Elektrická kapacita: co to je, v čem se měří, vzorec

Klasická elektrická kapacita je základním pojmem ve fyzice elektrických obvodů. Tento pojem vyjadřuje schopnost speciálního elektrického zařízení absorbovat a udržet elektrický náboj. Takovým elektrickým zařízením jsou kondenzátory, které jsou široce používány v moderní elektrotechnice.

Definice elektrické kapacity

Definice kapacity

Elektrická kapacita vodičů je fyzikální charakteristika, která určuje schopnost akumulovat elektrický náboj, který pochází ze zdroje energie. Tato veličina je zásadní v části fyziky, která studuje elektřinu. Hlavním účelem kondenzátorů je akumulovat náboj, kalibrovat jej a regulovat napětí.

Konstrukce plochého kondenzátoru je velmi jednoduchá. Skládá se ze 2 speciálních vodivých desek, které jsou odděleny dielektrikem. Mezi deskami se vytváří elektrické pole se siločárami probíhajícími z jedné desky na druhou. Náboj na jedné desce se rovná náboji na druhé, ale jejich znaménka se liší. Pro nabíjení kondenzátoru by měly být jeho desky připojeny k pólům zdroje proudu.

Schematické schéma jednoduchého kondenzátoru

Mezi hlavní charakteristiky kondenzátorů patří kapacita, napětí, proud, čas potřebný k akumulaci a uvolnění náboje a odpor kondenzátoru. Právě tyto vlastnosti je třeba vzít v úvahu při používání těchto prvků.

Vzorce pro výpočet kapacity

Pro výpočet kapacity by se měl elektrický náboj vydělit rozdílem potenciálu:

Jak vidíme, kapacita kondenzátoru závisí na hlavních proměnných v systému. Proto se k jeho určení používají vzorce založené na závislosti plochy desek na vzdálenosti mezi nimi. Další zvláštností elektrické kapacity je, že závisí na tvaru vodiče. Nejjednodušší vzorec pro výpočet kapacity plochého kondenzátoru je:

Výpočet kapacity plochého kondenzátoru

Kapacita válcového kondenzátoru se vypočítá takto:

Výpočet kapacity válcového kondenzátoru

Pro výpočet kapacity kulového kondenzátoru se používá následující vzorec:

Výpočet kapacity kulového kondenzátoru

Způsoby připojení kondenzátorů

Spojením několika prvků se získá struktura nazývaná kondenzátorová banka. Jejich zapojení může být paralelní, sériové nebo smíšené.

Při paralelním zapojení je celý systém jeden kondenzátor s kapacitou C a nábojem q = q₁ +q₂. Napětí všech kondenzátorů bude stejné. Při sériovém zapojení je náboj stejný a napětí se bude rovnat U = U₁ +u₂.

Typy zapojení kondenzátorů v baterii

V čem se měří?

Podle celosvětově uznávané normy se elektrická kapacita měří ve faradech. Tato jednotka měření je pojmenována po slavném anglickém fyzikovi Michaelu Faradayovi a označuje se písmenem F. Farad je kapacita vytvořená nábojem jednoho coulombu mezi deskami o napětí jednoho voltu.

Jeden farad je docela působivá hodnota. To je elektrická kapacita koule o poloměru 9 * 10 9 metrů. Je třeba poznamenat, že poloměr naší planety je 6.4 * 10 6 metrů. Proto se používají frakční jednotky – mikrofarady, nanofarady, pikofarady. V číslech to vypadá takto:

• 1 μF = 1 * 10-6 F.
• 1 nF = 1 * 10-9 F.
• 1 pF = 1 * 10-12 F.

V elektrických obvodech se používá symbol pro kondenzátory, vedle kterého může být uvedena kapacita.

Schematické znázornění kondenzátorů

Kapacita musí být uvedena na těle prvků. Podle norem IEC se používají čtyři způsoby kódování jmenovité kapacity:

• Označení třemi čísly.
• Čtyři číslice
• Indikace kapacity v mikrofaradech.
• Alfanumerické značení.

K rozluštění kódu na kondenzátoru budete potřebovat speciální tabulku. Například tabulka pro dekódování třímístných značek vypadá takto:

Aplikace v elektrotechnice

Díky své přizpůsobivosti nacházejí kondenzátory uplatnění v široké škále systémů a zařízení. Zde jsou jen některé z oblastí použití:

• konzervace přijatého náboje;
• spouštění a udržování provozu elektrických motorů;
• kalibrace síly dodávající elektrický náboj;
• stanovení intervalů mezi dodávkami elektrických nábojů;
• zvýšení výkonu signálu.

Mezi hlavní funkce kondenzátorů patří regulace napětí a proudu a změna generovaného tepla. V oblasti elektroniky neexistuje oblast, kde by se tyto prvky nepoužívaly. Nejběžnější typy kondenzátorů jsou elektrolytické, keramické a filmové.

Související videa

Během této videolekce se děti naučí, co je elektrická kapacita a jaká je její měrná jednotka. Budou si pamatovat, co je to kondenzátor a k čemu se používá. Na malých pokusech jako příklad zjistí, na čem a jak závisí elektrická kapacita plochého kondenzátoru. A také se naučit, jak zapojit kondenzátory do baterií.

Přehrávač: YouTube VKontakte

V tuto chvíli nemůžete sledovat ani distribuovat videolekci studentům

Chcete-li získat přístup k tomuto a dalším výukovým videím sady, musíte ji přidat do svého účtu.

Získejte neuvěřitelné příležitosti

1. Otevřete přístup ke všem videolekcím v sadě.

2. Distribuujte video lekce na osobní účty studentů.

3. Podívejte se na statistiky toho, jak studenti prohlížejí videolekce.
Získat přístup

Plán lekce “Elektrická kapacita. Kondenzátory”

Připomněli jsme, že látky, ve kterých je značný počet volných nosičů náboje, se nazývají vodiče. Vodiče a soustavy složené z více vodičů mají jednu velmi důležitou vlastnost: jsou schopny akumulovat elektrický náboj, a tedy elektrickou energii, kterou lze později využít (například při fotografování).

pro charakteristiky vlastnosti vodiče akumulovat elektrický náboj zavedly fyzikální veličinu zvanou elektrická kapacita.

Abychom vysvětlili jeho fyzikální význam, udělejme malý experiment s izolovaný vodič (tedy vodič, který se nachází daleko od možných zdrojů elektrického pole vodivých i nevodivých těles).

Připojme tedy tenký dlouhý vodič k tyči elektroměru s uzemněným tělem a osamocenou dutou kovovou kuličkou.

Nyní, dotykem vnitřního povrchu duté kovové koule elektrifikovanou vodivou kuličkou, upevněnou na izolační rukojeti, jí postupně udělíme identické kladné elektrické náboje a zvýšíme její celkový náboj dvakrát, třikrát a tak dále.

Již víme, že čím větší elektrický náboj je míči předán, tím větší je jeho potenciál:

To znamená, že kolikrát se zvýší náboj koule, kolikrát se zvýší její potenciál. Ale poměr elektrického náboje k potenciálu se nemění a zůstává konstantní hodnotou pro daný vodič:

Tento vztah se obvykle nazývá elektrická kapacita a značí se velkým latinským písmenem С. To znamená, že Elektrická kapacita jednoho vodiče je fyzikální skalární veličina, která kvantitativně charakterizuje schopnost vodiče akumulovat elektrický náboj a rovná se poměru náboje vodiče k jeho potenciálu:

Jednotka SI elektrické kapacitance se nazývá farad (F) na počest Michaela Faradaya, zakladatele elektrodynamiky.

1 F je elektrická kapacita takového osamělého vodiče, jehož potenciál se změní o 1 V, když je na něj aplikován náboj 1 C:

Farad (1 F) je velmi velká elektrická kapacita.

Například ve vakuu by koule o poloměru jednoho faradu měla elektrickou kapacitu R = 9·10 m. Pro srovnání, elektrická kapacita Země (jejíž poloměr je přibližně 9 km) je 6400 μF a kapacita člověka je přibližně 710 pF.

K získání požadovaných hodnot elektrické kapacity se používá speciální zařízení – k. Je to systém sestávající ze dvou nebo více vodičů a schopný akumulovat a uvolňovat elektrické náboje.

Nejjednodušší kondenzátor je soustava sestávající ze dvou vodičů oddělených dielektrickou vrstvou, jejíž tloušťka je v porovnání s velikostí vodičů malá.

Vodiče, které tvoří kondenzátor, se nazývají jeho desky.

Pokud jsou desky kondenzátoru připojeny k pólům zdroje proudu, pak se na deskách kondenzátoru budou hromadit opačné elektrické náboje o stejné velikosti.

Proces akumulace náboje na deskách se nazývá nabíjení kondenzátoru.

Proces neutralizace nábojů, když jsou desky kondenzátoru spojeny vodičem, se nazývá vybíjení kondenzátoru.

A nabíjecí modul umístěný na jedné z desek kondenzátoru se nazývá náboj kondenzátoru.

Schopnost kondenzátoru akumulovat elektrické náboje je charakterizována skalární fyzikální veličinou zvanou jeho elektrická kapacita. Rovná se poměru náboje kondenzátoru k potenciálnímu rozdílu (nebo napětí) mezi jeho deskami:

Pokud jsou kondenzátorové desky dvě identické desky navzájem rovnoběžné, pak se kondenzátor nazývá plochý. Jeho elektrostatické pole je soustředěno hlavně mezi jeho deskami a je prakticky rovnoměrné. I když je rovnoměrnost pole v blízkosti okrajů desek narušena, je to často zanedbáváno, pokud je vzdálenost mezi deskami výrazně menší než jejich rozměry.

Abychom zjistili, na čem závisí elektrická kapacita plochého kondenzátoru, provedeme několik experimentů s nejjednodušším vzduchovým kondenzátorem. Připojte tyč elektroměru k jedné z desek a jeho tělo k druhé. Nabijme kondenzátor připojením ke zdroji proudu na určitou dobu. Když mezi deskami kondenzátoru vznikne rozdíl potenciálů, odpojíme jej od zdroje proudu.

Pokud nějak zmenšíme oblast vzájemného překrývání desek při zachování konstantní vzdálenosti mezi nimi, pak, jak vidíme, se hodnoty elektroměru zvýší, ačkoli náboj sdělovaný deskám během nabíjení kondenzátoru zůstává nezměněn. A protože se napětí mezi deskami zvyšuje s klesající plochou překrytí desek kondenzátoru, měla by se jeho elektrická kapacita snižovat. (S↓ ⇒ C↓).

Nyní zvětšíme vzdálenost mezi deskami kondenzátoru, aniž bychom změnili jejich oblast překrytí. Je snadné si všimnout, že v tomto případě dochází ke zvýšení odečtů elektroměru. A to je možné pouze snížením elektrické kapacity kondenzátoru. Prostředek, čím větší je vzdálenost mezi deskami kondenzátoru, tím nižší je jeho elektrická kapacita (d ↑ ⇒ C↓).

Umístíme-li mezi desky kondenzátoru nějaké dielektrikum (například skleněnou desku), pak, jak vidíme, údaje elektroměru klesají, což ukazuje na pokles napětí mezi deskami. V důsledku toho se zvyšuje kapacita kondenzátoru (ε ↑ ⇒ C ↑).

V SI je koeficient úměrnosti mezi kapacitou kondenzátoru a veličinami, které ji určují (S, d, ε) elektrická konstanta:

Experimentální výsledky nám umožňují zapsat vzorec pro určení elektrické kapacity plochého kondenzátoru:

Pro získání požadované elektrické kapacity se často kondenzátory zapojují do baterií pomocí paralelního a sériového zapojení.

V paralelním zapojení jsou kladně nabité kondenzátorové desky zapojeny do jedné skupiny a záporně nabité do druhé.

Při tomto zapojení je napětí na všech kondenzátorech stejné, ale jejich náboje se mohou lišit. V tomto případě se celkový náboj kondenzátorové baterie rovná součtu nábojů jednotlivých kondenzátorů:

A jeho celková elektrická kapacita se rovná součtu elektrických kapacit každého z kondenzátorů:

Pro získání vysoké elektrické kapacity se používá paralelní zapojení kondenzátorů.

V sériovém zapojení je kladně nabitá deska předchozího kondenzátoru spojena se záporně nabitou deskou následujícího kondenzátoru.

S tímto připojením jsou nabíjecí moduly na všech deskách stejné a rovné nabití baterie. A celkový náboj navzájem spojených desek je nulový. Napětí na pólech kondenzátorové baterie se rovná součtu napětí na jednotlivých kondenzátorech:

V tomto případě je převrácená hodnota elektrické kapacity baterie rovna součtu převrácených hodnot elektrických kapacit jednotlivých kondenzátorů: