السعة الكهربائية هي أحد المفاهيم الأساسية للكهرباء الساكنة. يشير هذا المصطلح إلى القدرة على تجميع شحنة كهربائية. يمكنك التحدث عن قدرة موصل منفصل ، يمكنك التحدث عن قدرة نظام من اثنين أو أكثر من الموصلات. العمليات الفيزيائية متشابهة.
محتوى
المفاهيم الأساسية المتعلقة بالقدرة الكهربائية
إذا تلقى الموصل شحنة q ، ينشأ احتمال φ عليه. تعتمد هذه الإمكانات على الهندسة والبيئة - بالنسبة للموصلات والظروف المختلفة ، ستؤدي نفس الشحنة إلى إمكانات مختلفة. لكن φ تتناسب دائمًا مع q:
φ = Cq
يُطلق على المعامل C السعة الكهربائية.إذا كنا نتحدث عن نظام من عدة موصلات (عادة اثنين) ، فعند نقل الشحنة إلى موصل واحد (لوحة) ، يحدث فرق الجهد أو الجهد U:
U = Cq ، وبالتالي С = U / q
يمكن تعريف السعة بأنها نسبة فرق الجهد إلى الشحنة التي تسببت في ذلك. وحدة السعة في النظام الدولي للوحدات هي الفاراد (كانوا يقولون فاراد). 1 فهرنهايت \ u003d 1 فولت / 1 سي. بعبارة أخرى ، تبلغ سعة النظام 1 فاراد ، حيث ينشأ فرق جهد مقداره 1 فولت عند نقل شحنة مقدارها 1 كولوم. 1 فاراد قيمة كبيرة جدا. من الناحية العملية ، غالبًا ما تستخدم القيم الكسرية - بيكوفاراد ، نانوفاراد ، ميكروفاراد.
من الناحية العملية ، يتيح مثل هذا الاتصال الحصول على بطارية يمكنها تحمل جهد انهيار أكبر للعزل الكهربائي مقارنةً بخلية واحدة.
حساب سعة المكثفات
في الممارسة العملية ، كعناصر ذات سعة كهربائية طبيعية ، غالبًا ما تستخدم المكثفات، تتكون من اثنين من الموصلات المسطحة (لوحات) ، مفصولة بعازل كهربائي. تبدو صيغة حساب السعة الكهربائية لمثل هذا المكثف كما يلي:
C = (S / d) * ε * ε0
أين:
- ج - السعة ، F ؛
- S هي مساحة الواجهات ، متر مربع ؛
- د هي المسافة بين الألواح ، م ؛
- ε0 - ثابت كهربائي ، ثابت ، 8.854 * 10−12 و / م ؛
- ε هي السماحية الكهربائية للعزل ، وهي كمية بلا أبعاد.
من هذا يسهل فهم أن السعة تتناسب طرديا مع مساحة الألواح وتتناسب عكسيا مع المسافة بين الموصلات. أيضًا ، تتأثر السعة بالمادة التي تفصل الألواح.
لفهم كيفية تأثير الكميات التي تحدد السعة في قدرة المكثف على تخزين الشحنة ، يمكنك القيام بتجربة فكرية لإنشاء مكثف بأكبر سعة ممكنة.
- يمكنك محاولة زيادة مساحة اللوحات. سيؤدي ذلك إلى زيادة حادة في أبعاد ووزن الجهاز. لتقليل حجم البطانة بفصل عازل كهربائي عنها ، يتم لفها (في أنبوب ، فحم حجري مسطح ، إلخ).
- طريقة أخرى هي تقليل المسافة بين اللوحات. ليس من الممكن دائمًا وضع الموصلات في مكان قريب جدًا ، نظرًا لأن الطبقة العازلة يجب أن تتحمل فرقًا محتملاً معينًا بين الألواح. كلما كانت السماكة أصغر ، قلت قوة العزل للفجوة العازلة. إذا سلكت هذا المسار ، فسيأتي وقت يصبح فيه الاستخدام العملي لمثل هذا المكثف بلا معنى - يمكن أن يعمل فقط عند الفولتية المنخفضة للغاية.
- زيادة النفاذية الكهربائية للعزل. يعتمد هذا المسار على تطوير تقنيات الإنتاج الموجودة في الوقت الحالي. يجب ألا تحتوي المادة العازلة على قيمة نفاذية عالية فحسب ، بل يجب أن تحتوي أيضًا على خصائص عازلة جيدة ، وأن تحافظ أيضًا على معلماتها في نطاق التردد المطلوب (مع زيادة التردد الذي يعمل به المكثف ، وخصائص انخفاض العزل).
قد تستخدم بعض التركيبات المتخصصة أو البحثية المكثفات الكروية أو الأسطوانية.
يمكن حساب سعة المكثف الكروي بالصيغة
ج = 4 * π * ε * ε0 * R1R2 / (R2-R1)
حيث R هي نصف قطر الكرات ، و π = 3.14.
بالنسبة للمكثف الأسطواني ، يتم حساب السعة على النحو التالي:
ج = 2 * π * ε * ε0 * l / ln (R2 / R1)
l هو ارتفاع الأسطوانات ، و R1 و R2 هما أنصاف أقطارها.
في الأساس ، لا تختلف كلتا الصيغتين عن صيغة المكثف المسطح. يتم تحديد السعة دائمًا من خلال الأبعاد الخطية للألواح والمسافة بينها وخصائص العازل الكهربائي.
التوصيل المتسلسل والمتوازي للمكثفات
يمكن توصيل المكثفات على التوالي أو على التوازي، والحصول على مجموعة ذات خصائص جديدة.
اتصال موازية
إذا قمت بتوصيل المكثفات بالتوازي ، فإن السعة الإجمالية للبطارية الناتجة تساوي مجموع جميع سعات مكوناتها. إذا كانت البطارية تتكون من مكثفات من نفس التصميم ، فيمكن اعتبار ذلك إضافة لمساحة كل الألواح. في هذه الحالة ، سيكون الجهد الكهربائي على كل خلية من خلايا البطارية متماثلًا ، وستزيد الشحنات. لثلاثة مكثفات متصلة بالتوازي:
- يو = يو1= يو2= يو3;
- ف = ف1+ ف2+ ف3;
- ج = ج1+ ج2+ ج3.
اتصال تسلسلي
عند التوصيل على التوالي ، ستكون شحنات كل سعة متساوية:
ف1= ف2= ف3= ف
يتم توزيع الجهد الكلي بشكل متناسب سعات المكثفات:
- يو1= ف / ج1;
- يو2= ف / ج2;
- يو3= ف / ج3.
إذا كانت جميع المكثفات متشابهة ، فإن الجهد المتساوي سينخفض عبر كل منهما. تم العثور على السعة الإجمالية على النحو التالي:
С = ف / (يو1+ يو2+ يو3) ، ومن ثم 1 / С = (U1+ يو2+ يو3) / ف = 1 / ج1+ 1 / س2+ 1 / س3.
استخدام المكثفات في التقنية
من المنطقي استخدام المكثفات كأجهزة لتخزين الطاقة الكهربائية. في هذه السعة ، لا يمكنهم التنافس مع المصادر الكهروكيميائية (البطاريات الجلفانية ، المكثفات) بسبب الطاقة الصغيرة المخزنة والتفريغ الذاتي السريع إلى حد ما بسبب تسرب الشحن عبر العازل الكهربائي.لكن قدرتها على تجميع الطاقة لفترة طويلة ، ومن ثم التخلص منها على الفور تقريبًا ، تُستخدم على نطاق واسع. تستخدم هذه الخاصية في مصابيح الفلاش للتصوير الفوتوغرافي أو المصابيح لإثارة الليزر.
تستخدم المكثفات على نطاق واسع في هندسة الراديو والإلكترونيات. تُستخدم السعات كجزء من دارات الطنين كأحد عناصر ضبط التردد للدوائر (العنصر الآخر هو الحث). كما أنه يستخدم قدرة المكثفات على عدم تمرير التيار المباشر دون تأخير المكون المتغير. مثل هذا التطبيق شائع لفصل مراحل التضخيم من أجل استبعاد تأثير أنماط التيار المستمر لمرحلة ما على مرحلة أخرى. تستخدم المكثفات الكبيرة كمرشحات تنعيم في مصادر الطاقة. هناك أيضًا عدد كبير من التطبيقات الأخرى للمكثفات حيث تكون خواصها مفيدة.
بعض التصميمات العملية للمكثفات
في الممارسة العملية ، يتم استخدام تصميمات مختلفة للمكثفات المسطحة. يحدد تصميم الجهاز خصائصه ونطاقه.
مكثف متغير
يتكون النوع الشائع من المكثفات المتغيرة (VPC) من كتلة من الألواح الثابتة والمتحركة مفصولة بالهواء أو عازل صلب. تدور الألواح المتحركة حول المحور ، مما يزيد أو ينقص مساحة التداخل. عند إزالة الكتلة المتحركة ، تظل فجوة الأقطاب الكهربائية بدون تغيير ، ولكن يزداد متوسط المسافة بين الألواح أيضًا. كما يظل ثابت العزل للعازل بدون تغيير. يتم تنظيم السعة عن طريق تغيير مساحة اللوحات ومتوسط المسافة بينها.
مكثف أكسيد
في السابق ، كان يسمى هذا المكثف بالكهرباء. يتكون من شريحتين من رقائق معدنية مفصولة بعازل ورق مشبع بالكهرباء. يعمل الشريط الأول كصفيحة واحدة ، بينما يعمل الشريط الثاني كإلكتروليت. العازل الكهربائي عبارة عن طبقة رقيقة من أكسيد على أحد الأشرطة المعدنية ، ويعمل الشريط الثاني كمجمع تيار.
نظرًا لحقيقة أن طبقة الأكسيد رقيقة جدًا ، وأن المنحل بالكهرباء قريب منها ، أصبح من الممكن الحصول على سعات كبيرة بما يكفي بأحجام معتدلة. كان ثمن هذا جهد تشغيل منخفض - طبقة الأكسيد لا تتمتع بقوة كهربائية عالية. مع زيادة جهد التشغيل ، من الضروري زيادة أبعاد المكثف بشكل كبير.
مشكلة أخرى هي أن الأكسيد له موصلية من جانب واحد ، لذلك يتم استخدام هذه الحاويات فقط في دوائر التيار المستمر ذات القطبية.
ايونيستور
كما هو مبين أعلاه ، الطرق التقليدية للزيادة المكثفات لها حدود طبيعية. لذلك ، كان الاختراق الحقيقي هو إنشاء المؤيِّنات.
على الرغم من أن هذا الجهاز يعتبر رابطًا وسيطًا بين المكثف والبطارية ، إلا أنه في جوهره لا يزال مكثفًا.
تم تقليل المسافة بين الألواح بشكل كبير بفضل استخدام طبقة كهربائية مزدوجة. الصفائح عبارة عن طبقات من الأيونات بشحنات معاكسة. أصبح من الممكن زيادة مساحة الألواح بشكل حاد بسبب المواد المسامية الرغوية. نتيجة لذلك ، من الممكن الحصول على مكثفات فائقة بسعة تصل إلى مئات الفاراد.المرض الخلقي لهذه الأجهزة هو جهد تشغيل منخفض (عادة في حدود 10 فولت).
لا يزال تطور التكنولوجيا ثابتًا - حيث يتم استبدال المصابيح من العديد من المناطق بواسطة ترانزستورات ثنائية القطب ، ويتم استبدالها بدورها بثلاثي القطب أحادي القطب. عند تصميم الدوائر ، يحاولون التخلص من الحث قدر الإمكان. والمكثفات لم تفقد مواقعها في القرن الثاني ، ولم يتغير تصميمها بشكل جذري منذ اختراع جرة ليدن ، ولا توجد احتمالات لإنهاء حياتهم المهنية.
مقالات مماثلة:
