Co je to kapacita v elektrotechnice

Elektrická kapacita charakterizuje vlastnost vodivých těles nabíjet se vlivem elektrického pole a také akumulovat elektrickou energii v poli těchto těles.

Obdobou elektrické kapacity v oblasti hydrostatiky může být měrná kapacita nádoby na jednotku výšky, která se číselně rovná ploše vodorovného řezu nádoby.

Představte si vysokou cisternu. Množství kapaliny (množství elektrické energie na těle), které lze uložit do nádrže, závisí na výšce jejího naplnění (potenciálu těla) a také na objemu kapaliny na jednotku výšky nádrže (kapacitě těla). Tento objem kapaliny zase závisí na ploše vodorovné části nádrže - na jejím průměru.

Čím větší je tento průměr, a tedy i objem na jednotku výšky, tím větší je měrná kapacita na výšku nádrže (elektrická kapacita mezi dvěma deskami je úměrná ploše desek, viz — Co určuje kapacitu kondenzátoru?).Podle toho závisí na hodnotě objemu kapaliny na jednotku výšky a práci, kterou je třeba vynaložit na plnění nádrže.

Předpokládejme, že existují dvě měděné koule stejné velikosti (červená a modrá) umístěné v určité vzdálenosti od sebe v prostoru. Vezměte 9V baterii a připojte ji opačnými póly k těmto dvěma koulím tak, aby «+» bylo spojeno s jednou kuličkou (k modré) a «-» ke druhé (k červené). Mezi kuličkami se objeví rozdíl elektrického potenciálu rovný napětí baterie V = 9 voltů.

Elektrické stavy těchto dvou měděných kuliček se okamžitě změnily než před připojením baterie, protože nyní jsou na koulích opačné elektrické náboje, které interagují a zažívají sílu přitažlivosti vůči sobě navzájem.

Můžeme říci, že baterie přenesla kladný náboj + q z levé koule na pravou, a proto se potenciálový rozdíl mezi kuličkami stal V = 9 voltů. Nyní je levá koule záporně nabitá -q.

Pokud do obvodu přidáme 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 kouli se také zdvojnásobí (stane se 2q) a také napětí. Ale jaká je velikost tohoto náboje q, který se pohne pokaždé, když napětí vzroste o 9 voltů?

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

Kapacita je měřítkem schopnosti vodiče ukládat elektrický náboj. Je také důležité pochopit, že když je první vodič nabitý, síla elektrického pole kolem něj se zvyšuje. V souladu s tím se účinek prvního nabitého vodiče na druhý nabitý vodič zvýší, zejména pokud se začnou přibližovat k sobě.

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

Takže pokud je mezi dráty vakuum, pak přitažlivá síla mezi jejich náboji bude jedna, ale pokud je mezi dráty umístěn nylon místo vakua, pak se síla elektrostatické interakce ztrojnásobí, protože nylon prochází elektrické pole přes sebe 3x lepší než vzduch a vlastně díky elektrickému poli nabité dráty vzájemně interagují.

Pokud se nabité dráty začnou od sebe šířit různými směry, pak budou méně interagovat, potenciální rozdíl bude větší pro stejné náboje, to znamená, že kapacita takového systému se s oddělením drátů sníží. Práce je založena na myšlence elektrické kapacity kondenzátory.

Kondenzátory

Vlastnost nabitých vodičů vzájemně elektrostaticky interagovat prostřednictvím vzájemných elektrických polí oddělených dielektrikem se využívá v kondenzátorech.

Kondenzátory jsou konstrukčně dvě desky nazývané desky. Desky jsou odděleny dielektrikem.Pro získání co největší kapacity je nutné, aby desky měly velkou plochu a vzdálenost mezi nimi byla minimální.

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

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

Kondenzátory jsou vysokonapěťové a nízkonapěťové v závislosti na dielektrické síle.

V závislosti na ploše desek a dielektrické konstantě použitého dielektrika existují kondenzátory s velkou kapacitou, dosahující stovek farad (superkondenzátorů) a malou kapacitou - jednotky pikofaradů.

Využití elektrické kapacity v elektrotechnice

Vlastnost kapacitních systémů je široce využívána v elektrotechnice ve střídavých technologiích, zejména v oblasti vysokých a ultravysokých frekvencí.

V stejnosměrné technologii se kapacita používá v magnetizačních zařízeních s permanentními magnety, pro pulzní elektrické svařování, pulzní dielektrické průrazné testy, vyhlazování proudové křivky v usměrňovačích atd.

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

Tohoto vlivu se můžete zbavit nebo vhodnou kompenzací jeho účinku (obvykle pomocí indukčnosti), nebo vytvořením takových podmínek, ve kterých mají potenciály určitých těles soustavy vůči okolním objektům minimální hodnotu (například uzemnění některého z těles).