Farad
Unit terbitan SI · kuantiti: kemuatan elektrik
01 · Takrif
Satu farad ialah kemuatan yang padanya cas satu coulomb menghasilkan voltan satu volt. Unit ini terjadi begitu besar sehingga hampir tidak pernah digunakan sepenuhnya: kapasitor dalam litar diukur dalam pikofarad dan mikrofarad, manakala farad baru masuk penggunaan harian bersama superkapasitor. Kemuatan sfera sebesar Bumi ialah tujuh ratus mikrofarad.
Botol Leiden ialah kapasitor pertama dalam sejarah, tahun 1745. Kemuatannya kira-kira satu nanofarad: sebuah botol kaca berlapis kerajang di dalam dan di luar menahan cas yang mampu menumbangkan barisan penuh para rahib.
Bahan yang diletakkan antara dua plat menjadi terkutub, medannya sendiri sebahagiannya membatalkan medan luar, voltan pada cas yang sama pun turun — maka kemuatan naik. Kertas memberikan pendarab kira-kira tiga, mika enam, air lapan puluh, barium titanat dalam seramik sehingga beberapa ribu. Harga ketelusan tinggi ialah ketakstabilan: seramik kelas Y5V kehilangan sehingga lapan puluh peratus kemuatannya di hujung julat suhu kerja dan merosot ketara di bawah voltan, sebab itu dalam litar yang jitu dipasang filem dengan angka tiganya yang sederhana.
02 · Penukaran
Masukkan sesuatu kemuatan — helaian ini akan memecahkannya mengikut unit
Komponen sebenar hidup dalam piko- dan mikrofarad, jadi awalan di sini bekerja sepenuhnya. Dalam skema dan buku panduan lama ditemui sentimeter kemuatan — unit sistem CGS-ES, sama dengan lebih kurang satu pikofarad.
Penandaan kapasitor terdiri daripada tiga angka dan sentiasa dalam pikofarad: dua angka pertama ialah nilainya, angka ketiga ialah bilangan sifar. Kod 104 bermaksud sepuluh dengan empat sifar, iaitu seratus ribu pikofarad, yang serentak juga seratus nanofarad atau sifar perpuluhan satu mikrofarad — tiga penulisan bagi satu kuantiti, yang ditemui dalam aliran lukisan teknik yang berlainan. Huruf di sebelahnya memberikan terikan: K sepuluh peratus, J lima, M dua puluh.
| Unit | Nama | Nilai | Di mana dijumpai |
|---|---|---|---|
| F | farad, unit SI | 1 | unit awal helaian ini |
| mF | milifarad | 1000 | awalan jarang: lebih kerap ditulis beribu-ribu mikrofarad |
| µF | mikrofarad | 1000000 | awalan yang paling biasa pada skema |
| nF | nanofarad | 10⁹ | penulisan Eropah; di Amerika 0.1 µF yang sama |
| pF | pikofarad | 10¹² | di bawahnya bermula kemuatan konduktor itu sendiri |
| cm | sentimeter, CGS-ES | 8.988·10¹¹ | dalam sistem elektrostatik kemuatan diukur dengan panjang |
| R, m | jejari sfera | 8.988·10⁹ | untuk satu farad jejarinya akan mencecah sembilan juta kilometer |
| cm | sentimeter, CGS-ES | 8.988·10¹¹ | kemuatan sesebuah sfera sama dengan jejarinya |
| abF | abfarad, CGS-EM | 10⁻⁹ | sebilion farad dalam satu unit |
| jar | «jag» | 9.009·10⁸ | dikira berapa botol Leiden membentuk satu bateri |
| µµF | mikromikrofarad | 10¹² | awalan berganda menggantikan piko |
| F | farad | 1 | unit awal helaian ini |
Farad ialah nisbah coulomb kepada volt, sebab itu ia berdiri antara kedua-duanya. Dengan ohm ia memberi saat, dengan henry frekuensi salunan litar
03 · Orde kuantiti
daripada transistor kepada planetSatu farad: superkapasitor sebesar sebuah gelas
04 · Alat pengukur
Dengan apa kemuatan diukur
Ia memberikan gelombang sinus berfrekuensi diketahui kepada komponen, lalu daripada amplitud dan anjakan fasa arus mengira kemuatan dan kehilangan. Hasilnya bergantung pada frekuensi pengukuran: elektrolit pada seratus hertz dan pada sepuluh kilohertz akan menunjukkan nilai berlainan, dan pada helaian komponen frekuensi sentiasa dinyatakan.
Litar titi dengan kapasitor piawai pada satu cabang: kemuatan dan tangen sudut kehilangan diimbangkan serentak. Inilah alat utama penebatan voltan tinggi — daripada pertambahan kehilangan dalam kabel atau pengubah, penuaan dielektrik dinilai jauh sebelum pecah tebat.
Kemuatan diperoleh dengan mengambil masa sehingga tercapai enam puluh tiga peratus voltan melalui rintangan yang diketahui. Begitulah fungsi terbina dalam mikropengawal bekerja, dan setiap alat ukur buatan sendiri juga begitu; bagi superkapasitor inilah satu-satunya jalan, kerana titi tidak direka untuk nilai sebegitu.
Empat silinder selari yang kemuatannya per unit panjang bergantung hanya pada satu kuantiti terukur — panjang pertindihan. Teorem yang ditemui pada 1956 membolehkan kemuatan dikira daripada geometri dan selama berpuluh tahun mengikat piawai elektrik kepada meter.
05 · Perperaturan penulisan
µF, nF, pF — dan tiada «µµF»
Awalan berganda dilarang dalam SI: pikofarad ditulis pF, bukan «µµF» dan bukan «mmF», walaupun pada skema lama kedua-duanya ditemui. Lambang F ialah huruf besar; °F di sebelahnya ialah darjah Fahrenheit, kuantiti lain. Pada penandaan kapasitor «104» bermaksud 10·10⁴ pF, iaitu 100 nF.
Kapasitor elektrolit berkutub, dan voltan pada penandaan ialah had, bukan titik kerja: kapasitor 16 V hidup bertahun-tahun dalam litar 12 V dan berbulan-bulan dalam litar 15 V. Tabiat amatur radio mengekalkan dua awalan yang telah dimansuhkan: «µµF» dan «mmF» bermaksud pikofarad. Statfarad bersejarah daripada sistem CGS-ES sama dengan sentimeter: dalam unit elektrostatik kemuatan diukur dengan panjang.
06 · Satuan tetangga
Farad berdiri antara cas dan voltan, dan berpasangan dengan henry ia menetapkan frekuensi litar ayunan — litar yang menala radio kepada sesebuah stesen.
Kuasa dua voltan dalam rumus tenaga bermakna menggandakan voltan menyimpan empat kali ganda — sebab itu pada superkapasitor orang berebut setiap volt tambahan, bukan farad. Daripada helaian Simetrium, yang bersebelahan dengan farad ialah helaian-helaian Simetrium bersebelahan dengan farad coulomb dan volt daripada takrif, henry sebagai kuantiti berpasangan litar, ohm daripada pemalar masa dan joule daripada tenaga tersimpan.
07 · Bagian sejarah
Dengan apa kemuatan dikira sebelum farad
Pieter van Musschenbroek menerima renjatan sebegitu kuat sehingga, menurut katanya sendiri, dia tidak akan mengulangi uji kaji itu walaupun diberi mahkota Perancis. Botol Leiden menahan kira-kira satu nanofarad — dan itu sudah cukup untuk menumbangkan seorang manusia.
Faraday tidak menerima pendidikan yang teratur dan tidak menguasai matematik, tetapi justeru uji kajinyalah yang memberikan kepada kejuruteraan elektrik medan, aruhan dan elektrolisis sekali gus. Unit kemuatan dinamakan sempena namanya.
Kongres ahli elektrik menetapkan farad melalui coulomb dan volt, bersama volt, ampere dan ohm. Amalan segera beralih kepada mikrofarad: pada tahun-tahun itu tiada satu pun benda buatan tangan manusia yang berkemuatan satu farad penuh.
Paten kapasitor dwilapisan difailkan oleh General Electric, tetapi yang membawanya menjadi produk ialah NEC dari Jepun, yang pada 1978 mengeluarkan «superkapasitor» untuk ingatan perakam pita. Kini superkapasitor tiga ribu farad muat dalam tapak tangan.
Unit ini dipilih begitu malang sehingga hampir dua ratus tahun tiada sesiapa menggunakannya
Kemuatan ialah satu-satunya kuantiti elektrik yang piawainya boleh dibina daripada geometri semata-mata. Teorem Thompson dan Lampard tahun 1956 menyatakan bahawa dalam sistem empat elektrod silinder selari, kemuatan per unit panjang bergantung hanya pada pemalar elektrik dan tidak pada apa-apa lagi: bukan pada garis pusat rod, bukan pula pada jarak antaranya. Cukup mengukur panjang pertindihan dengan pelindung boleh gerak — dan kemuatan diketahui melalui pengiraan. Kapasitor terhitung sebegitu memberikan kira-kira dua pikofarad semeter dan menjadi asas kepada piawai kemuatan kebangsaan, dan melaluinya kepada piawai ohm, kerana rintangan diperoleh daripada kemuatan dan frekuensi. Kesan Hall kuantum memutuskan rantai itu pada 1990 dengan menjadikan ohm sebagai yang utama; namun kapasitor terhitung kekal di makmal sebagai semakan bebas — beza antara dua jalan itu hingga kini menjadi salah satu ujian keselarasan piawai elektrik.
Katalog · satuan ukuran
Satu helaian untuk tiap kuantiti
Tujuh satuan dasar SI, dua puluh dua satuan turunan bernama sendiri, dan satuan di luar sistem yang tidak dapat ditinggalkan baik oleh teknik maupun kehidupan seharian. Masing-masing punya helaiannya: takrif, penukaran, alat, peraturan penulisan. Dalam 36 bahasa.
Satuan turunan SI bernama sendiri
helaian farad terbukaSatuan dasar SI
berwarna terakota — empat unit yang membentuk faradKemuatan dalam sistem lain
Bahasa helaian
36 bahasa. Lambang F bersifat antarabangsa, tetapi cara menulis sesuatu nilai tidak: seratus nanofarad pada skema Eropah, sifar perpuluhan satu mikrofarad pada skema Amerika — helaian ini membawa penulisan kepada amalan setempat.