Ce este capacitatea în inginerie electrică

Capacitatea electrică caracterizează proprietatea corpurilor conductoare de a se încărca sub influența unui câmp electric și, de asemenea, de a acumula energie electrică în câmpul acestor corpuri.

O analogie a capacității electrice în domeniul hidrostaticei poate fi capacitatea specifică a unei nave pe unitate de înălțime, care este numeric egală cu aria secțiunii orizontale a navei.

Imaginați-vă o cisterna înaltă. Cantitatea de lichid (cantitatea de energie electrică de pe corp) care poate fi stocată în rezervor depinde de înălțimea umplerii acestuia (potențialul corpului), precum și de volumul de lichid pe unitatea de înălțime a rezervorului (capacitatea corpului). Acest volum de lichid, la rândul său, depinde de zona părții orizontale a rezervorului - de diametrul acestuia.

Cu cât este mai mare acest diametru și, prin urmare, volumul pe unitate de înălțime, cu atât este mai mare capacitatea specifică pe înălțime a rezervorului (capacitatea electrică dintre cele două plăci este proporțională cu aria plăcilor, vezi - Ce determină capacitatea unui condensator?).În consecință, depinde de valoarea volumului de lichid pe unitate de înălțime și de munca care trebuie cheltuită pentru umplerea rezervorului.

Să presupunem că există două bile de cupru de aceeași dimensiune (roșu și albastru) situate la o anumită distanță una de cealaltă în spațiu. Luați o baterie de 9 volți și conectați-o cu poli opuși acestor două bile, astfel încât «+» să fie conectat la o minge (la albastru) și «-» la cealaltă (la roșu). Între bile va apărea o diferență de potențial electric egală cu tensiunea bateriei V = 9 volți.

Stările electrice ale acestor două bile de cupru au devenit imediat diferite față de înainte de conectarea bateriei, deoarece acum există sarcini electrice opuse pe bile care interacționează, experimentând forța de atracție una față de cealaltă.

Putem spune că bateria a transferat o sarcină pozitivă + q de la bila din stânga la dreapta și prin urmare diferența de potențial dintre bile a devenit V = 9 volți. Acum bila din stânga este încărcată negativ -q.

Dacă adăugăm în serie o altă baterie de același tip la circuit, atunci diferența de potențial dintre bile va deveni de două ori mai mare, tensiunea dintre ele nu va mai fi de 9 volți, ci de 18 volți, iar sarcina se va muta de la minge la minge se va dubla de asemenea (va deveni 2q), precum și tensiunea. Dar care este mărimea acestei sarcini q care se mișcă de fiecare dată când tensiunea crește cu 9 volți?

Evident, mărimea acestei sarcini este proporțională cu diferența de potențial creată între bile. Dar în ce raport numeric exact se află sarcina și diferența de potențial? Aici va trebui să introducem o astfel de caracteristică a conductorului precum capacitatea electrică C.

Capacitatea este o măsură a capacității unui conductor de a stoca sarcina electrică. De asemenea, este important să înțelegeți că atunci când primul fir este încărcat, puterea câmpului electric din jurul acestuia crește. În consecință, efectul primului fir încărcat asupra celui de-al doilea fir încărcat va crește, mai ales dacă încep să se apropie unul de celălalt.

Forța de interacțiune între firele încărcate devine mai mare dacă distanța dintre ele devine mai mică. În plus, în funcție de parametrii mediului dintre fire, puterea interacțiunii lor poate fi și ea diferită.

Deci, dacă există un vid între fire, atunci forța de atracție dintre sarcinile lor va fi una, dar dacă nailonul este plasat între fire în loc de vid, atunci forța interacțiunii electrostatice se va tripla, deoarece nailonul trece un câmp electric prin el însuși de 3 ori mai bine decât aerul și de fapt datorită câmpului electric, firele încărcate interacționează între ele.

Dacă firele încărcate încep să se răspândească unele de altele în direcții diferite, atunci vor interacționa mai puțin, diferența de potențial va fi mai mare pentru aceleași sarcini, adică capacitatea unui astfel de sistem va scădea odată cu separarea firelor. Lucrarea se bazează pe ideea capacității electrice condensatoare.

Condensatoare

Proprietatea conductoarelor încărcate de a interacționa electrostatic între ele prin câmpurile electrice separate de un dielectric este folosită în condensatori.

Din punct de vedere structural, condensatorii sunt două plăci numite plăci. Plăcile sunt separate printr-un dielectric.Pentru a obține o capacitate cât mai mare este necesar ca plăcile să aibă o suprafață mare și distanța dintre ele să fie minimă.

Condensatorii din inginerie electrică servesc ca acumulatori de energie electrică într-un câmp electric care este concentrat în volumul de dielectric plasat între plăcile condensatorului, datorită căruia sarcina este acumulată sau îndepărtată (sub formă de curent electric).

Două plăci sunt plasate la o mică distanță una de cealaltă în interiorul unei carcase etanșe. Ceramica, polipropilena, electrolitica, tantal etc. — condensatorii diferă prin tipul de dielectric dintre plăci.

Condensatorii sunt de înaltă tensiune și de joasă tensiune, în funcție de rigiditatea dielectrică.

În funcție de aria plăcilor și de constanta dielectrică a dielectricului utilizat, există condensatoare cu o capacitate mare, ajungând la sute de farazi (supercondensatori) și capacitate mică - unități de picofaradi.

Utilizarea capacității electrice în inginerie electrică

Proprietatea sistemelor capacitive este utilizată pe scară largă în inginerie electrică în tehnologiile de curent alternativ, în special în domeniul frecvențelor înalte și ultraînalte.

În tehnologia DC, capacitatea este utilizată în dispozitivele de magnetizare cu magnet permanenți, pentru sudarea electrică în impulsuri, testele de rupere dielectrică în impulsuri, netezirea curbei de curent în redresoare etc.

Capacitatea oricărui sistem de corpuri conductoare izolate, care nu poate fi complet redusă la zero, poate avea în unele cazuri un efect nedorit asupra caracteristicilor dispozitivelor electrice (sub formă de interferență, scurgere capacitivă etc.).

Puteți scăpa de o astfel de influență sau compensând în mod corespunzător efectul acesteia (de obicei folosind inductanța), sau prin crearea unor astfel de condiții în care potențialele anumitor corpuri ale sistemului în raport cu obiectele din jur să aibă o valoare minimă (de exemplu, împământarea unuia dintre corpuri).