전기 용량은 정전기의 기본 개념 중 하나입니다. 이 용어는 전하를 축적하는 능력을 나타냅니다. 개별 도체의 용량에 대해 이야기할 수 있고 두 개 이상의 도체 시스템의 용량에 대해 이야기할 수 있습니다. 물리적 프로세스는 유사합니다.
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전기 용량과 관련된 기본 개념
도체가 전하 q를 받으면 전위 φ가 발생합니다. 이 전위는 형상과 환경에 따라 다릅니다. 도체와 조건이 다르면 동일한 전하가 다른 전위를 유발합니다. 그러나 φ는 항상 q에 비례합니다.
φ=Cq
계수 C를 전기 용량이라고 합니다.여러 도체(보통 두 개)로 구성된 시스템에 대해 이야기하는 경우 하나의 도체(판)에 전하가 전달되면 전위차 또는 전압 U가 발생합니다.
U=Cq, 따라서 С=U/q
커패시턴스는 전위차를 유발한 전하에 대한 비율로 정의할 수 있습니다. 커패시턴스의 SI 단위는 패럿입니다(패러드라고 했습니다). 1F \u003d 1V / 1C 다시 말해, 시스템은 1패럿의 용량을 가지며, 1쿨롱의 전하가 인가될 때 1볼트의 전위차가 발생한다. 1 패럿은 매우 큰 값입니다. 실제로 분수 값은 피코 패럿, 나노 패럿, 마이크로 패럿과 같이 가장 자주 사용됩니다.
실제로 이러한 연결을 통해 단일 셀보다 유전체의 더 큰 항복 전압을 견딜 수 있는 배터리를 얻을 수 있습니다.
커패시터의 커패시턴스 계산
실제로 정규화 된 전기 용량을 가진 요소로 가장 많이 사용됩니다. 커패시터, 유전체로 분리된 두 개의 평면 도체(판)로 구성됩니다. 이러한 커패시터의 전기 커패시턴스를 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
C=(S/d)*ε*ε0
어디:
- C - 용량, F;
- S는 면의 면적, sq.m;
- d는 판 사이의 거리, m입니다.
- ε0 - 전기 상수, 상수, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε은 무차원량인 유전체의 전기 유전율입니다.
이것으로부터 커패시턴스가 판의 면적에 정비례하고 도체 사이의 거리에 반비례한다는 것을 이해하기 쉽습니다. 또한, 용량은 플레이트를 분리하는 재료에 의해 영향을 받습니다.
커패시턴스를 결정하는 양이 커패시터가 전하를 저장하는 능력에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해 가능한 가장 큰 커패시턴스를 갖는 커패시터를 만드는 사고 실험을 할 수 있습니다.
- 판의 면적을 늘리려고 할 수 있습니다. 이로 인해 장치의 크기와 무게가 급격히 증가합니다. 절연체를 분리하는 라이닝의 크기를 줄이기 위해 롤업됩니다(튜브, 평평한 연탄 등).
- 또 다른 방법은 플레이트 사이의 거리를 줄이는 것입니다. 유전체 층이 플레이트 사이의 특정 전위차를 견뎌야 하기 때문에 도체를 매우 가깝게 배치하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 두께가 얇을수록 절연 갭의 절연 강도가 낮아집니다. 이 경로를 택하면 그러한 커패시터의 실제 사용이 의미가 없게 되는 때가 올 것입니다. 이는 극도로 낮은 전압에서만 작동할 수 있습니다.
- 유전체의 전기 투자율을 높입니다. 이 경로는 현재 존재하는 생산 기술의 발전에 달려 있습니다. 절연 재료는 높은 투자율 값뿐만 아니라 우수한 유전 특성을 가져야하며 필요한 주파수 범위에서 매개 변수를 유지해야합니다 (커패시터가 작동하는 주파수가 증가하면 유전 특성이 감소합니다).
일부 전문 또는 연구 시설에서는 구형 또는 원통형 커패시터를 사용할 수 있습니다.
구형 커패시터의 커패시턴스는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
여기서 R은 구의 반지름이고 π=3.14입니다.
원통형 커패시터의 경우 커패시턴스는 다음과 같이 계산됩니다.
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l은 실린더의 높이이고 R1과 R2는 반지름입니다.
기본적으로 두 공식은 플랫 커패시터의 공식과 다르지 않습니다. 커패시턴스는 항상 플레이트의 선형 치수, 플레이트 사이의 거리 및 유전체의 특성에 의해 결정됩니다.
커패시터의 직렬 및 병렬 연결
커패시터를 연결할 수 있습니다. 직렬 또는 병렬로, 새로운 특성을 가진 세트를 얻습니다.
병렬 연결
커패시터를 병렬로 연결하면 결과 배터리의 총 용량은 구성 요소의 모든 용량의 합과 같습니다. 배터리가 동일한 디자인의 커패시터로 구성된 경우 이는 플레이트 볼 면적의 추가로 간주될 수 있습니다. 이 경우 배터리의 각 셀의 전압은 동일하며 충전량이 합산됩니다. 병렬로 연결된 3개의 커패시터의 경우:
- 유=유1=유2=유3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
직렬 연결
직렬로 연결하면 각 커패시턴스의 전하가 동일합니다.
큐1=q2=q3=q
총 전압은 비례적으로 분배됩니다. 커패시터의 커패시턴스:
- 유1=q/C1;
- 유2=q/C2;
- 유3= q/C3.
모든 커패시터가 동일하면 각각에 걸쳐 동일한 전압 강하가 발생합니다. 총 용량은 다음과 같습니다.
С=q/( 유1+U2+U3), 따라서 1/С=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/초2+1/초3.
기술에서 커패시터 사용
커패시터를 전기 에너지 저장 장치로 사용하는 것은 논리적입니다. 이 용량에서는 저장된 에너지가 적고 유전체를 통한 전하 누출로 인해 자체 방전이 빠르기 때문에 전기화학 소스(갈바닉 배터리, 커패시터)와 경쟁할 수 없습니다.그러나 오랜 기간 동안 에너지를 축적한 다음 거의 즉시 방출하는 능력이 널리 사용됩니다. 이 속성은 사진용 플래시 램프 또는 레이저 여기용 램프에 사용됩니다.
커패시터는 무선 엔지니어링 및 전자 제품에 널리 사용됩니다. 커패시턴스는 회로의 주파수 설정 요소 중 하나로 공진 회로의 일부로 사용됩니다(다른 요소는 인덕턴스). 또한 가변 구성 요소를 지연시키지 않고 직류를 통과시키지 않는 커패시터의 기능을 사용합니다. 이러한 응용은 한 단계의 DC 모드가 다른 단계에 미치는 영향을 배제하기 위해 증폭 단계를 분리하는 데 일반적입니다. 대형 커패시터는 전원 공급 장치의 평활화 필터로 사용됩니다. 특성이 유용한 다른 수많은 커패시터 응용 프로그램도 있습니다.
몇 가지 실용적인 커패시터 설계
실제로 다양한 디자인의 플랫 커패시터가 사용됩니다. 장치의 설계는 장치의 특성과 범위를 결정합니다.
가변 커패시터
일반적인 유형의 가변 커패시터(VPC)는 공기 또는 고체 절연체로 분리된 이동식 및 고정 플레이트 블록으로 구성됩니다. 가동 플레이트는 축을 중심으로 회전하여 중첩 영역을 늘리거나 줄입니다. 움직이는 블록이 제거되면 전극 간 간격은 그대로 유지되지만 플레이트 사이의 평균 거리도 증가합니다. 절연체의 유전 상수도 변하지 않습니다. 용량은 판의 면적과 판 사이의 평균 거리를 변경하여 조절됩니다.
산화물 커패시터
이전에는 이러한 커패시터를 전해라고 불렀습니다. 이것은 전해질이 함침된 종이 유전체로 분리된 두 개의 호일 스트립으로 구성됩니다. 첫 번째 스트립은 하나의 플레이트 역할을 하고 두 번째 플레이트는 전해질 역할을 합니다. 유전체는 금속 스트립 중 하나에 있는 얇은 산화물 층이고 두 번째 스트립은 집전체 역할을 합니다.
산화물 층이 매우 얇고 전해질이 인접해 있기 때문에 적당한 크기로 충분히 큰 용량을 얻을 수 있게 되었습니다. 이것에 대한 가격은 낮은 작동 전압이었습니다. 산화물 층은 높은 전기적 강도를 갖지 않습니다. 작동 전압이 증가함에 따라 커패시터의 치수를 크게 늘릴 필요가 있습니다.
또 다른 문제는 산화물이 단면 전도성을 가지므로 이러한 용기는 극성이 있는 DC 회로에서만 사용된다는 것입니다.
이오니스터
위와 같이 기존의 증감법은 커패시터 타고난 한계가 있다. 따라서 진정한 돌파구는 ionistors의 생성이었습니다.
이 장치는 커패시터와 배터리 사이의 중간 링크로 간주되지만 본질적으로 여전히 커패시터입니다.
이중 전기층을 사용하여 플레이트 사이의 거리가 크게 줄어듭니다. 판은 반대 전하를 가진 이온 층입니다. 발포 다공성 재료로 인해 판의 면적을 급격히 증가시키는 것이 가능해졌습니다. 결과적으로 최대 수백 패럿의 용량을 갖는 슈퍼커패시터를 얻을 수 있다.이러한 장치의 선천적 질병은 낮은 작동 전압(보통 10볼트 이내)입니다.
기술의 발전은 멈추지 않습니다. 많은 지역의 램프가 바이폴라 트랜지스터로 대체되고 차례로 단극 3 극관으로 교체됩니다. 회로를 설계할 때 가능한 한 인덕턴스를 제거하려고 합니다. 그리고 커패시터는 2 세기 동안 위치를 잃지 않았으며 Leyden 항아리가 발명 된 이후로 디자인이 근본적으로 변경되지 않았으며 경력을 끝낼 가능성이 없습니다.
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