Farad
Avledet SI-enhet · størrelse: elektrisk kapasitans
01 · Definisjon
Én farad er den kapasitansen der en ladning på én coulomb gir en spenning på én volt. Enheten ble så veldig stor at man nesten aldri bruker den hel: kondensatorer i kretser måles i pikofarad og mikrofarad, og farad kom i alminnelig bruk først med superkondensatorene. Kapasitansen til en kule på størrelse med Jorda er sju hundre mikrofarad.
Leidenerflasken var historiens første kondensator, i 1745. Kapasitansen ligger rundt en nanofarad: en glassflaske med folie inni og utenpå holdt en ladning som veltet hele rekker av munker.
Et stoff som føres inn mellom platene, blir polarisert, dets eget felt opphever delvis det ytre, spenningen ved samme ladning faller — og dermed stiger kapasitansen. Papir gir en faktor på omkring tre, glimmer seks, vann åtti, bariumtitanat i keramikk opptil flere tusen. Prisen for høy permittivitet er ustabilitet: keramikk av klasse Y5V mister ved kantene av arbeidstemperaturområdet opptil åtti prosent av kapasitansen sin og synker merkbart under spenning, derfor setter man film med sine beskjedne tre i nøyaktige kretser.
02 · Omregning
Skriv inn en kapasitans — databladet deler den opp etter enheter
Virkelige komponenter lever i piko- og mikrofarad, så prefiksene arbeider her for fullt. I gamle skjemaer og håndbøker møter man centimeter kapasitans — en enhet i CGS-ES-systemet, lik omtrent én pikofarad.
Kondensatorers merking er tresifret og alltid i pikofarad: de to første sifrene er verdien, det tredje er antallet nuller. Koden 104 betyr ti med fire nuller, altså hundre tusen pikofarad, som samtidig er hundre nanofarad eller null komma én mikrofarad — tre skrivemåter for én størrelse, som finnes i ulike tegneskoler. Bokstaven ved siden av angir toleransen: K er ti prosent, J fem, M tjue.
| Enhet | Navn | Verdi | Hvor den forekommer |
|---|---|---|---|
| F | farad, SI-enhet | 1 | utgangsenheten for dette bladet |
| mF | millifarad | 1000 | sjeldent prefiks: man skriver heller tusenvis av mikrofarad |
| µF | mikrofarad | 1000000 | det mest kjente prefikset i skjemaer |
| nF | nanofarad | 10⁹ | den europeiske skrivemåten; i Amerika de samme 0,1 µF |
| pF | pikofarad | 10¹² | under den begynner ledernes egen kapasitans |
| cm | centimeter, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | i det elektrostatiske systemet ble kapasitansen målt i lengde |
| R, m | radien til en kule | 8,988·10⁹ | for én farad ville radien bli ni millioner kilometer |
| cm | centimeter, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | en kules kapasitans er lik radien dens |
| abF | abfarad, CGS-EM | 10⁻⁹ | en milliard farad i én enhet |
| jar | «krukka» | 9,009·10⁸ | man talte hvor mange leidenerflasker som utgjorde et batteri |
| µµF | mikromikrofarad | 10¹² | et dobbelt prefiks i stedet for piko |
| F | farad | 1 | utgangsenheten for dette bladet |
Farad er forholdet mellom coulomb og volt, derfor står den mellom dem. Med ohm gir den sekunder, med henry en krets’ resonansfrekvens
03 · Størrelsesordener
fra transistoren til planetenÉn farad: en superkondensator på størrelse med et glass
04 · Måleinstrumenter
Hva man måler kapasitans med
Den legger en sinus av kjent frekvens på komponenten og regner ut kapasitansen og tapene av strømmens amplitude og faseforskyvning. Resultatet avhenger av målefrekvensen: en elektrolytt viser ulike verdier ved hundre hertz og ved ti kilohertz, og i databladet til komponenten angis frekvensen alltid.
En brokopling med en normalkondensator i en grein: kapasitans og tapsvinkel balanseres samtidig. Det er høyspenningsisolasjonens viktigste instrument — av tapenes vekst i en kabel eller en transformator bedømmes dielektrikets aldring lenge før gjennomslag.
Kapasitansen får man ved å ta tiden fram til sekstitre prosent av spenningen gjennom en kjent motstand. Slik virker den innebygde funksjonen i mikrokontrollere og enhver hjemmelaget måler; for superkondensatorer er det den eneste veien, for broer er ikke laget for slike verdier.
Fire parallelle sylindre der kapasitansen per lengdeenhet bare avhenger av én målt størrelse — overlappslengden. Setningen, funnet i 1956, gjorde det mulig å beregne kapasitansen ut fra geometrien og bandt i tiår de elektriske normalene til meteren.
05 · Skriveregler
µF, nF, pF — og ingen «µµF»
Doble prefikser er forbudt i SI: pikofarad skrives pF, og ikke «µµF» eller «mmF», selv om begge deler forekommer i gamle skjemaer. Tegnet F er stor bokstav; °F ved siden av er graden Fahrenheit, en annen størrelse. I kondensatorers merking betyr «104» 10·10⁴ pF, altså 100 nF.
Elektrolyttkondensatorer er polariserte, og spenningen i merkingen er en grense og ikke et arbeidspunkt: en kondensator for 16 V lever i årevis i en 12-voltskrets og i måneder i en med 15 V. Radioamatørenes vane har bevart to avskaffede prefikser: «µµF» og «mmF» betydde pikofarad. Den historiske statfaraden i CGS-ES-systemet er lik centimeteren: i elektrostatiske enheter ble kapasitansen målt i lengde.
06 · Naboenheter
Farad står mellom ladning og spenning, og i par med henry setter den frekvensen til en svingekrets — nettopp den kretsen som stiller inn en radio på en stasjon.
Kvadratet av spenningen i energiformelen betyr at en dobling av spenningen lagrer fire ganger så mye — derfor kjemper man ved superkondensatorer om hver ekstra volt og ikke om farad. Fra databladene til Simetrium grenser til farad databladene til Simetrium grenser til farad coulomb og volt ut fra definisjonen, henry som parret størrelse i svingekretsen, ohm ut av tidskonstanten og joule av den lagrede energien.
07 · Historisk del
Hva man regnet kapasitansen i før farad
Pieter van Musschenbroek fikk et støt av en slik styrke at han etter eget utsagn ikke ville gjenta forsøket engang for Frankrikes krone. Leidenerflasken holdt omkring en nanofarad — og det var nok til å velte et menneske.
Faraday fikk ingen systematisk utdanning og behersket ikke matematikken, men det var nettopp forsøkene hans som ga elektroteknikken både feltet, induksjonen og elektrolysen. Enheten for kapasitans fikk navnet hans.
Elektrikernes kongress fastsatte farad gjennom coulomb og volt, sammen med volt, ampere og ohm. Praksis gikk straks over til mikrofarad: i de årene hadde ingen menneskeskapt gjenstand en kapasitans på en hel farad.
Patentet på dobbeltlagskondensatoren ble søkt av General Electric, men til produkt førte japanske NEC den, da de i 1978 lanserte en «superkondensator» for minnet i båndopptakere. I dag får en superkondensator på tre tusen farad plass i en håndflate.
Enheten ble valgt så uheldig at nesten to hundre år var det ingen som brukte den
Kapasitansen er den eneste elektriske størrelsen hvis normal kan bygges av ren geometri. Thompson og Lampards setning fra 1956 sier at i et system av fire parallelle sylindriske elektroder avhenger kapasitansen per lengdeenhet bare av den elektriske konstanten og av ingenting annet: verken av stavenes diameter eller av avstandene mellom dem. Det er nok å måle overlappslengden med et bevegelig skjerm — og kapasitansen er kjent ved beregning. En slik beregnelig kondensator ga omkring to pikofarad per meter og tjente som grunnlag for nasjonale kapasitansnormaler og gjennom dem for ohm-normaler, siden motstanden fås av kapasitans og frekvens. Kvante-Halleffekten brøt den kjeden i 1990 ved å gjøre ohmen primær; beregnelige kondensatorer ble likevel værende i laboratoriene som uavhengig kontroll — forskjellen mellom de to veiene tjener den dag i dag som en av prøvene på at de elektriske normalene stemmer overens.
Katalog · måleenheter
Et datablad for hver størrelse
Sju SI-grunnenheter, tjueto avledede med egne navn og enhetene utenfor systemet som verken teknikken eller hverdagen klarer seg uten. Hver har sitt eget blad: definisjon, omregning, instrumenter, skriveregler. På 29 språk.
Avledede SI-enheter med eget navn
databladet for farad er åpnetSI-grunnenheter
i terrakotta — de fire enhetene farad bygges avKapasitans i andre systemer
Databladets språk
29 språk. Tegnet F er internasjonalt, men skrivemåten for en verdi er det ikke: hundre nanofarad i europeiske skjemaer, null komma én mikrofarad i amerikanske — databladet fører betegnelsen over i lokal praksis.