Co to jest pojemność w elektrotechnice

Pojemność elektryczna charakteryzuje właściwość ciał przewodzących do ładowania się pod wpływem pola elektrycznego, a także do gromadzenia energii elektrycznej w polu tych ciał.

Analogią pojemności elektrycznej w dziedzinie hydrostatyki może być pojemność właściwa statku na jednostkę wysokości, która jest liczbowo równa powierzchni przekroju poziomego statku.

Wyobraź sobie wysoką cysternę. Ilość cieczy (ilość energii elektrycznej na ciele), jaką można zmagazynować w zbiorniku, zależy od wysokości jego napełnienia (potencjał ciała) oraz objętości cieczy przypadającej na jednostkę wysokości zbiornika (pojemność ciała). Ta objętość cieczy z kolei zależy od powierzchni poziomej części zbiornika — od jego średnicy.

Im większa ta średnica, a tym samym objętość na jednostkę wysokości, tym większa pojemność właściwa na wysokość zbiornika (pojemność elektryczna między dwiema płytami jest proporcjonalna do powierzchni płytek, patrz — Co decyduje o pojemności kondensatora?).W związku z tym zależy to od wartości objętości cieczy na jednostkę wysokości i pracy, którą należy poświęcić na napełnienie zbiornika.

Załóżmy, że istnieją dwie miedziane kule tego samego rozmiaru (czerwona i niebieska) znajdujące się w pewnej odległości od siebie w przestrzeni. Weź 9-woltową baterię i podłącz ją przeciwległymi biegunami do tych dwóch kulek, tak aby „+” był podłączony do jednej kulki (do niebieskiej), a „-” do drugiej (do czerwonej). Pomiędzy kulkami pojawi się różnica potencjałów elektrycznych równa napięciu akumulatora V = 9 woltów.

Stany elektryczne tych dwóch miedzianych kulek natychmiast stały się inne niż przed podłączeniem baterii, ponieważ teraz na kulkach znajdują się przeciwne ładunki elektryczne, które oddziałują, doświadczając siły przyciągania do siebie.

Można powiedzieć, że bateria przeniosła ładunek dodatni + q z lewej kulki na prawą i dlatego różnica potencjałów między kulkami wynosi V = 9 woltów. Teraz lewa kula jest naładowana ujemnie -q.

Jeśli do obwodu dodamy szeregowo kolejną baterię tego samego typu, wówczas różnica potencjałów między kulkami stanie się dwukrotnie większa, napięcie między nimi nie będzie już wynosić 9 woltów, ale 18 woltów, a ładunek przesunie się z piłka do piłki również podwoi się (stanie się 2q), podobnie jak napięcie. Ale jaka jest wartość tego ładunku q, który porusza się za każdym razem, gdy napięcie wzrasta o 9 woltów?

Oczywiście wielkość tego ładunku jest proporcjonalna do różnicy potencjałów utworzonej między kulkami. Ale w jakim dokładnie stosunku liczbowym są ładunek i różnica potencjałów? Tutaj będziemy musieli wprowadzić taką charakterystykę przewodnika, jak pojemność elektryczna C.

Pojemność jest miarą zdolności przewodnika do magazynowania ładunku elektrycznego. Ważne jest również, aby zrozumieć, że gdy pierwszy drut jest naładowany, siła otaczającego go pola elektrycznego wzrasta. W związku z tym wpływ pierwszego naładowanego przewodu na drugi naładowany przewód wzrośnie, zwłaszcza jeśli zaczną się one zbliżać do siebie.

Siła oddziaływania między naładowanymi przewodami staje się większa, gdy zmniejsza się odległość między nimi. Ponadto, w zależności od parametrów ośrodka pomiędzy drutami, siła ich oddziaływania może być również różna.

Więc jeśli między drutami jest próżnia, to siła przyciągania między ich ładunkami będzie równa jeden, ale jeśli nylon zostanie umieszczony między drutami zamiast próżni, to siła oddziaływania elektrostatycznego potroi się, ponieważ nylon przechodzi przez pole elektryczne przez siebie 3 razy lepsze niż powietrze i właściwie dzięki polu elektrycznemu naładowane przewody oddziałują ze sobą.

Jeśli naładowane przewody zaczną się rozchodzić od siebie w różnych kierunkach, to będą oddziaływać mniej, różnica potencjałów będzie większa dla tych samych ładunków, to znaczy pojemność takiego układu będzie się zmniejszać wraz z rozdzielaniem przewodów. Praca opiera się na idei pojemności elektrycznej kondensatory.

Kondensatory

W kondensatorach wykorzystywana jest właściwość naładowanych przewodników do wzajemnego oddziaływania elektrostatycznego poprzez wzajemne pola elektryczne oddzielone dielektrykiem.

Strukturalnie kondensatory to dwie płyty zwane płytkami. Płytki są oddzielone dielektrykiem.W celu uzyskania jak największej pojemności konieczne jest, aby płyty miały dużą powierzchnię, a odległość między nimi była minimalna.

Kondensatory w elektrotechnice służą jako akumulatory energii elektrycznej w polu elektrycznym skoncentrowanym w objętości dielektryka umieszczonego między okładkami kondensatora, dzięki czemu ładunek jest gromadzony lub usuwany (w postaci prądu elektrycznego).

Dwie płyty są umieszczone w niewielkiej odległości od siebie w szczelnej obudowie. Ceramiczne, polipropylenowe, elektrolityczne, tantalowe itp. — kondensatory różnią się rodzajem dielektryka między okładkami.

Kondensatory są wysokonapięciowe i niskonapięciowe, w zależności od wytrzymałości dielektrycznej.

W zależności od powierzchni okładek i stałej dielektrycznej użytego dielektryka wyróżnia się kondensatory o dużej pojemności, sięgającej setek faradów (superkondensatorów), oraz małej pojemności — jednostek pikofaradów.

Wykorzystanie pojemności elektrycznej w elektrotechnice

Właściwość układów pojemnościowych jest szeroko wykorzystywana w elektrotechnice w technologiach prądu przemiennego, zwłaszcza w zakresie wysokich i ultrawysokich częstotliwości.

W technologii prądu stałego pojemność jest wykorzystywana w urządzeniach magnesujących z magnesami trwałymi, do pulsacyjnego spawania elektrycznego, pulsacyjnych testów przebicia dielektryka, wygładzania krzywej prądu w prostownikach itp.

Pojemność dowolnego układu izolowanych ciał przewodzących, której nie można całkowicie zredukować do zera, może w niektórych przypadkach mieć niepożądany wpływ na charakterystykę urządzeń elektrycznych (w postaci zakłóceń, upływu pojemności itp.).

Możesz pozbyć się takiego wpływu lub odpowiednio zrekompensować jego skutek (zwykle za pomocą indukcyjności) lub poprzez stworzenie takich warunków, w których potencjały niektórych ciał systemu w stosunku do otaczających obiektów mają minimalną wartość (na przykład uziemienie jednego z ciał).