ฟารัด
หน่วยอนุพัทธ์ของ SI · ปริมาณ: ความจุไฟฟ้า
01 · นิยาม
หนึ่งฟารัดคือความจุที่ประจุหนึ่งคูลอมบ์ทำให้เกิดความต่างศักย์หนึ่งโวลต์ หน่วยออกมาใหญ่โตเสียจนแทบไม่เคยใช้ทั้งหน่วย: ตัวเก็บประจุในวงจรวัดกันเป็นพิโกฟารัดและไมโครฟารัด ส่วนฟารัดเพิ่งเข้ามาในชีวิตประจำวันพร้อมตัวเก็บประจุยิ่งยวด ความจุของทรงกลมขนาดเท่าโลกคือเจ็ดร้อยไมโครฟารัด
ขวดไลเดนเป็นตัวเก็บประจุตัวแรกในประวัติศาสตร์ ปี 1745 ความจุของมันราวหนึ่งนาโนฟารัด: ขวดแก้วที่มีแผ่นโลหะทั้งด้านในและด้านนอกเก็บประจุไว้ได้มากพอจะทำให้พระทั้งแถวล้มลง
สารที่ใส่ไว้ระหว่างแผ่นจะเกิดโพลาไรเซชัน สนามของมันเองหักล้างสนามภายนอกไปบางส่วน ความต่างศักย์ที่ประจุเท่าเดิมจึงลดลง — นั่นคือความจุเพิ่มขึ้น กระดาษให้ตัวคูณราวสาม ไมกาหก น้ำแปดสิบ แบเรียมไทเทเนตในเซรามิกได้ถึงหลายพัน ราคาของสภาพยอมสูงคือความไม่เสถียร: เซรามิกชั้น Y5V สูญเสียความจุได้ถึงแปดสิบเปอร์เซ็นต์ที่ขอบของช่วงอุณหภูมิใช้งาน และยุบลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อมีแรงดัน จึงใส่ฟิล์มที่มีเพียงสามเท่าอันเจียมตัวลงในวงจรที่ต้องการความแม่นยำ
02 · การแปลงหน่วย
ใส่ความจุ — แผ่นข้อมูลจะแยกมันออกตามหน่วย
ชิ้นส่วนจริงอยู่ในพิโกและไมโครฟารัด อุปสรรคจึงทำงานเต็มที่ตรงนี้ ในแบบและคู่มือเก่าจะพบเซนติเมตรของความจุ — หน่วยของระบบ CGS ไฟฟ้าสถิต เท่ากับราวหนึ่งพิโกฟารัด
เครื่องหมายบนตัวเก็บประจุมีสามหลักและเป็นพิโกฟารัดเสมอ: สองหลักแรกคือค่า หลักที่สามคือจำนวนศูนย์ รหัส 104 หมายถึงสิบกับศูนย์สี่ตัว นั่นคือหนึ่งแสนพิโกฟารัด ซึ่งก็คือหนึ่งร้อยนาโนฟารัดหรือศูนย์จุดหนึ่งไมโครฟารัด — สามวิธีเขียนของปริมาณเดียวกัน ที่พบในสำนักเขียนแบบต่างกัน ตัวอักษรข้าง ๆ บอกความคลาดเคลื่อนที่ยอมได้: K คือสิบเปอร์เซ็นต์ J คือห้า M คือยี่สิบ
| หน่วย | ชื่อ | ค่า | พบที่ใด |
|---|---|---|---|
| F | ฟารัด, หน่วยของ SI | 1 | หน่วยตั้งต้นของแผ่นข้อมูลนี้ |
| mF | มิลลิฟารัด | 1000 | อุปสรรคที่ใช้น้อย: มักเขียนเป็นหลายพันไมโครฟารัดมากกว่า |
| µF | ไมโครฟารัด | 1000000 | อุปสรรคที่คุ้นเคยที่สุดในแบบวงจร |
| nF | นาโนฟารัด | 10⁹ | การเขียนแบบยุโรป ส่วนในอเมริกาคือ 0.1 µF เท่ากัน |
| pF | พิโกฟารัด | 10¹² | ต่ำลงไปกว่านั้นเริ่มเป็นความจุของตัวนำเอง |
| cm | เซนติเมตร, CGS ไฟฟ้าสถิต | 8.988·10¹¹ | ในระบบไฟฟ้าสถิตวัดความจุด้วยความยาว |
| R, m | รัศมีของทรงกลม | 8.988·10⁹ | ถ้าจะให้ได้หนึ่งฟารัด รัศมีต้องถึงเก้าล้านกิโลเมตร |
| cm | เซนติเมตร, CGS ไฟฟ้าสถิต | 8.988·10¹¹ | ความจุของทรงกลมเท่ากับรัศมีของมัน |
| abF | แอบฟารัด, CGS แม่เหล็กไฟฟ้า | 10⁻⁹ | หนึ่งพันล้านฟารัดในหน่วยเดียว |
| jar | «ไห» | 9.009·10⁸ | นับกันว่าขวดไลเดนกี่ใบรวมเป็นหนึ่งชุด |
| µµF | ไมโครไมโครฟารัด | 10¹² | อุปสรรคซ้อนแทนพิโก |
| F | ฟารัด | 1 | หน่วยตั้งต้นของแผ่นข้อมูลนี้ |
ฟารัดคืออัตราส่วนของคูลอมบ์ต่อโวลต์ จึงยืนอยู่ระหว่างทั้งสอง กับโอห์มให้วินาที กับเฮนรีให้ความถี่สั่นพ้องของวงจร
03 · อันดับของขนาด
จากทรานซิสเตอร์ถึงดาวเคราะห์หนึ่งฟารัด: ตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาดเท่าแก้วน้ำ
04 · เครื่องมือวัด
ความจุวัดด้วยอะไร
มันป้อนคลื่นรูปไซน์ความถี่ที่ทราบค่าให้ชิ้นส่วน แล้วคำนวณความจุและการสูญเสียจากแอมพลิจูดและการเลื่อนเฟสของกระแส ผลลัพธ์ขึ้นกับความถี่ที่ใช้วัด: ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ที่ร้อยเฮิรตซ์กับที่สิบกิโลเฮิรตซ์จะแสดงค่าต่างกัน และในแผ่นข้อมูลของชิ้นส่วนจะระบุความถี่ไว้เสมอ
วงจรบริดจ์ที่มีตัวเก็บประจุมาตรฐานอยู่ในแขนหนึ่ง: ปรับสมดุลทั้งความจุและแทนเจนต์ของมุมสูญเสียไปพร้อมกัน เป็นเครื่องมือหลักของงานฉนวนไฟฟ้าแรงสูง — จากการที่การสูญเสียในสายเคเบิลหรือหม้อแปลงเพิ่มขึ้น ก็ตัดสินความเสื่อมของไดอิเล็กทริกได้นานก่อนที่มันจะเบรกดาวน์
ความจุหาได้ด้วยการจับเวลาที่ใช้ไปจนถึงหกสิบสามเปอร์เซ็นต์ของความต่างศักย์ผ่านความต้านทานที่ทราบค่า ฟังก์ชันในตัวของไมโครคอนโทรลเลอร์ก็ทำงานแบบนี้ และเครื่องวัดทำเองทุกเครื่องก็ด้วย สำหรับตัวเก็บประจุยิ่งยวดนี่เป็นทางเดียว เพราะบริดจ์ไม่ได้ออกแบบมาสำหรับค่าเช่นนั้น
ทรงกระบอกขนานสี่แท่ง ซึ่งความจุต่อหน่วยความยาวขึ้นกับปริมาณที่วัดได้เพียงอย่างเดียว — ความยาวเหลื่อม ทฤษฎีบทที่พบในปี 1956 ทำให้คำนวณความจุจากเรขาคณิตได้ และผูกมาตรฐานทางไฟฟ้าไว้กับเมตรอยู่หลายสิบปี
05 · กฎการเขียน
µF, nF, pF — และไม่มี «µµF»
อุปสรรคซ้อนถูกห้ามใน SI: พิโกฟารัดเขียนว่า pF ไม่ใช่ «µµF» และไม่ใช่ «mmF» แม้ในแบบเก่าจะพบทั้งสองอย่าง สัญลักษณ์ F เป็นตัวใหญ่ ส่วน °F ข้าง ๆ คือองศาฟาเรนไฮต์ อีกปริมาณหนึ่ง ในการทำเครื่องหมายตัวเก็บประจุ «104» หมายถึง 10·10⁴ pF นั่นคือ 100 nF
ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์มีขั้ว และแรงดันที่ระบุไว้เป็นขีดจำกัด ไม่ใช่จุดทำงาน: ตัวเก็บประจุ 16 V อยู่ในวงจร 12 V ได้หลายปี แต่ในวงจร 15 V ได้เพียงหลายเดือน ความเคยชินของนักวิทยุสมัครเล่นเก็บอุปสรรคที่ยกเลิกไปแล้วสองตัวไว้: «µµF» และ «mmF» หมายถึงพิโกฟารัด ส่วนสแตตฟารัดในประวัติศาสตร์ของระบบ CGS ไฟฟ้าสถิตเท่ากับเซนติเมตร: ในหน่วยไฟฟ้าสถิตนั้นวัดความจุด้วยความยาว
06 · หน่วยข้างเคียง
ฟารัดยืนอยู่ระหว่างประจุกับความต่างศักย์ และเมื่อจับคู่กับเฮนรีก็กำหนดความถี่ของวงจรสั่น — วงจรเดียวกับที่จูนวิทยุเข้าสถานี
กำลังสองของความต่างศักย์ในสูตรพลังงานหมายความว่า การเพิ่มความต่างศักย์เป็นสองเท่าเก็บพลังงานได้สี่เท่า — ด้วยเหตุนี้ในตัวเก็บประจุยิ่งยวดจึงแย่งกันทุกโวลต์ที่เพิ่มได้ ไม่ใช่ฟารัด จากแผ่นข้อมูลของ Simetrium สิ่งที่อยู่ติดกับฟารัดคือ แผ่นข้อมูลของ Simetrium สิ่งที่อยู่ติดกับฟารัดคือ คูลอมบ์ และ โวลต์ จากนิยาม เฮนรี ในฐานะปริมาณคู่ของวงจร โอห์ม จากค่าคงตัวเวลา และ จูล ของพลังงานที่สะสม
07 · ภาคประวัติ
ก่อนมีฟารัดนับความจุกันด้วยอะไร
ปีเตอร์ ฟาน มึสเซินบรุก ถูกไฟช็อตแรงเสียจนเขาเองบอกว่าจะไม่ทำการทดลองซ้ำแม้จะได้มงกุฎของฝรั่งเศส ขวดไลเดนเก็บไว้ราวหนึ่งนาโนฟารัด — และเท่านั้นก็พอจะทำให้คนล้มลงได้
ฟาราเดย์ไม่ได้รับการศึกษาอย่างเป็นระบบและไม่เชี่ยวชาญคณิตศาสตร์ แต่การทดลองของเขานี่เองที่ให้สนาม การเหนี่ยวนำ และการแยกสลายด้วยไฟฟ้าแก่วิศวกรรมไฟฟ้า หน่วยของความจุตั้งตามชื่อเขา
ที่ประชุมนักไฟฟ้ากำหนดฟารัดผ่านคูลอมบ์และโวลต์ พร้อมกับโวลต์ แอมแปร์ และโอห์ม การปฏิบัติย้ายไปใช้ไมโครฟารัดทันที เพราะในปีเหล่านั้นไม่มีสิ่งใดที่มือมนุษย์สร้างขึ้นมีความจุถึงหนึ่งฟารัดเต็ม
สิทธิบัตรตัวเก็บประจุสองชั้นยื่นโดยเจเนอรัลอิเล็กทริก แต่ผู้ที่ทำให้เป็นสินค้าคือ NEC ของญี่ปุ่น ซึ่งออก «ตัวเก็บประจุยิ่งยวด» สำหรับหน่วยความจำของเครื่องบันทึกเทปในปี 1978 ทุกวันนี้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามพันฟารัดวางบนฝ่ามือได้
หน่วยถูกเลือกอย่างเคราะห์ร้ายจนเกือบสองร้อยปีไม่มีใครใช้
ความจุเป็นปริมาณทางไฟฟ้าเดียวที่สร้างมาตรฐานได้จากเรขาคณิตล้วน ๆ ทฤษฎีบทของทอมป์สันกับแลมพาร์ดเมื่อปี 1956 กล่าวว่า ในระบบของขั้วทรงกระบอกขนานสี่แท่ง ความจุต่อหน่วยความยาวขึ้นกับค่าคงตัวไฟฟ้าเท่านั้น ไม่ขึ้นกับสิ่งอื่นใด: ไม่ขึ้นกับเส้นผ่านศูนย์กลางของแท่ง และไม่ขึ้นกับระยะระหว่างแท่ง เพียงวัดความยาวเหลื่อมด้วยฉากเลื่อนได้ — ความจุก็รู้ได้จากการคำนวณ ตัวเก็บประจุคำนวณได้เช่นนี้ให้ราวสองพิโกฟารัดต่อเมตร และเป็นรากฐานของมาตรฐานความจุของชาติ และผ่านมาตรฐานเหล่านั้นก็เป็นรากฐานของมาตรฐานโอห์ม เพราะความต้านทานได้จากความจุกับความถี่ ปรากฏการณ์ฮอลล์เชิงควอนตัมตัดสายโซ่นี้ในปี 1990 โดยทำให้โอห์มเป็นปฐมภูมิ ทว่าตัวเก็บประจุคำนวณได้ยังคงอยู่ในห้องปฏิบัติการในฐานะการตรวจสอบอิสระ — ความต่างระหว่างสองเส้นทางยังเป็นหนึ่งในบททดสอบความสอดคล้องของมาตรฐานทางไฟฟ้าจนทุกวันนี้
สารบัญ · หน่วยวัด
แผ่นข้อมูลสำหรับทุกปริมาณ
หน่วยฐานเอสไอเจ็ดหน่วย หน่วยอนุพัทธ์ที่มีชื่อเฉพาะยี่สิบสองหน่วย และหน่วยนอกระบบที่ทั้งงานช่างและชีวิตประจำวันขาดไม่ได้ แต่ละหน่วยมีแผ่นของตน คือ นิยาม การแปลงหน่วย เครื่องมือ และกฎการเขียน ใน 36 ภาษา
หน่วยอนุพัทธ์เอสไอที่มีชื่อเฉพาะ
เปิดแผ่นข้อมูลของฟารัดอยู่หน่วยฐานเอสไอ
สีดินเผาคือสี่หน่วยที่ประกอบกันขึ้นเป็นฟารัดความจุในระบบอื่น
ภาษาของแผ่นข้อมูล
36 ภาษา สัญลักษณ์ F เป็นสากล แต่การเขียนค่าไม่ใช่: ร้อยนาโนฟารัดในแบบยุโรป ศูนย์จุดหนึ่งไมโครฟารัดในแบบอเมริกัน — แผ่นข้อมูลปรับการเขียนให้เข้ากับธรรมเนียมท้องถิ่น