Điện dung là một trong những khái niệm cơ bản của tĩnh điện. Thuật ngữ này đề cập đến khả năng tích lũy điện tích. Bạn có thể nói về công suất của một dây dẫn riêng biệt, bạn có thể nói về công suất của một hệ thống gồm hai hoặc nhiều dây dẫn. Các quá trình vật lý cũng tương tự.
Nội dung
Các khái niệm cơ bản liên quan đến công suất điện
Nếu vật dẫn đã nhận điện tích q thì trên nó sẽ xuất hiện điện thế φ. Điện thế này phụ thuộc vào dạng hình học và môi trường - đối với các vật dẫn và điều kiện khác nhau, cùng một điện tích sẽ gây ra một điện thế khác nhau. Nhưng φ luôn tỷ lệ thuận với q:
φ = Cq
Hệ số C được gọi là điện dung.Nếu chúng ta đang nói về một hệ thống gồm một số vật dẫn (thường là hai), thì khi một điện tích được truyền vào một vật dẫn (tấm), sự chênh lệch điện thế hoặc hiệu điện thế U xảy ra:
U = Cq, do đó С = U / q
Điện dung có thể được định nghĩa là tỷ số giữa hiệu điện thế và điện tích gây ra nó. Đơn vị SI cho điện dung là farad (họ thường gọi là farad). 1 F \ u003d 1 V / 1 C. Nói cách khác, một hệ thống có công suất 1 farad, trong đó, khi một điện tích của 1 coulomb được truyền vào, một hiệu điện thế 1 vôn phát sinh. 1 Farad là một giá trị rất lớn. Trong thực tế, các giá trị phân số \ u200b \ u200 thường được sử dụng nhiều nhất - picofarad, nanofarad, microfarad.
Trong thực tế, cách kết nối như vậy có thể tạo ra pin có thể chịu được điện áp đánh thủng của chất điện môi lớn hơn so với pin của một tế bào đơn lẻ.
Tính điện dung của tụ điện
Trong thực tế, như các phần tử có điện dung chuẩn hóa, thường được sử dụng tụ điện, gồm hai vật dẫn phẳng (bản), ngăn cách nhau bằng một chất điện môi. Công thức tính điện dung của một tụ điện như sau:
C = (S / d) * ε * ε0
ở đâu:
- C - công suất, F;
- S là diện tích của các mặt ngoài, sq.m;
- d là khoảng cách giữa các tấm, m;
- ε0 - hằng số điện, hằng số, 8.854 * 10−12 f / m;
- ε là suất điện động của chất điện môi, một đại lượng không thứ nguyên.
Từ đó có thể hiểu đơn giản rằng điện dung tỷ lệ thuận với diện tích các tấm và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các vật dẫn. Ngoài ra, công suất bị ảnh hưởng bởi vật liệu ngăn cách các tấm.
Để hiểu các đại lượng xác định điện dung ảnh hưởng như thế nào đến khả năng tích trữ điện tích của tụ điện, bạn có thể làm một thí nghiệm suy nghĩ để tạo ra tụ điện có điện dung lớn nhất có thể.
- Bạn có thể cố gắng tăng diện tích của các tấm. Điều này sẽ dẫn đến kích thước và trọng lượng của thiết bị tăng mạnh. Để giảm kích thước của lớp lót bằng chất điện môi ngăn cách chúng, chúng được cuộn lại (thành một ống, hình cầu dẹt, v.v.).
- Một cách khác là giảm khoảng cách giữa các tấm. Không phải lúc nào cũng có thể đặt các vật dẫn rất gần nhau, vì lớp điện môi phải chịu được sự chênh lệch điện thế nhất định giữa các bản. Chiều dày càng nhỏ thì độ bền điện môi của khe hở cách điện càng giảm. Nếu bạn đi theo con đường này, sẽ có lúc việc sử dụng thực tế của một tụ điện như vậy sẽ trở nên vô nghĩa - nó chỉ có thể hoạt động ở điện áp cực thấp.
- Tăng tính từ thẩm điện của chất điện môi. Con đường này phụ thuộc vào sự phát triển của công nghệ sản xuất tồn tại ở thời điểm hiện tại. Vật liệu cách điện không những phải có giá trị từ thẩm cao mà còn phải có tính chất điện môi tốt, đồng thời phải duy trì các thông số của nó trong dải tần số yêu cầu (tần số hoạt động của tụ điện tăng lên, đặc tính của chất điện môi giảm).
Một số cách lắp đặt chuyên dụng hoặc nghiên cứu có thể sử dụng tụ điện hình cầu hoặc hình trụ.
Điện dung của tụ điện hình cầu có thể được tính bằng công thức
C = 4 * π * ε * ε0 * R1R2 / (R2-R1)
trong đó R là bán kính của quả cầu, và π = 3,14.
Đối với tụ điện hình trụ, điện dung được tính là:
C = 2 * π * ε * ε0 * l / ln (R2 / R1)
l là chiều cao của hình trụ, và R1 và R2 là bán kính của chúng.
Về cơ bản, cả hai công thức không khác với công thức của tụ điện phẳng. Điện dung luôn được xác định bởi kích thước tuyến tính của các bản, khoảng cách giữa chúng và các đặc tính của chất điện môi.
Kết nối nối tiếp và song song của tụ điện
Tụ điện có thể được kết nối trong chuỗi hoặc song song, có được một tập hợp với các đặc điểm mới.
Kết nối song song
Nếu bạn kết nối các tụ điện song song, thì tổng dung lượng của pin thu được bằng tổng tất cả dung lượng của các thành phần của nó. Nếu pin bao gồm các tụ điện có cùng thiết kế, đây có thể được coi là phần bổ sung của diện tích \ u200b \ u200 viên các tấm. Trong trường hợp này, điện áp trên mỗi ô của pin sẽ giống nhau và các khoản phí sẽ cộng dồn. Đối với ba tụ điện mắc song song:
- U = U1= U2= U3;
- q = q1+ q2+ q3;
- C = C1+ C2+ C3.
kết nối nối tiếp
Khi mắc nối tiếp, điện tích của mỗi tụ điện sẽ như nhau:
q1= q2= q3= q
Tổng điện áp được phân phối theo tỷ lệ điện dung của tụ điện:
- U1= q / C1;
- U2= q / C2;
- U3= q / C3.
Nếu tất cả các tụ điện đều giống nhau thì hiệu điện thế giảm trên mỗi tụ điện bằng nhau. Tổng dung lượng được tìm thấy là:
С = q / (Ư1+ U2+ U3), do đó 1 / С = (U1+ U2+ U3) / q = 1 / C1+ 1 / S2+ 1 / S3.
Việc sử dụng tụ điện trong công nghệ
Hợp lý khi sử dụng tụ điện làm thiết bị lưu trữ năng lượng điện. Ở khả năng này, chúng không thể cạnh tranh với các nguồn điện hóa (pin điện hóa, tụ điện) do năng lượng tích trữ nhỏ và quá trình tự phóng điện khá nhanh do rò rỉ điện tích qua chất điện môi.Nhưng khả năng tích lũy năng lượng trong một thời gian dài, và sau đó cho đi gần như ngay lập tức được sử dụng rộng rãi. Tính chất này được sử dụng trong đèn nháy để chụp ảnh hoặc đèn để kích thích tia laze.
Tụ điện được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến và điện tử. Điện dung được sử dụng như một phần của mạch cộng hưởng như một trong những phần tử thiết lập tần số của mạch (phần tử còn lại là điện cảm). Nó cũng sử dụng khả năng của tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua mà không làm trễ thành phần biến đổi. Một ứng dụng như vậy là phổ biến để tách các giai đoạn khuếch đại để loại trừ ảnh hưởng của các chế độ DC của giai đoạn này lên giai đoạn khác. Các tụ điện lớn được sử dụng làm bộ lọc làm mịn trong bộ nguồn. Ngoài ra còn có một số lượng lớn các ứng dụng khác của tụ điện mà các đặc tính của chúng rất hữu ích.
Một số thiết kế tụ điện thực tế
Trong thực tế, các thiết kế khác nhau của tụ điện phẳng được sử dụng. Thiết kế của thiết bị xác định các đặc điểm và phạm vi của nó.
tụ điện biến đổi
Một loại tụ điện biến thiên (VPC) thông thường bao gồm một khối các tấm cố định và di động được ngăn cách bằng không khí hoặc chất cách điện rắn. Các tấm chuyển động quay quanh trục, làm tăng hoặc giảm diện tích chồng lên nhau. Khi khối chuyển động bị loại bỏ, khoảng cách giữa các tấm điện tử vẫn không thay đổi, nhưng khoảng cách trung bình giữa các tấm cũng tăng lên. Hằng số điện môi của chất cách điện cũng không thay đổi. Công suất được điều chỉnh bằng cách thay đổi diện tích của các tấm và khoảng cách trung bình giữa chúng.
tụ oxit
Trước đây, một tụ điện như vậy được gọi là tụ điện. Nó bao gồm hai dải giấy bạc được ngăn cách bởi một chất điện môi bằng giấy có tẩm chất điện phân. Dải đầu tiên đóng vai trò là một tấm, tấm thứ hai đóng vai trò như một chất điện phân. Chất điện môi là một lớp oxit mỏng trên một trong các dải kim loại và dải thứ hai đóng vai trò như một bộ thu dòng điện.
Do lớp oxit rất mỏng và chất điện phân bám chặt vào nó, nên có thể thu được dung lượng đủ lớn với kích thước vừa phải. Cái giá phải trả cho điều này là điện áp hoạt động thấp - lớp oxit không có độ bền điện cao. Với sự gia tăng điện áp hoạt động, cần phải tăng đáng kể kích thước của tụ điện.
Một vấn đề khác là ôxít có tính dẫn điện một phía, vì vậy các thùng chứa như vậy chỉ được sử dụng trong các mạch điện một chiều có cực.
Ionistor
Như đã trình bày ở trên, các phương pháp truyền thống tăng Tụ điện có giới hạn tự nhiên. Do đó, bước đột phá thực sự là sự ra đời của các ionistors.
Mặc dù thiết bị này được coi là liên kết trung gian giữa tụ điện và pin nhưng về bản chất thì nó vẫn là một tụ điện.
Khoảng cách giữa các tấm giảm đáng kể nhờ sử dụng lớp điện kép. Các bản này là các lớp của các ion có điện tích trái dấu. Có thể tăng mạnh diện tích của các tấm do vật liệu xốp được tạo bọt. Kết quả là có thể thu được siêu tụ điện có công suất lên tới hàng trăm farads.Một bệnh bẩm sinh của các thiết bị như vậy là điện áp hoạt động thấp (thường trong vòng 10 vôn).
Sự phát triển của công nghệ không đứng yên - đèn từ nhiều khu vực được thay thế bằng các bóng bán dẫn lưỡng cực, đến lượt chúng, chúng được thay thế bằng các bóng bán dẫn đơn cực. Khi thiết kế mạch, họ cố gắng loại bỏ điện cảm ở bất cứ nơi nào có thể. Và các tụ điện đã không mất vị trí trong thế kỷ thứ hai, thiết kế của chúng về cơ bản không thay đổi kể từ khi phát minh ra bình Leyden, và không có triển vọng kết thúc sự nghiệp của chúng.
Các bài tương tự:
