Elektrik mühendisliğinde kapasitans nedir?

Elektrik kapasitesi, iletken cisimlerin bir elektrik alanının etkisi altında şarj olma ve ayrıca bu cisimlerin alanında elektrik enerjisi biriktirme özelliğini karakterize eder.

Hidrostatik alanındaki elektrik kapasitesinin bir analojisi, kabın yatay bölümünün alanına sayısal olarak eşit olan birim yükseklik başına bir teknenin özgül kapasitesi olabilir.

Yüksek bir sarnıç hayal edin. Tankta depolanabilecek sıvı miktarı (vücuttaki elektrik miktarı), dolum yüksekliğine (vücut potansiyeli) ve ayrıca tankın birim yüksekliğine düşen sıvı hacmine (vücut kapasitesi) bağlıdır. Bu sıvı hacmi, tankın yatay kısmının alanına - çapına bağlıdır.

Bu çap ve dolayısıyla birim yükseklik başına hacim ne kadar büyük olursa, tankın yüksekliği başına özgül kapasitans da o kadar büyük olur (iki plaka arasındaki elektriksel kapasitans, plakaların alanıyla orantılıdır, bkz. - Bir kapasitörün kapasitansını ne belirler?).Buna göre, birim yükseklik başına sıvı hacminin değerine ve tankı doldurmak için harcanması gereken işe bağlıdır.

Uzayda birbirinden belirli bir mesafede bulunan aynı boyutta (kırmızı ve mavi) iki bakır top olduğunu varsayalım. 9 voltluk bir pil alın ve bu iki topa zıt kutuplarla bağlayın, böylece "+" bir topa (maviye) ve "-" diğerine (kırmızıya) bağlanır. Bilyeler arasında akü voltajı V = 9 volta eşit bir elektriksel potansiyel farkı oluşacaktır.

Bu iki bakır bilyenin elektriksel durumları, pilin bağlanmasından önceki durumundan hemen farklı hale geldi, çünkü artık bilyeler üzerinde etkileşen zıt elektrik yükleri var ve birbirlerine doğru çekim kuvveti yaşıyorlar.

Pilin sol bilyeden sağa pozitif yük + q aktardığını ve bu nedenle bilyalar arasındaki potansiyel farkın V = 9 volt olduğunu söyleyebiliriz. Şimdi sol top negatif -q yüklü.

Devreye seri olarak aynı türden başka bir pil eklersek, bilyeler arasındaki potansiyel fark iki kat daha fazla olacak, aralarındaki voltaj artık 9 volt değil 18 volt olacak ve yük kutuptan hareket edecektir. topa top da gerilimin yanı sıra ikiye katlanacak (2q olacak). Ancak, voltaj her 9 volt yükseldiğinde hareket eden bu yükün q büyüklüğü nedir?

Açıkçası, bu yükün büyüklüğü toplar arasında yaratılan potansiyel farkla orantılıdır. Ancak, yük ve potansiyel fark tam olarak hangi sayısal orandadır? Burada iletkenin böyle bir özelliğini elektrik kapasitesi C olarak tanıtmamız gerekecek.

Kapasitans, bir iletkenin elektrik yükünü depolama yeteneğinin bir ölçüsüdür. İlk tel şarj edildiğinde etrafındaki elektrik alanın gücünün arttığını anlamak da önemlidir. Buna göre, özellikle birbirlerine yaklaşmaya başlarlarsa, birinci yüklü telin ikinci yüklü tel üzerindeki etkisi artacaktır.

Yüklü teller arasındaki etkileşim kuvveti, aralarındaki mesafe küçülürse artar. Ayrıca teller arasındaki ortamın parametrelerine bağlı olarak etkileşimlerinin gücü de farklı olabilir.

Yani teller arasında bir boşluk varsa, yükleri arasındaki çekim kuvveti bir olacaktır, ancak teller arasına vakum yerine naylon yerleştirilirse, o zaman elektrostatik etkileşimin kuvveti üç katına çıkacaktır, çünkü naylon bir elektrik alan kendi içinden havadan 3 kat daha iyidir ve aslında elektrik alan nedeniyle yüklü teller birbirleriyle etkileşime girer.

Yüklü teller birbirinden farklı yönlerde yayılmaya başlarsa, daha az etkileşime girecekler, aynı yükler için potansiyel fark daha büyük olacak, yani tellerin ayrılmasıyla böyle bir sistemin kapasitesi azalacaktır. Çalışma, elektrik kapasitesi fikrine dayanmaktadır. kapasitörler.

kapasitörler

Yüklü iletkenlerin, birbirlerinin bir dielektrik ile ayrılmış elektrik alanları aracılığıyla birbirleriyle elektrostatik olarak etkileşime girme özelliği, kapasitörlerde kullanılır.

Yapısal olarak, kapasitörler plaka adı verilen iki plakadır. Plakalar bir dielektrik ile ayrılmıştır.Mümkün olan en yüksek kapasiteyi elde etmek için plakaların geniş bir yüzeye sahip olması ve aralarındaki mesafenin minimum olması gerekir.

Elektrik mühendisliğindeki kapasitörler, kapasitörün plakaları arasına yerleştirilen dielektrik hacminde yoğunlaşan bir elektrik alanında, yükün biriktiği veya çıkarıldığı (bir elektrik akımı şeklinde) elektrik enerjisi akümülatörleri olarak hizmet eder.

İki plaka, sızdırmaz bir mahfazanın içine kısa bir mesafede yerleştirilmiştir. Seramik, polipropilen, elektrolitik, tantal vb. — kapasitörler, plakalar arasındaki dielektrik tipinde farklılık gösterir.

Kapasitörler, dielektrik dayanıma bağlı olarak yüksek voltaj ve düşük voltajdır.

Plakaların alanına ve kullanılan dielektrikin dielektrik sabitine bağlı olarak, yüzlerce farad'a (süper kapasitörler) ulaşan büyük kapasiteli kapasitörler ve küçük kapasiteli - pikofarad birimleri vardır.

Elektrik mühendisliğinde elektrik kapasitesinin kullanımı

Kapasitif sistemlerin özelliği, elektrik mühendisliğinde alternatif akım teknolojilerinde, özellikle yüksek ve ultra yüksek frekanslar alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.

DC teknolojisinde kapasitans, kalıcı mıknatıs mıknatıslama cihazlarında, darbeli elektrik kaynağı, darbeli dielektrik arıza testleri, doğrultucularda akım eğrisi yumuşatma vb. için kullanılır.

Tamamen sıfıra indirilemeyen herhangi bir yalıtılmış iletken gövde sisteminin kapasitansı, bazı durumlarda elektrikli cihazların özellikleri üzerinde (parazit, kapasitif sızıntı vb. şeklinde) istenmeyen bir etkiye sahip olabilir.

Böyle bir etkiden veya etkisini uygun şekilde telafi ederek (genellikle endüktans kullanarak) veya sistemin belirli gövdelerinin çevredeki nesnelere göre potansiyellerinin minimum değere sahip olduğu koşullar yaratarak (örneğin, gövdelerden birinin topraklanması).