A capacitância elétrica é um dos conceitos básicos da eletrostática. Este termo refere-se à capacidade de acumular uma carga elétrica. Você pode falar sobre a capacidade de um condutor separado, você pode falar sobre a capacidade de um sistema de dois ou mais condutores. Os processos físicos são semelhantes.
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Conceitos básicos relacionados à capacidade elétrica
Se o condutor recebeu uma carga q, um potencial φ surge nele. Este potencial depende da geometria e do ambiente - para diferentes condutores e condições, a mesma carga causará um potencial diferente. Mas φ é sempre proporcional a q:
φ=Cq
O coeficiente C é chamado de capacitância elétrica.Se estamos falando de um sistema de vários condutores (geralmente dois), quando uma carga é transmitida a um condutor (placa), ocorre uma diferença de potencial ou tensão U:
U=Cq, portanto С=U/q
A capacitância pode ser definida como a razão entre a diferença de potencial e a carga que a causou. A unidade SI para capacitância é o farad (eles costumavam dizer farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. Em outras palavras, um sistema tem capacidade de 1 farad, no qual, quando uma carga de 1 coulomb é transmitida, surge uma diferença de potencial de 1 volt. 1 Farad é um valor muito grande. Na prática, os valores fracionários são mais usados - picofarad, nanofarad, microfarad.
Na prática, essa conexão permite obter uma bateria que pode suportar uma tensão de ruptura do dielétrico maior do que a de uma única célula.
Cálculo da capacitância dos capacitores
Na prática, como elementos com capacitância elétrica normalizada, mais frequentemente capacitores, constituído por dois condutores planos (placas), separados por um dielétrico. A fórmula para calcular a capacitância elétrica de tal capacitor é assim:
C=(S/d)*ε*ε0
Onde:
- C - capacidade, F;
- S é a área dos paramentos, m2;
- d é a distância entre as placas, m;
- ε0 - constante elétrica, constante, 8,854 * 10−12 f/m;
- ε é a permissividade elétrica do dielétrico, uma quantidade adimensional.
A partir disso é fácil entender que a capacitância é diretamente proporcional à área das placas e inversamente proporcional à distância entre os condutores. Além disso, a capacidade é afetada pelo material que separa as placas.
Para entender como as quantidades que determinam a capacitância afetam a capacidade de um capacitor de armazenar carga, você pode fazer um experimento mental para criar um capacitor com a maior capacitância possível.
- Você pode tentar aumentar a área das placas. Isso levará a um aumento acentuado nas dimensões e no peso do dispositivo. Para reduzir o tamanho do revestimento com um dielétrico separando-os, eles são enrolados (em um tubo, briquete plano, etc.).
- Outra maneira é reduzir a distância entre as placas. Nem sempre é possível colocar os condutores muito próximos, pois a camada dielétrica deve suportar uma certa diferença de potencial entre as placas. Quanto menor a espessura, menor a rigidez dielétrica da folga isolante. Se você seguir esse caminho, chegará um momento em que o uso prático desse capacitor se tornará sem sentido - ele só pode funcionar em tensões extremamente baixas.
- Aumentando a permeabilidade elétrica do dielétrico. Esse caminho depende do desenvolvimento das tecnologias de produção existentes no momento. O material isolante deve não apenas ter um alto valor de permeabilidade, mas também boas propriedades dielétricas e também manter seus parâmetros na faixa de frequência necessária (com o aumento da frequência na qual o capacitor opera, as características do dielétrico diminuem).
Algumas instalações especializadas ou de pesquisa podem usar capacitores esféricos ou cilíndricos.
A capacitância de um capacitor esférico pode ser calculada pela fórmula
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
onde R são os raios das esferas e π=3,14.
Para um capacitor cilíndrico, a capacitância é calculada como:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l é a altura dos cilindros e R1 e R2 são seus raios.
Fundamentalmente, ambas as fórmulas não diferem da fórmula para um capacitor plano. A capacitância é sempre determinada pelas dimensões lineares das placas, a distância entre elas e as propriedades do dielétrico.
Ligação em série e em paralelo de condensadores
Capacitores podem ser conectados em série ou em paralelo, obtendo um conjunto com novas características.
Conexão paralela
Se você conectar os capacitores em paralelo, a capacidade total da bateria resultante será igual à soma de todas as capacidades de seus componentes. Se a bateria consiste em capacitores do mesmo design, isso pode ser considerado como a adição da área das placas. Nesse caso, a tensão em cada célula da bateria será a mesma e as cargas serão somadas. Para três capacitores conectados em paralelo:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
conexão serial
Quando conectado em série, as cargas de cada capacitância serão as mesmas:
q1=q2=q3=q
A tensão total é distribuída proporcionalmente capacitâncias de capacitores:
- você1=q/C1;
- você2=q/C2;
- você3= q/C3.
Se todos os capacitores são iguais, então a tensão igual cai em cada um. A capacidade total é encontrada como:
С=q/(U1+U2+U3), portanto 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
O uso de capacitores na tecnologia
É lógico usar capacitores como dispositivos de armazenamento de energia elétrica. Nesta capacidade, eles não podem competir com fontes eletroquímicas (baterias galvânicas, capacitores) devido à pequena energia armazenada e autodescarga bastante rápida devido ao vazamento de carga através do dielétrico.Mas sua capacidade de acumular energia por um longo período e depois distribuí-la quase instantaneamente é amplamente utilizada. Esta propriedade é utilizada em lâmpadas de flash para fotografia ou lâmpadas para excitação de lasers.
Os capacitores são amplamente utilizados em engenharia de rádio e eletrônica. Capacitâncias são usadas como parte de circuitos ressonantes como um dos elementos de ajuste de frequência dos circuitos (o outro elemento é a indutância). Ele também usa a capacidade dos capacitores de não passar corrente contínua sem atrasar o componente variável. Tal aplicação é comum para separar estágios de amplificação a fim de excluir a influência dos modos DC de um estágio sobre outro. Grandes capacitores são usados como filtros de suavização em fontes de alimentação. Há também um grande número de outras aplicações de capacitores onde suas propriedades são úteis.
Alguns projetos práticos de capacitores
Na prática, vários projetos de capacitores planos são usados. O design do dispositivo determina suas características e escopo.
capacitor variável
Um tipo comum de capacitor variável (VPC) consiste em um bloco de placas móveis e fixas separadas por ar ou um isolante sólido. As placas móveis giram em torno do eixo, aumentando ou diminuindo a área de sobreposição. Quando o bloco móvel é removido, a folga entre os eletrodos permanece inalterada, mas a distância média entre as placas também aumenta. A constante dielétrica do isolante também permanece inalterada. A capacidade é regulada alterando a área das placas e a distância média entre elas.
capacitor de óxido
Anteriormente, esse capacitor era chamado eletrolítico. Consiste em duas tiras de papel alumínio separadas por um dielétrico de papel impregnado com um eletrólito. A primeira tira serve como uma placa, a segunda placa serve como um eletrólito. O dielétrico é uma fina camada de óxido em uma das tiras de metal, e a segunda tira serve como coletor de corrente.
Devido ao fato de que a camada de óxido é muito fina, e o eletrólito está próximo a ela, tornou-se possível obter capacidades suficientemente grandes com tamanhos moderados. O preço para isso era uma baixa tensão de operação - a camada de óxido não possui alta resistência elétrica. Com um aumento na tensão de operação, é necessário aumentar significativamente as dimensões do capacitor.
Outro problema é que o óxido tem condutividade unilateral, então tais recipientes são usados apenas em circuitos DC com polaridade.
Ionistor
Como mostrado acima, os métodos tradicionais de aumentar Capacitores têm limitações naturais. Portanto, o verdadeiro avanço foi a criação de ionistores.
Embora este dispositivo seja considerado um elo intermediário entre um capacitor e uma bateria, em essência ainda é um capacitor.
A distância entre as placas é drasticamente reduzida graças ao uso de uma dupla camada elétrica. As placas são camadas de íons com cargas opostas. Tornou-se possível aumentar drasticamente a área das placas devido a materiais porosos em espuma. Como resultado, é possível obter supercapacitores com capacidade de até centenas de farads.Uma doença congênita de tais dispositivos é a baixa tensão de operação (geralmente dentro de 10 volts).
O desenvolvimento da tecnologia não fica parado - lâmpadas de muitas áreas são deslocadas por transistores bipolares, que, por sua vez, são substituídas por triodos unipolares. Ao projetar circuitos, eles tentam se livrar das indutâncias sempre que possível. E os capacitores não perderam suas posições no segundo século, seu design não mudou fundamentalmente desde a invenção do frasco de Leyden e não há perspectivas de encerrar sua carreira.
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