Was ist Kapazität in der Elektrotechnik?

Die elektrische Kapazität charakterisiert die Eigenschaft leitfähiger Körper, sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes aufzuladen und im Feld dieser Körper elektrische Energie anzusammeln.

Eine Analogie zur elektrischen Kapazität im Bereich der Hydrostatik kann die spezifische Kapazität eines Gefäßes pro Höheneinheit sein, die numerisch gleich der Fläche des horizontalen Abschnitts des Gefäßes ist.

Stellen Sie sich eine hohe Zisterne vor. Die Menge an Flüssigkeit (die Menge an Elektrizität am Körper), die im Tank gespeichert werden kann, hängt von der Höhe seiner Füllung (Körperpotential) sowie dem Flüssigkeitsvolumen pro Höheneinheit des Tanks (Körperkapazität) ab. Dieses Flüssigkeitsvolumen wiederum hängt von der Fläche des horizontalen Teils des Tanks ab – von seinem Durchmesser.

Je größer dieser Durchmesser und damit das Volumen pro Höheneinheit ist, desto größer ist die spezifische Kapazität pro Höhe des Tanks (die elektrische Kapazität zwischen den beiden Platten ist proportional zur Fläche der Platten, siehe – Was bestimmt die Kapazität eines Kondensators?).Dementsprechend kommt es auf den Wert des Flüssigkeitsvolumens pro Höheneinheit und die Arbeit an, die zum Befüllen des Tanks aufgewendet werden muss.

Angenommen, es gibt zwei gleich große Kupferkugeln (rot und blau), die in einem bestimmten Abstand voneinander im Raum angeordnet sind. Nehmen Sie eine 9-Volt-Batterie und schließen Sie diese gegenpolig an diese beiden Kugeln an, sodass „+“ mit der einen Kugel (zur blauen) und „-“ mit der anderen (zur roten) verbunden ist. Zwischen den Kugeln entsteht eine elektrische Potentialdifferenz, die der Batteriespannung V = 9 Volt entspricht.

Die elektrischen Zustände dieser beiden Kupferkugeln veränderten sich sofort von denen vor dem Anschließen der Batterie, da nun auf den Kugeln entgegengesetzte elektrische Ladungen vorhanden sind, die interagieren und die Anziehungskraft aufeinander ausüben.

Wir können sagen, dass die Batterie eine positive Ladung + q von der linken Kugel auf die rechte übertragen hat und daher die Potentialdifferenz zwischen den Kugeln V = 9 Volt geworden ist. Jetzt ist die linke Kugel negativ geladen -q.

Wenn wir eine weitere Batterie des gleichen Typs in Reihe zum Stromkreis hinzufügen, wird die Potentialdifferenz zwischen den Kugeln doppelt so groß, die Spannung zwischen ihnen beträgt nicht mehr 9 Volt, sondern 18 Volt, und die Ladung wandert von der Ball zu Ball wird ebenfalls verdoppelt (es wird 2q), ebenso wie die Spannung. Doch wie groß ist diese Ladung q, die sich jedes Mal bewegt, wenn die Spannung um 9 Volt ansteigt?

Offensichtlich ist die Größe dieser Ladung proportional zur Potentialdifferenz, die zwischen den Kugeln entsteht. Doch in welchem ​​genauen Zahlenverhältnis stehen Ladungs- und Potentialdifferenz? Hier müssen wir eine solche Eigenschaft des Leiters wie die elektrische Kapazität C einführen.

Die Kapazität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Leiters, elektrische Ladung zu speichern. Es ist auch wichtig zu verstehen, dass die Stärke des elektrischen Feldes um ihn herum zunimmt, wenn der erste Draht aufgeladen wird. Dementsprechend wird die Wirkung des ersten geladenen Drahts auf den zweiten geladenen Draht verstärkt, insbesondere wenn sie beginnen, sich einander anzunähern.

Die Wechselwirkungskraft zwischen geladenen Drähten wird größer, wenn der Abstand zwischen ihnen kleiner wird. Darüber hinaus kann je nach Parameter des Mediums zwischen den Drähten auch die Stärke ihrer Wechselwirkung unterschiedlich sein.

Wenn also zwischen den Drähten ein Vakuum herrscht, beträgt die Anziehungskraft zwischen ihren Ladungen eins. Wenn jedoch anstelle eines Vakuums Nylon zwischen den Drähten platziert wird, verdreifacht sich die Kraft der elektrostatischen Wechselwirkung, da das Nylon eine durchdringt Das elektrische Feld durch sich selbst ist dreimal besser als Luft und tatsächlich interagieren die geladenen Drähte aufgrund des elektrischen Feldes miteinander.

Wenn die geladenen Drähte beginnen, sich in verschiedene Richtungen voneinander auszubreiten, interagieren sie weniger, die Potentialdifferenz wird bei gleichen Ladungen größer, das heißt, die Kapazität eines solchen Systems nimmt mit der Trennung der Drähte ab. Die Arbeit basiert auf der Idee der elektrischen Kapazität Kondensatoren.

Kondensatoren

Die Eigenschaft geladener Leiter, über ihre durch ein Dielektrikum getrennten elektrischen Felder elektrostatisch miteinander zu interagieren, wird in Kondensatoren genutzt.

Strukturell bestehen Kondensatoren aus zwei Platten, die Platten genannt werden. Die Platten sind durch ein Dielektrikum getrennt.Um die größtmögliche Kapazität zu erreichen, ist es notwendig, dass die Platten eine große Oberfläche haben und der Abstand zwischen ihnen minimal ist.

Kondensatoren in der Elektrotechnik dienen als Akkumulatoren elektrischer Energie in einem elektrischen Feld, das in dem zwischen den Platten des Kondensators befindlichen Dielektrikumvolumen konzentriert ist, wodurch die Ladung angesammelt oder abgeführt wird (in Form eines elektrischen Stroms).

Zwei Platten werden in geringem Abstand voneinander in einem versiegelten Gehäuse platziert. Keramik, Polypropylen, Elektrolyt, Tantal usw. — Kondensatoren unterscheiden sich in der Art des Dielektrikums zwischen den Platten.

Kondensatoren sind Hochspannungs- und Niederspannungskondensatoren, abhängig von der Spannungsfestigkeit.

Abhängig von der Fläche der Platten und der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Dielektrikums gibt es Kondensatoren mit großer Kapazität, die Hunderte von Farad erreichen (Superkondensatoren), und kleine Kapazität – Einheiten von Pikofarad.

Die Nutzung elektrischer Kapazität in der Elektrotechnik

Die Eigenschaft kapazitiver Systeme wird in der Elektrotechnik häufig in Wechselstromtechnologien genutzt, insbesondere im Bereich hoher und höchster Frequenzen.

In der Gleichstromtechnik wird die Kapazität in Permanentmagnetisierungsgeräten, für gepulstes Elektroschweißen, gepulste dielektrische Durchschlagsprüfungen, Stromkurvenglättung in Gleichrichtern usw. eingesetzt.

Die Kapazität eines Systems isolierter leitender Körper, die nicht vollständig auf Null reduziert werden kann, kann in manchen Fällen einen unerwünschten Einfluss auf die Eigenschaften elektrischer Geräte haben (in Form von Störungen, kapazitiver Ableitung usw.).

Sie können einen solchen Einfluss beseitigen oder indem Sie seine Wirkung (normalerweise) angemessen kompensieren unter Verwendung von Induktivität) oder durch Schaffung solcher Bedingungen, unter denen die Potentiale bestimmter Körper des Systems in Bezug auf umgebende Objekte einen Mindestwert haben (z. B. Erdung eines der Körper).