Farad

El farad és la unitat del SI per a la capacitància elèctrica. Es tracta d'una unitat derivada amb nom propi i amb un símbol particular que és la lletra majúscula F.^[1] Va rebre el seu nom en honor del físic britànic Michael Faraday,^[2] el símbol F s'ha d'escriure en majúscula, però, en canvi, el nom de la unitat ha d'anar en minúscules farad.^[3]

farad

Un condensador d'1 farad
Tipus	unitat derivada del SI amb nom especial, unitat derivada en UCUM i unit of capacitance (en)
Sistema d'unitats	Unitat derivada del SI
Unitat de	Capacitància
Símbol	F
Epònim	Michael Faraday
Conversions d'unitats
Unitats base del SI	1 s4⋅A²⋅m−2⋅kg−1
A unitats del SI	1 F
Unitats de base	quilogram−1 metre−2 segon4 ampere2

Exemple de diversos tipus de condensador

Un farad és la capacitat d'un condensador entre les plaques del qual existeix una diferència de potencial elèctric d'1 volt (1 V) quan està carregat d'una quantitat d'electricitat igual a un coulomb (1 C).^[4]

En electrotècnia mesura més específicament la capacitat d'un condensador o un sistema de conductors, és a dir, la càrrega que pot emmagatzemar quan se li aplica una tensió.^[5]

No s'ha de confondre amb el faraday, que és una unitat de càrrega elèctrica equivalent a la constant de Faraday, i que es defineix com la quantitat de càrrega elèctrica en un mol d'electrons i que és utilitzada en els sistemes electroquímics per a calcular la massa dels elements que es formaran en un elèctrode.

Definició

El farad es defineix com la capacitància d'un dielèctric que produeix una diferència de potencial d'1 volt en el cas d'una càrrega elèctrica estàtica d'1 coulomb.^[6][2] Igualment, un farad pot descriure's com la capacitat d'un dispositiu que emmagatzema una càrrega d'un coulomb quan se li aplica una diferència de potencial d'un volt.^[7]

La relació entre capacitància, càrrega i diferència de potencial és lineal. Per exemple, si la diferència de potencial a través d'un condensador es redueix a la meitat, la quantitat de càrrega emmagatzemada per aquest condensador també es reduirà a la meitat. En unitats del SI es pot representar com s⁴ · A² · m^-2 · kg^-1. Com l'ampere és una relació entre el flux de corrent elèctric d'un coulomb per segon, una definició alternativa del farad seria la d'un ampere-segon de càrrega a un volt. Així tenim:

${\displaystyle {\mbox{F}}={\dfrac {\mbox{C}}{\mbox{V}}}=\,\mathrm {\frac {A\cdot s}{V}} ={\dfrac {{\mbox{C}}^{2}}{\mbox{J}}}={\dfrac {{\mbox{C}}^{2}}{{\mbox{N}}\cdot {\mbox{m}}}}={\dfrac {{\mbox{s}}^{4}\cdot {\mbox{A}}^{2}}{{\mbox{m}}^{2}\cdot {\mbox{kg}}}}}$

on F = farad, A = ampere, C = coulomb, V = volt, W = watt, J = jule, N = newton, Ω = Ohm, Hz = Hertz, S = siemens, H = henry, m = metre, s = segon.^[8]

En unitats bàsiques del SI, el farad s'expressa de la manera següent:

Ф = А²·s⁴·kg⁻¹·m⁻².

Explicació

Com que el farad és una unitat molt gran, en comparació als requisits habituals dels dispositius electrònics, el valor d'un condensador s'expressa sovint en microfards (μF), nanofarads (nF), o picofarads (pF). El mil·lifarad no s'acostuma a utilitzar a la pràctica, per exemple a una capacitància de 4,7⁻³ F s'acostuma a representar com 4700 µF, mentre que el nanofarad és poc comú a l'Amèrica del Nord.^[9] Les capacitàncies molt petites, com les utilitzades als circuits integrats s'acostumen a expressar en femtofarads, un femtofarad és igual a 1⁻¹⁵ F. En el cas dels supercondensadors, la capacitància és de l'ordre dels quilofarads. La grandària dels condensadors disponibles en el mercat oscil·la entre uns 0,1 pF i 5000F (5 kF). La capacitància paràsita en els circuits integrats d'alt rendiment pot mesurar-se en femtofarads (1 fF = 0.001 pF = 10^-15 F), mentre que els equips de prova d'alt rendiment poden detectar canvis en la capacitància de l'ordre de desenes de attofarads (10¹⁸ aF = 1 F).^[10]

No s'ha de confondre el farad amb el faraday, una antiga unitat de càrrega desplaçada actualment pel coulomb.

La inversa de la capacitància s'anomena elastància, que en unitats del SI s'expressa en F^-1, que de manera no estàndard de vegades rep el nom de daraf (farad escrit a la inversa).

Un condensador consisteix en dues superfícies conductores, habitualment anomenades plaques, separades per una capa aïllant, habitualment anomenada dielèctric. El primer condensador fou l'ampolla de Leyden al segle xviii. L'acumulació de càrrega entre les plaques constitueix la capacitància. Els condensadors moderns es fabriquen utilitzant una gran varietat de materials i tècniques per tal d'oferir una gran varietat de valors de capacitància. En els ginys electrònics s'utilitzen condensadors amb valors que van dels femtofarads fins als farads amb valors de voltatge entre pocs volts fins a diversos quilovolts.

Terminologia informal i obsoleta

El picofarad (pF) a vegades es pronuncia col·loquialment com "puff" o "pic", com en "un condensador de deu pufs".^[11] De manera similar, "mic" (pronunciat "mike") s'utilitza a vegades informalment per a significar microfarads.

S'han utilitzat i s'utilitzen sovint abreviatures no estàndard. Els farads s'han abreujat com a "f", "fd" i "Fd". Per al prefix "micro-", quan la lletra grega minúscula "μ" o el signe de micro llegat "μ" no està disponible (com en les màquines d'escriure) o és inconvenient introduir-ho, sovint se substitueix per la "o" o "O" d'aspecte similar, amb poc risc de confusió. També es va substituir per la "M" o "m", d'aparença similar, la qual cosa pot resultar confús perquè la M significa oficialment 1.000.000, i la m, preferentment, 1/1000. En els textos anteriors a 1960, i en els paquets de condensadors fins fa poc, "microfarad(s)" s'abreujava "mf" o "MFD" en lloc del modern "μF". Un catàleg de Radio Shack de 1940 enumerava el valor nominal de cada condensador en "Mfd.", des de 0,000005 Mfd. (5 pF) fins a 50 Mfd. (50 μF).^[12]

"Micromicrofarad" o "micromicrofarad" és una unitat obsoleta que es troba en alguns textos i etiquetes antigues, conté un prefix doble mètric no estàndard. És exactament equivalent a un picofarad (pF). S'abreuja μμF, uuF, o (confusament) "mmf", "MMF", o "MMFD".

Resum de les unitats de capacitància obsoletes:^[13] (no es mostren les variacions de majúscules i minúscules)

• μF (microfarad) = mf, mfd
• pF (picofarad) = mmf, mmfd, pfd, μμF

Conceptes relacionats

El recíproc de la capacitància es denomina elastància elèctrica, la unitat de la qual (no estàndard, no pertanyent al Sistema Internacional d'Unitats) és el daraf.^[14]

Múltiples

A continuació una taula dels múltiples i submúltiples del Sistema Internacional d'Unitats.

Múltiple	Nom	Símbol		Múltiple	Nom	Símbol
100	farad	F
10¹	decafarad	daF		10–1	decifarad	dF
10²	hectofarad	hF		10–2	centifarad	cF
103	quilofarad	kF		10–3	mil·lifarad	mF
10⁶	megafarad	MF		10–6	microfarad	µF
10⁹	gigafarad	GF		10–9	nanofarad	nF
1012	terafarad	TF		10–12	picofarad	pF
1015	petafarad	PF		10–15	femtofarad	fF
1018	exafarad	EF		10–18	attofarad	aF
1021	zettafarad	ZF		10–21	zeptofarad	zF
1024	yottafarad	YF		10–24	yoctofarad	yF

A més en àmbits tècnics s'utilitza la unitat micro-microfarad escita com MMFD, mmfd, MMF o uuF la qual és equivalent al picofarad (pF).^[15]

Des de fa diversos anys es troben disponibles en el mercat uns components electrònics anomenats "supercondensadors" amb una gran capacitat que varia entre un i mil farads. Aquests condensadors tenen un voltatge de funcionament bastant baix, de l'ordre de 2,7 volts. La connexió de diversos d'aquests "supercondensadors" en sèrie i en paral·lel permet obtenir un tipus de bateria capaç d'emmagatzemar prou energia per al seu ús en el transport (recuperació d'energia de frenada, per exemple en vehicles híbrids). Aquesta pot ser una alternativa als acumuladors en algunes aplicacions.

Història

Retrat de Michael Faraday (1791-1867). Oli de Thomas Phillips (1770-1845).

El terme "farad" va ser encunyat originalment per Latimer Clark^{[nota 1]} i Charles Bright a 1861,^[16] en honor de Michael Faraday, per a una unitat de càrrega elèctrica, però per a 1873, el farad es va convertir en una unitat de capacitància.^[17] En 1881, en el Electrical Congress de París, es va utilitzar oficialment el nom de farad per a la unitat de capacitat elèctrica.^[18][19]

Notes

1. Josiah Latimer Clark (1822-1898), va ser un enginyer elèctric anglès, nascut a Great Marlow, Buckinghamshire,( «1899MNRAS..59..219. Page 219». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 59, 1899, pàg. 219. Bibcode: 1899MNRAS..59..219.. DOI: 10.1093/mnras/59.5.219.) inventor de la cel·la de Clark.