Farad
In 1746 goot Pieter van Musschenbroek in Leiden water in een glazen pot en liet er een draad in zakken. Die werd geladen met een elektriseermachine. Een assistent hield de pot in zijn hand en raakte de draad aan met zijn andere hand. De schok was zo hevig dat Musschenbroek aan een collega schreef dat hij de proef voor niets ter wereld zou herhalen.
De pot bleek de eerste condensator: het water binnenin en de hand buitenom waren de twee platen, het glas ertussen de isolator. Hoeveel lading de platen bij een gegeven spanning vasthouden, geeft de capaciteit aan. Eén farad is de capaciteit waarbij een spanning van 1 V een lading van 1 C oplevert. Dat is enorm veel: de hele Aarde heeft als bol een capaciteit van ongeveer 710 µF.
| Aanduiding | F |
| Definitie | coulomb per volt · C/V · kg⁻¹·m⁻²·s⁴·A² |
| Referentiewaarden | ε₀ — 8,854 187 8·10⁻¹² F/m · bol met straal 1 m — 111 pF · de Aarde als bol — ongeveer 710 µF |
| Ingevoerd | 1881, Internationaal Elektriciteitscongres in Parijs · in het SI sinds 1960 |
| Normen | ISO 80000-6 · IEC 60384 · IEC 60062 · SI Brochure 9th ed. |
| Typische waarden | 10 pF — tastkop van een oscilloscoop · 100 nF — bij de pootjes van een chip · 3000 F — supercondensator |
01 · Definitie
Eén coulomb voor elke volt
De capaciteit C geeft aan hoeveel lading je op een geleider moet zetten om zijn spanning één volt te laten stijgen. Dat zie je het makkelijkst bij twee platen. De ene krijgt plus, de andere min, en daartussen ontstaat een veld. Hoe groter de platen en hoe dichter ze bij elkaar staan, hoe meer lading ze bij dezelfde spanning bevatten.
Een isolator tussen de platen vergroot de capaciteit. Zijn moleculen draaien in het veld en verzwakken het gedeeltelijk. Glas maakt de capaciteit ongeveer 7 keer zo groot, bariumtitanaatkeramiek duizend keer en meer. De opgeslagen energie groeit met het kwadraat van de spanning.
Wat ‘104’ betekent op een piepkleine condensator
Op een keramisch schijfje passen drie cijfers en een letter. De eerste twee cijfers zijn het begin van het getal. Het derde zegt hoeveel nullen erachter komen. Samen geven ze de capaciteit in picofarad. De letter na de cijfers is de tolerantie. Kies de cijfers, en onderaan verschijnt de capaciteit met haar grenzen.
Om met twee platen en 1 mm lucht ertussen 1 F te krijgen, zou elke plaat 113 km² groot moeten zijn. Een losse bol van 1 F zou een straal van 9 miljoen km hebben. Supercondensatoren pakken het anders aan. Hun lading zit op het oppervlak van poreuze koolstof, en de afstand tussen de ladingen is ongeveer een nanometer. Eén gram van zulke koolstof heeft honderden vierkante meters oppervlak.
Waarom er een vonk overspringt als je het glas uit een condensator trekt
Links een hoogspanningsvoeding tot 15 kV; die laadt via een weerstand van 100 MΩ twee vierkante platen van 20 × 20 cm. De rode plaat is plus, de turquoise min. De gele lijnen zijn het veld ertussen: hoe dichter de lijnen, hoe sterker het veld. Rechts van de platen vergelijkt een staafje het veld met de doorslagsterkte van lucht, ongeveer 3 kV/mm. Tussen de platen kun je een isolator schuiven. De loep rechts toont zijn moleculen: het rode uiteinde is plus, het turquoise min. Je kunt de voeding loskoppelen: dan kan de lading nergens heen. De knop ‘Ontladen’ geeft de energie aan een lamp.
De voeding laadt de platen op.
02 · Omrekening
| Eenheid | Waarde | Waar het voorkomt |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
‘MFD’ op oude condensatoren betekent microfarad, niet millifarad. Picofarad schreef men als ‘MMFD’ — micromicrofarad.
Een supercondensator van 3000 F bij 2,7 V slaat ongeveer 11 kJ op. Dat is ongeveer evenveel als een alkalinebatterij AA.
De capaciteit van de hele Aarde, ongeveer 710 µF, is kleiner dan die van één afvlakcondensator van 1000 µF in een voeding.
03 · Ordes van grootte
04 · Meetinstrumenten
05 · Schrijfregels
06 · Naburige eenheden
07 · Historisch deel
In 1956 vonden Andrew Thompson en Douglas Lampard een condensator waarvan de capaciteit te berekenen is. Vier lange cilinders staan op de hoeken van een vierkant. De capaciteit tussen de tegenover elkaar liggende paren per meter lengte is ε₀·ln 2 / π, ongeveer 1,953 549 pF/m. Dat geldt bij vrijwel elke exacte symmetrie van de doorsnede. De lengte wordt gemeten met een laserinterferometer, en de capaciteit volgt uit de lengte.
Sinds 2019 zijn de constanten h en e exact, en de farad is via de ohm aan ze gekoppeld. Een weerstandsstandaard op basis van het quantum-Hall-effect wordt in een kwadratuurbrug bij een bekende frequentie vergeleken met een condensator: C = 1 / (2πfR). Zo realiseren nationale laboratoria de farad tot op miljoensten nauwkeurig.
Catalogus van grootheden
de hele index →De zeven SI-basiseenheden
Een druppel zuur verandert de kleur van het sap, zout kleurt de vlam, water bevriest door een tik. Daaronder alle bladen van Simetrium, per vakgebied en alfabetisch.
Index openen →