Faradi
SI:n johdannaisyksikkö · suure: sähköinen kapasitanssi
01 · Määritelmä
Yksi faradi on se kapasitanssi, jolla yhden coulombin varaus synnyttää yhden voltin jännitteen. Yksiköstä tuli niin valtava, ettei sitä lähes koskaan käytetä kokonaisena: piirien kondensaattorit mitataan pikofaradeissa ja mikrofaradeissa, ja faradi tuli käyttöön vasta superkondensaattorien myötä. Maapallon kokoisen pallon kapasitanssi on seitsemänsataa mikrofaradia.
Leidenin pullo oli historian ensimmäinen kondensaattori, vuonna 1745. Sen kapasitanssi on noin nanofaradi: lasipullo, jossa oli foliota sisällä ja ulkona, piti varausta, josta kaatui kokonaisia munkkiriviä.
Levyjen väliin tuotu aine polarisoituu, sen oma kenttä kumoaa osittain ulkoisen, jännite samalla varauksella laskee — ja siis kapasitanssi kasvaa. Paperi antaa kertoimen noin kolme, kiille kuusi, vesi kahdeksankymmentä, bariumtitanaatti keramiikassa useaan tuhanteen. Korkean permittiivisyyden hinta on epävakaus: Y5V-luokan keramiikka menettää työlämpötila-alueen reunoilla jopa kahdeksankymmentä prosenttia kapasitanssistaan ja painuu jännitteen alla huomattavasti, siksi tarkkoihin piireihin pannaan kalvo vaatimattomine kolmosineen.
02 · Muunnos
Syötä kapasitanssi — kortti purkaa sen yksiköihin
Todelliset osat elävät piko- ja mikrofaradeissa, joten etuliitteet tekevät täällä täyttä työtä. Vanhoissa kaavioissa ja käsikirjoissa tapaa kapasitanssin senttimetrejä — CGS-ES-järjestelmän yksikön, joka vastaa noin yhtä pikofaradia.
Kondensaattorien merkintä on kolminumeroinen ja aina pikofaradeina: kaksi ensimmäistä numeroa ovat arvo, kolmas on nollien määrä. Koodi 104 tarkoittaa kymmentä ja neljää nollaa eli satatuhatta pikofaradia, jotka ovat samalla sata nanofaradia tai nolla pilkku yksi mikrofaradia — kolme kirjoitustapaa yhdelle suureelle, joita tapaa eri piirustuskouluissa. Vieressä oleva kirjain antaa toleranssin: K on kymmenen prosenttia, J viisi, M kaksikymmentä.
| Yksikkö | Nimi | Arvo | Missä esiintyy |
|---|---|---|---|
| F | faradi, SI-yksikkö | 1 | tämän kortin lähtöyksikkö |
| mF | millifaradi | 1000 | harvinainen etuliite: kirjoitetaan ennemmin tuhansia mikrofaradeja |
| µF | mikrofaradi | 1000000 | kaavioiden tutuin etuliite |
| nF | nanofaradi | 10⁹ | eurooppalainen kirjoitustapa; Amerikassa samat 0,1 µF |
| pF | pikofaradi | 10¹² | sen alapuolella alkaa johtimien oma kapasitanssi |
| cm | senttimetri, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | sähköstaattisessa järjestelmässä kapasitanssi mitattiin pituutena |
| R, m | pallon säde | 8,988·10⁹ | yhdelle faradille säde nousisi yhdeksään miljoonaan kilometriin |
| cm | senttimetri, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | pallon kapasitanssi on yhtä kuin sen säde |
| abF | abfaradi, CGS-EM | 10⁻⁹ | miljardi faradia yhdessä yksikössä |
| jar | ”ruukku” | 9,009·10⁸ | laskettiin, montako Leidenin pulloa muodosti pariston |
| µµF | mikromikrofaradi | 10¹² | kaksoisetuliite pikon sijaan |
| F | faradi | 1 | tämän kortin lähtöyksikkö |
Faradi on coulombin suhde volttiin, siksi se on niiden välissä. Ohmin kanssa se antaa sekunteja, henryn kanssa piirin resonanssitaajuuden
03 · Suuruusluokat
transistorista planeettaanYksi faradi: lasin kokoinen superkondensaattori
04 · Mittalaitteet
Millä kapasitanssia mitataan
Se syöttää osalle tunnetun taajuista siniä ja laskee virran amplitudista ja vaihesiirrosta kapasitanssin ja häviöt. Tulos riippuu mittaustaajuudesta: elektrolyytti näyttää sadalla hertsillä ja kymmenellä kilohertsillä eri arvoja, ja osan kortissa taajuus ilmoitetaan aina.
Siltakytkentä, jonka haarassa on normaalikondensaattori: kapasitanssi ja häviökerroin tasapainotetaan yhtä aikaa. Se on suurjännite-eristyksen tärkein laite — kaapelin tai muuntajan häviöiden kasvusta päätellään eristeen vanheneminen kauan ennen läpilyöntiä.
Kapasitanssi saadaan ottamalla aika, joka kuluu kuudenkymmenenkolmen prosentin jännitteeseen tunnetun vastuksen kautta. Näin toimii mikrokontrollerien sisäänrakennettu toiminto ja jokainen itse tehty mittari; superkondensaattoreille se on ainoa tie, koska siltoja ei ole sellaisille arvoille tarkoitettu.
Neljä yhdensuuntaista lieriötä, joiden kapasitanssi pituusyksikköä kohti riippuu vain yhdestä mitattavasta suureesta — limityksen pituudesta. Vuonna 1956 löydetty lause salli laskea kapasitanssin geometriasta ja sitoi sähköiset normaalit vuosikymmeniksi metriin.
05 · Kirjoitussäännöt
µF, nF, pF — eikä mitään ”µµF”
Kaksoisetuliitteet ovat SI:ssä kiellettyjä: pikofaradi kirjoitetaan pF eikä ”µµF” tai ”mmF”, vaikka vanhoissa kaavioissa tapaa kummankin. Merkki F on iso; vieressä oleva °F on Fahrenheit-aste, toinen suure. Kondensaattorien merkinnässä ”104” tarkoittaa 10·10⁴ pF eli 100 nF.
Elektrolyyttikondensaattorit ovat napaisia, ja merkinnän jännite on raja eikä työpiste: 16 V:n kondensaattori elää 12 voltin piirissä vuosia ja 15 voltin piirissä kuukausia. Radioamatöörien tapa on säilyttänyt kaksi lakkautettua etuliitettä: ”µµF” ja ”mmF” tarkoittivat pikofaradia. Historiallinen CGS-ES-järjestelmän statfaradi on yhtä kuin senttimetri: sähköstaattisissa yksiköissä kapasitanssi mitattiin pituutena.
06 · Naapuriyksiköt
Faradi on varauksen ja jännitteen välissä, ja parina henryn kanssa se asettaa värähtelypiirin taajuuden — juuri sen piirin, joka virittää radion asemalle.
Jännitteen neliö energian kaavassa merkitsee, että jännitteen kaksinkertaistaminen varastoi nelinkertaisen määrän — siksi superkondensaattoreissa taistellaan jokaisesta lisävoltista eikä faradeista. Simetriumin korteista faradin naapureita ovat korteista faradin naapureita ovat coulombi ja voltti määritelmästä, henry värähtelypiirin parisuureena, ohmi aikavakiosta ja joule varastoituneesta energiasta.
07 · Historiallinen osa
Missä kapasitanssia laskettiin ennen faradia
Pieter van Musschenbroek sai niin voimakkaan iskun, ettei omien sanojensa mukaan olisi toistanut koetta Ranskan kruunustakaan. Leidenin pullo piti noin nanofaradin — ja se riitti kaatamaan ihmisen.
Faraday ei saanut järjestelmällistä koulutusta eikä hallinnut matematiikkaa, mutta juuri hänen kokeensa antoivat sähkötekniikalle kentän, induktion ja elektrolyysin. Kapasitanssin yksikkö nimettiin hänen mukaansa.
Sähköinsinöörien kongressi määritteli faradin coulombin ja voltin kautta yhdessä voltin, ampeerin ja ohmin kanssa. Käytäntö siirtyi heti mikrofaradeihin: noina vuosina yhdelläkään ihmiskätten tekemällä esineellä ei ollut kokonaisen faradin kapasitanssia.
Kaksoiskerroskondensaattorin patentin jätti General Electric, mutta tuotteeksi sen vei japanilainen NEC, joka toi 1978 markkinoille ”superkondensaattorin” nauhurien muistia varten. Nykyään kolmentuhannen faradin superkondensaattori mahtuu kämmenelle.
Yksikkö valittiin niin epäonnisesti, ettei sitä lähes kahteensataan vuoteen käyttänyt kukaan
Kapasitanssi on ainoa sähköinen suure, jonka normaali voidaan rakentaa puhtaasta geometriasta. Thompsonin ja Lampardin vuoden 1956 lause sanoo, että neljän yhdensuuntaisen lieriöelektrodin järjestelmässä kapasitanssi pituusyksikköä kohti riippuu vain sähkövakiosta eikä mistään muusta: ei sauvojen halkaisijasta eikä niiden välisistä etäisyyksistä. Riittää mitata limityksen pituus liikkuvalla suojuksella — ja kapasitanssi tiedetään laskemalla. Tällainen laskettava kondensaattori antoi noin kaksi pikofaradia metriä kohti ja toimi kansallisten kapasitanssinormaalien perustana ja niiden kautta ohmin normaalien, koska resistanssi saadaan kapasitanssista ja taajuudesta. Kvantti-Hall-ilmiö katkaisi tämän ketjun vuonna 1990 tehdessään ohmista ensisijaisen; laskettavat kondensaattorit jäivät kuitenkin laboratorioihin riippumattomaksi tarkistukseksi — kahden tien välinen ero toimii yhä yhtenä sähköisten normaalien yhteensopivuuden koestuksena.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi omalla nimellä varustettua johdannaista ja järjestelmän ulkopuoliset yksiköt, joita ilman ei tule toimeen tekniikka eikä arki. Jokaisella oma lehtensä: määritelmä, muunnos, mittalaitteet, kirjoitussäännöt. 29 kielellä.
SI-johdannaisyksiköt omalla nimellä
faradin kortti on aukiSI-perusyksiköt
terrakotalla — ne neljä yksikköä, joista faradi koostuuKapasitanssi muissa järjestelmissä
Kortin kieli
29 kieltä. Merkki F on kansainvälinen, mutta arvon kirjoitustapa ei ole: sata nanofaradia eurooppalaisissa kaavioissa, nolla pilkku yksi mikrofaradia amerikkalaisissa — kortti tuo merkinnän paikalliseen käytäntöön.