Farad
Pochodna jednostka SI · wielkość: pojemność elektryczna
01 · Definicja
Jeden farad to pojemność, na której ładunek jednego kulomba tworzy napięcie jednego wolta. Jednostka wyszła tak ogromna, że prawie nigdy nie używa się jej w całości: kondensatory w układach mierzy się w pikofaradach i mikrofaradach, a farad wszedł do obiegu dopiero z superkondensatorami. Pojemność kuli wielkości Ziemi to siedemset mikrofaradów.
Butelka lejdejska była pierwszym kondensatorem w dziejach, rok 1745. Jej pojemność wynosi około nanofarada: szklana butla z folią wewnątrz i na zewnątrz trzymała ładunek, od którego padały całe szeregi mnichów.
Substancja wstawiona między okładki polaryzuje się, jej własne pole częściowo gasi zewnętrzne, napięcie przy tym samym ładunku spada — a więc pojemność rośnie. Papier daje mnożnik około trzech, mika sześć, woda osiemdziesiąt, tytanian baru w ceramice do kilku tysięcy. Ceną wysokiej przenikalności jest niestabilność: ceramika klasy Y5V traci na krańcach zakresu temperatur pracy do osiemdziesięciu procent pojemności i wyraźnie osiada pod napięciem, dlatego w układach dokładnych stawia się folię z jej skromną trójką.
02 · Przeliczanie
Wpisz pojemność — karta rozłoży ją na jednostki
Prawdziwe elementy żyją w piko- i mikrofaradach, więc przedrostki pracują tu na pełnych obrotach. W starych schematach i poradnikach spotyka się centymetry pojemności — jednostkę układu CGS-ES, równą mniej więcej jednemu pikofaradowi.
Oznaczenie kondensatorów jest trzycyfrowe i zawsze w pikofaradach: dwie pierwsze cyfry to wartość, trzecia to liczba zer. Kod 104 znaczy dziesięć z czterema zerami, czyli sto tysięcy pikofaradów, one same to sto nanofaradów albo zero przecinek jeden mikrofarada — trzy zapisy jednej wielkości, spotykane w różnych szkołach rysunku. Litera obok podaje tolerancję: K to dziesięć procent, J pięć, M dwadzieścia.
| Jednostka | Nazwa | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| F | farad, jednostka SI | 1 | jednostka wyjściowa tej karty |
| mF | milifarad | 1000 | przedrostek rzadki: pisze się raczej tysiące mikrofaradów |
| µF | mikrofarad | 1000000 | najbardziej oswojony przedrostek w schematach |
| nF | nanofarad | 10⁹ | zapis europejski; w Ameryce te same 0,1 µF |
| pF | pikofarad | 10¹² | poniżej zaczyna się pojemność samych przewodów |
| cm | centymetr, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | w układzie elektrostatycznym pojemność mierzono długością |
| R, m | promień kuli | 8,988·10⁹ | dla farada promień wyszedłby na dziewięć milionów kilometrów |
| cm | centymetr, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | pojemność kuli równa się jej promieniowi |
| abF | abfarad, CGS-EM | 10⁻⁹ | miliard faradów w jednej jednostce |
| jar | „słój” | 9,009·10⁸ | liczono, ile butelek lejdejskich składa się na baterię |
| µµF | mikromikrofarad | 10¹² | podwójny przedrostek zamiast piko |
| F | farad | 1 | jednostka wyjściowa tej karty |
Farad to stosunek kulomba do wolta, dlatego stoi między nimi. Z omem daje sekundy, z henrem częstotliwość rezonansową obwodu
03 · Rzędy wielkości
od tranzystora do planetyJeden farad: superkondensator wielkości szklanki
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się pojemność
Podaje na element sinusoidę o znanej częstotliwości i z amplitudy oraz przesunięcia fazowego prądu liczy pojemność i straty. Wynik zależy od częstotliwości pomiaru: elektrolit przy stu hercach i przy dziesięciu kilohercach pokaże różne wartości, a w karcie elementu częstotliwość podaje się zawsze.
Układ mostkowy z kondensatorem wzorcowym w gałęzi: równoważy się jednocześnie pojemność i tangens kąta strat. To główny przyrząd izolacji wysokiego napięcia — po wzroście strat w kablu albo transformatorze sądzi się o starzeniu dielektryka na długo przed przebiciem.
Pojemność otrzymuje się, mierząc czas dojścia do sześćdziesięciu trzech procent napięcia przez znaną rezystancję. Tak działa wbudowana funkcja w mikrokontrolerach i każdy samodzielnie zrobiony miernik; dla superkondensatorów to jedyna droga, bo mostki nie są na takie wartości przewidziane.
Cztery równoległe walce, u których pojemność na jednostkę długości zależy tylko od jednej mierzonej wielkości — długości zachodzenia. Twierdzenie znalezione w 1956 roku pozwoliło obliczać pojemność z geometrii i na dziesięciolecia związało wzorce elektryczne z metrem.
05 · Zasady zapisu
µF, nF, pF — i żadnych „µµF”
Podwójne przedrostki są w SI zabronione: pikofarad pisze się pF, a nie „µµF” ani „mmF”, choć w starych schematach spotyka się i jedno, i drugie. Symbol F jest wielki; stojące obok °F to stopień Fahrenheita, inna wielkość. W oznaczeniach kondensatorów „104” znaczy 10·10⁴ pF, czyli 100 nF.
Kondensatory elektrolityczne są spolaryzowane, a napięcie w oznaczeniu to granica, a nie punkt pracy: kondensator na 16 V żyje w obwodzie 12 V latami, w obwodzie 15 V miesiącami. Nawyk krótkofalowców zachował dwa zniesione przedrostki: „µµF” i „mmF” oznaczały pikofarad. Historyczny statfarad z układu CGS-ES równa się centymetrowi: w jednostkach elektrostatycznych pojemność mierzono długością.
06 · Jednostki sąsiednie
Farad stoi między ładunkiem a napięciem, a w parze z henrem wyznacza częstotliwość obwodu drgającego — tego samego, który stroi odbiornik na stację.
Kwadrat napięcia we wzorze na energię oznacza, że podwojenie napięcia gromadzi czterokrotnie więcej — dlatego przy superkondensatorach walczy się o każdy dodatkowy wolt, a nie o farady. Z kart Simetrium do farada przylegają kart Simetrium do farada przylegają kulomb i wolt z definicji, henr jako wielkość parzysta obwodu, om ze stałej czasowej i dżul zgromadzonej energii.
07 · Dział historyczny
W czym liczono pojemność przed faradem
Pieter van Musschenbroek dostał uderzenie takiej siły, że według własnych słów nie powtórzyłby doświadczenia nawet za koronę Francji. Butelka lejdejska trzymała około nanofarada — i to wystarczało, by zwalić człowieka z nóg.
Faraday nie otrzymał systematycznego wykształcenia i nie władał matematyką, ale to właśnie jego doświadczenia dały elektrotechnice i pole, i indukcję, i elektrolizę. Jednostkę pojemności nazwano jego nazwiskiem.
Kongres elektryków określił farad przez kulomb i wolt, wraz z woltem, amperem i omem. Praktyka natychmiast przeszła na mikrofarady: w tamtych latach żaden przedmiot zrobiony ludzką ręką nie miał pojemności całego farada.
Patent na kondensator z podwójną warstwą elektryczną złożył General Electric, ale do wyrobu doprowadziła go japońska NEC, wypuszczając w 1978 roku „superkondensator” do pamięci magnetofonów. Dziś superkondensator na trzy tysiące faradów mieści się w dłoni.
Jednostkę wybrano tak niefortunnie, że przez prawie dwieście lat nikt jej nie używał
Pojemność jest jedyną wielkością elektryczną, której wzorzec da się zbudować z czystej geometrii. Twierdzenie Thompsona i Lamparda z 1956 roku głosi, że w układzie czterech równoległych elektrod walcowych pojemność na jednostkę długości zależy wyłącznie od stałej elektrycznej i od niczego więcej: ani od średnicy prętów, ani od odległości między nimi. Wystarczy zmierzyć długość zachodzenia ruchomym ekranem — i pojemność jest znana z obliczenia. Taki kondensator obliczalny dawał około dwóch pikofaradów na metr i posłużył za podstawę krajowych wzorców pojemności, a przez nie wzorców oma, jako że rezystancję uzyskuje się z pojemności i częstotliwości. Kwantowy efekt Halla zerwał ten łańcuch w 1990 roku, czyniąc om pierwotnym; kondensatory obliczalne pozostały jednak w laboratoriach jako niezależna kontrola — rozbieżność między dwiema drogami do dziś służy za jeden ze sprawdzianów zgodności wzorców elektrycznych.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami oraz jednostki spoza układu, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobny arkusz: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 29 językach.
Jednostki pochodne SI z własną nazwą
otwarta karta faradaJednostki podstawowe SI
terakotą — cztery jednostki, z których składa się faradPojemność w innych układach
Język karty
29 języków. Symbol F jest międzynarodowy, ale zapis wartości już nie: sto nanofaradów w schematach europejskich, zero przecinek jeden mikrofarada w amerykańskich — karta sprowadza oznaczenia do miejscowej praktyki.