Cos'è la capacità nell'ingegneria elettrica

La capacità elettrica caratterizza la proprietà dei corpi conduttivi di caricarsi sotto l'influenza di un campo elettrico e anche di accumulare energia elettrica nel campo di questi corpi.

Un'analogia della capacità elettrica nel campo dell'idrostatica può essere la capacità specifica di una nave per unità di altezza, che è numericamente uguale all'area della sezione orizzontale della nave.

Immagina una cisterna alta. La quantità di liquido (la quantità di elettricità sul corpo) che può essere immagazzinata nel serbatoio dipende dall'altezza del suo riempimento (potenziale corporeo) e dal volume di liquido per unità di altezza del serbatoio (capacità corporea). Questo volume di liquido, a sua volta, dipende dall'area della parte orizzontale del serbatoio, dal suo diametro.

Maggiore è questo diametro, e quindi il volume per unità di altezza, maggiore è la capacità specifica per altezza del serbatoio (la capacità elettrica tra le due piastre è proporzionale all'area delle piastre, vedi - Cosa determina la capacità di un condensatore?).Di conseguenza, dipende dal valore del volume del liquido per unità di altezza e dal lavoro che deve essere speso per riempire il serbatoio.

Supponiamo che ci siano due sfere di rame della stessa dimensione (rossa e blu) situate a una certa distanza l'una dall'altra nello spazio. Prendi una batteria da 9 volt e collegala con poli opposti a queste due sfere in modo che «+» sia collegato a una sfera (al blu) e «-» all'altra (al rosso). Tra le sfere apparirà una differenza di potenziale elettrico pari alla tensione della batteria V = 9 volt.

Gli stati elettrici di queste due sfere di rame sono diventati immediatamente diversi rispetto a prima che la batteria fosse collegata, perché ora ci sono cariche elettriche opposte sulle sfere che interagiscono, sperimentando la forza di attrazione l'una verso l'altra.

Possiamo dire che la batteria ha trasferito una carica positiva + q dalla sfera di sinistra a quella di destra e quindi la differenza di potenziale tra le sfere è diventata V = 9 volt. Ora la pallina sinistra è caricata negativamente -q.

Se aggiungiamo un'altra batteria dello stesso tipo al circuito in serie, la differenza di potenziale tra le sfere diventerà doppia, la tensione tra loro non sarà più di 9 volt, ma di 18 volt e la carica si sposterà dal anche la palla alla palla sarà raddoppiata (diventerà 2q) così come la tensione. Ma qual è l'entità di questa carica q che si sposta ogni volta che la tensione aumenta di 9 volt?

Ovviamente, l'entità di questa carica è proporzionale alla differenza di potenziale che si crea tra le sfere. Ma in quale esatto rapporto numerico stanno la carica e la differenza di potenziale? Qui dovremo introdurre una caratteristica del conduttore come la capacità elettrica C.

La capacità è una misura della capacità di un conduttore di immagazzinare carica elettrica. È anche importante capire che quando il primo filo viene caricato, l'intensità del campo elettrico attorno ad esso aumenta. Di conseguenza, l'effetto del primo filo carico sul secondo filo carico aumenterà, specialmente se iniziano ad avvicinarsi l'uno all'altro.

La forza di interazione tra fili carichi diventa maggiore se la distanza tra loro diventa minore. Inoltre, a seconda dei parametri del mezzo tra i fili, anche la forza della loro interazione può essere diversa.

Quindi se c'è un vuoto tra i fili, allora la forza di attrazione tra le loro cariche sarà una, ma se il nylon è posto tra i fili invece di un vuoto, allora la forza dell'interazione elettrostatica triplicherà, perché il nylon passa un campo elettrico attraverso se stesso 3 volte migliore dell'aria e in realtà a causa del campo elettrico, i fili carichi interagiscono tra loro.

Se i fili carichi iniziano a diffondersi l'uno dall'altro in direzioni diverse, allora interagiranno meno, la differenza di potenziale sarà maggiore per le stesse cariche, cioè la capacità di un tale sistema diminuirà con la separazione dei fili. Il lavoro si basa sull'idea di capacità elettrica condensatori.

Condensatori

La proprietà dei conduttori carichi di interagire elettrostaticamente tra loro attraverso i reciproci campi elettrici separati da un dielettrico viene utilizzata nei condensatori.

Strutturalmente, i condensatori sono due piastre chiamate piastre. Le piastre sono separate da un dielettrico.Per ottenere la massima portata possibile è necessario che le piastre abbiano una superficie ampia e la distanza tra loro sia minima.

I condensatori in ingegneria elettrica fungono da accumulatori di energia elettrica in un campo elettrico concentrato nel volume di dielettrico posto tra le piastre del condensatore, a causa del quale la carica viene accumulata o rimossa (sotto forma di corrente elettrica).

Due piastre sono posizionate a breve distanza l'una dall'altra all'interno di un alloggiamento sigillato. Ceramica, polipropilene, elettrolitica, tantalio, ecc. — i condensatori differiscono nel tipo di dielettrico tra le armature.

I condensatori sono ad alta tensione e bassa tensione, a seconda della rigidità dielettrica.

A seconda dell'area delle piastre e della costante dielettrica del dielettrico utilizzato, ci sono condensatori di grande capacità, che raggiungono centinaia di farad (supercondensatori) e di piccola capacità - unità di picofarad.

L'uso della capacità elettrica nell'ingegneria elettrica

La proprietà dei sistemi capacitivi è ampiamente utilizzata nell'ingegneria elettrica nelle tecnologie a corrente alternata, in particolare nel campo delle frequenze alte e ultraelevate.

Nella tecnologia CC, la capacità viene utilizzata nei dispositivi di magnetizzazione a magneti permanenti, per saldatura elettrica pulsata, test di rottura dielettrica pulsata, livellamento della curva di corrente nei raddrizzatori, ecc.

La capacità di qualsiasi sistema di corpi conduttori isolati, che non può essere completamente ridotta a zero, può in alcuni casi avere un effetto indesiderato sulle caratteristiche dei dispositivi elettrici (sotto forma di interferenza, dispersione capacitiva, ecc.).

Puoi sbarazzarti di tale influenza o compensando adeguatamente il suo effetto (di solito usando l'induttanza), o creando tali condizioni in cui i potenziali di alcuni corpi del sistema rispetto agli oggetti circostanti hanno un valore minimo (ad esempio, messa a terra di uno dei corpi).