nilai pecahan paling sering digunakan - picofarad, nanofarad, microfarad.
Dalam praktiknya, koneksi semacam itu memungkinkan untuk memperoleh baterai yang dapat menahan tegangan tembus dielektrik yang lebih besar daripada sel tunggal.
Perhitungan kapasitansi kapasitor
Dalam praktiknya, sebagai elemen dengan kapasitansi listrik yang dinormalisasi, paling sering digunakan kapasitor, terdiri dari dua konduktor datar (pelat), dipisahkan oleh dielektrik. Rumus untuk menghitung kapasitansi listrik kapasitor tersebut terlihat seperti ini:
C=(S/d)*ε*ε0
di mana:
- C - kapasitas, F;
- S adalah luas permukaan, sq.m;
- d adalah jarak antara pelat, m;
- 0 - konstanta listrik, konstanta, 8,854 * 10−12 f/m;
- adalah permitivitas listrik dielektrik, besaran tak berdimensi.
Dari sini mudah dipahami bahwa kapasitansi berbanding lurus dengan luas pelat dan berbanding terbalik dengan jarak antara konduktor. Juga, kapasitas dipengaruhi oleh bahan yang memisahkan pelat.
Untuk memahami bagaimana besaran yang menentukan kapasitansi mempengaruhi kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan, Anda dapat melakukan eksperimen pemikiran untuk membuat kapasitor dengan kapasitansi sebesar mungkin.
- Anda dapat mencoba menambah luas pelat. Ini akan mengarah pada peningkatan tajam dalam dimensi dan berat perangkat. Untuk mengurangi ukuran lapisan dengan dielektrik yang memisahkannya, mereka digulung (menjadi tabung, briket pipih, dll.).
- Cara lain adalah dengan mengurangi jarak antar pelat. Tidak selalu mungkin untuk menempatkan konduktor sangat dekat, karena lapisan dielektrik harus menahan perbedaan potensial tertentu antara pelat. Semakin kecil ketebalannya, semakin rendah kekuatan dielektrik dari celah isolasi. Jika Anda mengambil jalan ini, akan tiba saatnya ketika penggunaan praktis kapasitor seperti itu menjadi tidak berarti - ia hanya dapat bekerja pada tegangan yang sangat rendah.
- Meningkatkan permeabilitas listrik dielektrik. Jalur ini bergantung pada perkembangan teknologi produksi yang ada saat ini. Bahan isolasi tidak hanya harus memiliki nilai permeabilitas yang tinggi, tetapi juga sifat dielektrik yang baik, dan juga mempertahankan parameternya dalam rentang frekuensi yang diperlukan (dengan peningkatan frekuensi di mana kapasitor beroperasi, karakteristik dielektrik berkurang).
Beberapa instalasi khusus atau penelitian dapat menggunakan kapasitor bulat atau silinder.
Kapasitansi kapasitor bola dapat dihitung dengan rumus:
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
di mana R adalah jari-jari bola, dan =3.14.
Untuk kapasitor silinder, kapasitansi dihitung sebagai:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l adalah tinggi silinder, dan R1 dan R2 adalah jari-jarinya.
Pada dasarnya, kedua rumus tersebut tidak berbeda dengan rumus untuk kapasitor datar. Kapasitansi selalu ditentukan oleh dimensi linier pelat, jarak antara pelat dan sifat dielektrik.
Sambungan kapasitor seri dan paralel
Kapasitor dapat dihubungkan secara seri atau paralel, memperoleh himpunan dengan karakteristik baru.
Koneksi paralel
Jika Anda menghubungkan kapasitor secara paralel, maka total kapasitas baterai yang dihasilkan sama dengan jumlah semua kapasitas komponennya. Jika baterai terdiri dari kapasitor dengan desain yang sama, ini dapat dianggap sebagai penambahan luas pelat bola. Dalam hal ini, tegangan pada setiap sel baterai akan sama, dan muatannya akan bertambah. Untuk tiga kapasitor yang dihubungkan paralel:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
koneksi serial
Ketika dihubungkan secara seri, muatan setiap kapasitansi akan sama:
q1=q2=q3=q
Tegangan total didistribusikan secara proporsional kapasitansi kapasitor:
- kamu1=q/C1;
- kamu2=q/C2;
- kamu3= q/C3.
Jika semua kapasitor adalah sama, maka tegangan yang sama turun di masing-masing kapasitor. Total kapasitas ditemukan sebagai:
=q/( U1+U2+U3), maka 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
Penggunaan kapasitor dalam teknologi
Adalah logis untuk menggunakan kapasitor sebagai perangkat penyimpan energi listrik. Dalam kapasitas ini, mereka tidak dapat bersaing dengan sumber elektrokimia (baterai galvanik, kapasitor) karena energi yang disimpan kecil dan self-discharge yang agak cepat karena kebocoran muatan melalui dielektrik.Tetapi kemampuan mereka untuk mengumpulkan energi untuk waktu yang lama, dan kemudian hampir seketika memberikannya banyak digunakan. Properti ini digunakan dalam lampu flash untuk fotografi atau lampu untuk eksitasi laser.
Kapasitor banyak digunakan dalam teknik radio dan elektronik. Kapasitansi digunakan sebagai bagian dari rangkaian resonansi sebagai salah satu elemen pengaturan frekuensi dari rangkaian (elemen lainnya adalah induktansi). Ini juga menggunakan kemampuan kapasitor untuk tidak melewatkan arus searah tanpa menunda komponen variabel. Aplikasi seperti itu umum untuk memisahkan tahap penguatan untuk mengecualikan pengaruh mode DC dari satu tahap ke tahap lainnya. Kapasitor besar digunakan sebagai filter penghalus pada catu daya. Ada juga sejumlah besar aplikasi lain dari kapasitor di mana sifat-sifatnya berguna.
Beberapa desain kapasitor praktis
Dalam praktiknya, berbagai desain kapasitor datar digunakan. Desain perangkat menentukan karakteristik dan cakupannya.
kapasitor variabel
Jenis umum kapasitor variabel (VPC) terdiri dari blok pelat bergerak dan tetap yang dipisahkan oleh udara atau isolator padat. Pelat bergerak berputar di sekitar sumbu, menambah atau mengurangi area tumpang tindih. Ketika balok bergerak dipindahkan, celah antarelektroda tetap tidak berubah, tetapi jarak rata-rata antara pelat juga meningkat. Konstanta dielektrik isolator juga tetap tidak berubah. Kapasitas diatur dengan mengubah luas pelat dan jarak rata-rata di antara mereka.
kapasitor oksida
Sebelumnya, kapasitor semacam itu disebut elektrolitik. Ini terdiri dari dua strip foil yang dipisahkan oleh dielektrik kertas yang diresapi dengan elektrolit. Strip pertama berfungsi sebagai salah satu pelat, pelat kedua berfungsi sebagai elektrolit. Dielektrik adalah lapisan tipis oksida pada salah satu strip logam, dan strip kedua berfungsi sebagai pengumpul arus.
Karena kenyataan bahwa lapisan oksida sangat tipis, dan elektrolit berdekatan dengannya, menjadi mungkin untuk mendapatkan kapasitas yang cukup besar dengan ukuran sedang. Harga untuk ini adalah tegangan operasi yang rendah - lapisan oksida tidak memiliki kekuatan listrik yang tinggi. Dengan peningkatan tegangan operasi, perlu untuk meningkatkan dimensi kapasitor secara signifikan.
Masalah lain adalah bahwa oksida memiliki konduktivitas satu sisi, sehingga wadah seperti itu hanya digunakan di sirkuit DC dengan polaritas.
Ionistor
Seperti yang ditunjukkan di atas, metode tradisional untuk meningkatkan Kapasitor memiliki keterbatasan alam. Oleh karena itu, terobosan nyata adalah penciptaan ionistor.
Meskipun perangkat ini dianggap sebagai penghubung antara kapasitor dan baterai, pada dasarnya tetap merupakan kapasitor.
Jarak antara pelat berkurang secara drastis berkat penggunaan lapisan listrik ganda. Pelat adalah lapisan ion dengan muatan yang berlawanan. Menjadi mungkin untuk meningkatkan luas pelat secara tajam karena bahan berbusa berbusa. Akibatnya, dimungkinkan untuk mendapatkan superkapasitor dengan kapasitas hingga ratusan farad.Penyakit bawaan perangkat tersebut adalah tegangan operasi yang rendah (biasanya dalam 10 volt).
Perkembangan teknologi tidak berhenti - lampu dari banyak daerah digantikan oleh transistor bipolar, mereka, pada gilirannya, digantikan oleh trioda unipolar. Saat merancang sirkuit, mereka mencoba menghilangkan induktansi sedapat mungkin. Dan kapasitor tidak kehilangan posisinya untuk abad kedua, desainnya tidak berubah secara mendasar sejak penemuan toples Leyden, dan tidak ada prospek untuk mengakhiri kariernya.
Artikel serupa:
