Farad
Származtatott SI-egység · mennyiség: elektromos kapacitás
01 · Meghatározás
Egy farad az a kapacitás, amelyen egy coulomb töltés egy volt feszültséget hoz létre. Az egység olyan hatalmasra sikerült, hogy egészben szinte sosem használják: az áramkörök kondenzátorait pikofaradban és mikrofaradban mérik, a farad pedig csak a szuperkondenzátorokkal került a hétköznapi használatba. Egy Föld nagyságú gömb kapacitása hétszáz mikrofarad.
A leideni palack volt a történelem első kondenzátora, 1745-ben. Kapacitása egy nanofarad körül van: az üvegpalack, belül és kívül fóliával, akkora töltést tartott, amelytől egész szerzetessorok estek le a lábukról.
A lemezek közé tett anyag polarizálódik, saját tere részben kioltja a külsőt, a feszültség azonos töltés mellett csökken — és így a kapacitás nő. A papír körülbelül háromszoros szorzót ad, a csillám hatszorost, a víz nyolcvanszorost, a bárium-titanát a kerámiában akár több ezerszerest. A nagy permittivitás ára az állhatatlanság: az Y5V osztályú kerámia a működési hőmérséklet-tartomány szélein akár nyolcvan százalékát is elveszti kapacitásának, és feszültség alatt észrevehetően megroggyan, ezért a pontos áramkörökbe fóliát tesznek a maga szerény hármasával.
02 · Átszámítás
Adjon meg egy kapacitást — az adatlap szétbontja egységekre
A valódi alkatrészek piko- és mikrofaradban élnek, így az előtagok itt teljes erővel dolgoznak. Régi rajzokon és kézikönyvekben a kapacitás centimétereivel találkozunk — a CGS-ES rendszer egységével, amely körülbelül egy pikofaraddal egyenlő.
A kondenzátorok jelölése háromjegyű és mindig pikofaradban: az első két számjegy az érték, a harmadik a nullák száma. A 104 kód tízet jelent négy nullával, azaz százezer pikofaradot, ami egyben száz nanofarad vagy nulla egész egy tized mikrofarad — ugyanannak a mennyiségnek három írásmódja, amelyek különböző rajziskolákban fordulnak elő. A mellette álló betű a tűrést adja meg: a K tíz százalék, a J öt, az M húsz.
| Egység | Név | Érték | Hol fordul elő |
|---|---|---|---|
| F | farad, SI-egység | 1 | ennek az adatlapnak a kiindulási egysége |
| mF | millifarad | 1000 | ritka előtag: inkább ezer mikrofaradot írnak |
| µF | mikrofarad | 1000000 | a rajzok legmegszokottabb előtagja |
| nF | nanofarad | 10⁹ | az európai írásmód; Amerikában ugyanaz a 0,1 µF |
| pF | pikofarad | 10¹² | alatta kezdődik maguknak a vezetőknek a kapacitása |
| cm | centiméter, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | az elektrosztatikus rendszerben a kapacitást hosszal mérték |
| R, m | gömb sugara | 8,988·10⁹ | egy faradhoz a sugár kilencmillió kilométerre jönne ki |
| cm | centiméter, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | egy gömb kapacitása egyenlő a sugarával |
| abF | abfarad, CGS-EM | 10⁻⁹ | egymilliárd farad egyetlen egységben |
| jar | a „korsó” | 9,009·10⁸ | számolták, hány leideni palack tesz ki egy telepet |
| µµF | mikromikrofarad | 10¹² | kettős előtag a piko helyett |
| F | farad | 1 | ennek az adatlapnak a kiindulási egysége |
A farad a coulomb és a volt aránya, ezért áll közöttük. Az ohmmal másodperceket ad, a henryvel egy kör rezonanciafrekvenciáját
03 · Nagyságrendek
a tranzisztortól a bolygóigEgy farad: pohár nagyságú szuperkondenzátor
04 · Mérőeszközök
Mivel mérik a kapacitást
Ismert frekvenciájú szinuszt ad az alkatrészre, és az áram amplitúdójából meg fáziseltéréséből számolja ki a kapacitást és a veszteségeket. Az eredmény függ a mérési frekvenciától: egy elektrolit száz hertzen és tíz kilohertzen más értéket mutat, és az alkatrész adatlapján a frekvenciát mindig feltüntetik.
Hídkapcsolás etalonkondenzátorral az egyik ágban: egyszerre hozzák egyensúlyba a kapacitást és a veszteségi szöget. Ez a nagyfeszültségű szigetelés fő műszere — egy kábel vagy transzformátor veszteségeinek növekedéséből jóval az átütés előtt megítélik a dielektrikum öregedését.
A kapacitást úgy kapjuk meg, hogy megmérjük a feszültség hatvanhárom százalékának eléréséig eltelt időt ismert ellenálláson át. Így működik a mikrovezérlőkbe épített függvény és minden házilag készült mérő; a szuperkondenzátoroknál ez az egyetlen út, mert a hidakat nem ilyen értékekre tervezték.
Négy párhuzamos henger, amelyeknél az egységnyi hosszra jutó kapacitás egyetlen mért mennyiségtől függ — az átfedés hosszától. Az 1956-ban talált tétel lehetővé tette, hogy a kapacitást a geometriából számolják, és évtizedekre a méterhez kötötte az elektromos etalonokat.
05 · Írásszabályok
µF, nF, pF — és semmi „µµF”
A kettős előtagok az SI-ben tilosak: a pikofaradot pF-nek írjuk, nem „µµF”-nek és nem „mmF”-nek, jóllehet a régi rajzokon mindkettő előfordul. Az F jel nagybetű; a mellette álló °F a Fahrenheit-fok, más mennyiség. A kondenzátorok jelölésében a „104” azt jelenti, hogy 10·10⁴ pF, vagyis 100 nF.
Az elektrolitkondenzátorok polárosak, és a jelölésben szereplő feszültség határ, nem munkapont: egy 16 V-os kondenzátor egy 12 voltos áramkörben évekig él, egy 15 voltosban hónapokig. A rádióamatőrök szokása két eltörölt előtagot őrzött meg: a „µµF” és az „mmF” a pikofaradot jelentette. A CGS-ES rendszer történelmi statfaradja egyenlő a centiméterrel: elektrosztatikus egységekben a kapacitást hosszal mérték.
06 · Szomszédos egységek
A farad a töltés és a feszültség között áll, a henryvel párban pedig megszabja egy rezgőkör frekvenciáját — épp annak az áramkörnek, amely a rádiót egy adóra hangolja.
A feszültség négyzete az energia képletében azt jelenti, hogy a feszültség megkétszerezése négyszer annyit tárol — ezért a szuperkondenzátoroknál minden pluszvoltért küzdenek, nem faradért. A Simetrium adatlapjai közül a faradhoz csatlakozik Simetrium adatlapjai közül a faradhoz csatlakozik coulomb és volt a meghatározásból, henry a rezgőkör páros mennyiségeként, ohm az időállandóból és joule a tárolt energiából.
07 · Történeti rész
Miben számolták a kapacitást a farad előtt
Pieter van Musschenbroek akkora ütést kapott, hogy saját szavai szerint Franciaország koronájáért sem ismételte volna meg a kísérletet. A leideni palack körülbelül egy nanofaradot tartott — és ez elég volt, hogy egy embert leverjen a lábáról.
Faraday nem kapott rendszeres oktatást, és a matematikát sem bírta, mégis épp az ő kísérletei adták az elektrotechnikának a teret, az indukciót és az elektrolízist egyaránt. A kapacitás egységét róla nevezték el.
Az elektrikusok kongresszusa a faradot a coulombon és a volton keresztül határozta meg, a volttal, az amperrel és az ohmmal együtt. A gyakorlat rögtön mikrofaradra tért át: azokban az években egyetlen emberkéz alkotta tárgy sem bírt egész farad kapacitással.
A kettősréteg-kondenzátor szabadalmát a General Electric nyújtotta be, termékké azonban a japán NEC vitte, amikor 1978-ban kiadott egy „szuperkondenzátort” a magnók memóriájához. Ma egy háromezer farados szuperkondenzátor elfér a tenyérben.
Az egységet olyan szerencsétlenül választották, hogy csaknem kétszáz évig senki sem használta
A kapacitás az egyetlen elektromos mennyiség, amelynek etalonja tiszta geometriából felépíthető. Thompson és Lampard 1956-os tétele kimondja, hogy négy párhuzamos hengeres elektróda rendszerében az egységnyi hosszra jutó kapacitás egyedül az elektromos állandótól függ és semmi mástól: sem a rudak átmérőjétől, sem a köztük lévő távolságoktól. Elég megmérni az átfedés hosszát mozgatható ernyővel — és a kapacitás számítással ismert. Az ilyen számítható kondenzátor körülbelül két pikofaradot adott méterenként, és alapjául szolgált a nemzeti kapacitásetalonoknak, rajtuk keresztül pedig az ohmetalonoknak, hiszen az ellenállás kapacitásból és frekvenciából adódik. A kvantum-Hall-jelenség 1990-ben elszakította ezt a láncot azzal, hogy az ohmot tette elsődlegessé; a számítható kondenzátorok azonban független ellenőrzésként a laboratóriumokban maradtak — a két út közötti eltérés máig az elektromos etalonok összhangjának egyik próbája.
Katalógus · mértékegységek
Minden mennyiségnek egy adatlap
Az SI hét alapegysége, huszonkét saját nevű származtatott egység és a rendszeren kívüli egységek, amelyek nélkül sem a technika, sem a hétköznapok nem boldogulnak. Mindegyiknek külön lapja van: meghatározás, átszámítás, eszközök, írásszabályok. 29 nyelven.
Saját nevű SI-származtatott egységek
a farad adatlapja nyitvaAz SI alapegységei
terrakottával — az a négy egység, amelyből a farad összeállA kapacitás más rendszerekben
Az adatlap nyelve
29 nyelv. Az F jel nemzetközi, egy érték leírása viszont nem: száz nanofarad az európai kapcsolási rajzokon, nulla egész egy tized mikrofarad az amerikaiakon — az adatlap a helyi gyakorlatra hozza a jelölést.