La capacité électrique est l'un des concepts de base de l'électrostatique. Ce terme fait référence à la capacité d'accumuler une charge électrique. Vous pouvez parler de la capacité d'un conducteur séparé, vous pouvez parler de la capacité d'un système de deux conducteurs ou plus. Les processus physiques sont similaires.
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Concepts de base liés à la capacité électrique
Si le conducteur a reçu une charge q, un potentiel φ apparaît sur celui-ci. Ce potentiel dépend de la géométrie et de l'environnement - pour différents conducteurs et conditions, la même charge entraînera un potentiel différent. Mais φ est toujours proportionnel à q :
φ=Cq
Le coefficient C est appelé capacité électrique.Si nous parlons d'un système de plusieurs conducteurs (généralement deux), alors lorsqu'une charge est transmise à un conducteur (plaque), une différence de potentiel ou tension U se produit :
U=Cq, donc С=U/q
La capacité peut être définie comme le rapport entre la différence de potentiel et la charge qui l'a provoquée. L'unité SI pour la capacité est le farad (ils avaient l'habitude de dire farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. En d'autres termes, un système a une capacité de 1 farad, dans lequel, lorsqu'une charge de 1 coulomb est transmise, une différence de potentiel de 1 volt se produit. 1 Farad est une très grande valeur. En pratique, les valeurs fractionnaires sont le plus souvent utilisées - picofarad, nanofarad, microfarad.
En pratique, une telle connexion permet d'obtenir une batterie pouvant supporter une tension de claquage du diélectrique plus importante que celle d'une seule cellule.
Calcul de la capacité des condensateurs
En pratique, en tant qu'éléments à capacité électrique normalisée, le plus souvent utilisés condensateurs, constitué de deux conducteurs plats (plaques), séparés par un diélectrique. La formule de calcul de la capacité électrique d'un tel condensateur ressemble à ceci :
C=(S/d)*ε*ε0
où:
- C - capacité, F;
- S est la surface des parements, m²;
- d est la distance entre les plaques, m;
- ε0 - constante électrique, constante, 8.854 * 10−12 f/m ;
- ε est la permittivité électrique du diélectrique, une quantité sans dimension.
À partir de là, il est facile de comprendre que la capacité est directement proportionnelle à la surface des plaques et inversement proportionnelle à la distance entre les conducteurs. De plus, la capacité est affectée par le matériau qui sépare les plaques.
Pour comprendre comment les quantités qui déterminent la capacité affectent la capacité d'un condensateur à stocker la charge, vous pouvez faire une expérience de pensée pour créer un condensateur avec la plus grande capacité possible.
- Vous pouvez essayer d'augmenter la surface des plaques. Cela entraînera une forte augmentation des dimensions et du poids de l'appareil. Pour réduire la taille du revêtement avec un diélectrique les séparant, ils sont enroulés (en tube, briquette plate, etc.).
- Une autre façon est de réduire la distance entre les plaques. Il n'est pas toujours possible de placer les conducteurs très près, car la couche diélectrique doit supporter une certaine différence de potentiel entre les plaques. Plus l'épaisseur est petite, plus la rigidité diélectrique de l'espace isolant est faible. Si vous empruntez cette voie, il viendra un moment où l'utilisation pratique d'un tel condensateur n'aura plus de sens - il ne peut fonctionner qu'à des tensions extrêmement basses.
- Augmenter la perméabilité électrique du diélectrique. Cette voie dépend du développement des technologies de production qui existent actuellement. Le matériau isolant doit non seulement avoir une valeur de perméabilité élevée, mais également de bonnes propriétés diélectriques, et également maintenir ses paramètres dans la plage de fréquences requise (avec une augmentation de la fréquence à laquelle le condensateur fonctionne, les caractéristiques du diélectrique diminuent).
Certaines installations spécialisées ou de recherche peuvent utiliser des condensateurs sphériques ou cylindriques.
La capacité d'un condensateur sphérique peut être calculée par la formule
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
où R sont les rayons des sphères, et π=3.14.
Pour un condensateur cylindrique, la capacité est calculée comme suit :
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l est la hauteur des cylindres, et R1 et R2 sont leurs rayons.
Fondamentalement, les deux formules ne diffèrent pas de la formule d'un condensateur plat. La capacité est toujours déterminée par les dimensions linéaires des plaques, la distance entre elles et les propriétés du diélectrique.
Connexion série et parallèle des condensateurs
Les condensateurs peuvent être connectés en série ou en parallèle, obtenant un ensemble avec de nouvelles caractéristiques.
Connexion parallèle
Si vous connectez les condensateurs en parallèle, la capacité totale de la batterie résultante est égale à la somme de toutes les capacités de ses composants. Si la batterie est constituée de condensateurs de même conception, cela peut être considéré comme l'ajout de la surface de toutes les plaques. Dans ce cas, la tension sur chaque cellule de la batterie sera la même et les charges s'additionneront. Pour trois condensateurs connectés en parallèle :
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
connexion série
Lorsqu'elles sont connectées en série, les charges de chaque capacité seront les mêmes :
q1= q2= q3= q
La tension totale est répartie proportionnellement capacités des condensateurs:
- tu1=q/C1;
- tu2=q/C2;
- tu3= q/c3.
Si tous les condensateurs sont identiques, alors des chutes de tension égales à travers chacun. La capacité totale se calcule comme suit :
С=q/( U1+U2+U3), donc 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/S2+1/S3.
L'utilisation de condensateurs dans la technologie
Il est logique d'utiliser des condensateurs comme dispositifs de stockage d'énergie électrique. À ce titre, ils ne peuvent pas concurrencer les sources électrochimiques (batteries galvaniques, condensateurs) en raison de la faible énergie stockée et de l'autodécharge assez rapide due aux fuites de charge à travers le diélectrique.Mais leur capacité à accumuler de l'énergie pendant une longue période, puis à la restituer presque instantanément, est largement utilisée. Cette propriété est utilisée dans les lampes flash pour la photographie ou les lampes pour l'excitation des lasers.
Les condensateurs sont largement utilisés dans l'ingénierie radio et l'électronique. Les capacités sont utilisées dans le cadre des circuits résonnants comme l'un des éléments de réglage de fréquence des circuits (l'autre élément est l'inductance). Il utilise également la capacité des condensateurs à ne pas laisser passer de courant continu sans retarder la composante variable. Une telle application est courante pour séparer des étages d'amplification afin d'exclure l'influence des modes continus d'un étage sur un autre. Les gros condensateurs sont utilisés comme filtres de lissage dans les alimentations. Il existe également un grand nombre d'autres applications de condensateurs où leurs propriétés sont utiles.
Quelques conceptions de condensateurs pratiques
En pratique, différentes conceptions de condensateurs plats sont utilisées. La conception de l'appareil détermine ses caractéristiques et sa portée.
condensateur variable
Un type courant de condensateur variable (VPC) consiste en un bloc de plaques mobiles et fixes séparées par de l'air ou un isolant solide. Les plaques mobiles tournent autour de l'axe, augmentant ou diminuant la zone de chevauchement. Lorsque le bloc mobile est retiré, l'écart interélectrode reste inchangé, mais la distance moyenne entre les plaques augmente également. La constante diélectrique de l'isolant reste également inchangée. La capacité est régulée en modifiant la surface des plaques et la distance moyenne entre elles.
condensateur à oxyde
Auparavant, un tel condensateur était appelé électrolytique. Il se compose de deux bandes de papier d'aluminium séparées par un papier diélectrique imprégné d'un électrolyte. La première bande sert de plaque, la deuxième plaque sert d'électrolyte. Le diélectrique est une fine couche d'oxyde sur l'une des bandes métalliques, et la seconde bande sert de collecteur de courant.
Du fait que la couche d'oxyde est très mince et que l'électrolyte la jouxte étroitement, il est devenu possible d'obtenir des capacités suffisamment grandes avec des tailles modérées. Le prix pour cela était une faible tension de fonctionnement - la couche d'oxyde n'a pas une résistance électrique élevée. Avec une augmentation de la tension de fonctionnement, il est nécessaire d'augmenter considérablement les dimensions du condensateur.
Un autre problème est que l'oxyde a une conductivité unilatérale, de sorte que de tels conteneurs ne sont utilisés que dans des circuits à courant continu avec polarité.
Ionistor
Comme indiqué ci-dessus, les méthodes traditionnelles d'augmentation Condensateurs ont des limites naturelles. Par conséquent, la véritable percée a été la création d'ionistors.
Bien que ce dispositif soit considéré comme un lien intermédiaire entre un condensateur et une batterie, il s'agit essentiellement d'un condensateur.
La distance entre les plaques est drastiquement réduite grâce à l'utilisation d'une double couche électrique. Les plaques sont des couches d'ions de charges opposées. Il est devenu possible d'augmenter fortement la surface des plaques grâce aux matériaux poreux en mousse. En conséquence, il est possible d'obtenir des supercondensateurs d'une capacité allant jusqu'à des centaines de farads.Une maladie congénitale de ces appareils est une faible tension de fonctionnement (généralement inférieure à 10 volts).
Le développement de la technologie ne s'arrête pas - les lampes de nombreuses régions sont déplacées par des transistors bipolaires, elles sont à leur tour remplacées par des triodes unipolaires. Lors de la conception de circuits, ils essaient de se débarrasser des inductances dans la mesure du possible. Et les condensateurs n'ont pas perdu leurs places depuis le IIe siècle, leur conception n'a pas fondamentalement changé depuis l'invention de la bouteille de Leyde, et il n'y a aucune perspective de fin de carrière.
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