Что такое фарад?

Фарад — это физическая единица измерения в международной системе СИ, которая показывает величину электрической емкости. Она названа в честь Майкла Фарадея — ученого XIX века, открывшего электромагнитную индукцию, что положило начало электродинамике. Фарад играет важную роль при конструировании конденсаторов. Эти устройства, способные накапливать и отдавать электрический заряд, используются в большинстве современных бытовых приборов. В этой статье мы разберемся с определением и значением фарада, а также определим область его практического применения в науке и технике.

Определение фарада

Фарад (Ф) — это базовая единица измерения электрической емкости конденсатора. Она определяется через отношение двух смежных единиц:

• кулон (Кл) — единица электрического заряда и потока индукционного тока. Когда сила тока равна одному Амперу, за одну секунду по проводнику пройдет заряд, равный одному кулону (Кл = А * с);
• вольт (В) — единица электрического напряжения, разности электрических потенциалов или электродвижущей силы. При силе тока один ампер и мощности один ватт электрическое напряжение будет составлять один вольт (В = Вт / А).

Таким образом, при заряде один кулон и разности потенциалов один вольт электрическая емкость будет равна одному фараду (Ф = Кл / В). Если же определять фарад через базовые единицы системы СИ, формула может иметь следующие виды:

• Ф = (с⁴ * А²) / (м² * кг)
• Ф = (с² * Кл²) / (м² * кг)

Кто открыл фарад?

В прошлом единица измерения емкости называлась фарада. В 1861 году этот термин ввели английские инженеры исследователи Латимер Кларк и Чарльз Брайт. Благодаря их новаторским разработкам в области телекоммуникаций были проложены первые подводные кабели, соединившими разные континенты. Кроме того, Кларк и Брайт были сторонниками создания единой системы физических величин. На основании их предложений в научную сферу были введены термины ампер и вольт, а также производная единица емкости — фарада. Спустя 100 лет, во время принятия Международной системы единиц СИ фарада была переименована в фарад.

Понятие емкости

Электрической емкостью называют способность объекта или устройства накапливать и отдавать электрический заряд. Она определяется как отношение заряда к электростатическому потенциалу проводника: C = Q / φ. Выделяют 2 основных типа емкости:

• собственная — показывает величину заряда, необходимого для повышения потенциала на одну единицу измерения, при условии, что проводник находится на бесконечном удалении от других проводников;
• взаимная — представляет собой ёмкость взаимодействующих компонентов. Обычно это две пластины, разделенные диэлектрическим материалом (конденсатор).

Чтобы лучше понять сущность емкости, рассмотрим ее основные свойства:

• в большинстве случаев емкость является положительной величиной;
• емкость определяется размером и формой проводника, а также электрическими свойствами среды;
• величина емкости не зависит от материала, из которого состоит проводник;
• при изменении температуры и частоты переменного тока также изменяется и показатель электрической емкости.

Измерение электрической емкости

Чтобы измерить электрическую емкость, пользуются специальным прибором — фарадметром или логометром переменного тока. В классическом виде он представляет собой подвижные и неподвижные катушки, соединенные с источником тока, конденсатором с постоянной емкостью и конденсатором, для которого необходимо измерить емкость. При отклонении подвижных элементов фиксируется изменение отношения токов, что позволяет определить шкалу емкости конденсатора.

Фарадметры обычно используют на крупных промышленных предприятиях, однако в большинстве случаев для измерения подходят мультиметры. Это многофункциональные цифровые приборы, которые позволяют определить емкость конденсатора. В зависимости от сложности устройства погрешность может составлять от 0,1% до 10%. Кроме того, мультиметры используют для измерения сопротивления проводника, силы и частоты электрического тока.

Кратные и дольные единицы фарада

Один фарад — это чрезвычайно большая единица емкости. Для примера возьмем шарообразный металлический проводник, радиус которого равен радиусу планеты Земля. Его собственная емкость будет составлять всего 0,0007 фарад. Поэтому, чтобы упростить измерения, ученые используют дольные единицы, которые охватывают от 10^-1 до 10^-30 фарад. На практике наибольшую распространенность имеют 3 дольные единицы:

• микрофарад (мкФ) — 10^-6, одна миллионная часть фарада;
• нанофарад (нФ) — 10^-9, одна миллиардная часть фарада;
• пикофарад (пФ) — 10^-12, одна триллионная часть фарада.

В конце 1950-х годов начали появляться первые суперконденсаторы и ультраконденсаторы, значение емкости которых могло в сотни раз превышать аналогичный показатель у электролитических конденсаторов. Кроме того, суперконденсаторы способны выдерживать множество циклов зарядки и разрядки. Для измерения их емкости иногда используют кратные единицы. Чаще всего применяется обозначение килофарад (кФ), равное одной тысяче фарад.

Связь с другими единицами измерения

Как уже было указано выше, в системе СИ емкость измеряют в фарадах. Однако в системе СГСЭ электрическую емкость измеряют в сантиметрах или статфарадах. Такую емкость будет иметь помещенный в вакуум металлический шар с радиусом один сантиметр. Емкость в один фарад эквивалентна 9 * 10¹¹ статфарадам.

В системе СГСМ измеряются сверхвысокие емкости, которые находят применение исключительно в медицинской терминологии. Здесь базовой единицей измерения является абфарад, который в системе СИ эквивалентен одному гигафараду или одному миллиарду фарадов.

Область применения фарада

Фарады имеют широкое применение в электронике и радиотехнике. С их помощью вычисляется емкость конденсаторов и проводников, от которой зависит максимально допустимое напряжение. Одна из областей применения конденсатора — это преобразование переменного тока в постоянный (выпрямление тока). От правильности расчетов зависит работоспособность самых разнообразных устройств, оснащенных конденсаторами. В их числе:

• блоки питания;
• компьютерные платы;
• антенны связи;
• импульсные лампы.

Кроме того, показатели емкости конденсаторов имеют важное значение для бесперебойного функционирования линий электропередачи, медицинского оборудования, промышленных двигателей, радиотелескопов и многочисленных устройств, работающих от сети переменного тока.

Роль фарада в развитии науки

Открытие понятия электроемкости и единицы измерения фарад поспособствовало бурному развитию электротехники. Начиная с лейденской банки и примитивных устройств, способных накапливать электрические заряды, инженеры дошли до создания суперконденсаторов. Изменяя емкость и способность к накоплению и отдаче зарядов, ученые достигают все более высокой энергоэффективности приборов, что позволяет уменьшать их размеры и снижать степень вредного воздействия на окружающую среду.