קיבול חשמלי הוא אחד המושגים הבסיסיים של אלקטרוסטטיקה. מונח זה מתייחס ליכולת לצבור מטען חשמלי. אפשר לדבר על הקיבולת של מוליך נפרד, אפשר לדבר על הקיבולת של מערכת של שני מוליכים או יותר. התהליכים הפיזיים דומים.
תוֹכֶן
מושגי יסוד הקשורים לקיבולת חשמלית
אם המוליך קיבל מטען q, נוצר עליו פוטנציאל φ. פוטנציאל זה תלוי בגיאומטריה ובסביבה - עבור מוליכים ותנאים שונים, אותו מטען יגרום לפוטנציאל שונה. אבל φ תמיד פרופורציונלי ל-q:
φ=Cq
מקדם C נקרא הקיבול החשמלי.אם אנחנו מדברים על מערכת של מספר מוליכים (בדרך כלל שניים), אז כאשר מועבר מטען למוליך אחד (צלחת), מתרחש הפרש פוטנציאל או מתח U:
U=Cq, ומכאן С=U/q
ניתן להגדיר קיבול כיחס בין הפרש הפוטנציאל למטען שגרם לו. יחידת ה-SI לקיבול היא הפארד (נהגו לומר פארד). 1 F \u003d 1 V / 1 C. במילים אחרות, למערכת יש קיבולת של 1 פארד, שבה, כאשר מועבר מטען של 1 קולומב, נוצר הפרש פוטנציאל של 1 וולט. 1 פאראד הוא ערך גדול מאוד. בפועל, ערכי שבר משמשים לרוב - פיקופראד, ננופארד, מיקרופארד.
בפועל, חיבור כזה מאפשר להשיג סוללה שיכולה לעמוד במתח פריצה גדול יותר של הדיאלקטרי מזה של תא בודד.
חישוב הקיבול של קבלים
בפועל, כמו אלמנטים עם קיבול חשמלי מנורמל, לרוב בשימוש קבלים, המורכב משני מוליכים שטוחים (צלחות), המופרדים על ידי דיאלקטרי. הנוסחה לחישוב הקיבול החשמלי של קבל כזה נראית כך:
C=(S/d)*ε*ε0
איפה:
- C - קיבולת, F;
- S הוא שטח החזיתות, מ"ר;
- d הוא המרחק בין הלוחות, m;
- ε0 - קבוע חשמלי, קבוע, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε הוא הפריטטיביות החשמלית של הדיאלקטרי, כמות חסרת מימד.
מכאן קל להבין שהקיבול הוא פרופורציונלי ישר לשטח הלוחות ויחס הפוך למרחק בין המוליכים. כמו כן, הקיבולת מושפעת מהחומר המפריד בין הלוחות.
כדי להבין כיצד הכמויות הקובעות קיבול משפיעות על יכולתו של קבל לאגור מטען, ניתן לבצע ניסוי מחשבתי ליצירת קבל עם הקיבול הגדול ביותר האפשרי.
- אתה יכול לנסות להגדיל את שטח הצלחות. זה יוביל לעלייה חדה במידות ומשקל המכשיר. כדי להקטין את גודל הבטנה עם דיאלקטרי המפריד ביניהם, הם מגולגלים (לצינור, לבנה שטוחה וכו').
- דרך נוספת היא להקטין את המרחק בין הצלחות. לא תמיד ניתן למקם את המוליכים קרוב מאוד, שכן השכבה הדיאלקטרית חייבת לעמוד בהפרש פוטנציאלי מסוים בין הלוחות. ככל שהעובי קטן יותר, החוזק הדיאלקטרי של הפער המבודד נמוך יותר. אם תלך בדרך זו, יגיע זמן שבו השימוש המעשי בקבל כזה יהפוך לחסר משמעות - הוא יכול לעבוד רק במתחים נמוכים במיוחד.
- הגדלת החדירות החשמלית של הדיאלקטרי. דרך זו תלויה בפיתוח טכנולוגיות ייצור הקיימות כרגע. חומר הבידוד חייב לא רק להיות בעל ערך חדירות גבוה, אלא גם תכונות דיאלקטריות טובות, וגם לשמור על הפרמטרים שלו בטווח התדרים הנדרש (עם עלייה בתדר שבו פועל הקבל, מאפייני הירידה הדיאלקטרית).
כמה מתקנים מיוחדים או מחקריים עשויים להשתמש בקבלים כדוריים או גליליים.
ניתן לחשב את הקיבול של קבל כדורי על ידי הנוסחה
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
כאשר R הם רדיוסי הכדורים, ו-π=3.14.
עבור קבל גלילי, הקיבול מחושב כך:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l הוא גובה הגלילים, ו-R1 ו-R2 הם הרדיוסים שלהם.
ביסודו של דבר, שתי הנוסחאות אינן שונות מהנוסחה של קבל שטוח. הקיבול נקבע תמיד על ידי הממדים הליניאריים של הלוחות, המרחק ביניהם ותכונות הדיאלקטרי.
חיבור סדרתי ומקביל של קבלים
ניתן לחבר קבלים בסדרה או במקביל, השגת סט עם מאפיינים חדשים.
חיבור מקביל
אם אתה מחבר את הקבלים במקביל, הקיבולת הכוללת של הסוללה המתקבלת שווה לסכום כל היכולות של מרכיביה. אם הסוללה מורכבת מקבלים מאותו עיצוב, זה יכול להיחשב כתוספת של שטח הכדור של הצלחות. במקרה זה, המתח בכל תא של הסוללה יהיה זהה, והטעינות יצטברו. עבור שלושה קבלים המחוברים במקביל:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
חיבור טורי
כאשר מחוברים בסדרה, המטענים של כל קיבול יהיו זהים:
ש1=q2=q3=q
המתח הכולל מתחלק באופן פרופורציונלי קיבולים של קבלים:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3= q/C3.
אם כל הקבלים זהים, אז מתח שווה על פני כל אחד מהם. הקיבולת הכוללת נמצאת כ:
С=q/( U1+U2+U3), ומכאן 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
השימוש בקבלים בטכנולוגיה
זה הגיוני להשתמש בקבלים כהתקני אחסון אנרגיה חשמלית. ביכולת זו, הם אינם יכולים להתחרות במקורות אלקטרוכימיים (סוללות גלווניות, קבלים) בשל האנרגיה האצורה הקטנה והפריקה העצמית המהירה למדי עקב דליפת מטען דרך הדיאלקטרי.אבל היכולת שלהם לצבור אנרגיה לתקופה ארוכה, ואז כמעט מיד לתת אותה, נמצאת בשימוש נרחב. מאפיין זה משמש במנורות פלאש לצילום או מנורות לעירור לייזרים.
קבלים נמצאים בשימוש נרחב בהנדסת רדיו ואלקטרוניקה. קיבולים משמשים כחלק ממעגלי תהודה כאחד ממרכיבי הגדרת התדר של המעגלים (האלמנט השני הוא השראות). הוא גם משתמש ביכולת של קבלים לא להעביר זרם ישר מבלי לעכב את הרכיב המשתנה. יישום כזה נפוץ להפרדת שלבי הגברה על מנת לשלול את ההשפעה של מצבי DC של שלב אחד על אחר. קבלים גדולים משמשים כמסנני החלקה בספקי כוח. יש גם מספר עצום של יישומים אחרים של קבלים שבהם התכונות שלהם שימושיות.
כמה עיצובים מעשיים של קבלים
בפועל, נעשה שימוש בעיצובים שונים של קבלים שטוחים. עיצוב המכשיר קובע את מאפייניו והיקפו.
קבל משתנה
סוג נפוץ של קבלים משתנה (VPC) מורכב מגוש של לוחות נעים וקבועים המופרדים על ידי אוויר או מבודד מוצק. הלוחות הניתנים להזזה מסתובבים סביב הציר, מגדילים או מקטינים את שטח החפיפה. כאשר הגוש הנע מוסר, הפער בין האלקטרודות נשאר ללא שינוי, אך גם המרחק הממוצע בין הלוחות גדל. גם הקבוע הדיאלקטרי של המבודד נשאר ללא שינוי. הקיבולת מווסתת על ידי שינוי שטח הצלחות והמרחק הממוצע ביניהן.
קבל תחמוצת
בעבר, קבל כזה נקרא אלקטרוליטי. הוא מורכב משתי רצועות נייר כסף המופרדות על ידי דיאלקטרי נייר ספוג באלקטרוליט. הרצועה הראשונה משמשת כצלחת אחת, הצלחת השנייה משמשת כאלקטרוליט. הדיאלקטרי הוא שכבה דקה של תחמוצת על אחת מרצועות המתכת, והרצועה השנייה משמשת כקולט זרם.
בשל העובדה ששכבת התחמוצת דקה מאוד, והאלקטרוליט צמוד אליה, ניתן היה להשיג קיבולות גדולות מספיק בגדלים מתונים. המחיר לכך היה מתח הפעלה נמוך - לשכבת התחמוצת אין חוזק חשמלי גבוה. עם עלייה במתח ההפעלה, יש צורך להגדיל באופן משמעותי את ממדי הקבל.
בעיה נוספת היא שלתחמוצת מוליכות חד-צדדית, ולכן משתמשים במיכלים כאלה רק במעגלי DC עם קוטביות.
יוניסטור
כפי שמוצג לעיל, השיטות המסורתיות של הגדלת קבלים יש מגבלות טבעיות. לכן, פריצת הדרך האמיתית הייתה יצירת יוניסטורים.
למרות שהמכשיר הזה נחשב לקשר ביניים בין קבל לסוללה, במהותו הוא עדיין קבל.
המרחק בין הפלטות מצטמצם באופן דרסטי הודות לשימוש בשכבת חשמל כפולה. הלוחות הם שכבות של יונים עם מטענים הפוכים. ניתן היה להגדיל בחדות את שטח הצלחות בגלל חומרים נקבוביים מוקצפים. כתוצאה מכך, ניתן להשיג קבלי-על בקיבולת של עד מאות פארד.מחלה מולדת של מכשירים כאלה היא מתח הפעלה נמוך (בדרך כלל בתוך 10 וולט).
התפתחות הטכנולוגיה אינה עומדת במקום - מנורות מאזורים רבים נעקרו על ידי טרנזיסטורים דו-קוטביים, הם, בתורם, מוחלפים בטריודות חד-קוטביות. כאשר מתכננים מעגלים, הם מנסים להיפטר משראות בכל מקום אפשרי. והקבלים לא איבדו את מיקומם במאה השנייה, העיצוב שלהם לא השתנה מהותית מאז המצאת צנצנת ליידן, ואין סיכוי לסיים את הקריירה שלהם.
מאמרים דומים:
