Farad
Unitate SI derivată · mărime: capacitate electrică
01 · Definiție
Un farad este capacitatea pe care o sarcină de un coulomb creează o tensiune de un volt. Unitatea a ieșit atât de uriașă încât aproape niciodată nu se folosește întreagă: condensatoarele din circuite se măsoară în picofarazi și microfarazi, iar faradul a intrat în uz abia cu supercondensatoarele. Capacitatea unei sfere de mărimea Pământului este de șapte sute de microfarazi.
Butelia de Leida a fost primul condensator din istorie, în 1745. Capacitatea ei este de aproape un nanofarad: o sticlă de sticlă cu foiță metalică pe dinăuntru și pe dinafară ținea o sarcină de la care cădeau rânduri întregi de călugări.
O substanță pusă între armături se polarizează, câmpul ei propriu anulează în parte pe cel exterior, tensiunea la aceeași sarcină scade — și deci capacitatea crește. Hârtia dă un factor de vreo trei, mica șase, apa optzeci, titanatul de bariu în ceramică până la câteva mii. Prețul unei permitivități mari este instabilitatea: ceramica de clasă Y5V pierde la marginile intervalului de temperatură de lucru până la optzeci la sută din capacitate și coboară simțitor sub tensiune, de aceea în circuitele precise se pune film cu modestul lui trei.
02 · Conversie
Introduceți o capacitate — fișa o descompune pe unități
Piesele adevărate trăiesc în pico- și microfarazi, așa că aici prefixele lucrează din plin. În scheme și manuale vechi se întâlnesc centimetri de capacitate — o unitate a sistemului CGS-ES, egală cu vreun picofarad.
Marcajul condensatoarelor are trei cifre și este întotdeauna în picofarazi: primele două cifre sunt valoarea, a treia este numărul de zerouri. Codul 104 înseamnă zece cu patru zerouri, adică o sută de mii de picofarazi, care sunt totodată o sută de nanofarazi sau zero virgulă unu microfarazi — trei scrieri ale aceleiași mărimi, întâlnite în școli de desen diferite. Litera de alături dă toleranța: K este zece la sută, J cinci, M douăzeci.
| Unitate | Nume | Valoare | Unde apare |
|---|---|---|---|
| F | farad, unitate SI | 1 | unitatea de pornire a acestei fișe |
| mF | milifarad | 1000 | prefix rar: se scriu mai degrabă mii de microfarazi |
| µF | microfarad | 1000000 | prefixul cel mai familiar din scheme |
| nF | nanofarad | 10⁹ | scrierea europeană; în America aceiași 0,1 µF |
| pF | picofarad | 10¹² | sub ea începe capacitatea conductoarelor înseși |
| cm | centimetru, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | în sistemul electrostatic capacitatea se măsura în lungime |
| R, m | raza unei sfere | 8,988·10⁹ | pentru un farad raza ar ajunge la nouă milioane de kilometri |
| cm | centimetru, CGS-ES | 8,988·10¹¹ | capacitatea unei sfere este egală cu raza ei |
| abF | abfarad, CGS-EM | 10⁻⁹ | un miliard de farazi într-o singură unitate |
| jar | «ulciorul» | 9,009·10⁸ | se socotea câte butelii de Leida alcătuiau o baterie |
| µµF | micromicrofarad | 10¹² | un prefix dublu în loc de pico |
| F | farad | 1 | unitatea de pornire a acestei fișe |
Faradul este raportul coulombului la volt, de aceea stă între ele. Cu ohmul dă secunde, cu henry frecvența de rezonanță a unui circuit
03 · Ordine de mărime
de la tranzistor la planetăUn farad: un supercondensator de mărimea unui pahar
04 · Instrumente de măsură
Cu ce se măsoară capacitatea
Aplică piesei o sinusoidă de frecvență cunoscută și, după amplitudinea și defazajul curentului, calculează capacitatea și pierderile. Rezultatul depinde de frecvența de măsurare: un electrolitic la o sută de herți și la zece kiloherți va arăta valori diferite, iar în fișa piesei frecvența se indică întotdeauna.
Un montaj în punte cu un condensator etalon într-o ramură: se echilibrează deodată capacitatea și tangenta unghiului de pierderi. Este aparatul principal al izolației de înaltă tensiune — după creșterea pierderilor într-un cablu sau transformator se judecă îmbătrânirea dielectricului cu mult înainte de străpungere.
Capacitatea se obține cronometrând timpul până la atingerea a șaizeci și trei la sută din tensiune printr-o rezistență cunoscută. Așa lucrează funcția integrată din microcontrolere și orice aparat făcut în casă; pentru supercondensatoare este singura cale, fiindcă punțile nu sunt gândite pentru asemenea valori.
Patru cilindri paraleli la care capacitatea pe unitatea de lungime depinde de o singură mărime măsurată — lungimea de suprapunere. Teorema, găsită în 1956, a îngăduit calcularea capacității din geometrie și a legat vreme de decenii etaloanele electrice de metru.
05 · Reguli de scriere
µF, nF, pF — și niciun «µµF»
Prefixele duble sunt interzise în SI: picofaradul se scrie pF, și nu «µµF» ori «mmF», deși în schemele vechi se întâlnesc amândouă. Simbolul F este majusculă; °F de alături este gradul Fahrenheit, altă mărime. În marcajul condensatoarelor «104» înseamnă 10·10⁴ pF, adică 100 nF.
Condensatoarele electrolitice sunt polarizate, iar tensiunea din marcaj este o limită, nu un punct de lucru: un condensator de 16 V trăiește ani într-un circuit de 12 V și luni într-unul de 15 V. Obiceiul radioamatorilor a păstrat două prefixe desființate: «µµF» și «mmF» însemnau picofaradul. Statfaradul istoric din sistemul CGS-ES este egal cu centimetrul: în unități electrostatice capacitatea se măsura în lungime.
06 · Unități vecine
Faradul stă între sarcină și tensiune, iar în pereche cu henry fixează frecvența unui circuit oscilant — tocmai acel circuit care acordează un radio pe un post.
sarcină pe armătură
coulomb înmulțit cu volt
mărimea pereche din circuitul acordat
Pătratul tensiunii în formula energiei înseamnă că dublarea tensiunii înmagazinează de patru ori mai mult — de aceea la supercondensatoare se luptă pentru fiecare volt în plus, nu pentru farazi. Din fișele Simetrium se învecinează cu faradul fișele Simetrium se învecinează cu faradul coulomb și volt din definiție, henry ca mărime pereche a circuitului acordat, ohm din constanta de timp și joule din energia înmagazinată.
07 · Secțiune istorică
În ce se socotea capacitatea înainte de farad
Pieter van Musschenbroek a primit o lovitură de asemenea putere încât, după propriile-i vorbe, nu ar fi repetat experiența nici pentru coroana Franței. Butelia de Leida ținea vreun nanofarad — și asta ajungea ca să doboare un om.
Faraday nu a primit o educație sistematică și nu stăpânea matematica, dar tocmai experiențele lui au dat electrotehnicii și câmpul, și inducția, și electroliza. Unitatea de capacitate a primit numele lui.
Congresul electricienilor a definit faradul prin coulomb și volt, împreună cu voltul, amperul și ohmul. Practica a trecut îndată la microfarazi: în acei ani niciun obiect făcut de mână omenească nu avea o capacitate de un farad întreg.
Brevetul condensatorului cu dublu strat a fost depus de General Electric, dar la produs l-a dus japoneza NEC, scoțând în 1978 un «supercondensator» pentru memoria magnetofoanelor. Astăzi un supercondensator de trei mii de farazi încape în palmă.
Unitatea a fost aleasă atât de nefericit încât aproape două sute de ani nimeni nu a folosit-o
Capacitatea este singura mărime electrică al cărei etalon poate fi construit din geometrie pură. Teorema lui Thompson și Lampard, din 1956, spune că într-un sistem de patru electrozi cilindrici paraleli capacitatea pe unitatea de lungime depinde numai de constanta electrică și de nimic altceva: nici de diametrul barelor, nici de distanțele dintre ele. Este de ajuns să se măsoare lungimea de suprapunere cu un ecran mobil — și capacitatea este cunoscută prin calcul. Un asemenea condensator calculabil dădea circa doi picofarazi pe metru și a servit drept temei al etaloanelor naționale de capacitate și, prin ele, al etaloanelor de ohm, întrucât rezistența se obține din capacitate și frecvență. Efectul Hall cuantic a rupt acel lanț în 1990 făcând ohmul primar; condensatoarele calculabile au rămas însă în laboratoare ca verificare independentă — diferența dintre cele două căi slujește până azi drept una dintre probele de coerență a etaloanelor electrice.
Catalog · unități de măsură
O fișă pentru fiecare mărime
Șapte unități fundamentale SI, douăzeci și două derivate cu nume propriu și unitățile din afara sistemului fără de care nu se descurcă nici tehnica, nici viața de zi cu zi. Fiecare are foaia ei: definiție, conversie, instrumente, reguli de scriere. În 29 de limbi.
Unități SI derivate cu nume propriu
fișa faradului este deschisăUnități fundamentale SI
în teracotă — cele patru unități din care se compune faradulCapacitatea în alte sisteme
Limba fișei
29 de limbi. Simbolul F este internațional, dar scrierea unei valori nu este: o sută de nanofarazi în schemele europene, zero virgulă unu microfarazi în cele americane — fișa aduce notația la practica locală.