Kapacita v elektrotechnice: definice, příklady, použití, kondenzátory, vlastnosti systémů s kapacitou

Kapacita v elektrotechnice je charakteristika vodiče nebo soustavy vodičů, která ukazuje, kolik elektrického náboje lze akumulovat při daném potenciálovém rozdílu, tj. elektrická kapacita charakterizuje vlastnost vodivých těles nabíjet se vlivem elektrického pole, jakož i akumulovat elektrickou energii v poli energie těchto těles.

Kapacita se měří ve faradech (F) a závisí na tvaru, velikosti a vzdálenosti mezi vodiči a také na vlastnostech prostředí, ve kterém se nacházejí.

Hlavním prvkem s kapacitou je kondenzátor. Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek oddělených dielektrikem (nevodivé médium). Při připojení zdroje napětí na desky se na nich vytvoří náboj opačného znaménka. Potenciální rozdíl mezi deskami je úměrný náboji a kapacita kondenzátoru se rovná poměru náboje k napětí.

Analogem elektrické kapacity v oblasti hydrostatiky může být měrná kapacita nádoby na jednotku výšky, která se číselně rovná vodorovné ploše průřezu nádoby.

Představme si vysoký tank. Množství kapaliny (množství elektřiny na těle), které lze uložit do nádrže, závisí na výšce jejího naplnění (potenciál těla), stejně jako na objemu kapaliny na jednotku výšky nádrže (kapacita těla) . Tento objem kapaliny zase závisí na vodorovné ploše průřezu nádrže – na jejím průměru.

Čím větší je tento průměr, a tedy i objem na jednotku výšky, tím větší je měrná kapacita podél výšky nádrže (elektrická kapacita mezi dvěma deskami je úměrná ploše desek, viz – Co určuje kapacitu kondenzátor). V souladu s tím závisí práce potřebná k naplnění nádrže na objemu kapaliny na jednotku výšky.

Řekněme, že v prostoru jsou dvě měděné koule stejné velikosti (červená a modrá), umístěné v určité vzdálenosti od sebe. Vezmeme baterii s napětím 9 voltů a připojíme ji opačnými póly k těmto dvěma koulím, takže k jedné kouli (modré) je připojeno „+“ a ke druhé „-“ ( ten červený). Mezi kuličkami vznikne rozdíl elektrického potenciálu rovný napětí baterie V = 9 voltů.

Elektrické stavy těchto dvou měděných kuliček se okamžitě změnily, než byly před připojením baterie, protože nyní mají koule opačné elektrické náboje, které interagují a zažívají k sobě přitažlivou sílu.

Dá se říci, že baterie přenesla kladný náboj +q z levé koule na pravou, a proto se potenciální rozdíl mezi kuličkami stal U = 9 voltů. Levá koule má nyní záporný náboj -q.

Pokud do obvodu přidáte další baterii stejného typu v sérii, pak se potenciální rozdíl mezi kuličkami zdvojnásobí, napětí mezi nimi již nebude 9 voltů, ale 18 voltů a náboj se přesune z koule na míč se také zdvojnásobí (stane se 2q), as a napětí. Jaká je ale velikost tohoto náboje q, který se pohne pokaždé, když se napětí zvýší o 9 voltů?

Je zřejmé, že velikost tohoto náboje je úměrná rozdílu potenciálu vytvořeného mezi kuličkami. Ale v jakém přesném číselném poměru je rozdíl mezi nábojem a potenciálem? Zde budeme muset zavést takovou charakteristiku vodiče, jako je elektrická kapacita C.

Elektrická kapacita je mírou schopnosti vodiče ukládat elektrický náboj. Je také důležité pochopit, že když je první vodič nabitý, intenzita elektrického pole kolem něj se zvyšuje. V důsledku toho se účinek prvního nabitého vodiče na druhý nabitý vodič zvýší, zejména pokud se začnou přibližovat k sobě.

Síla interakce mezi nabitými vodiči se zvětší, pokud se vzdálenost mezi nimi zmenší. Navíc v závislosti na parametrech prostředí mezi vodiči může být i síla jejich vzájemného působení různá.

Pokud je tedy mezi vodiči vakuum, pak bude síla přitažlivosti jejich nábojů stejná, ale pokud se mezi vodiče umístí místo vakua nylon, pak se síla elektrostatické interakce ztrojnásobí, protože nylon je 3 krát lepší při přenosu elektrického pole skrz sebe než vzduch, a to právě Díky elektrickému poli nabité vodiče vzájemně interagují.

Pokud se nabité vodiče začnou od sebe vzdalovat v různých směrech, pak začnou interagovat slabší, potenciální rozdíl bude větší pro stejné náboje, to znamená, že kapacita takového systému se sníží, když se vodiče oddělí. Provoz kondenzátorů je založen na konceptu elektrické kapacity.

Kondenzátory

Vlastnost nabitých vodičů vzájemně elektrostaticky interagovat prostřednictvím elektrických polí druhého, zatímco jsou odděleny dielektrikem, se využívá v kondenzátorech.

Spolu s rezistory, induktory a transformátory je kondenzátor hlavním pasivním prvkem elektrických obvodů.

První kondenzátor se stal celosvětově známým jako Leydenská nádoba. K objevu vlastnosti ukládání elektrických nábojů v Leydenské nádobě došlo náhodou, během experimentů s elektrostatickým generátorem, nebo, jak se tehdy říkalo, se strojem Otto von Guerickeho.

Návrhy na využití kondenzátorů v technice se začaly objevovat v polovině 19. století. Joachim Buggs získal patent na způsob zapalování plynových lamp pomocí kondenzátorového výboje a poté na použití kondenzátorů v telegrafu.

Hlavním kvalitativním posunem ve vývoji kondenzátoru bylo vytvoření na počátku dvacátého století specializovaných podniků na výrobu kondenzátorů. Poměrně jasné je také rozdělení kondenzátorů do hlavních skupin, které se dochovaly dodnes.

Kondenzátor prošel dlouhou evolucí, která byla zpočátku do značné míry určena vývojem oblastí, kde bylo jeho použití povinné. Později se však začaly používat, když zlepšily vlastnosti instalací, například zvýšily jejich výkon a přinesly úspory elektrické energie.

Pouhý výčet oblastí použití a typů kondenzátorů, nemluvě o vlastnostech jejich provozu v různých obvodech, by zabral mnoho stran.

Ročně se po celém světě vyrobí desítky miliard kondenzátorů a jejich produkce stále roste.

Kondenzátory se konstrukčně skládají ze dvou desek nazývaných desky. Desky jsou odděleny dielektrikem. Pro získání co největší kapacity je nutné, aby desky měly velkou plochu a aby vzdálenost mezi nimi byla minimální.

Kondenzátory v elektrotechnice slouží jako zásobníky elektrické energie v elektrickém poli, které je koncentrováno v objemu dielektrika umístěného mezi deskami kondenzátoru, díky kterému dochází k akumulaci nebo odstranění náboje (ve formě elektrického proudu).

Tyto dvě desky jsou umístěny v malé vzdálenosti od sebe uvnitř utěsněného pouzdra. Keramické, polypropylenové, elektrolytické, tantalové atd. – kondenzátory se liší typem dielektrika mezi deskami.

Přestože jsou kondenzátory jednoduché konstrukce, mají složité a různorodé (pro pasivní prvky) konstrukce.

Podle vlastností použitých dielektrik lze elektrické kondenzátory rozdělit do pěti skupin.

• Kondenzátory s plynným dielektrikem. Patří mezi ně vzduchové, plynem plněné a vakuové kondenzátory.
• Kondenzátory s kapalným dielektrikem. Mohou to být kondenzátory plněné olejem a kondenzátory naplněné speciálními kapalinami.
• Kondenzátory s pevným anorganickým dielektrikem. Patří mezi ně následující typy kondenzátorů: křemenné, slídové, skleněné a sklo-smaltované, sírové a keramické – porcelán nebo speciální keramika.
• Kondenzátory s pevným organickým dielektrikem. Patří sem papírové kondenzátory impregnované pevným, kapalným nebo polotekutým dielektrikem; fóliové kondenzátory používající různé tepelně odolné fólie.
• Elektrolytické kondenzátory. Patří mezi ně kapalné a suché polární a nepolární kondenzátory.

Kondenzátory jsou vysokonapěťové a nízkonapěťové – v závislosti na dielektrické pevnosti.

V závislosti na ploše desek a dielektrické konstantě použitého dielektrika se kondenzátory dodávají jak ve velké kapacitě, dosahující stovek faradů (ionistorů), tak ve velmi malé kapacitě – jednotkách pikofaradů.

Kondenzátor je obvykle chápán jako prvek s koncentrovanou kapacitou, tedy takový, ve kterém je energie akumulována v elektrickém poli zabírajícím relativně malý objem.

Pro zmenšení velikosti kondenzátorů se vyvíjejí návrhy, ve kterých by hustota energie byla největší.

Ale člověk se musí vypořádat s většinou objektů, které mají takzvanou distribuovanou kapacitu.

Existují přirozená paměťová zařízení, jako jsou cloudy. V úzkém slova smyslu to nejsou kondenzátory, protože nemají jasně definované desky. Vlastnost ukládání energie v elektrickém poli nám však umožňuje považovat je za elektrické kondenzátory.

Využití elektrické kapacity v elektrotechnice

Vlastnosti systémů s kapacitou jsou široce využívány v elektrotechnice v technice střídavého proudu, zejména v oblasti vysokých a ultravysokých frekvencí.

V technologii střídavého proudu je důležité vzít v úvahu interakci kapacity s dalšími parametry elektrického obvodu, jako je odpor a indukčnost.

Tyto parametry určují impedanci (odpor proti střídavému proudu) a jalový výkon (výkon, který nekoná užitečnou práci, ale je pouze čerpán mezi zdrojem a zátěží). V závislosti na vztahu mezi těmito parametry může kapacita buď zvýšit nebo snížit impedanci a jalový výkon.

Pro optimální provoz elektrického obvodu je nutné zvolit hodnoty kapacity, které poskytují požadovanou impedanci a jalový výkon.

V technologii stejnosměrného proudu se kapacita používá v zařízeních pro magnetizaci permanentních magnetů, pro pulzní elektrické svařování, pulzní zkoušky pro průraz dielektrik, vyhlazování proudové křivky v usměrňovacích zařízeních atd.

Kapacita libovolné soustavy izolovaných vodivých těles, kterou nelze zcela snížit na nulu, však může mít v některých případech nežádoucí vliv na vlastnosti elektrických zařízení (ve formě rušení, kapacitního úniku apod.).

Tohoto vlivu se můžete zbavit buď vhodnou kompenzací jeho působení (zpravidla pomocí indukčnosti), nebo vytvořením podmínek, za kterých potenciály určitých těles soustavy vůči okolním objektům mají minimální hodnotu (např. uzemnění jednoho z těl).

Přírodní kondenzátory

Vodivé nebo polovodivé předměty nebo tělesa často tvoří se zemí i mezi sebou systémy schopné akumulovat elektrické náboje, tj. mají kapacitu. V důsledku toho žijeme ve světě „přirozených“ kondenzátorů.

Jaké vlastnosti musí mít tělesa nebo předměty, aby byly „přirozenými“ kondenzátory? Jaké jsou jejich vlastnosti a role? Jaký zdroj energie je nabíjí? Jaká je povaha nábojů a jak dlouho je takové kondenzátory udrží?

Tyto a mnohé další otázky vyvstávají. Některé z nich matou i specialisty.

Povinné podmínky pro vytvoření „přirozeného“ kondenzátoru jsou přítomnost dostatečně dobré vodivosti těles nebo předmětů, jakož i izolace mezi nimi a zemí.

Kapacita těchto kondenzátorů závisí na velikosti předmětů nebo těles a vzdálenosti mezi nimi: Čím větší velikost a čím kratší vzdálenost, tím větší kapacita.

„Přirozené“ distribuované kondenzátory nadzemního elektrického vedení vysokého napětí

V suchém počasí mohou lidé nosící syntetické oblečení při potřesení rukou pociťovat silný výtok, který se projevuje jako píchání a je doprovázen jasně slyšitelným praskavým zvukem. Tím se prorazí kondenzátor, jehož deskami jsou sami lidé a dielektrikem je vzduch mezi nimi.

V suchém počasí je odpor izolace (vzduchu a obuvi) vysoký a přispívá k akumulaci nábojů vznikajících při elektrifikaci v důsledku tření syntetických materiálů.

Napětí vznikající na takovém „přirozeném“ kondenzátoru v důsledku akumulace nábojů může dosáhnout několika tisíc voltů. Jeho kapacita je však docela malá – asi tucet pikofaradů.

Zvláště silný výboj nastává, když jsou dvě desky takového kondenzátoru nabity náboji opačného znaménka, protože rozdíl potenciálů se zdvojnásobí. Takové účinky jsou však poměrně vzácné a způsobují pouze mírný šok.

Nebezpečnější je výboj kondenzátoru generovaný automobilem, jehož kovové části jsou jednou z desek a druhou deskou je zem. Nevodivé pryžové pneumatiky jsou izolantem. V důsledku tření pneumatik a dalších procesů se může na vozidle hromadit elektrický náboj.

Kapacita takového kondenzátoru je asi sto pikofaradů a napětí, na které lze nabíjet, jsou desítky tisíc voltů.

Energie jiskry při průrazu takového kondenzátoru (k průrazu může dojít podél povrchu pneumatik k zemi nebo vzduchem k jinému blízkému autu) je dostatečná k vznícení a explozi benzínových par nebo jiných látek.

Proto jsou nákladní vozy na palivo vybaveny řetězy v kontaktu se zemí, po kterých nálože „odtékají“ do země.

Je známo, že statická elektřina a výboje „přírodních“ kondenzátorů způsobují mnoho problémů v podnicích s výbušnou atmosférou (doly, mlýny, chemické závody atd.).

Obecně neškodné vybití „přirozených“ kondenzátorů může často zhoršit kvalitu výrobků nebo je dokonce učinit nepoužitelnými.

Některá polovodičová zařízení jsou například velmi citlivá na takové výboje a zcela selžou, pokud před manipulací s nimi nebudou přijata speciální opatření.

Jsou známy případy, kdy poruchy „přirozeného“ kondenzátoru vytvořeného operátory v syntetickém oblečení způsobily poruchy v provozu počítačového vybavení.

Příčina poruch nebyla bezprostředně stanovena. Velikost nábojů, a zejména kapacity a napětí „přirozených“ kondenzátorů, nejsou konstantní: mění se, jak se objekty nebo tělesa tvořící tyto kondenzátory pohybují, v důsledku změn vzdáleností mezi nimi, a také závisí na stavu. atmosféry, což ovlivňuje izolační odpor a akumulaci nábojů.

„Přirozené“ kondenzátory dostávají náboje nejen v důsledku elektrifikace, když se na nich objeví napětí konstantního znaménka. Může jimi protékat i střídavý proud, pokud je jedna z desek vodič pod střídavým napětím.

Efekt „přirozených“ kondenzátorů se silně projevuje v technice drátové komunikace a ve vysokonapěťových systémech přenosu elektrické energie.

Kapacita elektrického vedení

Elektrické vodiče oddělené vzduchem nebo jiným izolantem (dielektrikem) tvoří kondenzátor, jehož kapacita je „rozložena“ po jeho délce a závisí na vzdálenosti mezi vodiči, průřezu a délce vodičů a také na vlastnosti dielektrik, které je oddělují.

Zároveň každý z vodičů tvoří distribuovaný kondenzátor vůči zemi. Vysokonapěťová nadzemní elektrická vedení 110 – 400 tisíc voltů mají díky značné vzdálenosti mezi dráty a nízké dielektrické konstantě vzduchu specifickou kapacitu mezi dráty řádově 10-8 F/km a o něco nižší k zemi.

Elektrické kabely mají stokrát větší měrnou kapacitu díky výrazně menší vzdálenosti mezi jejich jádry a větší dielektrické konstantě jejich izolačního materiálu.

Spolu s indukčností vedení, která je rovněž rozložena, vede přítomnost „přirozených“ kondenzátorů ke vzniku vlnových procesů ve vedeních (odraz, lom, atd.) při různých poruchách, například při úderu blesku, odpojení nebo připojení transformátorů atd.

Tyto procesy zase způsobují výskyt přepětí na vedení, které je nebezpečné pro jeho izolaci a zařízení k ní připojené.

I bez rušení však kapacita a indukčnost vedení vede k nerovnoměrnému rozložení napětí podél vedení, zvláště silnému při nezatíženém vedení.

První, ale ne poslední smutnou zkušenost s výskytem a projevem těchto jevů získali lidé na konci 19. století, kdy elektrotechnik Ferranti v Londýně prováděl pokusy s přenosem elektrické energie pomocí střídavého proudu po dlouhém kabelu.

Kvůli rezonančním jevům nevydržela izolace kabelu generované napětí naprázdno a prorazila se i přes svou rostoucí tloušťku, kterou výzkumník využil.

William Thomson navrhl východisko z kritické situace: na konec kabelu připojit tlumivku (induktor), která by „absorbovala“ přebytečný nabíjecí výkon kapacity kabelu a tím snížila napětí.

Vliv kapacity elektrického vedení na povahu rozložení napětí podél vedení, které je škodlivé při nečinnosti, tj. při absenci zátěže, se stává užitečným, když má vedení aktivní a zejména aktivní indukční zátěž.

Rozložené kapacity pak kompenzují indukční reaktanci elektrického vedení, čímž snižují ztráty napětí.

Nabíjecí proudy dlouhých vedení vysokého napětí mohou dosahovat jednotek i desítek ampér. Tyto poměrně významné proudy protékají „přirozenými“ kondenzátory elektrického vedení.

V tomto článku jsme se podívali na to, co je elektrická kapacita a jak charakterizuje vlastnost vodivých těles nabíjet a akumulovat elektrickou energii. Dozvěděli jsme se, jaké faktory ovlivňují hodnotu kapacity, jaké existují typy kondenzátorů, které jsou hlavní prvky s kapacitou v elektrotechnice.

Podívali jsme se také na to, jak se kapacita projevuje v různých aplikacích, jaké příznivé a škodlivé účinky může způsobit a jak je zaúčtovat nebo kompenzovat. Nakonec jsme se dozvěděli, že v přírodě a v každodenním životě existují „přirozené“ kondenzátory, které mají také kapacitu a mohou ukládat náboje.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti:

Vyberte si vhodný formát a témata!

Autor Sergey Korolev Délka čtení 4 min

Kondenzátor (z latinského „condensare“ – „zhutňovat“, „zahušťovat“, v běžné řeči „konder“) je jedním z nejběžnějších prvků v radioelektronice, hned po rezistoru. Skládá se ze dvou desek oddělených dielektrikem malé tloušťky ve srovnání s tloušťkou těchto desek. V praxi jsou však tyto desky srolovány do vícevrstvého půlměsíce, tedy válce nebo rovnoběžnostěnu oddělených stejným dielektrikem.

Princip činnosti kondenzátoru

Nabít. Po připojení ke zdroji energie se na anodách hromadí náboje. Při nabíjení se na jedné anodě hromadí kladně nabité částice. (ionty)a na druhé straně záporně nabité částice (elektrony)Dielektrikum slouží jako překážka, která zabraňuje částicím v přeskakování na jinou desku. Při nabíjení se napětí na svorkách zvyšuje spolu s kapacitou a dosahuje maxima rovného napětí zdroje energie.

Vybít. Pokud se po nabití kondenzátoru odpojí napájení a připojí se zátěž, kondenzátor již bude fungovat jako zdroj proudu. Elektrony se začnou pohybovat přes zátěž, která po připojení tvoří uzavřený obvod, k iontům (podle zákona přitažlivosti mezi různými výboji).

Hlavní parametry kondenzátoru jsou:

1. Nominálníkapacita – Toto je jeho hlavní charakteristika, která udává objem elektrických nábojů. Kapacita se měří ve faradech. (zkráceně F), v praxi se často setkáváme s μF (1μF = 0,000001 F), nF (1nF = 0,000000001 F), pF (1 pF = 0,000000000001 F), protože kapacita 1F je velmi velká. Existuje však součástka, která může mít kapacitu ještě větší než 1 Farad, nazývá se ionista (O něm a dalších povím později).
2. Jmenovité napětí – Toto je maximální napětí, při kterém může kondenzátor spolehlivě a dlouhodobě pracovat, měřeno samozřejmě ve voltech. (zkráceně B)Pokud je napětí překročeno, kondenzátor selže. V případech, kdy je nutné kondenzátor vyměnit a existuje kondenzátor s požadovanou kapacitou, ale je navržen pro vyšší napětí než vadný, můžete jej bezpečně nainstalovat. (například se „vypálil“ kondenzátor 450uF 10V, lze jej nahradit kondenzátorem 450uF 25VHlavní je, aby se jeho rozměry vešly do vaší desky.
3. Tolerance odchylky — přípustná odchylka hodnoty jeho skutečné kapacity od hodnoty uvedené na pouzdře. Udává se v procentech. Tolerance kondenzátorů může dosáhnout 20–30 %. V zařízeních, která vyžadují zvláštní přesnost, se používají kondenzátory s malou tolerancí. (1 % nebo méně).
4. Teplotní koeficient kapacity – se nachází na elektrolytických kondenzátorech. Kapacita hliníkového elektrolytického kondenzátoru závisí na teplotě. S klesající teplotou. (zejména pod 0 °C) viskozita elektrolytu a jeho ESR se zvyšují (měrný elektrický odpor), což vede ke snížení kapacity kondenzátoru.

K čemu jsou kondenzátory a čím se „konzumují“?

• V obvodu střídavého proudu je kondenzátor potřebný jako kapacitní odpor. Pokud je kondenzátor zapojen sériově s žárovkou ve stejnosměrném obvodu, nebude svítit, ale ve střídavém obvodu se rozsvítí. A bude svítit ještě jasněji a čím vyšší je kapacita kondenzátoru, tím jasnější bude světlo. Díky této vlastnosti se kondenzátory často používají k filtrování pulzujícího proudu. (jeho hlavní úkol v mnoha schématech), dobře potlačuje vysokofrekvenční a nízkofrekvenční rušení, střídavé přepětí a napěťové pulzy.
• Vzhledem k jejich hlavní vlastnosti, že akumulují elektrický náboj a poté ho rychle uvolňují, čímž vytvářejí impuls, jsou nepostradatelné při výrobě fotoblesků, magnetických urychlovačů, startérů atd.
• Kondenzátory se také používají ke spouštění třífázových motorů na jednofázovém napájení, připojením ke třetí svorce posunou fázi o 90 stupňů.
• Díky schopnosti akumulovat a uvolňovat náboj se kondenzátory používají v obvodech, ve kterých je nutné dlouhodobě ukládat informace. Bohužel však ve schopnosti akumulovat energii výrazně zaostávají za dobíjecími bateriemi, a to kvůli samovybíjení a neschopnosti akumulovat elektrickou energii většího rozsahu.

Jak se vám článek líbí?