Farad
W 1746 roku w Lejdzie Pieter van Musschenbroek nalał wody do szklanego naczynia i zanurzył w niej drut. Drut naładowano z maszyny elektrostatycznej. Pomocnik trzymał naczynie w dłoni i dotknął drutu drugą ręką. Wstrząs był tak silny, że Musschenbroek napisał do kolegi: za nic w świecie nie powtórzyłby tego doświadczenia.
Naczynie okazało się pierwszym kondensatorem: woda w środku i dłoń na zewnątrz były dwiema okładkami, a szkło między nimi — izolatorem. Ile ładunku utrzymują okładki przy danym napięciu, pokazuje pojemność. Jeden farad to pojemność, której napięcie 1 V nadaje ładunek 1 C. To bardzo dużo: cała Ziemia jako kula ma pojemność około 710 µF.
| Oznaczenie | F |
| Definicja | kulomb na wolt · C/V · kg⁻¹·m⁻²·s⁴·A² |
| Wartości odniesienia | ε₀ — 8,854 187 8·10⁻¹² F/m · kula o promieniu 1 m — 111 pF · Ziemia jako kula — około 710 µF |
| Wprowadzona | 1881, Międzynarodowy Kongres Elektryczny w Paryżu · w SI od 1960 roku |
| Normy | ISO 80000-6 · IEC 60384 · IEC 60062 · SI Brochure 9th ed. |
| Typowe wartości | 10 pF — sonda oscyloskopu · 100 nF — przy nóżkach układu scalonego · 3000 F — superkondensator |
01 · Definicja
Kulomb na każdy wolt
Pojemność C pokazuje, ile ładunku trzeba umieścić na przewodniku, żeby jego napięcie wzrosło o jeden wolt. Najłatwiej zobaczyć to na dwóch płytkach. Na jedną trafia plus, na drugą minus, a między nimi powstaje pole. Im większe płytki i im bliżej siebie stoją, tym więcej ładunku mieszczą przy tym samym napięciu.
Izolator między płytkami zwiększa pojemność. Jego cząsteczki obracają się w polu i częściowo je wygaszają. Szkło zwiększa pojemność mniej więcej 7 razy, ceramika z tytanianu baru — tysiąc razy i więcej. Zgromadzona energia rośnie jak kwadrat napięcia.
Co znaczy „104” na malutkim kondensatorze
Na ceramicznym krążku mieszczą się trzy cyfry i litera. Pierwsze dwie cyfry to początek liczby. Trzecia mówi, ile zer do niej dopisać. Razem daje to pojemność w pikofaradach. Litera po cyfrach to tolerancja. Wybierz cyfry, a na dole pojawi się pojemność z granicami.
Aby uzyskać 1 F z dwóch płytek z odstępem powietrznym 1 mm, każda płytka musiałaby mieć 113 km² powierzchni. Odosobniona kula o pojemności 1 F miałaby promień 9 mln km. Superkondensatory obchodzą to inaczej. Ładunek trzyma się w nich na powierzchni porowatego węgla, a odstęp między ładunkami wynosi około nanometra. Jeden gram takiego węgla ma setki metrów kwadratowych powierzchni.
Dlaczego przeskakuje iskra, gdy z kondensatora wyjmuje się szkło
Z lewej zasilacz wysokiego napięcia do 15 kV ładuje przez rezystor 100 MΩ dwie kwadratowe płytki 20 × 20 cm. Czerwona płytka to plus, turkusowa — minus. Żółte linie to pole między nimi: im gęstsze linie, tym silniejsze pole. Na prawo od płytek słupek porównuje pole z wytrzymałością powietrza, około 3 kV/mm. Między płytki można wsunąć izolator. Lupa z prawej pokazuje jego cząsteczki: czerwony koniec to plus, turkusowy — minus. Zasilacz można odłączyć: wtedy ładunek nie ma dokąd odpłynąć. Przycisk „Rozładuj” oddaje energię lampie.
Zasilacz ładuje płytki.
02 · Przeliczanie
| Jednostka | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
„MFD” na starych kondensatorach to mikrofarady, a nie milifarady. Pikofarady zapisywano jako „MMFD” — mikromikrofarady.
Superkondensator 3000 F przy 2,7 V gromadzi około 11 kJ. To mniej więcej tyle, ile alkaliczna bateria AA.
Pojemność całej Ziemi, około 710 µF, jest mniejsza niż pojemność jednego kondensatora filtrującego 1000 µF w zasilaczu.
03 · Rzędy wielkości
04 · Przyrządy pomiarowe
05 · Zasady zapisu
06 · Jednostki sąsiednie
07 · Dział historyczny
W 1956 roku Andrew Thompson i Douglas Lampard znaleźli kondensator, którego pojemność można obliczyć. Cztery długie walce stoją w narożnikach kwadratu. Pojemność między przeciwległymi parami na metr długości wynosi ε₀·ln 2 / π, około 1,953 549 pF/m. Jest tak przy niemal każdej dokładnej symetrii przekroju. Długość mierzy się interferometrem laserowym, a pojemność wynika z długości.
Od 2019 roku stałe h i e są dokładne, a farad jest z nimi powiązany przez om. Wzorzec oporu oparty na kwantowym efekcie Halla porównuje się z kondensatorem w mostku kwadraturowym przy znanej częstotliwości: C = 1 / (2πfR). Tak krajowe laboratoria odtwarzają farad z dokładnością do milionowych części.
Katalog wielkości
cały indeks →Siedem jednostek podstawowych SI
Kropla kwasu zmienia kolor soku, sól barwi płomień, woda zamarza od stuknięcia. Pod nimi wszystkie karty Simetrium według dziedzin i alfabetycznie.
Otwórz indeks →