Mi a kapacitás az elektrotechnikában

Az elektromos kapacitás jellemzi a vezető testek azon tulajdonságát, hogy elektromos tér hatására töltődjenek, és ezen testek területén elektromos energiát halmozzanak fel.

Az elektromos kapacitás analógiája a hidrosztatika területén az edény fajlagos kapacitása magasságegységenként, amely számszerűen megegyezik az edény vízszintes szakaszának területével.

Képzelj el egy magas ciszternát. A tartályban tárolható folyadék mennyisége (a testen lévő elektromosság mennyisége) függ a töltés magasságától (testpotenciál), valamint a tartály magasságegységére eső folyadék térfogatától (testkapacitás). Ez a folyadékmennyiség viszont a tartály vízszintes részének területétől - átmérőjétől - függ.

Minél nagyobb ez az átmérő, és ezáltal az egységnyi magasságra jutó térfogat, annál nagyobb a tartály magasságonkénti fajlagos kapacitása (a két lemez közötti elektromos kapacitás arányos a lemezek területével, lásd: Mi határozza meg a kondenzátor kapacitását?).Ennek megfelelően az egységnyi magasságra eső folyadéktérfogat értékétől és a tartály feltöltésére fordított munkától függ.

Tegyük fel, hogy két azonos méretű (piros és kék) rézgolyó van egymástól bizonyos távolságra a térben. Vegyünk egy 9 voltos elemet, és csatlakoztassuk ellentétes pólusokkal ehhez a két golyóhoz úgy, hogy a «+» csatlakozzon az egyik golyóhoz (a kékhez), a «-» pedig a másikhoz (a piroshoz). A golyók között V = 9 V akkumulátorfeszültséggel egyenlő elektromos potenciálkülönbség jelenik meg.

Ennek a két rézgolyónak az elektromos állapota azonnal más lett, mint az akkumulátor csatlakoztatása előtt, mert most ellentétes elektromos töltések vannak a golyókon, amelyek kölcsönhatásba lépnek egymással, egymás felé vonzódva.

Azt mondhatjuk, hogy az akkumulátor pozitív töltést + q adott át a bal golyóról a jobbra, így a golyók közötti potenciálkülönbség V = 9 volt. Most a bal oldali golyó negatív töltésű -q.

Ha sorosan hozzáadunk egy másik azonos típusú akkumulátort az áramkörhöz, akkor a golyók közötti potenciálkülönbség kétszer akkora lesz, a feszültség közöttük már nem 9 volt, hanem 18 volt, és a töltés elmozdul a labda a labdához is megduplázódik (2q lesz), valamint a feszültség. De mekkora ez a q töltés, amely minden alkalommal elmozdul, amikor a feszültség 9 volttal emelkedik?

Nyilvánvaló, hogy ennek a töltésnek a nagysága arányos a golyók között létrejövő potenciálkülönbséggel. De milyen pontos számarányban van a töltés és a potenciál különbség? Itt be kell vezetnünk a vezető olyan jellemzőjét, mint a C elektromos kapacitás.

A kapacitás a vezető elektromos töltés tárolására való képességének mértéke. Azt is fontos megérteni, hogy az első vezeték feltöltésekor a körülötte lévő elektromos tér erőssége megnő. Ennek megfelelően az első töltött vezeték hatása a második töltött vezetékre fokozódik, különösen akkor, ha elkezdenek közeledni egymáshoz.

A töltött vezetékek közötti kölcsönhatás ereje nagyobb lesz, ha a köztük lévő távolság kisebb lesz. Ezenkívül a vezetékek közötti közeg paramétereitől függően kölcsönhatásuk erőssége is eltérő lehet.

Tehát ha a vezetékek között vákuum van, akkor a töltéseik közötti vonzási erő egy lesz, de ha vákuum helyett nejlont helyeznek a vezetékek közé, akkor az elektrosztatikus kölcsönhatás ereje megháromszorozódik, mert a nejlon áthalad egy Az elektromos tér önmagán keresztül háromszor jobb, mint a levegő, és valójában az elektromos térnek köszönhetően a töltött vezetékek kölcsönhatásba lépnek egymással.

Ha a feltöltött vezetékek elkezdenek terjedni egymástól különböző irányokba, akkor kevésbé fognak kölcsönhatásba lépni, azonos töltéseknél nagyobb lesz a potenciálkülönbség, vagyis egy ilyen rendszer kapacitása a vezetékek elválasztásával csökken. A munka az elektromos kapacitás gondolatán alapul kondenzátorok.

Kondenzátorok

A töltött vezetőknek azt a tulajdonságát, hogy elektrosztatikusan kölcsönhatásba lépnek egymással a dielektrikummal elválasztott elektromos mezőn keresztül, a kondenzátorokban használják.

Szerkezetileg a kondenzátorok két lemez, úgynevezett lemezek. A lemezeket dielektrikum választja el egymástól.A lehető legnagyobb kapacitás elérése érdekében szükséges, hogy a lemezek felülete nagy legyen, és a köztük lévő távolság minimális legyen.

Az elektrotechnikában a kondenzátorok elektromos energia akkumulátorként szolgálnak egy elektromos mezőben, amely a kondenzátor lemezei között elhelyezett dielektrikum térfogatában koncentrálódik, aminek következtében a töltés felhalmozódik vagy eltávolítható (elektromos áram formájában).

Két lemez egymástól kis távolságra van elhelyezve egy lezárt házban. Kerámia, polipropilén, elektrolit, tantál stb. — a kondenzátorok a lemezek közötti dielektrikumok típusában különböznek.

A kondenzátorok a dielektromos szilárdságtól függően nagyfeszültségűek és kisfeszültségűek.

A lemezek területétől és a felhasznált dielektrikum dielektromos állandójától függően vannak nagy kapacitású, több száz farad (szuperkondenzátor) és kis kapacitású kondenzátorok - pikofarad egység.

Az elektromos kapacitás felhasználása az elektrotechnikában

A kapacitív rendszerek tulajdonságát széles körben használják az elektrotechnikában a váltakozó áramú technológiákban, különösen a magas és ultramagas frekvenciák területén.

Az egyenáramú technológiában a kapacitást állandó mágneses mágnesező készülékekben használják, impulzusos elektromos hegesztéshez, impulzusos dielektromos áttörési vizsgálatokhoz, egyenirányítókban áramgörbe simításhoz stb.

Bármely szigetelt vezetőtestekből álló rendszer kapacitása, amely nem csökkenthető teljesen nullára, bizonyos esetekben nemkívánatos hatással lehet az elektromos készülékek jellemzőire (interferencia, kapacitív szivárgás stb. formájában).

Megszabadulhat az ilyen hatásoktól, vagy megfelelő kompenzálásával (általában induktivitás felhasználásával), vagy olyan feltételek megteremtésével, amelyekben a rendszer bizonyos testeinek potenciálja a környező objektumokhoz képest minimális értékkel bír (például az egyik test földelése).