विद्युत समाई क्या है, क्या मापा जाता है और यह किस पर निर्भर करता है

विद्युत समाई इलेक्ट्रोस्टैटिक्स की मूल अवधारणाओं में से एक है। यह शब्द विद्युत आवेश को संचित करने की क्षमता को दर्शाता है। आप एक अलग कंडक्टर की क्षमता के बारे में बात कर सकते हैं, आप दो या दो से अधिक कंडक्टरों की एक प्रणाली की क्षमता के बारे में बात कर सकते हैं। शारीरिक प्रक्रियाएं समान हैं।

विद्युत क्षमता से संबंधित बुनियादी अवधारणाएं

यदि कंडक्टर को चार्ज q प्राप्त हुआ है, तो उस पर एक संभावित उत्पन्न होता है। यह क्षमता ज्यामिति और पर्यावरण पर निर्भर करती है - विभिन्न कंडक्टरों और स्थितियों के लिए, एक ही चार्ज एक अलग क्षमता का कारण बनेगा। लेकिन हमेशा q के समानुपाती होता है:

= सीक्यू

गुणांक C को विद्युत धारिता कहा जाता है।यदि हम कई कंडक्टरों (आमतौर पर दो) की एक प्रणाली के बारे में बात कर रहे हैं, तो जब एक कंडक्टर (प्लेट) पर चार्ज लगाया जाता है, तो संभावित अंतर या वोल्टेज यू होता है:

यू=सीक्यू, इसलिए С=यू/क्यू

कैपेसिटेंस को संभावित अंतर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसके कारण चार्ज होता है। समाई के लिए SI इकाई फैराड है (वे फराद कहते थे)। 1 एफ \u003d 1 वी / 1 सी। दूसरे शब्दों में, एक सिस्टम में 1 फैराड की क्षमता होती है, जिसमें जब 1 कूलम्ब का चार्ज लगाया जाता है, तो 1 वोल्ट का संभावित अंतर उत्पन्न होता है। 1 फैराड एक बहुत बड़ा मूल्य है। व्यवहार में, भिन्नात्मक मूल्यों का सबसे अधिक बार उपयोग किया जाता है - पिकोफ़ारड, नैनोफ़ारड, माइक्रोफ़ारड।

व्यवहार में, ऐसा कनेक्शन एक बैटरी प्राप्त करना संभव बनाता है जो एक एकल सेल की तुलना में ढांकता हुआ के अधिक ब्रेकडाउन वोल्टेज का सामना कर सकता है।

संधारित्रों की धारिता की गणना

व्यवहार में, सामान्यीकृत विद्युत समाई वाले तत्वों के रूप में, सबसे अधिक बार उपयोग किया जाता है संधारित्र, एक ढांकता हुआ द्वारा अलग किए गए दो फ्लैट कंडक्टर (प्लेट्स) से मिलकर। ऐसे संधारित्र की विद्युत समाई की गणना करने का सूत्र इस प्रकार है:

सी=(एस/डी)*ε*ε₀

कहाँ पे:

• सी - क्षमता, एफ;
• एस फेसिंग का क्षेत्र है, वर्गमीटर;
• d प्लेटों के बीच की दूरी है, मी;
• मैं₀ - विद्युत स्थिरांक, स्थिरांक, 8.854 * 10⁻¹² एफ/एम;
• ढांकता हुआ की विद्युत पारगम्यता है, एक आयामहीन मात्रा।

इससे यह समझना आसान है कि समाई प्लेटों के क्षेत्र के सीधे आनुपातिक है और कंडक्टरों के बीच की दूरी के व्युत्क्रमानुपाती है। साथ ही, प्लेटों को अलग करने वाली सामग्री से क्षमता प्रभावित होती है।

यह समझने के लिए कि कैपेसिटेंस निर्धारित करने वाली मात्रा कैपेसिटर की चार्ज को स्टोर करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करती है, आप सबसे बड़े संभावित कैपेसिटेंस के साथ कैपेसिटर बनाने के लिए एक विचार प्रयोग कर सकते हैं।

1. आप प्लेटों के क्षेत्र को बढ़ाने का प्रयास कर सकते हैं। इससे डिवाइस के आयाम और वजन में तेज वृद्धि होगी। एक ढांकता हुआ के साथ अस्तर के आकार को कम करने के लिए उन्हें अलग करने के लिए, उन्हें लुढ़काया जाता है (एक ट्यूब, फ्लैट ईट, आदि में)।
2. दूसरा तरीका प्लेटों के बीच की दूरी को कम करना है। कंडक्टरों को बहुत करीब रखना हमेशा संभव नहीं होता है, क्योंकि ढांकता हुआ परत को प्लेटों के बीच एक निश्चित संभावित अंतर का सामना करना पड़ता है। मोटाई जितनी छोटी होगी, इंसुलेटिंग गैप की ढांकता हुआ ताकत उतनी ही कम होगी। यदि आप यह रास्ता अपनाते हैं, तो एक समय ऐसा आएगा जब ऐसे संधारित्र का व्यावहारिक उपयोग व्यर्थ हो जाएगा - यह केवल अत्यंत कम वोल्टेज पर ही काम कर सकता है।
3. ढांकता हुआ की विद्युत पारगम्यता में वृद्धि। यह पथ इस समय मौजूद उत्पादन प्रौद्योगिकियों के विकास पर निर्भर करता है। इन्सुलेट सामग्री में न केवल उच्च पारगम्यता मूल्य होना चाहिए, बल्कि अच्छे ढांकता हुआ गुण भी होने चाहिए, और इसके मापदंडों को आवश्यक आवृत्ति रेंज में भी बनाए रखना चाहिए (आवृत्ति में वृद्धि के साथ जिस पर संधारित्र संचालित होता है, ढांकता हुआ कमी की विशेषताएं)।

कुछ विशिष्ट या अनुसंधान प्रतिष्ठान गोलाकार या बेलनाकार कैपेसिटर का उपयोग कर सकते हैं।

एक गोलाकार संधारित्र का निर्माण

गोलाकार संधारित्र की धारिता की गणना सूत्र द्वारा की जा सकती है

सी=4*π*ε*ε₀ *R1R2/(R2-R1)

जहाँ R गोले की त्रिज्याएँ हैं, और π=3.14।

एक बेलनाकार संधारित्र का डिजाइन

एक बेलनाकार संधारित्र के लिए, समाई की गणना इस प्रकार की जाती है:

सी=2*π*ε*ε₀ *एल/एलएन(आर2/आर1)

l बेलन की ऊँचाई है, और R1 और R2 उनकी त्रिज्याएँ हैं।

मूल रूप से, दोनों सूत्र समतल संधारित्र के सूत्र से भिन्न नहीं होते हैं। समाई हमेशा प्लेटों के रैखिक आयामों, उनके बीच की दूरी और ढांकता हुआ के गुणों से निर्धारित होती है।

कैपेसिटर की श्रृंखला और समानांतर कनेक्शन

कैपेसिटर को जोड़ा जा सकता है श्रृंखला में या समानांतर में, नई विशेषताओं के साथ एक सेट प्राप्त करना।

समानांतर कनेक्शन

यदि आप कैपेसिटर को समानांतर में जोड़ते हैं, तो परिणामी बैटरी की कुल क्षमता इसके घटकों की सभी क्षमताओं के योग के बराबर होती है। यदि बैटरी में एक ही डिज़ाइन के कैपेसिटर होते हैं, तो इसे सभी प्लेटों के क्षेत्र के जोड़ के रूप में माना जा सकता है। इस मामले में, बैटरी के प्रत्येक सेल पर वोल्टेज समान होगा, और शुल्क जुड़ जाएगा। समानांतर में जुड़े तीन कैपेसिटर के लिए:

• यू = यू₁=यू₂=यू₃;
• क्यू = क्यू₁+क्यू₂+क्यू₃;
• सी = सी₁+सी₂+सी₃.

सीरियल कनेक्शन

श्रृंखला में जुड़े होने पर, प्रत्येक समाई का शुल्क समान होगा:

क्यू₁=क्यू₂=क्यू₃=क्यू

कुल वोल्टेज आनुपातिक रूप से वितरित किया जाता है संधारित्रों की धारिता:

• यू₁=क्यू/सी₁;
• यू₂=क्यू/सी₂;
• यू₃= क्यू/सी₃.

यदि सभी कैपेसिटर समान हैं, तो प्रत्येक में समान वोल्टेज गिरता है। कुल क्षमता के रूप में पाया जाता है:

С=q/( यू₁+उ₂+उ₃), इसलिए 1/С=( यू₁+उ₂+उ₃)/क्यू=1/सी₁+1/एस₂+1/एस₃.

प्रौद्योगिकी में कैपेसिटर का उपयोग

कैपेसिटर को विद्युत ऊर्जा भंडारण उपकरणों के रूप में उपयोग करना तर्कसंगत है। इस क्षमता में, वे छोटी संग्रहीत ऊर्जा के कारण विद्युत रासायनिक स्रोतों (गैल्वेनिक बैटरी, कैपेसिटर) के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकते हैं और ढांकता हुआ के माध्यम से चार्ज रिसाव के कारण तेजी से स्व-निर्वहन करते हैं।लेकिन लंबी अवधि के लिए ऊर्जा जमा करने की उनकी क्षमता, और फिर लगभग तुरंत इसे दूर करने की उनकी क्षमता का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इस गुण का उपयोग फोटोग्राफी के लिए फ्लैश लैंप या लेजर के उत्तेजना के लिए लैंप में किया जाता है।

कैपेसिटर का व्यापक रूप से रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किया जाता है। सर्किट के आवृत्ति-सेटिंग तत्वों में से एक के रूप में अनुनाद सर्किट के हिस्से के रूप में कैपेसिटेंस का उपयोग किया जाता है (दूसरा तत्व अधिष्ठापन है)। यह कैपेसिटर की क्षमता का भी उपयोग करता है ताकि वेरिएबल कंपोनेंट में देरी किए बिना डायरेक्ट करंट पास न हो। एक चरण के डीसी मोड के प्रभाव को दूसरे पर बाहर करने के लिए इस तरह के एक आवेदन प्रवर्धक चरणों को अलग करने के लिए आम है। बड़े कैपेसिटर का उपयोग बिजली आपूर्ति में स्मूथिंग फिल्टर के रूप में किया जाता है। कैपेसिटर के अन्य अनुप्रयोगों की एक बड़ी संख्या भी है जहां उनके गुण उपयोगी होते हैं।

कुछ व्यावहारिक संधारित्र डिजाइन

व्यवहार में, फ्लैट कैपेसिटर के विभिन्न डिजाइनों का उपयोग किया जाता है। डिवाइस का डिज़ाइन इसकी विशेषताओं और दायरे को निर्धारित करता है।

चर संधारित्र

एक सामान्य प्रकार के चर संधारित्र (VPC) में हवा या एक ठोस इन्सुलेटर द्वारा अलग चल और स्थिर प्लेटों का एक ब्लॉक होता है। जंगम प्लेटें ओवरलैप क्षेत्र को बढ़ाते या घटाते हुए अक्ष के चारों ओर घूमती हैं। जब चलती ब्लॉक को हटा दिया जाता है, तो इंटरइलेक्ट्रोड गैप अपरिवर्तित रहता है, लेकिन प्लेटों के बीच की औसत दूरी भी बढ़ जाती है। इन्सुलेटर का ढांकता हुआ स्थिरांक भी अपरिवर्तित रहता है। प्लेटों के क्षेत्र और उनके बीच की औसत दूरी को बदलकर क्षमता को नियंत्रित किया जाता है।

अधिकतम (बाएं) और न्यूनतम (दाएं) क्षमता की स्थिति में KPI

ऑक्साइड संधारित्र

पहले, ऐसे संधारित्र को इलेक्ट्रोलाइटिक कहा जाता था। इसमें इलेक्ट्रोलाइट के साथ लगाए गए पेपर डाइइलेक्ट्रिक द्वारा अलग किए गए फोइल के दो स्ट्रिप्स होते हैं। पहली पट्टी एक प्लेट के रूप में कार्य करती है, दूसरी प्लेट इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य करती है। ढांकता हुआ धातु स्ट्रिप्स में से एक पर ऑक्साइड की एक पतली परत है, और दूसरी पट्टी वर्तमान कलेक्टर के रूप में कार्य करती है।

इस तथ्य के कारण कि ऑक्साइड परत बहुत पतली है, और इलेक्ट्रोलाइट इसके साथ निकटता से जुड़ा हुआ है, मध्यम आकार के साथ पर्याप्त रूप से बड़ी क्षमता प्राप्त करना संभव हो गया। इसके लिए कीमत कम ऑपरेटिंग वोल्टेज थी - ऑक्साइड परत में उच्च विद्युत शक्ति नहीं होती है। ऑपरेटिंग वोल्टेज में वृद्धि के साथ, संधारित्र के आयामों में उल्लेखनीय वृद्धि करना आवश्यक है।

एक और समस्या यह है कि ऑक्साइड में एक तरफा चालकता होती है, इसलिए ऐसे कंटेनरों का उपयोग केवल डीसी सर्किट में ध्रुवीयता के साथ किया जाता है।

आयनिस्टर

जैसा कि ऊपर दिखाया गया है, बढ़ने के पारंपरिक तरीके संधारित्र प्राकृतिक सीमाएँ हैं। इसलिए, वास्तविक सफलता आयनिस्टर्स का निर्माण था।

यद्यपि इस उपकरण को संधारित्र और बैटरी के बीच एक मध्यवर्ती कड़ी माना जाता है, संक्षेप में यह अभी भी एक संधारित्र है।

दोहरी विद्युत परत के उपयोग के कारण प्लेटों के बीच की दूरी काफी कम हो जाती है। प्लेटें विपरीत आवेशों वाले आयनों की परतें होती हैं। झागयुक्त झरझरा सामग्री के कारण प्लेटों के क्षेत्र में तेजी से वृद्धि करना संभव हो गया। नतीजतन, सैकड़ों फैराड तक की क्षमता वाले सुपरकैपेसिटर प्राप्त करना संभव है।ऐसे उपकरणों की जन्मजात बीमारी कम ऑपरेटिंग वोल्टेज (आमतौर पर 10 वोल्ट के भीतर) होती है।

प्रौद्योगिकी का विकास अभी भी खड़ा नहीं है - कई क्षेत्रों के लैंप द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर द्वारा विस्थापित किए जाते हैं, वे बदले में, एकध्रुवीय ट्रायोड द्वारा प्रतिस्थापित किए जाते हैं। सर्किट डिजाइन करते समय, वे जहां भी संभव हो, इंडक्शन से छुटकारा पाने की कोशिश करते हैं। और कैपेसिटर ने दूसरी शताब्दी के लिए अपनी स्थिति नहीं खोई है, लेडेन जार के आविष्कार के बाद से उनका डिजाइन मौलिक रूप से नहीं बदला है, और उनके करियर को समाप्त करने की कोई संभावना नहीं है।

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