Τι είναι η χωρητικότητα στην ηλεκτρική μηχανική

Η ηλεκτρική χωρητικότητα χαρακτηρίζει την ιδιότητα των αγώγιμων σωμάτων να φορτίζουν υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου και επίσης να συσσωρεύουν ηλεκτρική ενέργεια στο πεδίο αυτών των σωμάτων.

Μια αναλογία της ηλεκτρικής χωρητικότητας στον τομέα της υδροστατικής μπορεί να είναι η ειδική χωρητικότητα ενός σκάφους ανά μονάδα ύψους, η οποία είναι αριθμητικά ίση με την περιοχή του οριζόντιου τμήματος του σκάφους.

Φανταστείτε μια ψηλή στέρνα. Η ποσότητα υγρού (η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στο σώμα) που μπορεί να αποθηκευτεί στη δεξαμενή εξαρτάται από το ύψος πλήρωσής της (δυναμικό σώματος) καθώς και από τον όγκο του υγρού ανά μονάδα ύψους της δεξαμενής (χωρητικότητα σώματος). Αυτός ο όγκος υγρού, με τη σειρά του, εξαρτάται από την περιοχή του οριζόντιου τμήματος της δεξαμενής - από τη διάμετρό του.

Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διάμετρος και επομένως ο όγκος ανά μονάδα ύψους, τόσο μεγαλύτερη είναι η ειδική χωρητικότητα ανά ύψος της δεξαμενής (η ηλεκτρική χωρητικότητα μεταξύ των δύο πλακών είναι ανάλογη με το εμβαδόν των πλακών, βλ. Τι καθορίζει την χωρητικότητα ενός πυκνωτή;).Αντίστοιχα, εξαρτάται από την τιμή του όγκου του υγρού ανά μονάδα ύψους και την εργασία που πρέπει να δαπανηθεί για την πλήρωση της δεξαμενής.

Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν δύο χάλκινες μπάλες ίδιου μεγέθους (κόκκινες και μπλε) που βρίσκονται σε μια ορισμένη απόσταση η μία από την άλλη στο διάστημα. Πάρτε μια μπαταρία 9 volt και συνδέστε την με αντίθετους πόλους σε αυτές τις δύο μπάλες, έτσι ώστε το «+» να συνδεθεί στη μία μπάλα (στο μπλε) και το «-» στην άλλη (στο κόκκινο). Μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού ίση με την τάση της μπαταρίας V = 9 βολτ θα εμφανιστεί μεταξύ των σφαιρών.

Οι ηλεκτρικές καταστάσεις αυτών των δύο χάλκινων σφαιρών έγιναν αμέσως διαφορετικές από ό,τι πριν συνδεθεί η μπαταρία, επειδή τώρα υπάρχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία στις μπάλες που αλληλεπιδρούν, βιώνοντας τη δύναμη έλξης η μία προς την άλλη.

Μπορούμε να πούμε ότι η μπαταρία έχει μεταφέρει θετικό φορτίο + q από την αριστερή μπάλα προς τα δεξιά και επομένως η διαφορά δυναμικού μεταξύ των σφαιρών έχει γίνει V = 9 βολτ. Τώρα η αριστερή μπάλα είναι αρνητικά φορτισμένη -q.

Εάν προσθέσουμε άλλη μπαταρία ίδιου τύπου στο κύκλωμα σε σειρά, τότε η διαφορά δυναμικού μεταξύ των σφαιρών θα γίνει διπλάσια, η τάση μεταξύ τους δεν θα είναι πλέον 9 βολτ, αλλά 18 βολτ και η φόρτιση θα μετακινηθεί από το η μπάλα στην μπάλα θα διπλασιαστεί επίσης (θα γίνει 2q) καθώς και η τάση. Ποιο είναι όμως το μέγεθος αυτού του φορτίου q που κινείται κάθε φορά που η τάση αυξάνεται κατά 9 βολτ;

Προφανώς, το μέγεθος αυτού του φορτίου είναι ανάλογο με τη διαφορά δυναμικού που δημιουργείται μεταξύ των σφαιρών. Αλλά σε ποια ακριβή αριθμητική αναλογία είναι η διαφορά φορτίου και δυναμικού; Εδώ θα πρέπει να εισαγάγουμε ένα τέτοιο χαρακτηριστικό του αγωγού όπως η ηλεκτρική χωρητικότητα C.

Η χωρητικότητα είναι ένα μέτρο της ικανότητας ενός αγωγού να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο. Είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσουμε ότι όταν φορτίζεται το πρώτο καλώδιο, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου γύρω του αυξάνεται. Αντίστοιχα, η επίδραση του πρώτου φορτισμένου καλωδίου στο δεύτερο φορτισμένο καλώδιο θα αυξηθεί, ειδικά αν αρχίσουν να πλησιάζουν το ένα στο άλλο.

Η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ φορτισμένων συρμάτων γίνεται μεγαλύτερη αν η απόσταση μεταξύ τους γίνει μικρότερη. Επιπλέον, ανάλογα με τις παραμέτρους του μέσου μεταξύ των συρμάτων, η ισχύς της αλληλεπίδρασής τους μπορεί επίσης να είναι διαφορετική.

Έτσι, εάν υπάρχει κενό μεταξύ των συρμάτων, τότε η δύναμη έλξης μεταξύ των φορτίων τους θα είναι μία, αλλά εάν τοποθετηθεί νάιλον μεταξύ των καλωδίων αντί για κενό, τότε η δύναμη της ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης θα τριπλασιαστεί, επειδή το νάιλον διέρχεται ηλεκτρικό πεδίο διαμέσου του 3 φορές καλύτερο από τον αέρα και στην πραγματικότητα λόγω του ηλεκτρικού πεδίου, τα φορτισμένα καλώδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Εάν τα φορτισμένα καλώδια αρχίσουν να εξαπλώνονται μεταξύ τους σε διαφορετικές κατευθύνσεις, τότε θα αλληλεπιδρούν λιγότερο, η διαφορά δυναμικού θα είναι μεγαλύτερη για τα ίδια φορτία, δηλαδή, η χωρητικότητα ενός τέτοιου συστήματος θα μειωθεί με το διαχωρισμό των καλωδίων. Η εργασία βασίζεται στην ιδέα της ηλεκτρικής χωρητικότητας πυκνωτές.

Πυκνωτές

Η ιδιότητα των φορτισμένων αγωγών να αλληλεπιδρούν ηλεκτροστατικά μεταξύ τους μέσω των ηλεκτρικών πεδίων του άλλου που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό χρησιμοποιείται στους πυκνωτές.

Δομικά, οι πυκνωτές είναι δύο πλάκες που ονομάζονται πλάκες. Οι πλάκες χωρίζονται με ένα διηλεκτρικό.Για να αποκτήσετε τη μεγαλύτερη δυνατή χωρητικότητα, είναι απαραίτητο οι πλάκες να έχουν μεγάλη επιφάνεια και η απόσταση μεταξύ τους να είναι ελάχιστη.

Οι πυκνωτές στην ηλεκτρική μηχανική χρησιμεύουν ως συσσωρευτές ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό πεδίο που συγκεντρώνεται στον όγκο του διηλεκτρικού που τοποθετείται μεταξύ των πλακών του πυκνωτή, λόγω του οποίου το φορτίο συσσωρεύεται ή αφαιρείται (με τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος).

Δύο πλάκες τοποθετούνται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους μέσα σε ένα σφραγισμένο περίβλημα. Κεραμικό, πολυπροπυλένιο, ηλεκτρολυτικό, ταντάλιο κ.λπ. — οι πυκνωτές διαφέρουν ως προς τον τύπο του διηλεκτρικού μεταξύ των πλακών.

Οι πυκνωτές είναι υψηλής τάσης και χαμηλής τάσης, ανάλογα με τη διηλεκτρική ισχύ.

Ανάλογα με την περιοχή των πλακών και τη διηλεκτρική σταθερά του χρησιμοποιούμενου διηλεκτρικού, υπάρχουν πυκνωτές με μεγάλη χωρητικότητα, που φτάνουν τις εκατοντάδες farads (υπερπυκνωτές) και μικρή χωρητικότητα - μονάδες picofarads.

Η χρήση της ηλεκτρικής χωρητικότητας στην ηλεκτρική μηχανική

Η ιδιότητα των χωρητικών συστημάτων χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική σε τεχνολογίες εναλλασσόμενου ρεύματος, ειδικά στον τομέα των υψηλών και υπερυψηλών συχνοτήτων.

Στην τεχνολογία DC, η χωρητικότητα χρησιμοποιείται σε συσκευές μαγνήτισης μόνιμου μαγνήτη, για παλμική ηλεκτρική συγκόλληση, παλμικές δοκιμές διάσπασης διηλεκτρικών, εξομάλυνση καμπύλης ρεύματος σε ανορθωτές κ.λπ.

Η χωρητικότητα οποιουδήποτε συστήματος απομονωμένων αγώγιμων σωμάτων, η οποία δεν μπορεί να μειωθεί πλήρως στο μηδέν, μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να έχει ανεπιθύμητη επίδραση στα χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών συσκευών (με τη μορφή παρεμβολής, χωρητικής διαρροής κ.λπ.).

Μπορείτε να απαλλαγείτε από μια τέτοια επιρροή ή αντισταθμίζοντας κατάλληλα την επίδρασή της (συνήθως χρησιμοποιώντας επαγωγή), είτε δημιουργώντας τέτοιες συνθήκες στις οποίες τα δυναμικά ορισμένων σωμάτων του συστήματος σε σχέση με τα γύρω αντικείμενα έχουν μια ελάχιστη τιμή (για παράδειγμα, γείωση ενός από τα σώματα).