فاراد
یکای فرعی SI · کمیت: ظرفیت الکتریکی
01 · تعریف
یک فاراد ظرفیتی است که بار یک کولن بر آن ولتاژ یک ولت پدید میآورد. یکا چنان بزرگ درآمد که تقریباً هرگز کامل به کار نمیرود: خازنهای مدارها را به پیکوفاراد و میکروفاراد میسنجند و فاراد تنها با ابرخازنها به کاربرد روزمره درآمد. ظرفیت کرهای به اندازهٔ زمین هفتصد میکروفاراد است.
شیشهٔ لایدن نخستین خازن تاریخ بود، سال 1745. ظرفیتش نزدیک یک نانوفاراد است: بطری شیشهای با ورقه در درون و بیرون باری نگه میداشت که صفهای کامل راهبان را از پا درمیآورد.
مادهٔ گذاشتهشده میان صفحهها قطبیده میشود، میدان خودش بخشی از میدان بیرونی را خنثی میکند، ولتاژ در همان بار پایین میآید — پس ظرفیت بالا میرود. کاغذ ضریبی نزدیک سه میدهد، میکا شش، آب هشتاد، تیتانات باریم در سرامیک تا چند هزار. بهای گذردهی بالا ناپایداری است: سرامیک ردهٔ Y5V در لبههای بازهٔ دمای کار تا هشتاد درصد ظرفیتش را از دست میدهد و زیر ولتاژ بهروشنی فرو مینشیند، از اینرو در مدارهای دقیق فیلم را با سه متواضعش میگذارند.
02 · تبدیل
یک ظرفیت وارد کنید — شناسنامه آن را به یکاها میشکافد
قطعههای واقعی در پیکو و میکروفاراد زندگی میکنند، پس پیشوندها اینجا با تمام توان کار میکنند. در نقشهها و کتابهای مرجع کهنه سانتیمتر ظرفیت دیده میشود — یکای دستگاه CGS-ES، برابر نزدیک یک پیکوفاراد.
نشانهگذاری خازنها سهرقمی است و همیشه به پیکوفاراد: دو رقم نخست مقدار و رقم سوم شمار صفرهاست. کد 104 یعنی ده با چهار صفر، یعنی صد هزار پیکوفاراد، که همان صد نانوفاراد یا صفر ممیز یک میکروفاراد است — سه نوشتار برای یک کمیت، که در مکتبهای گوناگون نقشهکشی دیده میشوند. حرف کناری رواداری را میدهد: K ده درصد، J پنج، M بیست.
| یکا | نام | مقدار | کجا دیده میشود |
|---|---|---|---|
| F | فاراد، یکای SI | 1 | یکای آغازین این شناسنامه |
| mF | میلیفاراد | 1000 | پیشوند کمیاب: بیشتر هزاران میکروفاراد مینویسند |
| µF | میکروفاراد | 1000000 | آشناترین پیشوند در نقشهها |
| nF | نانوفاراد | 10⁹ | نوشتار اروپایی؛ در آمریکا همان 0.1 µF |
| pF | پیکوفاراد | 10¹² | زیر آن ظرفیت خود رساناها آغاز میشود |
| cm | سانتیمتر، CGS-ES | 8.988·10¹¹ | در دستگاه الکترواستاتیکی ظرفیت را با طول میسنجیدند |
| R, m | شعاع کره | 8.988·10⁹ | برای یک فاراد شعاع به نه میلیون کیلومتر میرسد |
| cm | سانتیمتر، CGS-ES | 8.988·10¹¹ | ظرفیت کره برابر شعاع آن است |
| abF | ابفاراد، CGS-EM | 10⁻⁹ | یک میلیارد فاراد در یک یکا |
| jar | «کوزه» | 9.009·10⁸ | میشمردند چند شیشهٔ لایدن یک باتری میسازد |
| µµF | میکرومیکروفاراد | 10¹² | پیشوند دوگانه بهجای پیکو |
| F | فاراد | 1 | یکای آغازین این شناسنامه |
فاراد نسبت کولن به ولت است، از اینرو میان آن دو ایستاده. با اهم ثانیه میدهد و با هنری بسامد تشدید مدار
03 · مرتبههای بزرگی
از ترانزیستور تا سیارهیک فاراد: ابرخازنی به اندازهٔ یک لیوان
04 · ابزارهای اندازهگیری
ظرفیت را با چه میسنجند
به قطعه سینوسی با بسامد معلوم میدهد و از دامنه و اختلاف فاز جریان، ظرفیت و تلفات را حساب میکند. نتیجه به بسامد اندازهگیری بستگی دارد: خازن الکترولیتی در صد هرتز و در ده کیلوهرتز مقادیر متفاوت نشان میدهد و در شناسنامهٔ قطعه بسامد همیشه آورده میشود.
مداری پلی با خازن معیار در یک شاخه: ظرفیت و تانژانت زاویهٔ تلفات همزمان متعادل میشوند. دستگاه اصلی عایق ولتاژ بالاست — از رشد تلفات در کابل یا ترانسفورماتور، پیرشدن دیالکتریک را مدتها پیش از شکست درمییابند.
ظرفیت را با گرفتن زمان رسیدن به شصتوسه درصد ولتاژ از راه مقاومتی معلوم به دست میآورند. کارکرد درونی میکروکنترلرها و هر سنجهٔ خانگی همینگونه کار میکند؛ برای ابرخازنها این تنها راه است، زیرا پلها برای چنین مقادیری ساخته نشدهاند.
چهار استوانهٔ موازی که ظرفیتشان بر واحد طول تنها به یک کمیت اندازهگیریشده بستگی دارد — طول همپوشانی. قضیهای که در 1956 یافته شد، محاسبهٔ ظرفیت از هندسه را ممکن کرد و دههها معیارهای الکتریکی را به متر بست.
05 · قواعد نگارش
µF و nF و pF — و هیچ «µµF»
پیشوندهای دوگانه در SI ممنوعاند: پیکوفاراد pF نوشته میشود، نه «µµF» و نه «mmF»، هرچند در نقشههای کهنه هر دو دیده میشوند. نماد F بزرگ است؛ °F کنارش درجهٔ فارنهایت است، کمیتی دیگر. در نشانهگذاری خازنها «104» یعنی 10·10⁴ pF، یعنی 100 nF.
خازنهای الکترولیتی قطبیاند و ولتاژ روی نشانهگذاری مرز است نه نقطهٔ کار: خازن 16 V در مدار 12 V سالها میزید و در مدار 15 V ماهها. عادت رادیوآماتورها دو پیشوند برچیده را نگه داشته است: «µµF» و «mmF» یعنی پیکوفاراد. استاتفاراد تاریخی دستگاه CGS-ES برابر سانتیمتر است: در یکاهای الکترواستاتیکی ظرفیت را با طول میسنجیدند.
06 · یکاهای همسایه
فاراد میان بار و ولتاژ ایستاده است و در جفت با هنری بسامد مدار نوسانی را تعیین میکند — همان مداری که رادیو را روی ایستگاه کوک میکند.
مربع ولتاژ در فرمول انرژی یعنی دوبرابرکردن ولتاژ چهار برابر ذخیره میکند — از اینرو در ابرخازنها بر سر هر ولت افزوده میجنگند نه بر سر فاراد. از شناسنامههای Simetrium همسایگان فاراد اینهایند شناسنامههای Simetrium همسایگان فاراد کولن و ولت از تعریف، هانری همچون کمیت جفت مدار، اهم از ثابت زمانی و ژول از انرژی ذخیرهشده.
07 · بخش تاریخی
پیش از فاراد ظرفیت را با چه میشمردند
پیتر فان موسنبروک ضربهای چنان سخت خورد که به گفتهٔ خودش آزمایش را حتی برای تاج فرانسه تکرار نمیکرد. شیشهٔ لایدن نزدیک یک نانوفاراد نگه میداشت — و همین بس بود تا آدمی را از پا درآورد.
فارادی آموزش منظم ندید و ریاضیات نمیدانست، اما درست آزمایشهای او بود که به مهندسی برق هم میدان را داد، هم القا را و هم برقکافت را. یکای ظرفیت به نام او نامیده شد.
کنگرهٔ برقکاران فاراد را از راه کولن و ولت تعریف کرد، همراه با ولت و آمپر و اهم. عمل بیدرنگ به میکروفاراد رفت: در آن سالها هیچ چیز ساختهٔ دست بشر ظرفیت یک فاراد کامل نداشت.
حق ثبت خازن دولایه را General Electric داد، اما آن را NEC ژاپنی به فرآورده رساند و در سال 1978 «ابرخازنی» برای حافظهٔ ضبطصوتها بیرون داد. امروز ابرخازنی سه هزار فارادی در کف دست جا میگیرد.
یکا چنان نافرجام برگزیده شد که نزدیک دویست سال کسی به کارش نبرد
ظرفیت تنها کمیت الکتریکی است که معیارش را میتوان از هندسهٔ محض ساخت. قضیهٔ تامپسون و لمپارد در سال 1956 میگوید که در دستگاهی از چهار الکترود استوانهای موازی، ظرفیت بر واحد طول تنها به ثابت الکتریکی وابسته است و به هیچ چیز دیگر: نه به قطر میلهها و نه به فاصلههای میان آنها. کافی است طول همپوشانی را با پردهای متحرک اندازه گرفت — و ظرفیت با محاسبه دانسته میشود. چنین خازن محاسبهپذیری نزدیک دو پیکوفاراد بر متر میداد و پایهٔ معیارهای ملی ظرفیت شد و از راه آنها معیارهای اهم، چرا که مقاومت از ظرفیت و بسامد به دست میآید. اثر هال کوانتومی این زنجیره را در سال 1990 گسست و اهم را نخستین کرد؛ با این همه خازنهای محاسبهپذیر همچون بازبینی مستقل در آزمایشگاهها ماندند — اختلاف میان دو راه تا امروز یکی از آزمونهای سازگاری معیارهای الکتریکی است.
فهرست · یکاهای اندازهگیری
شناسنامهای برای هر کمیت
هفت یکای اصلی SI، بیستودو یکای فرعی با نامهای ویژه و یکاهای بیرون دستگاه که نه فناوری از آنها بینیاز است و نه زندگی روزمره. هر یکا برگ خود را دارد: تعریف، تبدیل، ابزارها، قواعد نگارش. به 32 زبان.
یکاهای فرعی SI با نام ویژه
شناسنامهٔ فاراد باز استیکاهای اصلی SI
به رنگ سفال — چهار یکایی که فاراد از آنها ساخته میشودظرفیت در دستگاههای دیگر
زبان شناسنامه
32 زبان. نماد F جهانی است، اما نوشتن یک مقدار چنین نیست: صد نانوفاراد در نقشههای اروپایی، صفر ممیز یک میکروفاراد در آمریکایی — شناسنامه نشانهگذاری را به عرف محلی میآورد.