Фарад — единица измерения электрической ёмкости¶
Фарад (обозначение: Ф, международное: F) — единица измерения электрической ёмкости в Международной системе единиц (СИ). Названа в честь английского физика Майкла Фарадея. Один фарад определяется как ёмкость конденсатора, заряд которого увеличивается на один кулон при увеличении напряжения на его обкладках на один вольт. Фарад относится к производным единицам СИ и выражается через другие единицы системы: 1 Ф = 1 Кл/В = 1 с⁴·А²·м⁻²·кг⁻¹.
¶История
Единица была принята на Первом международном конгрессе электриков в Чикаго в 1893 году и утверждена на Международной электротехнической выставке в Чикаго. В 1960 году фарад был официально включён в структуру СИ на XI Генеральной конференции по мерам и весам. До этого в разных странах использовались разнородные единицы ёмкости: британский «статфарад» (статфарад), немецкий «микрофарад» и другие, что затрудняло сопоставление результатов электротехнических измерений.
¶Величина и кратные единицы
Фарад — весьма большая единица: ёмкость в один фарад в реальных электротехнических устройствах встречается редко. На практике применяют кратные и дольные единицы:
| Единица | Обозначение | Отношение к фараду |
|---|---|---|
| Мегафарад | МФ | 10⁶ Ф |
| Килофарад | кФ | 10³ Ф |
| Милифарад | мФ | 10⁻³ Ф |
| Микрофарад | мкФ | 10⁻⁶ Ф |
| Нанофарад | нФ | 10⁻⁹ Ф |
| Пикофарад | пФ | 10⁻¹² Ф |
Наиболее распространены микрофарад, нанофарад и пикофарад. Ёмкость паразитных связей в электронных платах, распределённая ёмкость кабелей и входное сопротивление усилителей обычно выражаются в пикофарадах, ёмкость электролитических конденсаторов — в микрофарадах.
¶Что измеряется в фарадах
В фарадах измеряется электрическая ёмкость — физическая величина, характеризующая способность тела накапливать электрический заряд при наличии разности потенциалов. Ёмкость зависит от геометрии и взаимного расположения проводников, а также от свойств диэлектрика, разделяющего их. Для плоского конденсатора ёмкость определяется формулой:
C = ε₀ · εᵣ · S / d,
где ε₀ — электрическая постоянная, εᵣ — относительная проницаемость диэлектрика, S — площадь обкладок, d — расстояние между ними.
Помимо ёмкости конденсаторов, в фарадах выражают:
- Распределённую ёмкость линий электропередачи и кабелей (обычно в нанофарадах на километр);
- Входную ёмкость электронных компонентов — транзисторов, операционных усилителей, датчиков;
- Ёмкость различных объектов: человеческого тела, отдельных узлов оборудования, антенн.
¶Связь с другими величинами
Ёмкость тесно связана с другими электрическими параметрами. Заряд конденсатора определяется соотношением Q = C · U. При изменении напряжения через конденсатор протекает ток, описываемый формулой I = C · dU/dt. Энергия, запасённая в заряженном конденсаторе, равна W = C · U² / 2.
При последовательном соединении конденсаторов их ёмкости складываются по правилу обратных величин, при параллельном — напрямую. В цепях переменного тока ёмкость определяет ёмкостное сопротивление X_C = 1 / (2πfC), обратно пропорциональное частоте и ёмкости. Именно поэтому конденсаторы широко используются для фильтрации сигнала, создания колебательных контуров и согласования цепей.
¶Единицы, не связанные с фарадом
Часто возникает путаница между фарадом и единицами, которые с ним не эквивалентны:
- Ом — единица электрического сопротивления, а не ёмкости;
- Вольт — единица напряжения;
- Кулон — единица электрического заряда;
- Сименс — единица проводимости.
Фарад измеряет именно ёмкость, то есть отношение заряда к напряжению, и не является мерой сопротивления или проводимости.
¶Применение
Ёмкость в фарадах — базовый параметр при проектировании электронных устройств. Конденсаторы применяются в блоках питания для сглаживания пульсаций, в усилителях для разделения сигналов постоянного и переменного тока, в генераторах и фильтрах радиочастот. Ёмкостные сенсоры (тач-экраны, кнопки, датчики уровня) работают на изменении ёмкости, измеряемой в пико- и нанофарадах. В электроэнергетике расчётная ёмкость линий электропередачи влияет на потери и устойчивость передачи, поэтому её измерение и учёт имеют практическое значение.
Источники:
- Международная система единиц (СИ). Справочник / Под ред. Б. А. Дементьева.
- ГОСТ 8.417-2002. СИ. Единицы физических величин.
- Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том III. Электричество.