Фарад
В 1746 году в Лейдене Питер ван Мушенбрук налил воды в стеклянную банку и опустил в неё проволоку. Её зарядили от электрической машины. Помощник держал банку в руке и коснулся проволоки другой рукой. Удар был такой силы, что Мушенбрук написал коллеге: повторять опыт он не стал бы ни за что.
Банка оказалась первым конденсатором: вода внутри и рука снаружи были двумя обкладками, стекло между ними — изолятором. Сколько заряда держат обкладки при данном напряжении, показывает ёмкость. Один фарад — ёмкость, которой напряжение 1 V сообщает заряд 1 C. Это очень много: у всей Земли как шара ёмкость около 710 µF.
| Обозначение | F |
| Определение | кулон на вольт · C/V · kg⁻¹·m⁻²·s⁴·A² |
| Опорные значения | ε₀ — 8,854 187 8·10⁻¹² F/m · шар радиусом 1 m — 111 pF · Земля как шар — около 710 µF |
| Введена | 1881, Международный электрический конгресс в Париже · в СИ с 1960 года |
| Стандарты | ISO 80000-6 · IEC 60384 · IEC 60062 · SI Brochure 9th ed. |
| Типичные значения | 10 pF — щуп осциллографа · 100 nF — у ножек микросхемы · 3000 F — ионистор |
01 · Определение
Кулон на каждый вольт
Ёмкость C показывает, сколько заряда нужно положить на проводник, чтобы его напряжение выросло на один вольт. Проще всего это увидеть на двух пластинах. На одну приходит плюс, на другую минус, между ними возникает поле. Чем больше пластины и чем ближе они друг к другу, тем больше заряда они вмещают при том же напряжении.
Изолятор между пластинами увеличивает ёмкость. Его молекулы поворачиваются в поле и частично гасят его. Стекло увеличивает ёмкость примерно в 7 раз, керамика из титаната бария — в тысячу и больше. Запасённая энергия растёт как квадрат напряжения.
Что значит «104» на маленьком конденсаторе
На керамическом диске помещаются три цифры и буква. Первые две цифры — начало числа. Третья — сколько нулей к нему дописать. Всё вместе — ёмкость в пикофарадах. Буква после цифр — допуск. Выберите цифры, и внизу появится ёмкость с пределами.
Чтобы получить 1 F из двух пластин с воздушным зазором 1 mm, каждая пластина должна быть площадью 113 km². Уединённый шар ёмкостью 1 F имел бы радиус 9 млн km. Ионисторы обходят это иначе. Заряд в них держится на поверхности пористого угля, а зазор между зарядами — около нанометра. В одном грамме такого угля — сотни квадратных метров поверхности.
Почему искра бьёт, когда из конденсатора вынимают стекло
Слева высоковольтный источник до 15 kV, он заряжает две квадратные пластины 20 × 20 cm через резистор 100 MΩ. Красная пластина — плюс, бирюзовая — минус. Жёлтые линии — поле между ними: чем гуще линии, тем сильнее поле. Справа от пластин столбик показывает поле против прочности воздуха, около 3 kV/mm. Между пластинами можно вдвинуть изолятор. Лупа справа показывает его молекулы: красный конец — плюс, бирюзовый — минус. Источник можно отключить: тогда заряду некуда уйти. Кнопка «Разрядить» отдаёт энергию лампе.
Источник заряжает пластины.
02 · Пересчёт
| Единица | Значение | Где встречается |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
«MFD» на старых конденсаторах — микрофарады, а не миллифарады. Пикофарады писали «MMFD» — микромикрофарады.
Ионистор 3000 F при 2,7 V запасает около 11 kJ. Это примерно столько же, сколько щелочная батарейка AA.
Ёмкость всей Земли, около 710 µF, меньше, чем у одного конденсатора фильтра в блоке питания на 1000 µF.
03 · Порядки величин
04 · Приборы измерения
05 · Правила записи
06 · Соседние единицы
07 · Исторический раздел
В 1956 году Эндрю Томпсон и Дуглас Лампард нашли конденсатор, ёмкость которого можно рассчитать. Четыре длинных цилиндра стоят по углам квадрата. Ёмкость между противоположными парами на метр длины равна ε₀·ln 2 / π, около 1,953 549 pF/m. Это верно почти при любой точной симметрии сечения. Длину измеряют лазерным интерферометром, и ёмкость получается из длины.
После 2019 года постоянные h и e точные, и фарад связан с ними через ом. Эталон сопротивления на квантовом эффекте Холла сравнивают с конденсатором в квадратурном мосте при известной частоте: C = 1 / (2πfR). Так национальные лаборатории получают фарад с точностью до миллионных долей.
Каталог величин
весь указатель →Семь основных единиц СИ
Капля кислоты меняет цвет сока, соль красит пламя, вода замерзает от стука. Под ними — все листы Simetrium по дисциплинам и по алфавиту.
Открыть указатель →