Плоский конденсатор рисунок: Плоский конденсатор, теория и примеры задач

Содержание

Плоский конденсатор, теория и примеры задач

Большое число конденсаторов, которые применяют в технике, приближены по типу к плоскому конденсатору. Это конденсатор, который представляет собой две параллельные проводящие плоскости (обкладки), которые разделяет небольшой промежуток, заполненный диэлектриком. На обкладках сосредоточены равные по модулю и противоположные по знаку заряды.

Электрическая емкость плоского конденсатора

Электрическая емкость плоского конденсатора очень просто выражается через параметры его частей. Изменяя площадь пластин конденсатора и расстояние между ними легко убедиться, что электрическая емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его пластин (S) и обратно пропорциональна расстоянию между ними (d):

   

Формулу для расчета емкости плоского конденсатора просто получить при помощи теоретических расчетов.

Положим, что расстояние между пластинами конденсатора много меньше, чем их линейные размеры.

Тогда краевыми эффектами можно пренебречь, и электрическое поле между обкладками считать однородным. Поле (E), которое создают две бесконечные плоскости, несущие одинаковый по модулю и противоположный по знаку заряд, разделенные диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , можно определить при помощи формулы:

   

где — плотность распределения заряда по поверхности пластины. Разность потенциалов между рассматриваемыми обкладками конденсатора, находящимися на расстоянии d будет равна:

   

Подставим правую часть выражения (3) вместо разности потенциалов в (1) учитывая, что , имеем:

   

Энергия поля плоского конденсатора и сила взаимодействия его пластин

Формула энергии поля плоского конденсатора записывается как:

   

где – объем конденсатора; E – напряженность поля конденсатора. Формула (5) связывает энергию конденсатора с зарядом на его обкладках и напряженностью поля.

Механическую (пондемоторную) силу, с которой пластины плоского конденсатора взаимодействуют между собой можно найти, если использовать формулу:

   

В выражении (6) минус показывает, что пластины конденсатора притягиваются друг к другу.

Примеры решения задач

Плоский конденсатор. Заряд и емкость конденсатора.

Наряду с резисторами одними из наиболее часто используемых электронных компонентов являются конденсаторы. И в этой статье мы разберемся, из чего они состоят, как работают и для чего применяются! Давайте, в  первую очередь, рассмотрим

устройство и принцип работы конденсаторов. А затем плавно перейдем к основным свойствам и характеристикам — заряду, энергии и, конечно же, емкости конденсатора. Как видите, нам сегодня предстоит изучить много интересных моментов 🙂

Плоский конденсатор.

Итак, простейший конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу и разделенные слоем диэлектрика. Причем расстояние между пластинами должно быть намного меньше, чем, собственно, размеры пластин:

Такое устройство называется плоским конденсатором

, а пластины — обкладками конденсатора. Стоит уточнить, что здесь мы рассматриваем уже заряженный конденсатор (сам процесс зарядки мы изучим чуть позже), то есть на обкладках сосредоточен определенный заряд. Причем наибольший интерес представляет тот случай, когда заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку (как на рисунке).

А поскольку на обкладках сосредоточен заряд, между ними возникает электрическое поле. Поле плоского конденсатора, в основном, сосредоточено между пластинами, однако, в окружающем пространстве также возникает электрическое поле, которое называют полем рассеяния. Очень часто его влиянием в задачах пренебрегают, но забывать о нем не стоит.

Для определения величины этого поля рассмотрим еще одно схематическое изображение плоского конденсатора:

Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:

  • положительно заряженная пластина (+q) создает поле, напряженность которого равна E_{+}
  • отрицательно заряженная пластина (-q) создает поле, напряженность которого равна E_{-}

Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:

E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon}

Здесь \sigma— это поверхностная плотность заряда: \sigma = \frac{q}{S}, а \varepsilon — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора.

Поскольку площадь пластин конденсатора у нас одинаковая, как и величина заряда, то и модули напряженности электрического поля, равны между собой:

E_+ = E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

Но направления векторов разные — внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне — в противоположные. Таким образом, внутри обкладок результирующее поле определяется следующим образом:

E = E_+ + E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} + \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} = \frac{q}{\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

А какая же будет величина напряженности вне конденсатора? А все просто — слева и справа от обкладок поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0 🙂

Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.

С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:

Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?

Свободные электроны с первой обкладки конденсатора устремятся к положительному полюсу источника. Из-за этого на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц, и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора. В результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную разность потенциалов. Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока. После этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.

При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:

В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.

Как видите, здесь нет ничего сложного 🙂

Емкость и энергия конденсатора.

Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора. Это физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора q одного из проводников к разности потенциалов между проводниками:

C = \frac{q}{\Delta\varphi} = \frac{q}{U}

Емкость конденсатора изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). 2}{2C}

Помимо емкости конденсаторы характеризуются еще одним параметром, а именно величиной напряжения, которое может выдержать его диэлектрик. При слишком больших значениях напряжения электроны диэлектрика отрываются от атомов, и диэлектрик начинает проводить ток. Это явление называется пробоем конденсатора, и в результате обкладки оказываются замкнутыми друг с другом. Собственно, характеристикой, которая часто используется при работе с конденсаторами является не напряжение пробоя, а рабочее напряжение. Это такая величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.

Итак, мы сегодня рассмотрели основные свойства конденсаторов, их устройство и характеристики! Так что на этом заканчиваем статью, а в следующей мы будем обсуждать различные варианты соединений и маркировку. Не пропустите!

Емкость конденсаторов: определение, формулы, примеры.

Определение 1

Конденсатор – это совокупность двух любых проводников, заряды которых одинаковы по значению и противоположны по знаку.

Его конфигурация говорит о том, что поле, созданное зарядами, локализовано между обкладками. Тогда можно записать формулу электроемкости конденсатора:

C=qφ1-φ2=qU.

Значением φ1-φ2=U обозначают разность потенциалов, называемую напряжением, то есть U. По определению емкость положительна. Она зависит только от размерностей обкладок конденсатора их взаиморасположения и диэлектрика. Ее форма и место должны минимизировать воздействие внешнего поля на внутреннее. Силовые линии конденсатора начинаются на проводнике с положительным зарядом, а заканчиваются с отрицательным. Конденсатор может являться проводником, помещенным в полость, окруженным замкнутой оболочкой.

Выделяют три большие группы: плоские, сферические, цилиндрические. Чтобы найти емкость, необходимо обратиться к определению напряжения конденсатора с известными значениями зарядов на обкладках.

Плоский конденсатор

Определение 2

Плоский конденсатор – это две противоположно заряженные пластины, которые разделены тонким слоем диэлектрика, как показано на рисунке 1.

Формула для расчета электроемкости записывается как

C=εε0Sd, где S является площадью обкладки, d – расстоянием между ними, ε — диэлектрической проницаемостью вещества. Меньшее значение d способствует большему совпадению расчетной емкости конденсатора с реальной.

Рисунок 1

При известной электроемкости конденсатора, заполненного N слоями диэлектрика, толщина слоя с номером i равняется di, вычисление диэлектрической проницаемости этого слоя εi выполняется, исходя из формулы:

C=ε0Sd1ε1+d2ε2+…+dNεN.

Сферический конденсатор

Определение 3

Когда проводник имеет форму шара или сферы, тогда внешняя замкнутая оболочка является концентрической сферой, это означает, что конденсатор сферический.

Он состоит из двух концентрических проводящих сферических поверхностей с пространством между обкладками, заполненным диэлектриком, как показано на рисунке 2. Емкость рассчитывается по формуле:

C=4πεε0R1R2R2-R1, где R1 и R2 являются радиусами обкладок.

Рисунок 2

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Цилиндрический конденсатор

Емкость цилиндрического конденсатора равняется:

C=2πεε0llnR2R1, где l — высота цилиндров, R1 и R2 — радиусы обкладок. Данный вид конденсатора имеет две соосные поверхности проводящих цилиндрических поверхности, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3

Определение 4

Важной характеристикой конденсаторов считается пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит электрический разряд через слой диэлектрика.

Umax находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора. Формулы

Кроме отдельных конденсаторов используются их соединения. Наличие параллельного соединения конденсаторов применяют для увеличения его емкости. Тогда поиск результирующей емкости соединения сводится к записи суммы Ci, где Ci- это емкость конденсатора с номером i:

C=∑i=1NCi.

При последовательном соединении конденсаторов суммарная емкость соединения всегда будет по значению меньше, чем минимальная любого конденсатора, входящего в систему. Для расчета результирующей емкости следует сложить величины, обратные к емкостям отдельных конденсаторов:

Пример 1

Произвести вычисление емкости плоского конденсатора при известной площади обкладок
1 см2 с расстоянием между ними 1 мм. Пространство между обкладками находится в вакууме.

Решение

Чтобы рассчитать электроемкость конденсатора, применяется формула:

C=εε0Sd.

Значения:

ε=1, ε0=8,85·10-12 Фм;S=1 см2=10-4 м2;d=1 мм=10-3 м.

Подставим числовые выражения и вычислим:

C=8,85·10-12·10-410-3=8,85·10-13 (Ф).

Ответ: C≈0,9 пФ.

Пример 2

Найти напряженность электростатического поля у сферического конденсатора на расстоянии x=1 см=10-2 м от поверхности внутренней обкладки при внутреннем радиусе обкладки, равном R1=1 см=10-2 м, внешнем – R2=3 см=3·10-2 м. Значение напряжения — 103 В.

Решение

Производящая заряженная сфера создает напряженность поля. Его значение вычисляется по формуле:

E=14πεε0qr2, где q обозначают заряд внутренней сферы, r=R1+x — расстояние от центра сферы.

Нахождение заряда предполагает применение определения емкости конденсатора С:

q=CU.

Для сферического конденсатора предусмотрена формула вида

C=4πεε0R1R2R2-R1 с радиусами обкладок R1 и R2.

Производим подстановку выражений для получения искомой напряженности:

E=14πεε0U(x+R1)24πεε0R1R2R2-R1=U(x+R1)2R1R2R2-R1.

Данные представлены в системе СИ, поэтому достаточно заменить буквы числовыми выражениями:

E=103(1+1)2·10-4·10-2·3·10-23·10-2-10-2=3·10-18·10-6=3,45·104 Вм.

Ответ: E=3,45·104 Вм.

Электростатика — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Электрический заряд и его свойства

К оглавлению. ..

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл). Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10–12 Кл). Электрический заряд обладает следующими свойствами:

1. Электрический заряд является видом материи.

2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.

3. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.

6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2 (совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов, или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион. Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит. Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.

Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:

1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:

где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.

2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:

где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2.

3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:

где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3.

Обратите внимание на то, что масса электрона равна:

me = 9,11∙10–31 кг.

 

Закон Кулона

К оглавлению…

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

где: ε – диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз сила электростатического взаимодействия в данной среде будет меньше, чем в вакууме (то есть во сколько раз среда ослабляет взаимодействие). Здесь k – коэффициент в законе Кулона, величина, определяющая численное значение силы взаимодействия зарядов. В системе СИ его значение принимается равным:

k = 9∙109 м/Ф.

Силы взаимодействия точечных неподвижных зарядов подчиняются третьему закону Ньютона, и являются силами отталкивания друг от друга при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения друг к другу при разных знаках. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел, равномерно заряженных сфер и шаров. В этом случае за расстояния r берут расстояние между центрами сфер или шаров. На практике закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент k в системе СИ иногда записывают в виде:

где: ε0 = 8,85∙10–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции: если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Запомните также два важных определения:

Проводники – вещества, содержащие свободные носители электрического заряда. Внутри проводника возможно свободное движение электронов – носителей заряда (по проводникам может протекать электрический ток). К проводникам относятся металлы, растворы и расплавы электролитов, ионизированные газы, плазма.

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, в которых нет свободных носителей заряда. Свободное движение электронов внутри диэлектриков невозможно (по ним не может протекать электрический ток). Именно диэлектрики обладают некоторой не равной единице диэлектрической проницаемостью ε.

Для диэлектрической проницаемости вещества верно следующее (о том, что такое электрическое поле чуть ниже):

 

Электрическое поле и его напряженность

К оглавлению…

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряженность электрического поля E.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора напряженности в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии. Силовые линии обладают следующими свойствами.

  • Силовые линии электростатического поля никогда не пересекаются.
  • Силовые линии электростатического поля всегда направлены от положительных зарядов к отрицательным.
  • При изображении электрического поля с помощью силовых линий их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.
  • Силовые линии начинаются на положительном заряде или бесконечности, а заканчиваются на отрицательном или бесконечности. Густота линий тем больше, чем больше напряжённость.
  • В данной точке пространства может проходить только одна силовая линия, т.к. напряжённость электрического поля в данной точке пространства задаётся однозначно.

Электрическое поле называют однородным, если вектор напряжённости одинаков во всех точках поля. Например, однородное поле создаёт плоский конденсатор – две пластины, заряженные равным по величине и противоположным по знаку зарядом, разделённые слоем диэлектрика, причём расстояние между пластинами много меньше размеров пластин.

Во всех точках однородного поля на заряд q, внесённый в однородное поле с напряжённостью E, действует одинаковая по величине и направлению сила, равная F = Eq. Причём, если заряд q положительный, то направление силы совпадает с направлением вектора напряжённости, а если заряд отрицательный, то вектора силы и напряжённости противоположно направлены.

Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рисунке:

 

Принцип суперпозиции

К оглавлению…

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряжённостей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции. В соответствии с законом Кулона, напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю:

Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора напряженности зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор напряженности направлен от заряда, если Q < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.

Напряженность электрического поля, которую создает заряженная плоскость вблизи своей поверхности:

Итак, если в задаче требуется определить напряженность поля системы зарядов, то надо действовать по следующему алгоритму:

  1. Нарисовать рисунок.
  2. Изобразить напряженность поля каждого заряда по отдельности в нужной точке. Помните, что напряженность направлена к отрицательному заряду и от положительного заряда.
  3. Вычислить каждую из напряжённостей по соответствующей формуле.
  4. Сложить вектора напряжённостей геометрически (т.е. векторно).

 

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов

К оглавлению…

Электрические заряды взаимодействуют друг с другом и с электрическим полем. Любое взаимодействие описывается потенциальной энергией. Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных электрических зарядов рассчитывается по формуле:

Обратите внимание на отсутствие модулей у зарядов. Для разноименных зарядов энергия взаимодействия имеет отрицательное значение. Такая же формула справедлива и для энергии взаимодействия равномерно заряженных сфер и шаров. Как обычно, в этом случае расстояние r измеряется между центрами шаров или сфер. Если же зарядов не два, а больше, то энергию их взаимодействия следует считать так: разбить систему зарядов на все возможные пары, рассчитать энергию взаимодействия каждой пары и просуммировать все энергии для всех пар.

Задачи по данной теме решаются, как и задачи на закон сохранения механической энергии: сначала находится начальная энергия взаимодействия, потом конечная. Если в задаче просят найти работу по перемещению зарядов, то она будет равна разнице между начальной и конечной суммарной энергией взаимодействия зарядов. Энергия взаимодействия так же может переходить в кинетическую энергию или в другие виды энергии. Если тела находятся на очень большом расстоянии, то энергия их взаимодействия полагается равной 0.

Обратите внимание: если в задаче требуется найти минимальное или максимальное расстояние между телами (частицами) при движении, то это условие выполнится в тот момент времени, когда частицы движутся в одну сторону с одинаковой скоростью. Поэтому решение надо начинать с записи закона сохранения импульса, из которого и находится эта одинаковая скорость. А далее следует писать закон сохранения энергии с учетом кинетической энергии частиц во втором случае.

 

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение

К оглавлению…

Электростатическое поле обладает важным свойством: работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение: работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Свойство потенциальности (независимости работы от формы траектории) электростатического поля позволяет ввести понятие потенциальной энергии заряда в электрическом поле. А физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля:

Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля. В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала (а значит и разности потенциалов, т.е. напряжения) является вольт [В]. Потенциал — скалярная величина.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку, где значения потенциальной энергии и потенциала обращаются в ноль, удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом: потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Вспомнив формулу для потенциальной энергии взаимодействия двух точечных зарядов и разделив ее на величину одного из зарядов в соответствии с определением потенциала получим, что потенциал φ поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:

Потенциал рассчитанный по этой формуле может быть положительным и отрицательным в зависимости от знака заряда создавшего его. Эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара (или сферы) при rR (снаружи от шара или сферы), где R – радиус шара, а расстояние r отсчитывается от центра шара.

Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности. Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда – концентрические сферы.

Электрическое напряжение это просто разность потенциалов, т.е. определение электрического напряжения может быть задано формулой:

В однородном электрическом поле существует связь между напряженностью поля и напряжением:

Работа электрического поля может быть вычислена как разность начальной и конечной потенциальной энергии системы зарядов:

Работа электрического поля в общем случае может быть вычислена также и по одной из формул:

В однородном поле при перемещении заряда вдоль его силовых линий работа поля может быть также рассчитана по следующей формуле:

В этих формулах:

  • φ – потенциал электрического поля.
  • φ – разность потенциалов.
  • W – потенциальная энергия заряда во внешнем электрическом поле.
  • A – работа электрического поля по перемещению заряда (зарядов).
  • q – заряд, который перемещают во внешнем электрическом поле.
  • U – напряжение.
  • E – напряженность электрического поля.
  • d или ∆l – расстояние на которое перемещают заряд вдоль силовых линий.

Во всех предыдущих формулах речь шла именно о работе электростатического поля, но если в задаче говорится, что «работу надо совершить», или идет речь о «работе внешних сил», то эту работу следует считать так же, как и работу поля, но с противоположным знаком.

Принцип суперпозиции потенциала

Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов (при этом знак потенциала поля зависит от знака заряда, создавшего поле):

Обратите внимание, насколько легче применять принцип суперпозиции потенциала, чем напряженности. Потенциал – скалярная величина, не имеющая направления. Складывать потенциалы – это просто суммировать численные значения.

 

Электрическая емкость. Плоский конденсатор

К оглавлению…

При сообщении проводнику заряда всегда существует некоторый предел, более которого зарядить тело не удастся. Для характеристики способности тела накапливать электрический заряд вводят понятие электрической емкости. Емкостью уединенного проводника называют отношение его заряда к потенциалу:

В системе СИ емкость измеряется в Фарадах [Ф]. 1 Фарад – чрезвычайно большая емкость. Для сравнения, емкость всего земного шара значительно меньше одного фарада. Емкость проводника не зависит ни от его заряда, ни от потенциала тела. Аналогично, плотность не зависит ни от массы, ни от объема тела. Емкость зависит лишь от формы тела, его размеров и свойств окружающей его среды.

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

Величина электроемкости проводников зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами.

Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи своей поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением уже приводившимся выше. Тогда модуль напряженности итогового поля внутри конденсатора, создаваемого двумя пластинами, равен:

За пределами конденсатора, электрические поля двух пластин направлены в разные стороны, и поэтому результирующее электростатическое поле E = 0. Электроёмкость плоского конденсатора может быть рассчитана по формуле:

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз. Обратите внимание, что S в этой формуле есть площадь только одной обкладки конденсатора. Когда в задаче говорят о «площади обкладок», то имеют в виду именно эту величину. На 2 умножать или делить её не надо никогда.

Еще раз приведем формулу для заряда конденсатора. Под зарядом конденсатора понимают только заряд его положительной обкладки:

Сила притяжения пластин конденсатора. Сила, действующая на каждую обкладку, определяется не полным полем конденсатора, а полем, созданным противоположной обкладкой (сама на себя обкладка не действует). Напряженность этого поля равна половине напряженности полного поля, и сила взаимодействия пластин:

Энергия конденсатора. Ее же называют энергией электрического поля внутри конденсатора. Опыт показывает, что заряженный конденсатор содержит запас энергии. Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор. Существует три эквивалентные формы записи формулы для энергии конденсатора (они следуют одна из другой если воспользоваться соотношением q = CU):

Особое внимание обращайте на фразу: «Конденсатор подключён к источнику». Это означает, что напряжение на конденсаторе не изменяется. А фраза «Конденсатор зарядили и отключили от источника» означает, что заряд конденсатора не изменится.

Энергия электрического поля

Электрическую энергию следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе. По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля. Энергия заряженных тел сосредоточена в пространстве, в котором есть электрическое поле, т.е. можно говорить об энергии электрического поля. Например, у конденсатора энергия сосредоточена в пространстве между его обкладками. Таким образом, имеет смысл ввести новую физическую характеристику – объёмную плотность энергии электрического поля. На примере плоского конденсатора, можно получить такую формулу для объёмной плотности энергии (или энергии единицы объёма электрического поля):

 

Соединения конденсаторов

К оглавлению…

Параллельное соединение конденсаторов – для увеличения ёмкости. Конденсаторы соединены одноименно заряженными обкладками, как бы увеличивая площадь одинаково заряженных пластин. Напряжение на всех конденсаторах одинаковое, общий заряд равен сумме зарядов каждого из конденсаторов, и общая ёмкость также равна сумме емкостей всех конденсаторов соединенных параллельно. Выпишем формулы для параллельного соединения конденсаторов:

При последовательном соединении конденсаторов общая ёмкость батареи конденсаторов всегда меньше, чем ёмкость наименьшего конденсатора, входящего в батарею. Применяется последовательное соединение для увеличения напряжения пробоя конденсаторов. Выпишем формулы для последовательного соединения конденсаторов. Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов находится из соотношения:

Из закона сохранения заряда следует, что заряды на соседних обкладках равны:

Напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах.

Для двух последовательно соединённых конденсаторов формула выше даст нам следующее выражение для общей емкости:

Для N одинаковых последовательно соединённых конденсаторов:

 

Проводящая сфера

К оглавлению…

Напряженность поля внутри заряженного проводника равна нулю. В противном случае на свободные заряды внутри проводника действовала бы электрическая сила, которая вынуждала бы эти заряды двигаться внутри проводника. Это движение, в свою очередь, приводило бы к разогреванию заряженного проводника, чего на самом деле не происходит.

Факт того, что внутри проводника нет электрического поля можно понять и по-другому: если бы оно было то заряженные частицы опять таки двигались бы, причем они бы двигались именно так, чтобы свести это поле к нолю своим собственным полем, т.к. вообще-то двигаться им не хотелось бы, ведь всякая система стремится к равновесию. Рано или поздно все двигавшиеся заряды остановились бы именно в том месте, чтобы поле внутри проводника стало равно нолю.

На поверхности проводника напряжённость электрического поля максимальна. Величина напряжённости электрического поля заряженного шара за его пределами убывает по мере удаления от проводника и рассчитывается по формуле, аналогичной формулам для напряженности поля точечного заряда, в которой расстояния отсчитываются от центра шара.

Так как напряженность поля внутри заряженного проводника равна нулю, то потенциал во всех точках внутри и на поверхности проводника одинаков (только в этом случае разность потенциалов, а значит и напряжённость равна нулю). Потенциал внутри заряженного шара равен потенциалу на поверхности. Потенциал за пределами шара вычисляется по формуле, аналогичной формулам для потенциала точечного заряда, в которой расстояния отсчитываются от центра шара.

Электрическая емкость шара радиуса R:

Если шар окружен диэлектриком, то:

 

Свойства проводника в электрическом поле

К оглавлению…

  1. Внутри проводника напряженность поля всегда равна нулю.
  2. Потенциал внутри проводника во всех точках одинаков и равен потенциалу поверхности проводника. Когда в задаче говорят, что «проводник заряжен до потенциала … В», то имеют в виду именно потенциал поверхности.
  3. Снаружи от проводника вблизи от его поверхности напряженность поля всегда перпендикулярна поверхности.
  4. Если проводнику сообщить заряд, то он весь распределится по очень тонкому слою вблизи поверхности проводника (обычно говорят, что весь заряд проводника распределяется на его поверхности). Это легко объясняется: дело в том, что сообщая заряд телу, мы передаем ему носители заряда одного знака, т.е. одноименные заряды, которые отталкиваются. А значит они будут стремиться разбежаться друг от друга на максимальное расстояние из всех возможных, т.е. скопятся у самых краев проводника. Как следствие, если из проводника удалить сердцевину, то его электростатические свойства никак не изменятся.
  5. Снаружи проводника напряженность поля тем больше, чем кривее поверхность проводника. Максимальное значение напряженности достигается вблизи остриев и резких изломов поверхности проводника.

 

Замечания к решению сложных задач

К оглавлению…

1. Заземление чего-либо означает соединение проводником данного объекта с Землей. При этом потенциалы Земли и имеющегося объекта выравниваются, а необходимые для этого заряды перебегают по проводнику с Земли на объект либо наоборот. При этом нужно учитывать несколько факторов, которые следуют из того, что Земля несоизмеримо больше любого объекта находящегося не ней:

  • Общий заряд Земли условно равен нолю, поэтому ее потенциал также равен нолю, и он останется равным нолю после соединения объекта с Землей. Одним словом, заземлить – означает обнулить потенциал объекта.
  • Для обнуления потенциала (а значит и собственного заряда объекта, который мог быть до этого как положительным так и отрицательным), объекту придется либо принять либо отдать Земле некоторый (возможно даже очень большой) заряд, и Земля всегда сможет обеспечить такую возможность.

2. Еще раз повторимся: расстояние между отталкивающимися телами минимально в тот момент, когда их скорости становятся равны по величине и направлены в одну сторону (относительная скорость зарядов равна нулю). В этот момент потенциальная энергия взаимодействия зарядов максимальна. Расстояние между притягивающимися телами максимально, также в момент равенства скоростей, направленных в одну сторону.

3. Если в задаче имеется система, состоящая из большого количества зарядов, то необходимо рассматривать и расписывать силы, действующие на заряд, который не находится в центре симметрии.

Расчётно-графическое задание № 8 по теме «Конденсаторы»

Департамент внутренней и кадровой политики Белгородской области

Областное государственное автономное профессиональное образовательное учреждение «Белгородский политехнический колледж»

Расчётно-графическое задание № 8

Конденсаторы

РЕЦЕНЗИЯ

на практическую работу расчётно-графическое задание № 8

по теме «Конденсаторы»,

разработанную преподавателем физики

ОГАПОУ «Белгородский политехнический колледж»

Ставропольцевой Татьяной Петровной.

Рецензируемая практическая работа составлена в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Физика» и предназначена для обучающихся на базе основного общего образования.

Целью расчётно-графического задания является:

— изучение плоского конденсатора,

— определение электрической ёмкости плоского конденсатора,

— определение эквивалентной электрической ёмкости батареи конденсаторов,

— умение пользоваться справочной литературой,

— формирование практических компетенций.

Расчётно-графическое задание можно применять как самостоятельную работу для формирования практических умений на уроке и во внеурочное время. В РГЗ были использованы дидактические карточки из сборника дидактических материалов Л.И. Скрелина.

Описание практической работы содержит указания, которые позволят обучающимсясамостоятельно подготовиться к выполнению расчётно-графического задания и грамотно оформить его.

Положительной особенностью данной практической работы является то, что преподаватель конкретизировал деятельность обучающихся при выполнении задания. К РГЗ № 8 прикреплен рисунок, на котором изображен плоский конденсатор, написаны исходные данные; в описании задания кратко изложен теоретический материал, необходимый обучающимся; даны вопросы к рисунку, приведены образец выполнения задания и схема оформления работы. РГЗ представлены в карточках из 12 вариантов, площади пластин на карточках изображены в различных конфигурациях.

Практическая работа расчётно-графическое задание № 8 по теме «Конденсаторы» является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Физика», заслуживает положительной оценки и может быть использована в учебном процессе.

.

Рецензент____________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Инструкция студентам по выполнению РГЗ

1. Прежде, чем приступить к выполнению РГЗ, изучите теоретический материал по данной теме. Его краткое изложение дано в описании.

2. РГЗ оформлено по плану:

— описание рисунка на карточке,

— вопросы к рисунку на карточке,

— таблица ответов,

— образец выполнения задания.

3. Внимательно изучите описание рисунка на карточке и вопросы, на которые необходимо ответить.

4. Оформление работы в тетради:

— Расчётно-графическое задание № ______

— Тема: ______________________________

— Вариант _________

— КАРТОЧКУ перерисовывать в тетрадь НЕ НУЖНО!!!

— нарисовать таблицу, в которую будете заносить ответы (Таблица 2),

— вычисляете задания по образцу,

— необходимые исходные данные берёте из рисунка 1, сравнивая его с рисунком 2 образца, некоторые данные находятся в пункте «вопросы»,

— если в задании указано «построить график», то его построение необходимо делать, применяя карандаш и линейку,

— при правильном решении обучающийся находит в таблице 1 в соответствующем этому вопросу столбце численный ответ на какой то строке и отмечает у себя в таблице 2 на этом же месте,

— если найденного числового ответа в таблице нет, то учащийся должен проверить решение и найти свою ошибку.

5. Вычисления при заполнении таблиц ответами делались в соответствии с правилами приближённых вычислений: в промежуточных ответах сохранялись три значащие цифры, а в окончательном результате – две. Округление чисел с добавлением единицы в последнюю цифру результата производилось тогда, когда последующая цифра была равна 5 и более.

Расчётно-графическое задание № 8

Конденсаторы

Теоретический материал

Конденсатор — это элемент электрической цепи, состоящий из двух проводящих обкладок, каждая из которых содержит противоположный по знаку электрический заряд. Обкладки разделены диэлектриком, который помогает им сохранять этот заряд. Конденсатор обладает свойством накапливать заряд и впоследствии отдавать его. Основной характеристикой конденсатора является электрическаяёчкость.

Электроёмкость конденсатора

где С (Ф) –электрическая ёмкость,

Δφ=φ12 (В) –разность потенциалов.

Электроёмкость плоского конденсатора

где S(м2) – площадь пластин,

d (м) – расстояние между пластинами.

Электроёмкость шараС = 4πεε0r, где r – радиус шара (3)

Энергия электрического поля

Ёмкость батареи конденсаторов при параллельном соединении равна сумме ёмкостей отдельных конденсаторов:

С = С12+…+Сn(5)

При последовательном соединении эквивалентная электроёмкость определяется из формулы:

Описание рисунка 1

На рисунке дано схематическое изображение плоского конденсатора в двух проекциях. По проставленным размерам в миллиметрах можно судить о расстояниях между пластинами и о размерах самих пластин. Одна из пластин заземлена, потенциал другой пластины указан в вольтах относительно земли. В воздушном промежутке между пластинами подвешен на шёлковой нити металлический шарик, масса которого указана на карточке. На этом шарике имеется электрический заряд, который так же указан на карточке.

Вопросы

  1. Вычислите активную площадь конденсатора.

  2. Вычислите электроёмкость конденсатора.

  3. Какова напряжённость поля между пластинами конденсатора?

  4. Найдите величину заряда на конденсаторной пластине.

  5. С какой силой действует электрическое поле конденсатора на заряд q1 , величина которого указана на карточке?

  6. Какое ускорение получает тело с зарядомq1, подвешенное на тонкой шёлковой нити между пластинами конденсатора? Масса этого тела указана на карточке.

  7. Какую электроёмкость в микрофарадах будет иметь 100 таких же конденсаторов, соединённых параллельно, если расстояние между пластинами уменьшить до 0,01 мм, проложив между ними такой же толщины слюду. Диэлектрическую постоянную слюды считать 6.

  8. Какой энергией будет обладать эта батарея конденсаторов при потенциале, указанном на карточке?

  9. Какой собственной частотой будет обладать колебательный контур, составленный из данной батареи конденсаторов и катушки, величина индуктивности которой указана на карточке?

Таблица 1. Варианты ответов

1

см2

2

см

3

ед. напряжённости СГСЭ

4

ед. заряда СГСЭ

5

дин

6

см/с2

7

мкФ

8

Дж

9

Гц

А

70

2,0

-14

-200

-5,0

2,1

0,37

0,85

16

Б

140

3,8

-1,3

-45

-6,0

3,1

0,76

4,2

17

В

180

4,5

-1,2

-38

6,3

-3,3

1,2

7,7

38

Г

230

5,0

1,6

28

-6,4

-6,0

1,3

11

42

Д

250

5,6

2,0

36

-8,0

6,0

1,7

15

51

Е

320

6,0

3,2

57

-9,0

-13

2,1

19

67

Ж

400

7,0

4,0

73

13

-15

2,4

55

76

З

450

9,2

5,0

80

15

16

3,1

89

100

И

580

13

6,0

100

-20

-17

3,8

140

120

К

710

25

7,0

250

-42

27

4,2

270

130

Л

790

28

8,0

500

48

-32

9,4

330

210

М

2000

39

9,0

940

54

-100

10

350

430

Образец выполнения задания

Ответ оформить таблицей 2

Каждая клеточка размером 1см*1см

Таблица 2

Выбор варианта

Плоский воздушный конденсатор. Конструкция и принцип действия | Электронщик

Две плоские пластины, находящиеся параллельно между собой, с диэлектриком внутри, образуют плоский конденсатор. Это наиболее простая модель конденсатора, накапливающая энергию разноименного заряда. Если на пластины подать заряд, одинаковый по размеру, но различающийся по модулю, то поле, а точнее его напряженность между проводниками повысится в два раза. Отношение размера заряда одного проводника к разности потенциалов между пластинами – это электроемкость.

Применение

Во всех электронных и радиотехнических устройствах, кроме микросхем и транзисторов используются конденсаторы. В разных схемах конденсаторов присутствует разное количество. Нет таких схем, где бы они не использовались. Они выполняют различные задачи: являются емкостями в фильтрах, служат передающим элементом для сигнала каскадов усиления, входят в состав частотных фильтров, для выдержки временного диапазона, для подбора частоты колебаний в генерирующих устройствах.

Конструкция и принцип действия

Устройство конденсатора заключается в двух обкладках с диэлектриком между ними. На всех схемах они так и отображаются.

S – площадь поверхности обкладок в м2, d – расстояние от обкладок, м, С – емкость, Ф, е – проницаемость диэлектрика. Все показатели выражены в системе СИ. Формула подходит плоскому конденсатору, помещают две пластины из металла с выводами, диэлектрик не нужен, так как им будет являться воздух.

Это показывает: емкость плоского конденсатора прямо зависит от площади пластин, и имеет обратную зависимость расстояния от пластин. Если геометрическая форма конденсатора иная, то формула емкости будет отличаться. Для вычисления кабеля. Но смысл зависимости остается таким же.

Пластины конденсаторов бывают и другой формы. Существуют металлобумажные конденсаторы с обкладками из алюминиевой фольги, которая свернута вместе с бумагой в клубок по форме корпуса.

Для повышения электрической прочности бумага конденсатора пропитывается специальным составом для изоляции, в основном это масло для трансформатора. Такое устройство дает возможность повысить емкость в разы. По такому же принципу сделаны конденсаторы других конструкций.

В формуле нет ограничений на размер пластин S и расстояние d. Если пластины отодвинуть далеко, и уменьшить их площадь, то малая емкость останется. Два соседних провода имеют электрическую емкость.

В технике высокой частоты такое свойство широко применяется. Конструкцию конденсаторов выполняют дорожками на печатном монтаже или скручивают два провода в полиэтилене. Простой провод, который называют «лапшой», имеет свою емкость. Чем длиннее провод, тем больше емкость.

Все кабели еще имеют сопротивление R, кроме емкости С. Свойства распределяются по длине кабеля, во время сигналов в виде импульсов являются цепочкой интеграции RС.

Импульс искажается специально. Для этого собрана схема. Емкость кабеля влияет на сигнал. На выходе появится измененный сигнал – «колокол», при коротком импульсе сигнал совсем пропадает.

Свойства материалов-диэлектриков

В формуле значение проницаемости диэлектрика находится в знаменателе, увеличение ведет к повышению емкости. Для воздуха, лавсана, фторопласта величина не отличается от вакуумного состояния. Существуют вещества-диэлектрики, у которых проницаемость больше. Конденсатор, залитый спиртом, повышает свою емкость в 20 раз.

Такие вещества кроме проницаемости имеют хорошую проводимость. Конденсатор с таким веществом держит заряд хуже, разряжается быстрее. Это свойство назвали током утечки. В качестве диэлектриков применяют материалы, позволяющие создавать нормальные токи утечки при большой удельной емкости. Поэтому существует много видов конденсаторов для различных условий применения.

Накопление энергии в конденсаторе

На схеме показан конденсатор с большой емкостью для медленного течения разряда. Можно взять лампочку от фонарика и проверить работу схемы. Такую лампочку можно найти в любом магазине электротоваров. Когда переключатель SA находится во включенном состоянии, то конденсатор получает заряд от батареи через резистор. Процесс изображен на рисунке.

Напряжение повышается по кривой — экспоненте. Ток отражается на графике в зеркальном виде, и имеет обратную зависимость от напряжения. Только в самом начале он подходит для приведенной формулы.

Через определенное время конденсатор получит заряд от источника до значения 4,5 вольт. Как можно вычислить время заряда конденсатора?

В формуле τ = R*C величины умножаются, итог получается в секундах. Это количество времени  нужно для заряда уровня 36,8% от источника. Чтобы зарядить конденсатор полностью, нужно время = 5*т.

Если в формулу ставить емкость в мкФ, сопротивление в Ом, то время будет в микросекундах. Для нас удобнее секунды. На схеме емкость 2000 мкФ, сопротивление 500 Ом, время получается т = R * C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд. Это равнозначно одной секунде. В итоге, чтобы конденсатор получил полный заряд, необходимо время 5 секунд.

После этого времени переключатель переводим вправо, конденсатор разряжается по лампочке. Будет видна вспышка разряда конденсатора. Время, необходимое для разряда вычисляется величиной «т».

По схеме можно убедиться в вышеописанном утверждении.

При замыкании переключателя лампа вспыхивает — конденсатор получил заряд по лампочке. На графике видно, что в момент включения значение тока наибольшее, с течением заряда ток снижается до полного прекращения. При качественном конденсаторе и небольшой степенью саморазряда включение не выдаст вспышку лампы. Чтобы лампа снова вспыхнула, нужно разрядить конденсатор.

Любой проводник создает вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле можно описать с помощью такой величины, как электрический потенциал. В каждой точке пространства потенциал имеет какое-то значение. Потенциал на бесконечном расстоянии равен нулю. Приближаемся мысленно от бесконечности к проводнику. Чтобы пробиться к проводнику, необходимо совершить работу. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии пробного заряда.

Максимальное значение потенциальная энергия достигнет тогда, когда мы вплотную подойдем к проводнику. После проникновения внутрь проводника, потенциальная энергия перестает меняться. Если мы разделим потенциальную энергию на величину пробного заряда, то получим электрический потенциал.

Потенциал проводника зависит от заряда. Если мы удвоим заряд проводника, то потенциал так же удвоится. Потенциал проводника прямо пропорционален заряду, который несет на себе этот проводник. Отношение заряда проводника к потенциалу является характеристикой проводника, называется электрической емкостью.

Чтобы понять это определение электроемкости, представим себе высоту жидкости в сосуде, имеющим широкое дно. Высота жидкости будет мала, то есть, потенциал мал. Если сосуд узкий и высокий, то такое же количество жидкости приведет к тому, что уровень жидкости будет высоким.

Применение емкостей в фильтрах

В фильтрах емкость устанавливается в конце выпрямителя, который сделан двухполупериодным.

Такие выпрямители применяются с малой мощностью. Достоинством выпрямителей с одним полупериодом является его простота. Он состоит из трансформатора и диода. Емкость конденсатора рассчитывается по формуле:

C=1000000*Po/2 * U * f * dU, где С – емкость в мкФ, Po – мощность, ватт, U — напряжение, вольт, f – частота, герц, dU амплитуда, В.

В числителе находится большое значение, это определяет емкость в мкФ. В знаменателе число 2 – это количество полупериодов, для однополупериодного – это 1.

Классификация

По материалу диэлектрика:

  • Воздушные. Их емкость невелика, редко превышает 1000 пФ.
  • Слюдяные. В нем диэлектриком служит слюда. Слюда – это минерал, кристаллическое вещество, у которого очень интересная кристаллическая структура. Атомы расположены слоями, расстояние между которыми гораздо больше, чем расстояние между атомами в одном слое. Поэтому, слюда при попытке расколоть кристалл слюды колется на очень тонкие пластинки. У них большая диэлектрическая проницаемость. Толщина пластинок получается очень маленькой. Эти пластинки хорошо работают в быстропеременных электрических полях, обладают хорошей электрической плотностью. Поэтому слюдяные конденсаторы получили широкое распространение.
  • Бумажные. Диэлектриком служит бумага, пропитанная парафином. Это хороший диэлектрик, но в быстро меняющихся полях ведет себя не очень хорошо, поляризуется медленно. Используются ограниченно.
  • Керамические. Люди научились делать различные сорта керамики. Есть диэлектрики с проницаемостью более 1000, они сделаны из керамики. Можно получить большую емкость. Керамика хорошо работает на высоких частотах в быстропеременных электрических полях.
  • Электролитические. Они имеют самую большую емкость при заданных размерах.

Слюдяные конденсаторы

Пластинка слюды, две пластинки-электрода с прикрепленными выводами. Если вы хотите, чтобы емкость конденсатора была больше, то можно поступить следующим образом. Взять несколько пластинок слюды в качестве диэлектрика, между пластинами поместить много обкладок. Получается конденсатор, который состоит из нескольких конденсаторов, соединенных вместе, параллельно.

Воздушные конденсаторы могут быть с переменной емкостью. Они состоят из двух систем пластин.

Подвижные пластины вращающиеся — это ротор. Неподвижные – это статор. Промежутки между подвижными и неподвижными пластинами – это слой диэлектрика из воздуха. Если подвижные пластины выдвинуты из неподвижных, то эта емкость будет минимальная. Площадь перекрытия маленькая. Если пластины задвинуты, то площадь максимальная. Это воздушный конденсатор.

Существуют и керамические переменные конденсаторы. Они используются для перемены емкости в небольших пределах.

Диэлектриком служит керамика. Обкладка представляет собой покрытие из слоя серебра. Сбоку указана емкость в пФ. Отверткой вращают винт, меняется площадь перекрытия пластин. Это подстроечный керамический конденсатор.

Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Вычисление емкости конденсатора. Наука техника технологии

Плоский конденсатор – это физическое упрощение, взявшее начало из ранних исследований электричества, представляющее собой конструкцию, где обкладки имеют форму плоскостей и в каждой точке параллельны.

Формулы

Многие ищут формулы, описывающие ёмкость плоского конденсатора. Если это так, то не читайте ниже любопытные и малоизвестные факты, потому что сухие математические знаки, конечно же, важнее.

Первым определил ёмкость плоского конденсатора Вольта. В его распоряжении ещё не было такой величины, как разница потенциалов, именуемая напряжением, но интуитивно он совершенно правильно объяснил суть явления. Что касается количества зарядов, то он трактовал её, как объем электрического флюида атмосферы – не совсем правильно, но в конечном итоге похоже на правду. Согласно этому мировоззрению ёмкость плоского конденсатора может быть найдена, как отношение объёма накопленного электрического флюида к разнице атмосферных потенциалов, то есть:

Эта формула применима к любому конденсатору, вне зависимости от его конструкции. То есть, является универсальной. Специально для плоских конденсаторов имеется формула ёмкости, выраженная через свойства материала диэлектрика и геометрические размеры:

В этой формуле через S обозначена площадь обкладок, вычисляемая через произведение сторон, а d – показывает расстояние между обкладками. Прочие символы – электрическая постоянная (8,854 пФ/м) и диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика, да простит Тот столь откровенные тавтологии. Электролитические конденсаторы обладают столь большой ёмкостью по той причине, что проводящий раствор отделен от металла очень тонким слоем оксида. Следовательно, d в этом случает будет минимальным. Единственный минус в том, что электролитические конденсаторы полярные, их нельзя подключать в цепи переменного тока. С этой целью на каждом анод или катод обозначены значками плюса или минуса.

Плоские конденсаторы сегодня редко встречаются, и это преимущественно плёночные микроскопические технологии, где такой род поверхностей является доминирующим. Все пассивные и активные элементы образуются через трафарет. И, следовательно, имеют вид плёнок. Плоские индуктивности, резисторы и конденсаторы наносятся в виде токопроводящих паст.

От материала диэлектрика ёмкость зависит по той причине, что у каждого из них структура своя. Считается, что аморфное вещество состоит из неориентированных диполей, упруго укреплённых на своих местах. При приложении внешнего электрического поля они обратимо ориентируются вдоль силовых линий, ослабляя напряжённость. В результате заряд продолжает накапливаться, пока этот процесс не прекратится. По мере выхода энергии из обкладок диполи возвращаются на свои места, делая возможным следующий рабочий цикл. Так функционирует плоский электрический конденсатор.


Из истории

Исторически первым начал исследовать накопление заряда великий Алессандро Вольта. В докладе Королевскому научному обществу за 1782 год он впервые озвучил слово конденсатор. В понимании Вольты электрофорус, представляющий собой две параллельные обкладки, выкачивал из эфира электрический флюид.

В то время все познания сводились к тому, что учёные думали, будто атмосфера Земли содержит в себе нечто, что не может быть определено приборами. Существовали только простейшие электроскопы, способные определить знак заряда и его наличие, но не дававшие представления о количестве. Учёные просто натирали мехом поверхность тела и подносили его для исследования в область влияния прибора. Ещё Гильберт показал, что электрические и магнитные взаимодействия ослабевают с расстоянием. Поэтому учёные примерно знали, что нужно делать, но исследования не продвигались ни на йоту.

Гипотеза об атмосферном электричестве высказана Бенджамином Франклином. Он активно исследовал молнии и пришёл к выводу, что это проявления все той же единой силы. Запуская воздушного змея в небо, он соединял его шёлковой нитью с землёй и наблюдал дуговой разряд. Это были достаточно опасные опыты, и Бенджамин много раз рисковал своей жизнью ради развития науки. О том, что шёлковая нить проводит статический заряд, было известно от Стивена Грея, первым собравшего в 1732 году электрическую цепь.

Уже через 20 лет (1752 год) Бенджамин Франклин предложил конструкцию первого громоотвода, осуществлявшего молниезащиты близлежащих построек. Только вдуматься! – до этого всякий мог ожидать того, что его дом сгорит от случайного удара. Именно Бенджамин Франклин предложил один из видов заряда называть положительным (стеклянный), а другой отрицательным (смоляной). Так физики были введены в заблуждение относительно истинного направления движения электронов. Но как они могли думать иначе, когда в 1802 году на примере опытов нашего соотечественника Петрова увидели, что на аноде образуется ямка? Следовательно, положительные частицы переносили заряд на катод, вот только это были ионы воздушной плазмы.

К началу исследования Вольтой электрических явлений, таким образом, были уже известны статические заряды и факт наличия у них двух знаков, кроме того люди упорно считали, что весь «флюид» берётся из воздуха. На эту мысль их натолкнули опыты с натиранием янтаря шерстью, которые не могли быть проведены под водой. Следовательно, логичным было предположить, что электричество может происходить только из атмосферы Земли, что, конечно же, совершенно неверно. В частности, многие растворы, исследованные Хампфри Дэви, могут проводить электрический ток.

Причина, следовательно, была в другом – при натирании янтаря под водой силы трения снижались в десятки и сотни раз, а заряд рассеивался по всему объёму жидкости. Следовательно, этот процесс был всего лишь неэффективным. Но сегодня каждый добытчик знает, что нефть прекрасно электризуется трением о трубы и без воздуха. Следовательно, атмосфера для «флюида» не является обязательным компонентом.

Самый большой в мире плоский конденсатор

Столь систематизированные, но в корне неверные толкования все-таки не смогли остановить Вольту на его исследовательском пути. Он упорно изучал электрофорус, как один из самых совершенных генераторов, существовавших в то время. Вторым был серный шар Отто фон Герике, изобретённый более чем за век до этого (1663 год). С тех самых пор его конструкция мало менялась, но после открытий Стивена Грея заряд начали снимать при помощи проводников. В частности, в для этого служат металлические гребёнки-нейтрализаторы.

Долгое время учёные ходили вокруг да около. Электрофорная машина 1880 года может считаться первым мощным генератором разряда, позволявшим получить дугу, но своей настоящей силы электроны достигли в генераторе Ван де Граафа (1929 год), где разница потенциалов составила единицы мегавольта. Для сравнения грозовое облако, согласно данным Википедии, может иметь потенциал относительно Земли в единицы гигавольт (на три порядка больше, чем в человеческой машине).

Суммируя сказанное, можно с определённой долей уверенности сказать, что природные процессы используют в качестве принципа своего действия электризацию трением, влиянием и некоторые другие её виды, а мощный циклон является самым большим из известных нам плоских конденсаторов. Молния показывает, что бывает, когда диэлектрик (атмосфера) не выдерживает приложенной разницы потенциалов и пробивается. В точности то же самое происходит в любом плоском конденсаторе, созданном человеком, если вольтаж оказывается для него непомерным. Пробой твёрдого диэлектрика необратим, а возникающая электрическая дуга часто служит причиной расплавления обкладок и выхода изделия из строя.

Электрофорус

Итак, Вольта взялся за исследование модели природных процессов. Первый электрофорус появился в 1762 году сконструированный Йоханом Карлом Вильке. По-настоящему популярным прибор становится после докладов Вольты Королевскому научному обществу (середина 70-х годов XVIII века). Вольта же и дал прибору его нынешнее название.


Электрофорус способен накапливать электростатический заряд, образованный трением резины куском шерсти. Он состоит из двух плоских, параллельных друг другу обкладок:

  • Нижняя представляет собой тонкий кусок резины. Толщина его выбирается из соображений эффективности устройства. Если выбрать кусок более солидный, то значительная часть энергии будет накапливаться внутри диэлектрика на ориентацию его молекул. Что и наблюдается в современном плоском конденсаторе, куда диэлектрик помещается для увеличения электроёмкости.
  • Верхняя пластина из тонкой стали кладётся сверху, когда заряд уже накоплен трением. За счёт влияния на верхней поверхности образуется избыток отрицательного заряда, и он должен быть снят на заземлитель, чтобы при расстыковке двух обкладок не произошло взаимной компенсации.

Принцип действия этого плоского конденсатора должен быть уже понятен. Оператор трёт резину шерстью, оставляя на ней отрицательный заряд. Затем сверху кладётся кусок металла. Из-за значительной шероховатости поверхностей они не соприкасаются, но находятся на некотором расстоянии друг от друга. В результате металл электризуется влиянием. Электроны отталкиваются поверхностным зарядом резины и уходят на внешнюю плоскость, где оператор их снимает через заземлитель лёгким кратковременным прикосновением.

Низ металлической обкладки остаётся заряженным положительно. При расстыковке двух поверхностей этот эффект сохраняется, потому что в материале наблюдается дефицит электронов. И можно наблюдать искру, если дотронуться до металлической обкладки. Этот опыт можно на одном и том же заряде резины проделывать сотни раз, поскольку её поверхностное статическое сопротивление весьма велико. Это не даёт заряду растекаться. Демонстрируя этот опыт, Вольта привлёк внимание всего научного мира, но исследования никак не двигались вперёд, если не считать открытий Шарля Кулона.

В 1800 году сам Алессандро даёт толчок развитию изысканий в области электричества, изобретя свой знаменитый гальванический источник питания.

Конструкция плоского конденсатора

Электрофорус по сути представляет собой первый из когда-либо сконструированных плоских конденсаторов. Его обкладки способны хранить только статический заряд, потому что иначе наэлектризовать резину невозможно. Поверхность очень долго хранит электроны. Вольта даже предлагал снимать их пламенем свечи через ионизированный воздух или ультрафиолетовым излучением Солнца. Сегодня каждый школьник знает, что то же самое можно проделать и водой. Правда, электрофорус нужно будет после этого высушить.

В современном мире нижней обкладкой может служить тефлоновое покрытие или пластик. Они тоже хорошо набирают статический заряд. Диэлектриком здесь служит воздух. Чтобы перейти к конструкции современного конденсатора, нужно обе обкладки сделать металлическими. Тогда при возникновении на одной из них заряда влиянием электризация распространится на вторую, и если другой контакт заземлён, накопленная энергия может храниться какое-то время.


Запас электронов напрямую зависит от материала диэлектриков. Так например, среди современных конденсаторов встречаются:

  1. Слюдяные.
  2. Воздушные.
  3. Электролитические (оксидные).
  4. Керамические.

В эти названия как раз и заложен материал диэлектрика. От его состава зависит напрямую ёмкость, которая может быть увеличена во много раз. Роль диэлектриков объяснялась выше, в частности их параметры определяются непосредственно строением вещества. Однако многие материалы, обладающие высокими характеристиками, использовать не удаётся по причине их непригодности. Так например, вода обладает высокой диэлектрической проницаемостью.

Характеристика плоского конденсатора, мера его способности накапливать электрический заряд.

Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке и кончаются на другой, поэтому свободные заряды, которые возникают на разных обкладках, равны по модулю и противоположны по знаку. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (φ1 — φ2) между его обкладками

При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников. Обкладкам конденсатора сообщают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды, что способствует накоплению зарядов, так как разноименные заряды притягиваются и поэтому располагаются на внутренних поверхностях пластин.

Под зарядом конденсатора понимают заряд одной пластины.

Так же есть:

Энергия конденсатора:

Ёмкость цилиндрического конденсатора:

Емкость сферического конденсатора:

В формуле мы использовали:

Электрическая ёмкость (ёмкость конденсатора)

Относительная диэлектрическая проницаемость

Электрическая постоянная

Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин, разделённых небольшим зазором шириной , заполненным однородным диэлектриком.

Нам известно, что поле между двумя разноимённо заряженными пластинами с одинаковой по величине поверхностной плотностью равно, где,S– площадь каждой пластины. Напряжение между обкладками:

Используя определение емкости конденсатора, получаем:

Отметим, что полученная формула является приближенной, так как выведена без учета искажения поля у краев пластин. Расчет по этой формуле дает завышенное значение ёмкости и тем точнее, чем меньше зазор по сравнению с линейными размерами пластин.

Ёмкость сферического конденсатора.

Сферический конденсатор представляет собой систему двух концентрических сфер с радиусами и. Электрическое поле между обкладками сферического конденсатора согласно теореме Гаусса определяется зарядом внутренней сферы. Напряжение между обкладками равно:

.

Для ёмкости сферического конденсатора получаем:

Это формула точная.

Если , полученная формула переходит в выражение для ёмкости плоского конденсатора.

Ёмкость цилиндрического конденсатора.

Цилиндрический конденсатор составляет систему двух коаксиальных цилиндров с радиусами и, длиной.

Рассуждая аналогично выводу ёмкости сферического конденсатора, получаем:

..

Полученная формула является приближенной и при малом зазоре переходит в формулу емкости плоского конденсатора.

Соединение конденсаторов.

В практике для получения необходимых значений емкости используют соединения конденсаторов: а) последовательное, б) параллельное, в) смешанное (см. рисунок).


Ёмкость последовательного соединения конденсаторов.

Заряды последовательно соединенных конденсаторов равны , а напряжение на батарее. Из определения емкости следует:

Если , то(ёмкость последовательного соединения меньше наименьшей ёмкости в последовательном соединении).

Для последовательно соединенных конденсаторов емкость вычисляется по формуле:

Ёмкость параллельного соединения конденсаторов.

Заряд батареи равен сумме зарядов:

а напряжение . По определению емкости получаем:

Для параллельно соединенных конденсаторов:.

В случае одинаковых конденсаторов: .

Оценить емкость батареи (см. рисунок) .

Используя свойство бесконечности можно представить цепь в виде соединения (см. рисунок).

Для расчета ёмкости батареи получаем:

Откуда: , так как, то.

Лекция 7.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие постоянного электрического тока. Это означает, что в диэлектриках отсутствуют «свободные» заряды, способные перемещаться на значительные расстояния.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Сами же молекулы могут быть полярными инеполярными. Полярные молекулы обладают дипольным моментом, у неполярных молекул дипольный момент равен нулю.

Поляризация.

В электрическом поле диэлектрики поляризуются. Это явление связано с появлением в объеме и на поверхности диэлектрика «связанных » зарядов. При этом конечный объем диэлектрика приобретает дипольный момент. Механизм поляризации связан с конкретным строением диэлектрика. Если диэлектрик состоит из неполярных молекул, то в пределах каждой молекулы происходит смещение зарядов – положительных по полю, отрицательных против поля, т.е. молекулы, приобретают дипольный момент. У диэлектрика с полярными молекулами в отсутствии внешнего электрического поля их дипольные моменты ориентированы хаотично.

Под действием электрического поля диполи ориентируются преимущественно в направлении поля. Рассмотрим подробнее этот механизм (см. рисунок). Пара сил исоздает вращательный момент равный, где- дипольный момент молекулы. Этот момент стремится ориентировать диполь вдоль поля. В ионных кристаллах под действием электрического поля все положительные ионы смещаются по полю, отрицательные – против поля. Отметим, что смещение зарядов очень малы даже по сравнению с размерами молекул. Это связано с тем, что напряженность внешнего электрического поля обычно много меньше напряженности внутренних электрических полей в молекулах.

Отметим, что существуют диэлектрики, поляризованные даже при отсутствии внешнего поля (электреты, сегнетоэлектрики). Мы остановимся на рассмотрении только однородных диэлектриков, в которых отсутствует остаточная поляризация, а объемный и «связанный» заряд всегда равен нулю .

КОНДЕНСАТОР — означает накопитель. В радио и электронной аппаратуре конденсатор является накопителем электрических зарядов. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластинок разделенных слоем диэлектрика. Диэлектрик — это материал который не проводит электрического тока и обладает определенными свойствами о которых поговорим чуть позже.

Так как конденсатор является накопителем, то он должен обладать определенной емкостью (объемом для накопления зарядов). На емкость конденсатора влияют площадь пластин (еще их называют «обкладками»), расстояние между обкладками и качество диэлектрика. К хорошим диэлектрикам относятся вакуум, эбонит, фарфор, слюда, полиэтилен, текстолит и много других синтетических материалов.
На рисунке изображен простейший конденсатор с двумя параллельными обкладками площадью S (S = m * n), которые находятся в вакууме на расстоянии d друг от друга.


Если между верхней и нижней обкладками конденсатора приложить напряжение Uab, то на верхней и нижней обкладках конденсатора накопятся одинаковые положительный +q и отрицательный -q заряды, которые называют свободными. Между обкладками возникает электрическое поле обозначенное на рисунке буквой Е.
Емкость нашего конденсатора (обозначается буквой С) будет: С = Eo*S/d, где Ео — электрическая постоянная (для вакуума) Ео=8,854 * 10 -12 Ф/м (Фарад на метр).
Если между обкладками поместить диэлектрик,


то ёмкость конденсатора будет: С = Er * Eo *S / d. В формуле расчета ёмкости добавилась величина Er — относительная диэлектрическая проницаемость введённого диэлектрика.
Из формулы следует, что емкость конденсатора увеличивается на величину Er проницаемости диэлектрика. Итак, чем больше площадь S пластин конденсатора, больше значение Er и меньше расстояние d между пластинами, тем больше емкость конденсатора. Основной единицей емкости в системе единиц СИ является фарад (Ф). Емкость 1Ф очень велика. В электротехнике обычно используют дольные единицы емкости:
микрофарада (мкФ), 1мкФ = 1*10 -6 Ф,
нанофарада (нФ), 1нФ = 1*10 -9 Ф, и
пикофарада (пФ), 1пФ = 1*10 -12 Ф.




При выборе диэлектрика для конденсаторов, кроме относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, учитывают еще два важных параметра:
1) Электрическую прочность — прочность диэлектрика при подаче на прокладки конденсатора высокого напряжения. При низкой электрической прочности может произойти электрический пробой, и диэлектрик станет проводником электрического тока;
2) Удельное объемное сопротивление — электрическое сопротивление диэлектрика постоянному току. Чем больше удельное сопротивление диэлектрика, тем меньше утечка накопленных зарядов в конденсаторе.

КОНДЕНСАТОР В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. На графике накопление заряда конденсатором выглядит как показано на рисунке 1.


Время заряда конденсатора зависит от ёмкости конденсатора (при одинаковом приложенном напряжении). Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше время заряда. Аналогичная картина (Рис. 2) наблюдается при разрядке конденсатора на сопротивление. При одинаковом сопротивлении время разряда больше у конденсатора с большей ёмкостью.

КОНДЕНСАТОР В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. Если напряжение приложенное к емкостному элементу, будет изменяться по амплитуде (переменное напряжение),то будет изменяться и заряд конденсатора, то есть в емкостном элементе появится ток.



Ток Ic проходящий через конденсатор зависит от частоты f приложенного переменного напряжения и ёмкости С конденсатора. Если для постоянного тока сопротивление конденсатора можно считать равным бесконечности, то для переменного тока конденсатор обладает определённым сопротивлением. Сопротивление конденсатора переменному току Rc рассчитывается по формуле показанной на рисунке.
В формуле расчета емкостного сопротивления переменному току частота выражается в герцах, а емкость конденсатора в фарадах. Из формулы видно, что с увеличением частоты f при неизменной емкости конденсатора сопротивление Rc снижается, аналогично с увеличением емкости конденсатора при неизменной частоте сопротивление Rc так же снижается. Конденсаторы, так же как и резисторы, для получения заданной емкости Со можно включать параллельно и последовательно. Формулы расчета результирующей емкости показаны на рисунке.



КОНСТРУКЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ КОНДЕНСАТОРОВ. Предположим, что мы конструируем конденсатор и попробуем, уже обладая определенными знаниями, рассчитать емкость конденсатора. Как известно, емкость конденсатора зависит от площади обкладок S, расстояния между обкладками d и диэлектрической проницаемости применяемого диэлектрика Er. Обкладки конденсатора изготавливаются из металлов с хорошей электрической проводимостью — алюминий, медь, серебро, золото. Емкость конденсатора не зависит от толщины обкладок, поэтому чем тоньше обкладки конденсатора, тем лучше — экономим металл и уменьшаем геометрический объём конденсатора.


Расстояние d не должно быть слишком малым, во избежание электрического пробоя диэлектрика.
Выберем в качестве диэлектрика наиболее распространенный материал — гетинакс с Er равной 6 … 8. Примем Er для нашего конденсатора равной 7.


Площадь S вычисляется для одной обкладки конденсатора при условии, что линейные размеры обкладок одинаковы. Если одна из обкладок имеет меньшие длину или ширину то площадь вычисляется для меньшей обкладки.
Все размеры — длина и ширина обкладок и расстояние между ними должны быть выражены в метрах. Примем размеры такие, какие показаны на рисунке. Подставим в формулу расчета емкости конденсатора наши данные: C = Er * Eo * S / d;
C = 7 * 8.854*10 -12 * 0.0025 / 0.001= 0.000000000155Ф (фарады).
Возведем полученный результат в 12 степень чтобы получить значение емкости в пикофарадах:
C = 0.000000000155 12 = 155пФ.
Полученная нами ёмкость конденсатора 155пф очень мала, обычно такие ёмкости используются в аппаратуре работающей на высоких частотах переменного тока порядка 1 — 600 МГц (мегагерц).
Представьте себе, что мы разрабатываем миниатюрный карманный радиоприемник в котором требуется порядка 30 таких конденсаторов.

Если мы установим в схему 30 разработанных нами конденсаторов, не считая других необходимых радиодеталей, то наш радиоприемник никак не получится миниатюрным. Все дело в том, что объём только наших конденсаторов получится таким, что его никак нельзя будет назвать приемлемым.
Объем одного конденсатора Vc равен Vc = 5см * 5см * 0,1см
Vc = 2,5см в кубе. Тогда объем 30 конденсаторов будет равен:
V = 30 * 2,5 = 75см в кубе.
Что делать, как быть, как уменьшить геометрический объем конденсатора для применения в миниатюрной радиоаппаратуре? Для решения этой проблемы максимально уменьшают расстояние между обкладками, тогда увеличивается емкость и уменьшается геометрический объем конденсатора. Но расстояние уменьшают до определенных пределов иначе конденсатор будет пробиваться даже при низком напряжении подаваемом на конденсатор. В связи с этим на каждом конденсаторе указывается напряжение которое он может выдержать.

Для уменьшения площади обкладок конденсатор делают многослойным состоящим как бы из нескольких параллельно включенных конденсаторов (вспомните формулу параллельного включения конденсаторов).
В качестве диэлектрика в миниатюрных конденсаторах используют тонкие пленки из синтетических материалов, а в качестве обкладок металлическую фольгу, чаще всего из алюминия.



На корпусе конденсатора, обычно, указывается его тип, емкость и рабочее напряжение. Остальные параметры конденсатора определяются из справочников. Емкость конденсатора указывается не так, как на электрических схемах. Например емкость 2,2пФ обозначается 2П2, емкость 1500 пФ — 1Н5, емкость 0,1 мкФ — М1, емкость 2,2 мкФ — 2М2, емкость 10 мкФ — 10М.
У обычных конденсаторов КМ, КД, МБМ и так далее трудно получить большую ёмкость при малых габаритах поэтому были разработаны так называемые электролитические конденсаторы у которых в качестве диэлектрика используется специальная электролитическая жидкость с очень большим Er. Ёмкость таких конденсаторов может достигать сотен тысяч микрофарад. К недостатку таких конденсаторов следует отнести низкое рабочее напряжение (до 500V) и обязательное соблюдение полярности при включении в схему.
Для настройки и подстройки некоторых типов радиоаппаратуры, например радиоприемник или телевизор, применяют специальные конденсаторы с изменяемой ёмкостью.

В зависимости от назначения такие конденсаторы называют «подстроечные» и «конденсаторы переменной емкости».
Емкость переменных и подстроечных конденсаторов изменяется механическим способом, путем изменения расстояния между обкладками или изменения площади пластин. В качестве диэлектрика в таких конденсаторах используется воздух или фарфор.
В заключение следует отметить, что в настоящее время, в связи с бурным развитием радиоэлектроники подстроечные и переменные конденсаторы практически не применяются. Их с успехом заменяют специальные фильтры и полупроводниковые приборы которые не требуют механического изменения параметров.

Что такое конденсатор — типы, формула, символ, принцип работы, блок

Узнайте, что такое конденсатор — типы, формула, символ, принцип работы, единицы измерения.

Здесь мы узнаем , что такое конденсатор — типы, формула, символ, принцип работы, единицы измерения, электролитический конденсатор, подробное объяснение применения и функции.

Различные типы конденсаторов

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это электронный компонент, способный накапливать электрический заряд.Конденсатор — это пассивный электрический компонент, который может накапливать энергию в электрическом поле между парой проводников (, называемых «пластинами» ).

Проще говоря, мы можем сказать, что конденсатор — это устройство, используемое для хранения и высвобождения электричества, обычно в результате химического воздействия. Также называется аккумуляторной ячейкой, вторичной ячейкой, конденсатором или аккумулятором. Лейденская банка была ранним примером конденсатора.

Конденсаторы — еще один элемент, используемый для управления потоком заряда в цепи.Название происходит от их способности накапливать заряд, как у небольшой батареи.

Конденсаторы состоят из двух проводящих поверхностей, разделенных изолятором; к каждой поверхности подсоединяется проволочный вывод.

Что такое конденсатор и как работают конденсаторы

Обозначение и единица конденсатора

В электронике обычно используются два обозначения конденсатора. Один символ обозначает поляризованные конденсаторы, а другой — неполяризованные конденсаторы.

Символ конденсатора поляризованных и неполяризованных конденсаторов

На приведенной выше диаграмме символ с одной изогнутой пластиной представляет поляризованный конденсатор. Изогнутая пластина представляет собой катод ( отрицательный ) конденсатора, а другая пластина является анодом ( положительный ). Иногда к положительной стороне добавляют еще и знак плюса.

Единица СИ емкости составляет фарад ( символ : F ). Отделение названо в честь великого английского физика Майкла Фарадея.

Конденсатор емкостью 1 фарад, заряженный 1 кулоном электрического заряда, имеет разность потенциалов между пластинами в 1 вольт.

Типы конденсаторов

Существует несколько типов конденсаторов для разных применений и функций. Ниже приведены основные и наиболее распространенные типы:

1. Конденсаторы керамические

Керамический конденсатор со сквозным отверстием и SMD

Это неполяризованные конденсаторы, состоящие из двух или более чередующихся слоев керамики и металла.Керамика действует как диэлектрик, а металл — как электроды.

Керамические конденсаторы

также называются «дисковыми конденсаторами ».

Трехзначный код обычно печатается на корпусе конденсаторов этого типа, чтобы указать их емкость в пикофарадах. Первые две цифры представляют собой номинал конденсатора, а третья цифра представляет количество добавляемых нулей.

2. Конденсатор электролитический

Электролитический конденсатор со сквозным отверстием и SMD

Конденсаторы этого типа обычно используются там, где требуется большая емкость.Анод электролитических конденсаторов выполнен из металла и покрыт окисленным слоем, используемым в качестве диэлектрика. Другой электрод может быть влажным нетвердым или твердым электролитом.

Электролитические конденсаторы поляризованы. Это означает, что при подаче на него постоянного напряжения необходимо соблюдать полярность. Проще говоря, положительный вывод конденсатора должен быть соединен с положительной клеммой, а отрицательный вывод — с отрицательной клеммой. Несоблюдение этого правила приведет к повреждению конденсатора.

Эти конденсаторы сгруппированы в следующие 3 типа в зависимости от их диэлектрической проницаемости:

  1. Конденсаторы алюминиевые электролитические.
  2. Конденсаторы электролитические танталовые.
  3. Конденсаторы электролитические ниобиевые.

3. Пленочный конденсатор

Пленочный конденсатор со сквозным отверстием и SMD

Это наиболее распространенный тип конденсаторов, используемых в электронике.

Пленочные конденсаторы или пластиковые пленочные конденсаторы неполяризованы. Здесь изолирующая пластиковая пленка действует как диэлектрик. Электроды этих типов конденсаторов могут быть из металлического алюминия или металла, реагирующего с цинком. Они наносятся на одну или обе стороны пластиковой пленки, образуя металлизированный пленочный конденсатор.Иногда поверх пленки используют отдельную металлическую фольгу, образуя пленочный или фольгированный конденсатор.

Пленочные конденсаторы

доступны в различных формах и размерах и имеют несколько преимуществ перед конденсаторами бумажного типа. Они очень надежны, долговечны и имеют меньшие допуски. Они также хорошо работают в условиях высоких температур.

4. Конденсатор переменной емкости

Переменный конденсатор со сквозным отверстием и SMD

Это неполяризованные конденсаторы переменной емкости.У них есть подвижные и неподвижные пластины для определения емкости. Обычно они используются в передатчиках и приемниках, транзисторных радиоприемниках и т. Д.

Эти конденсаторы сгруппированы как:

  1. Конденсаторы настройки; и
  2. Подстроечные конденсаторы

Как работает конденсатор?

Вы можете представить конденсатор в виде двух больших металлических пластин, разделенных воздухом, хотя на самом деле они обычно состоят из тонкой металлической фольги или пленок, разделенных пластиковой пленкой или другим твердым изолятором и скрученных в компактный корпус.Рассмотрите возможность подключения конденсатора к батарее.

Простой конденсатор, подключенный к батарее через резистор

Как только соединение установлено, заряд течет от клемм аккумулятора по проводу к пластинам, положительный заряд на одной пластине, отрицательный заряд на другой.

Почему? Обвинения со знаком «Like-Sign» на каждом терминале хотят уйти друг от друга. В дополнение к этому отталкиванию существует притяжение к заряду противоположного знака на другой соседней пластине.Первоначально ток большой, потому что в некотором смысле заряды не могут сразу сказать, что провод на самом деле никуда не идет, что нет полной цепи провода.

Начальный ток ограничен сопротивлением проводов или, возможно, настоящим резистором. Но по мере того, как заряд накапливается на пластинах, отталкивание заряда сопротивляется потоку большего заряда, и ток уменьшается. В конце концов, сила отталкивания заряда на пластине становится достаточно сильной, чтобы уравновесить силу заряда на клемме аккумулятора, и весь ток прекращается.

Зависимость тока в цепи от времени

Наличие разделенных зарядов на пластинах означает, что между пластинами должно быть напряжение, и это напряжение должно быть равно напряжению батареи, когда весь ток прекращается. Ведь поскольку точки соединены проводниками, они должны иметь одинаковое напряжение; даже если в цепи есть резистор, напряжение на резисторе отсутствует, если ток равен нулю, согласно закону Ома.

Количество заряда, который собирается на пластинах для создания напряжения, является мерой емкости конденсатора, его емкости, измеряемой в фарадах (ф).Соотношение C = Q / V, где Q — заряд в кулонах.

У больших конденсаторов есть пластины с большой площадью для удержания большого количества заряда, разделенные небольшим расстоянием, что подразумевает небольшое напряжение. Конденсатор в один фарад чрезвычайно велик, и обычно мы имеем дело с микрофарадами (мкФ), одной миллионной фарад, или пикофарадами (пФ), одной триллионной (10–12) фарад.

Рассмотрим приведенную выше схему еще раз. Предположим, мы перерезаем провода после того, как весь ток перестал течь. Заряд на пластинах теперь задерживается, поэтому между клеммами все еще есть напряжение.Заряженный конденсатор теперь чем-то похож на батарею.

Если мы подключим к нему резистор, ток будет течь, так как положительный и отрицательный заряды мчатся, чтобы нейтрализовать друг друга. В отличие от батареи, здесь нет механизма для замены заряда на пластинах, снятых током, поэтому напряжение падает, ток падает, и, наконец, не остается никакого общего заряда и нет разницы напряжений где-либо в цепи.

Поведение во времени тока, заряда на пластинах и напряжения выглядит так же, как на графике выше.Эта кривая является экспоненциальной функцией: exp (-t / RC). Напряжение, ток и заряд падают примерно до 37% от их начальных значений за время R × C секунд, которое называется характеристическим временем или постоянной времени цепи.

Постоянная времени RC — это мера того, насколько быстро схема может реагировать на изменения условий, такие как подключение батареи к незаряженным конденсаторам или подключение резистора к заряженному конденсатору. Напряжение на конденсаторе не может измениться сразу; для протекания заряда требуется время, особенно если этому потоку препятствует большой резистор.Таким образом, конденсаторы используются в цепи для гашения быстрых изменений напряжения.

Комбинации конденсаторов

Как и резисторы, конденсаторы можно соединить двумя основными способами: параллельно и последовательно .

Как рассчитать емкость конденсатора?

Из физической конструкции конденсаторов должно быть очевидно, что соединение двух вместе параллельно приводит к большему значению емкости. Параллельное соединение приводит к увеличению площади пластины конденсатора, что означает, что они могут удерживать больший заряд при том же напряжении.Таким образом, формула для полной емкости в параллельной цепи: CT = C1 + C2… + Cn.

Та же форма уравнения для резисторов, включенных последовательно, что может сбивать с толку, если вы не задумываетесь о физике происходящего.

Емкость последовательного соединения ниже, чем у любого конденсатора, потому что для данного напряжения во всей группе будет меньше заряда на каждой пластине. Общая емкость в последовательной цепи составляет: CT = {1 {1C1} + {1C2}… + {1Cn}} .

Опять же, это легко спутать с формулой для параллельных резисторов, но здесь есть хорошая симметрия.

Похожие сообщения:

Конденсаторы «карандаш на бумаге» для нарисованных вручную RC цепей и емкостных датчиков

Электронные конденсаторы были сконструированы путем ручной печати на бумаге с использованием графитового карандаша. Графитовые следы использовались для рисования проводящих соединений и пластин конденсатора на противоположных сторонах листа стандартной записной бумаги. Бумага служила диэлектриком, разделяющим пластины.Емкость устройств обычно составляла <1000 пФ и масштабировалась с учетом площади поверхности пластинчатых электродов. Комбинируя нарисованный карандашом конденсатор с дополнительной резистивной карандашной дорожкой, был продемонстрирован RC-фильтр нижних частот. Дальнейшая полезность устройств «карандаш на бумаге» была продемонстрирована посредством описания емкостного преобразователя силы и обратимого химического зондирования. Последнее было достигнуто для водяного пара, когда гигроскопичная целлюлозная матрица диэлектрика бумажного конденсатора адсорбировала воду.Создание и демонстрация емкостных элементов типа карандаш на бумаге расширяет сферу применения электронных схем на бумажной основе, открывая при этом новые возможности в быстро расширяющейся области бумажных датчиков.

1. Введение

В последнее время возродился интерес к использованию бумаги в качестве недорогого и экологически чистого материала подложки для электронных схем и датчиков [1, 2]. Транзисторы, люминесцентные дисплеи, солнечные элементы, батареи, емкостные сенсорные панели и суперконденсаторы — все это было продемонстрировано с помощью сложных методов печати и / или нанесения покрытий, используемых для нанесения различных органических или неорганических материалов на поверхность бумажной основы [3–10].Хотя эти усилия, безусловно, демонстрируют возможности использования бумаги в качестве холста для более традиционных методов изготовления, другие группы начали использовать специальную бумагу или даже графит от карандашей в качестве проводника для рисования или соединения компонентов схем. Даже резистивные датчики нарисованы прямо на поверхности бумаги [11–15]. Этот подход предлагает простоту и низкую стоимость, необходимые для расширения области бумажной электроники. Однако дальнейшее расширение электроники на бумажной основе требует простых и надежных решений для создания компонентов дискретных схем, таких как резисторы, конденсаторы, транзисторы и диоды.

Эта коммуникация обеспечивает простой путь к созданию расходных конденсаторов карандашом на бумаге. Конденсаторы с параллельными пластинами образованы из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком с емкостью: где — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, — площадь поверхности проводящих пластин и — расстояние, разделяющее пластины. Учитывая, что карандашный графит является проводящим материалом, а бумага — изолятором, конденсатор может быть построен путем нанесения проводящих пластин на противоположные стороны листа бумаги, как показано на рисунке 1.


Учитывая (1), мы ожидаем, что емкость будет масштабироваться с площадью поверхности графитовых пластин, нанесенных на бумагу одинаковой толщины и состава. Для исследования была получена блокнотная бумага из блокнота марки Ampad, а карандаш марки Pentalic типа B использовался для зарисовки электродов. Известно, что этот тип карандаша имеет более высокую концентрацию графита, и образующиеся следы более проводящие по сравнению с более твердыми графитовыми смесями карандашей. Для каждой площади поверхности 1, 2, 3, 5 и 10 см были изготовлены три грифельных конденсатора 2 , а емкость устройств была измерена с помощью измерителя емкости модели 3001 от Global Specialties Corporation.Покадровое видео, иллюстрирующее подготовку конденсатора, представлено в дополнительной информации, доступной в Интернете по адресу https://doi.org/10.1155/2017/47.

Когда такие устройства были сконструированы, наблюдаемая емкость устройств масштабировалась с площадью поверхности бумажных пластин конденсаторов, как показано на Рисунке 2 и предсказано через (1). Емкость тестируемых устройств обычно была <1000 пФ; тем не менее, можно ожидать более высоких значений, если площадь поверхности бумаги будет увеличена по сравнению с устройствами, протестированными здесь.


После первоначальной характеристики емкости устройств были дополнительно исследованы их электронные и чувствительные свойства. На рисунке 3 показан график Боде (частотная характеристика) RC-цепи, нарисованный на бумаге для ноутбука. В этом эксперименте резистивный элемент представлял собой отдельный карандашный след, сделанный из карандашного графита 4B, который является более резистивным. Плечо сопротивления составляло ок. 140 кОм, а измеренная емкость составила прибл. 500 пФ.


Примечательно, что точка –3 дБ находилась в пределах порядка теоретического значения примерно 2600 Гц для этой схемы.Отклонение от теории может быть результатом внутреннего сопротивления конденсаторов.

На рисунке 4 показано, как конденсатор типа карандаш на бумаге размером 12,5 см 2 можно использовать в качестве датчика силы. В этом эксперименте бумажный конденсатор был помещен между двумя листами изолирующей вощеной бумаги, а металлическая прокладка была помещена на сборку. Аппарат помещали на плоскую твердую поверхность и на металлическую прокладку помещали тестовые массы, оказывая давление на бумажный конденсатор. Приложенная сила создает механическое напряжение внутри бумаги, что приводит к сжатию / растяжению бумажной матрицы.В соответствии с (1) это приводит к увеличению емкости. Средние емкости, масштабированные в зависимости от массы объекта, от минимальной обнаруживаемости (50–60 г) до типичной массы человека. Хотя емкостный бумажный датчик действительно показал значительную неточность и гистерезис после нанесения больших масс, низкая стоимость устройства может сделать бумажные датчики силы привлекательными вариантами для определенных приложений. Видеоклип, демонстрирующий датчик емкостной силы, доступен онлайн в дополнительной информации.


Последним преследуемым применением было использование емкостных устройств для химического зондирования.В этом эксперименте конденсатор типа карандаш на бумаге размером 1 см 2 был помещен в камеру, которая была перфузирована воздушным потоком, для которого можно было контролировать и контролировать относительную влажность (RH) с помощью прослеживаемого гигрометра. Учитывая, что целлюлозная матрица бумаги является гидрофильной, она может адсорбировать водяной пар при повышенной влажности, что может изменять емкость бумажного устройства. Поскольку изменение емкости можно контролировать, бумажный конденсатор может служить химическим датчиком. На рисунке 5 представлены данные емкости для цикла смачивания / сушки.Для этого эксперимента конденсатор изначально был помещен в среду с комнатной температурой (25 ° C) и очень низкой (0,1%) влажностью, а значения емкости были <100 пФ. При увеличении плотности водяного пара было отмечено увеличение емкости, поскольку бумажное устройство адсорбировало водяной пар. Либо набухание целлюлозных волокон, либо изменение диэлектрической проницаемости (или и то, и другое) являются предлагаемым механизмом увеличения емкости.


Увеличение емкости было нелинейной функцией плотности водяного пара с большим увеличением емкости выше 6 г / м 3 H 2 O (30–40% относительной влажности).В ходе экспериментов было отмечено, что если относительная влажность превышала прибл. 35–40% ёмкость датчика стала очень нестабильной. В результате плотность водяного пара во время испытаний поддерживалась ниже этой критической влажности. После смачивания целлюлозного диэлектрика плотность водяного пара затем снижалась путем медленной перфузии камеры сухим воздухом, и было замечено, что емкость падает и в конечном итоге возвращается к исходным уровням ниже 100 пФ. Однако наблюдался эффект гистерезиса, поскольку измеренная емкость отставала на более высоких уровнях во время сушки.Такой гистерезис в поведении бумаги при расплывании / выцветании был описан ранее [16]. Тем не менее, результаты на Рисунке 5 ясно показывают, что бумажный конденсатор может служить химическим датчиком. Конденсатор из бумаги для ноутбука не реагировал на насыщенный пар гексана, толуола и ацетона. Однако для насыщенного пара метанола наблюдалось незначительное (примерно 1 σ ) увеличение емкости. Эти результаты могут указывать на то, что водородные связи могут быть важным химическим фактором в создании емкостного отклика.Ранее было продемонстрировано резистивное определение влажности на бумажных матрицах [17].

Использование бумаги в качестве диэлектрика и носителя для электроники на основе графита остается перспективным направлением исследований. Дальнейшее развитие требует разработки дополнительных функциональных схемных компонентов. Инженерные карандаши, которые вытравливают графитовые следы с более высокой (и переменной) проводимостью, также будут полезным инструментом для исследования. Изготовление емкостных датчиков из бумаги, которая была химически модифицирована, является особенно интересной областью будущих исследований для сенсорных приложений.Такие модификации бумаги могут придать химическую селективность емкостным измерениям с использованием бумаги в качестве диэлектрика.

Конфликт интересов

Не было заявлено о конкурирующих финансовых интересах.

Вклад авторов

Дж. Томпсон собрал и сообщил данные, подготовил графики и написал рукопись.

Благодарности

Автор благодарит г-на Винса Уайльда за одолжение емкостного датчика для этого проекта.

Дополнительные материалы

Дополнительная информация, доступная в Интернете, предназначена для читателей.Видео «Makingpapercap.mp4» иллюстрирует покадровую конструкцию бумажного конденсатора с помощью карандаша. Обратите внимание, что для достижения наилучших результатов очень важно рисовать толстые слои графита. Второй видеоролик, озаглавленный «forcesensor.mp4», демонстрирует, как несколько элементов помещаются на датчик силы / весов бумажного конденсатора и соответствующее изменение емкости. Замечено, что устройство на бумажной основе может функционировать как датчик силы.

  1. Дополнительные материалы
Авторские права

Авторские права © 2017 Jonathan E.Томпсон. Это статья в открытом доступе, распространяемая под лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Какой тип конденсатора следует использовать? | Блоги

Марк Харрис

| & nbsp Создано: 7 октября 2020 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 27 января 2021 г.

Конденсаторы

Конденсаторы

являются одними из основных компонентов всех электронных устройств и жизненно важны для их работы.В современной электронике чаще всего встречаются керамические конденсаторы, разделяющие источники питания почти для каждой интегральной схемы (ИС) на печатной плате, или алюминиевые электролитические конденсаторы в качестве объемной емкости для регулятора напряжения. Однако конденсаторы используются в гораздо большем количестве применений, чем просто для обхода шума, и существует гораздо больше типов конденсаторов, чем только керамические и алюминиевые электролитические.

Конденсаторы используются для:

  • Муфта
  • Развязка
  • Фильтры
  • Накопление / поставка энергии
  • Согласование импеданса
  • Демпферы
  • и многие другие приложения

В этой статье мы рассмотрим все типы конденсаторов и места их использования.Хотя мы могли бы думать о конденсаторах как о стабильной технологии, которая не менялась десятилетиями, реальность такова, что конденсаторы сегодня сильно отличаются от конденсаторов десятилетней давности, не говоря уже о 20-летней давности. Приложения, которые вы никогда не могли себе представить, используя конденсатор определенного типа в прошлом, сегодня вполне разумны с развитием конденсаторной технологии. Напротив, хотя некоторые конденсаторы сегодня могут считаться устаревшими и не имеющими практического применения по сравнению с другими типами конденсаторов, у них все еще есть свои нишевые приложения, в которых они преуспевают.

Хотя все конденсаторы имеют емкость — не все они равны. Емкость — не единственный важный параметр при выборе конденсатора, и каждый тип конденсатора используется в разных приложениях, поэтому иногда сделать правильный выбор — непростая задача. Было бы лучше, если бы вы рассмотрели емкость, максимальное напряжение, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), долговечность, размер, цену, доступность, параметры, которые меняются с температурой, и так далее.Например, при выборе байпасного конденсатора важны параметры ESR и ESL. С другой стороны, при выборе конденсатора для хранения энергии или внезапного изменения нагрузки утечка тока может быть более критичной.

Типы конденсаторов, их номинальное напряжение и емкость

Выбор конденсатора в первую очередь зависит от вашего приложения и бюджетных ограничений. Цена конденсаторов может варьироваться от менее цента до более 100 долларов.

Давайте посмотрим на типы конденсаторов, где они используются и когда один подходит больше, чем другой.

Конденсаторы керамические

Керамические конденсаторы — один из самых популярных и распространенных типов конденсаторов. Раньше керамические конденсаторы имели очень низкую емкость, но в настоящее время это не так. Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) широко используются в схемах; их номинальная емкость может достигать сотен микрофарад (мкФ). Современные керамические конденсаторы могут использоваться вместо конденсаторов других типов для устаревшего оборудования / конструкций, таких как электролитические или танталовые, и обеспечивают более высокую производительность при более низкой стоимости.

Базовые сборки керамических конденсаторов SMT
Image Source

MLCC имеют керамический диэлектрический корпус, который представляет собой смесь тонко измельченных гранул параэлектрических или сегнетоэлектрических материалов и других компонентов для достижения желаемых параметров. У них есть несколько слоев электродов, которые создают емкость. Керамика спекается при высоких температурах, образуя электрическую и механическую основу конденсатора.

Керамические слои обычно очень тонкие; однако это зависит от номинального напряжения компонента.Чем выше напряжение, тем больше толщина и размер конденсатора при той же емкости. Конденсатор обычно защищен от влаги и других загрязнений тонким покрытием.

Хотя, как и всегда, существуют версии керамических конденсаторов со сквозными отверстиями / выводами, по-настоящему сияют именно конденсаторы для поверхностного монтажа. Интересно, что если сегодня вы разобьете множество керамических конденсаторов со сквозными отверстиями, вы можете обнаружить конденсатор для поверхностного монтажа, прикрепленный к выводам под бусинкой! Объем производства и экономия на масштабе, которую обеспечивает объем для конденсаторов для поверхностного монтажа, удешевляют производителям простую переупаковку компонента для поверхностного монтажа в корпус со сквозными отверстиями.Керамические конденсаторы для поверхностного монтажа могут предложить весьма конкурентоспособные номинальные значения емкости для своего крошечного размера. MLCC — это самые маленькие конденсаторы на рынке с упаковками до 08004 (0201 метрическая система). Без конденсаторов этих крошечных размеров высокопроизводительные платы с высокой плотностью размещения не были бы жизнеспособными.

MLCC

популярны не только потому, что они компактны с относительно высокой емкостью, но и потому, что они критически важны для многих приложений, где электролитический тип был бы совершенно непригоден.Керамические конденсаторы, как часто упускается из виду, обычно не загораются и не взрываются, если с ними неправильно обращаться. Они не имеют полярности и могут иметь напряжения, значительно превышающие их номинальные значения, без повреждения самого конденсатора. Напротив, алюминиевые электролитические и особенно танталовые конденсаторы имеют тенденцию превращаться в маленькие ракетные двигатели или взрываться, если к ним приложено даже незначительное обратное напряжение или их номинальные характеристики даже немного превышены.

Другие преимущества:

  • Широкий диапазон емкости и напряжения
  • Высокая надежность
  • Лента и катушка для поверхностного монтажа
  • Низкое СОЭ
  • High Q на высоких частотах
Многослойный керамический конденсатор
Image Source

Несмотря на свои общие преимущества и преимущества, не все керамические конденсаторы одинаковы, и некоторые из них чрезвычайно дешевы, а другие дороги. Параметры конденсатора также зависят от нескольких факторов, например, от типа используемого керамического диэлектрика.Чаще всего используются диэлектрики C0G, NP0, X7R, Y5V и Z5U.

Существует два основных класса керамических конденсаторов:
Класс 1: обеспечивает высокую стабильность и низкие потери для резонансных схем (NP0, P100, N33, N75 и т. Д.).
Class 2: обеспечивает высокую объемную эффективность для приложений буфера, байпаса и соединения (X7R, X5R, Y5V, Z5U и т. Д.).

Керамические конденсаторы класса 1

Керамические конденсаторы

класса 1 обеспечивают высочайшую стабильность и самые низкие потери.Они обладают высокой толерантностью и точностью и более стабильны при изменении напряжения и температуры. Конденсаторы класса 1 подходят для использования в качестве генераторов, фильтров и требовательных аудиоприложений.

Коды допусков для керамических конденсаторов класса 1 приведены ниже:

Первый символ Второй символ Третий символ
Письмо Sig. Фигуры Цифра Множитель (10х) Письмо Допуск
С 0.0 0 –1 G +/- 30
B 0,3 1 -10 H +/- 60
л 0,8 2 -100 Дж +/- 120
А 0,9 3 -1000 К +/- 250
M 1.0 4 +1 L +/- 500
п. 1,5 6 +10 M +/- 1000
R 2,2 7 +100 N +/- 2500
S 3,3 8 +1000
т 4.7
В 5,6
U 7,5

Первый символ — это буква, обозначающая значащую цифру изменения емкости при изменении температуры в ppm / ° C.Второй символ числовой и обозначает множитель для первого символа. Третий символ — это буква, обозначающая максимальную ошибку в ppm // ° C.

Например, : керамика C0G предлагает один из самых стабильных диэлектриков конденсаторов на рынке. Изменение емкости в зависимости от температуры составляет 0 +/- 30 ppm / ° C, что составляет менее +/- 0,3% от номинальной емкости в диапазоне от -55 ° C до + 125 ° C. Дрейфом емкости или гистерезисом для керамики C0G можно пренебречь и составляет менее ± 0,05% по сравнению с ± 2% для пленочных конденсаторов.

Керамический диэлектрик C0G (NP0) обычно имеет «Q», превышающее 1000, и показывает небольшие изменения емкости или «Q» с частотой. В дополнение к этому диэлектрическое поглощение обычно составляет менее 0,6%; это похоже на слюду, которая известна своим очень низким поглощением. Это делает керамические конденсаторы превосходными для ВЧ-приложений, и обычно вы можете найти керамические конденсаторы, специально разработанные для ВЧ-цепей.

Керамические конденсаторы класса 2

Керамические конденсаторы

класса 2 имеют гораздо более высокий уровень диэлектрической проницаемости, чем конденсаторы класса 1.Это дает им гораздо более высокий уровень емкости на единицу объема. Однако в качестве компромисса для этой более высокой плотности они имеют более низкую общую точность и стабильность. В дополнение к более низкой точности и стабильности керамические конденсаторы класса 2 также демонстрируют нелинейный температурный коэффициент и емкость, которая в небольшой степени зависит от приложенного напряжения.

Такие конденсаторы идеально подходят для развязки и развязки, где точное значение емкости не критично, но где пространство может быть проблемой.Они также идеально подходят для измерения объемной емкости в цепях, которые имеют быстро меняющиеся нагрузки, но при этом должны иметь компактную площадь основания, например, ИС радиочастотного передатчика / приемопередатчика.

Коды символов для допусков керамических конденсаторов класса 2:

Первый символ Второй символ Третий символ
Письмо Низкая температура Цифра Высокая температура Письмо Изменить
х -55 ° C (-67 ° F) 2 + 45 ° C (+ 113 ° F) D +/- 3.3%
Y -30 ° C (-22 ° F) 4 + 65 ° C (+ 149 ° F) E +/- 4,7%
Z + 10 ° C (+ 50 ° F) 5 + 85 ° C (+ 185 ° F) F +/- 7,5%
6 + 105 ° C (+ 221 ° F) -п. +/- 10%
7 + 125 ° C (257 ° F) R +/- 15%
S +/- 22%
Т + 22% / -33%
U + 22% / -56%
В + 22% / -82%

Первый символ — это буква, обозначающая нижнюю границу диапазона рабочих температур.Вторая цифра указывает на верхний предел рабочей температуры. Третий символ — это буква, обозначающая изменение емкости во всем диапазоне рабочих температур.

Одним из наиболее распространенных и популярных керамических диэлектриков класса 2 является X7R, который имеет диапазон температур от -55 ° C до + 125 ° C и изменение емкости ± 15%, что является относительно невысокой стоимостью, но все же имеет относительно хорошие допуски. Конденсаторы Y5V также очень распространены, поскольку емкость или напряжение начинает достигать верхнего края данного корпуса.Он имеет температурный диапазон от -30 до + 85 ° C и допуск в диапазоне + 22 / -82%, что по-прежнему подходит для многих требований к развязке или объемной емкости, которые должны быть компактными и экономичными.

Керамические конденсаторы класса 3

Исторически существуют также керамические конденсаторы класса 3, которые обеспечивают высокую емкость на единицу объема. Эти диэлектрики сложно найти все еще в производстве, поскольку современная многослойная керамика класса 2 может предлагать аналогичные или более высокие емкости в сочетании с лучшими характеристиками в более компактном корпусе.

Конденсаторы танталовые

Тантал — это тип электролитического конденсатора, который изготавливается с использованием металлического тантала в качестве анода, покрытого тонким слоем оксида, который действует как диэлектрик. Тантал предлагает очень тонкий диэлектрический слой, что приводит к более высоким значениям емкости на единицу объема.

Танталовые конденсаторы SMT
Image Source

Танталовые конденсаторы поляризованы, что означает, что они могут использоваться только с источником постоянного тока и размещены только в правильной ориентации.Танталовый конденсатор, используемый за пределами его номинального напряжения / температуры или с неправильной полярностью, быстро приведет к тепловому выходу из строя, вызывая пожары и даже небольшие взрывы. Их можно смягчить, используя в конструкции элементы безопасности, такие как ограничители тока или плавкие предохранители. Тем не менее, об этом следует помнить при использовании танталовых конденсаторов, близких к их номинальным характеристикам.

По сравнению с керамическими конденсаторами эквивалентное последовательное сопротивление танталового конденсатора относительно велико, обычно на несколько порядков выше.Это делает танталовые конденсаторы плохим выбором для высокочастотных приложений.

Танталовые конденсаторы, как правило, значительно дороже, чем MLCC, поэтому использование танталовых крышек для общих приложений становится все более редким. У них действительно есть некоторые выдающиеся особенности, которые делают их идеальными для определенных приложений, несмотря на их дополнительную стоимость.

Линейное изменение емкости с температурой

Танталовые конденсаторы демонстрируют линейное изменение емкости в зависимости от температуры.Это линейное изменение упрощает расчет емкости в критических условиях. В дополнение к линейному изменению емкость танталовых конденсаторов увеличивается с температурой, что дает преимущества, например, для накопления энергии или стабильности при изменении нагрузки импульсного источника питания. Если танталовый конденсатор находится рядом с импульсным блоком питания, его емкость немного возрастет, поскольку блок питания подвергается большой нагрузке и нагревается.

Зависимость емкости MLCC и танталового конденсатора от температуры
Источник изображения

Ограниченные микрофонные / пьезоэлектрические эффекты

Благодаря пьезоэлектрическому эффекту керамические конденсаторы являются микрофонными, поскольку они вибрируют, генерируя напряжение, как пьезо микрофон.Этот эффект может вызвать дополнительный шум в цепи, что не идеально для плат в условиях высокой вибрации с чувствительными / низковольтными аналоговыми сигналами. Этот шум не является достаточно значительным, чтобы повлиять на цифровые или усиленные аналоговые сигналы, однако неусиленные аналоговые сигналы от преобразователей или другие очень чувствительные сигналы могут быть затронуты. Это одна из причин, по которой многие компоненты, связанные со звуком, не рекомендуют керамические конденсаторы. Танталовые конденсаторы обычно не обладают пьезоэлектрическими / микрофонными характеристиками, что делает их идеальными для аудио приложений или приложений, которые испытывают сильную вибрацию.

Керамический конденсатор и танталовый конденсатор Акустические эффекты
Источник изображения

Характеристики емкости в зависимости от напряжения

Танталовые конденсаторы очень стабильны при различных условиях постоянного напряжения, если эти условия не выходят за пределы номинальных значений конденсатора. Емкость многослойных керамических конденсаторов значительно изменяется с увеличением напряжения, уменьшаясь по мере увеличения напряжения. Это может быть жизненно важным для приложений с переменным напряжением, а также может сделать танталовый конденсатор сопоставимым по цене с MLCC в определенных приложениях.Танталовый конденсатор обычно дает полную заявленную емкость без каких-либо допусков. Для источников питания с низким уровнем шума и критических систем развязки, где керамический конденсатор может работать при напряжении, близком к максимальному, вам потребуется 1/3 емкости от танталового конденсатора, как от керамического конденсатора. В качестве альтернативы вам понадобится 1/3 количества параллельных конденсаторов, чтобы иметь такую ​​же реальную емкость, что может обеспечить значительную экономию места.

Емкость как функция смещения постоянного тока для танталового конденсатора (TC) и MLCC
Источник изображения

Стабильность во времени

Диэлектрическая проницаемость керамических конденсаторов из-за деградации со временем поляризованных доменов в сегнетоэлектрических диэлектриках. Хотя это может звучать как линия технической болтовни из научно-фантастического сериала, реальный эффект заключается в уменьшении емкости с течением времени. С другой стороны, танталовые конденсаторы, как правило, остаются стабильными в течение всего срока службы.Танталовые конденсаторы также не высыхают и не разрушаются, как алюминиевые электролитические конденсаторы, что делает танталовые конденсаторы идеальными для приложений с длительным сроком службы, особенно в сценариях, где обслуживание дорого или невозможно, или где устройство критически важно.

Старение MLCC проявляется в уменьшении емкости с течением времени.
Image Source

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы являются культовыми. Если вы будете искать изображения конденсаторов, вы, скорее всего, получите изображение алюминиевого электролитического конденсатора.В современной электронике алюминиевые конденсаторы в основном используются для емкостных емкостей большой емкости, где требуется значительная емкость из-за их большого объема, высокого ESR и утечки тока. Несмотря на то, что они были заменены во многих приложениях, они по-прежнему очень популярны из-за их огромных значений емкости, высоких значений максимального напряжения и низкой стоимости.

Основные алюминиевые электролитические конденсаторы
Источник изображения

Алюминиевый электролитический конденсатор состоит из жидкого электролита.Электролит представляет собой жидкость или гель с высокой концентрацией ионов. Как и танталовые конденсаторы, которые также являются электролитическими, алюминиевые электролитические конденсаторы поляризованы. Это означает, что положительный вывод должен иметь более высокий потенциал, чем отрицательный. В отличие от научно-фантастических шоу, где капитан призывает «поменять полярность», чтобы что-то заработало, если вы сделаете это с алюминиевым конденсатором, он быстро выйдет из строя, лопнет и потенциально загорится.

Структура алюминиевого электролитического конденсатора
Image Source

Алюминиевые конденсаторы во многих приложениях были заменены более дешевыми многослойными керамическими конденсаторами, алюминиево-полимерными конденсаторами с низким ESR или танталовыми конденсаторами из-за большого количества недостатков алюминиевых электролитических конденсаторов.Алюминиевые конденсаторы имеют очень высокое эквивалентное последовательное сопротивление, что заставляет их рассеивать большую мощность, когда на конденсатор подаются сигналы с высокой частотой или большой амплитудой. Срок службы алюминиевого конденсатора сильно ограничен электролитом, который может высохнуть — срок службы значительно сокращается при высоких температурах эксплуатации. Ток утечки алюминиевого конденсатора значительно выше, чем у конденсаторов большинства других типов, что делает их менее идеальными для применения в соединительных устройствах.

Из-за недостатков эти конденсаторы непригодны для использования во многих современных приложениях. Однако алюминиевые конденсаторы никуда не денутся, поскольку у них есть несколько преимуществ, не в последнюю очередь из-за их мизерной стоимости при сопоставимой емкости / напряжении. Алюминиевые конденсаторы также предлагают значения емкости до нескольких фарад и гораздо более высокие напряжения, чем многие другие типы конденсаторов, по крайней мере, с учетом емкости. Несмотря на свой размер, они могут иметь меньшую площадь основания, чем эквивалентная емкость в нескольких других конденсаторах другого типа, подключенных параллельно, поскольку для алюминиевых конденсаторов характерно высокое соотношение диаметра к высоте.Если вертикальный зазор не является проблемой, алюминиевый конденсатор может иметь исключительную емкость для его площади основания.

По сравнению с танталовыми конденсаторами, алюминиевые конденсаторы, как правило, меньше повреждают цепь при выходе из строя. Когда срок службы алюминиевого конденсатора подходит к концу, его емкость постепенно уменьшается. Если он выходит из строя из-за перенапряжения или другого неправильного обращения, он обычно лопнет или разбухнет, не повредив при этом кусок вашей печатной платы, или вызовет пожар.

В то время как полимерные версии алюминиевых конденсаторов обладают множеством преимуществ, простой алюминиевый конденсатор значительно дешевле, а также обеспечивает более высокое максимальное номинальное напряжение.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

могут быть заменены во многих приложениях, поскольку они не соответствуют строгим требованиям современной схемотехники, они по-прежнему непревзойденны в приложениях, где большие значения емкости требуются при ограниченном бюджете. Они используются во многих импульсных источниках питания для уменьшения пульсаций напряжения, аудио или других фильтров нижних частот, сглаживания или измерения объемной емкости.Хотя они могут быть не идеальным выбором, иногда они — единственный выбор или единственный способ добиться стабильной схемы в рамках бюджета.

Конденсаторы полимерные

Полимерные конденсаторы — это относительно новая технология, которая быстро становится распространенным типом электролитических конденсаторов. Они являются отличной альтернативой основным алюминиевым и танталовым конденсаторам, а в некоторых случаях даже многослойным керамическим конденсаторам. В этих конденсаторах в качестве электролита используются проводящие твердые полимеры, а не жидкие или гелевые электролиты, которые встречаются в традиционных электролитических конденсаторах.Поскольку как алюминиево-полимерные, так и тантал-полимерные конденсаторы предлагаются в тех же корпусах, что и их родительские жидкие электролиты, можно легко модернизировать существующую конструкцию до полимерных конденсаторов и воспользоваться преимуществами.

Полимерные конденсаторы
Image Source

Благодаря использованию твердых электролитов, полимерные конденсаторы позволяют избежать высыхания жидкого электролита, что серьезно ограничивает срок службы классических электролитических конденсаторов.

Полимерные конденсаторы

могут использоваться в качестве замены танталовых электролитических конденсаторов в большинстве ситуаций, если они не превышают максимальное номинальное напряжение, которое, как правило, ниже, чем у классических электролитических конденсаторов.Чаще всего встречаются полимерные конденсаторы с номинальным напряжением до 35 В постоянного тока, но все еще существует множество вариантов примерно до 63 В постоянного тока. Существует ограниченное количество конденсаторов, рассчитанных на 250 В постоянного тока для алюминиевого полимера или 125 В постоянного тока для танталового полимера.

Другая причина, по которой существующие конструкции обычно не заменяют большинство танталовых или алюминиевых электролитических конденсаторов полимерными, заключается в том, что по сравнению с ними они относительно дороги. При этом есть несколько преимуществ использования полимерных конденсаторов в конструкциях, особенно в источниках питания.В нескольких моих статьях по проекту с открытым исходным кодом я указывал алюминиево-полимерные конденсаторы, поскольку их производительность на доллар была непревзойденной для этих конкретных приложений.

Характеристики емкости и напряжения

Подобно танталовым электролитическим конденсаторам, которые мы рассматривали ранее, полимерные конденсаторы имеют практически идентичные свойства, когда дело доходит до зависимости емкости от напряжения — емкость увеличивается линейно с увеличением температуры.

Зависимость емкости MLCC и полимерного конденсатора от времени и температуры
Источник изображения

Очень низкое ESR

Существенным недостатком традиционных танталовых и алюминиевых конденсаторов является их высокое эквивалентное последовательное сопротивление.При использовании для фильтрации приложений в импульсном источнике питания трудно получить мелкие пульсации напряжения или уменьшить кондуктивные электромагнитные помехи. ESR полимерных конденсаторов аналогичен многим керамическим конденсаторам, что делает их идеальными для применения в фильтрах, поскольку они предлагают значительно более высокие значения емкости, чем керамические конденсаторы. Хотя полимерные конденсаторы значительно дороже, чем их аналоги с жидким электролитом, они все же намного дешевле, чем эквивалентное количество параллельных керамических конденсаторов.Низкое ESR полимерных конденсаторов делает их идеальными для любых приложений с сильноточной пульсацией, где требуется большая емкость.

Высокая емкость

Алюминиевые полимерные конденсаторы в основном имеют очень высокую плотность емкости для занимаемой ими печатной платы. Танталовые полимерные конденсаторы обычно не выпускаются в высоких корпусах, как это делают алюминиевые конденсаторы. Высокие цилиндрические алюминиевые конденсаторы позволяют обеспечить исключительно высокую емкость за счет использования компонентов с высоким соотношением сторон, которые очень высоки по сравнению с занимаемой площадью — если позволяют зазоры.

Нет утечки

Алюминиевые конденсаторы известны своим выходом из строя из-за высыхания или утечки электролита. Протекающий конденсатор может повредить печатную плату, которую в противном случае можно было бы отремонтировать, просто заменив конденсатор. Благодаря твердому полимерному электролиту утечка невозможна.

Без пьезоэффекта

Как и их неполимерные аналоги, как обсуждалось ранее, полимерные варианты не имеют пьезоэлектрических / микрофонных проблем, что делает их идеальными для аудио и других чувствительных аналоговых приложений слабого сигнала.

Стабильность частоты

Как упоминалось ранее, полимерные конденсаторы отлично подходят для высокочастотных приложений по сравнению с их аналогами с жидким электролитом. Хотя они не так хороши, как керамический конденсатор, они очень близки и могут предложить высокую емкость по той же цене и занимаемой площади на плате по сравнению с вариантом керамического конденсатора.

Параметр емкости полимерных, MLCC и танталовых конденсаторов в зависимости от частоты
Image Source

Это делает полимерные конденсаторы превосходными для источников питания и аудио приложений.Хотя полимерный конденсатор обычно дороже, чем другие альтернативы, он может предложить экономию по сравнению с керамическими конденсаторами из-за уменьшения емкости при напряжении в керамике, что требует меньшего количества полимерных конденсаторов для выполнения той же работы.

В качестве примера можно взять простой DC-DC понижающий блок питания:

Преобразователь постоянного тока в качестве примера замены MLCC полимерными конденсаторами
Источник изображения

Для вышеуказанного приложения требуется емкость 250 мкФ на входе и емкость 450 мкФ на выходе.После рассмотрения ухудшения емкости керамического конденсатора, перенапряжения, старения и температуры, нам необходимо снизить характеристики керамического конденсатора примерно на 70%. Это снижение означает, что емкость должна быть около 833 мкФ на входе и 1500 мкФ на выходе. Для этого потребуется восемнадцать керамических конденсаторов по 47 мкФ на входе и пятнадцать керамических конденсаторов по 100 мкФ на выходе. Используя полимерные конденсаторы, мы могли бы вместо этого использовать два полимерных конденсатора по 150 мкФ на входе и один полимерный конденсатор емкостью 470 мкФ на выходе.Поскольку полимерные конденсаторы не нуждаются в снижении номинальных характеристик, они обеспечивают 30% -ную экономию затрат и 50% -ную экономию площади печатной платы.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы, как следует из названия, используют тонкую пластиковую пленку в качестве диэлектрика. Эти конденсаторы дешевы, очень стабильны во времени и имеют очень низкую самоиндукцию и эквивалентные параметры последовательного сопротивления. Некоторые пленочные конденсаторы могут выдерживать очень большие скачки реактивной мощности.

Пленочные конденсаторы переменного тока
Image Source

В процессе вытяжки изготавливается очень тонкая пленка, которую затем можно металлизировать или оставить без обработки в зависимости от свойств, требуемых для конденсатора.Затем добавляются электроды, и сборка устанавливается в корпус, защищающий конденсатор от воздействия окружающей среды.

Относительно плохой диэлектрик делает этот тип конденсатора очень большим по сравнению с другими типами, что придает ему очень низкую емкость на единицу объема, что позволяет использовать его в значительно различных приложениях по сравнению с другими вариантами, которые мы рассмотрели. Пленочные конденсаторы используются во многих приложениях, где требуются стабильность, низкая индуктивность и низкая стоимость.

Интересным аспектом металлизированных пленочных конденсаторов является их самовосстановление.Самовосстановление происходит, когда дефекты вызывают скачки внешнего напряжения. Любая дуга внутри конденсатора испаряет тонкую металлизацию пленки вокруг места повреждения. Это приводит к тому, что область, которая не смогла потерять свое металлизированное покрытие — без проводящего материала больше не возникает короткого замыкания, поэтому конденсатор перестает находиться в режиме отказа.

Полиэфирная пленка

Полиэфирные пленочные конденсаторы — это недорогие пленочные конденсаторы общего назначения с основным преимуществом, заключающимся в отличной стабильности при более высоких температурах (до 125 ° C).

Основные характеристики:

  • Корпуса с выводами и для поверхностного монтажа
  • Может работать при 125 ° C с понижением напряжения
  • Высокая толерантность
  • Высокая диэлектрическая прочность для относительно небольших высоковольтных конденсаторов
  • Низкое СОЭ
  • High dV / dt — может использоваться в приложениях, где присутствуют резкие и быстрые всплески времени нарастания

Обычно они используются для:

  • Цепи, в которых конденсатор должен выдерживать высокие пиковые уровни тока.
  • Фильтрация, где не требуются высокие уровни допуска.
  • Общие приложения для связи и развязки, а также для блокировки по постоянному току.
  • Источники питания, в которых не нужны электролитические конденсаторы с очень высокой емкостью.
  • Аудиоприложения.
Конденсатор из полиэфирной пленки
Источник изображения

Полипропиленовая (ПП) пленка

Конденсаторы с полипропиленовой пленкой широко доступны и могут использоваться в самых разных областях.

Ключевые особенности

  • Чрезвычайно жесткий допуск (до 1%).
  • Очень стабильны, так как они претерпевают очень низкие изменения емкости с течением времени и приложенного напряжения, а их температурный коэффициент довольно низкий, отрицательный и линейный.
  • Большинство конденсаторов из полипропилена имеют очень низкое последовательное последовательное сопротивление (ESR) и низкую самоиндукцию.
  • Конденсаторы
  • PP могут работать с экстремальными напряжениями (от u до 1 кВ).
  • Довольно высокотемпературный диапазон до 100 ° C и выше.
  • Доступен только как компонент с выводами.
  • Доступно только для очень низкого диапазона емкости (от 100 пФ до 10 нФ).

Конденсаторы PP используются во многих приложениях:

  • Приложения для цепей высокой мощности / высокого напряжения переменного тока.
  • Цепи с высокими уровнями пикового тока.
  • Высокочастотные резонансные контуры.
  • Прецизионные схемы синхронизации.
  • Осветительные балластные системы.
  • Импульсные источники питания.
  • Цепи выборки и хранения.
  • Аудиоприложения премиум-класса, которые, по мнению многих энтузиастов, обеспечивают лучшую производительность и, следовательно, лучшее качество звука.
  • Цепи высокочастотного импульсного разряда.
Конденсатор из полипропиленовой пленки
Источник изображения


ПТФЭ / тефлоновая пленка

Пленочные конденсаторы из ПТФЭ могут быть как металлизированные, так и пленочные / фольговые. Эти конденсаторы выдерживают экстремальные температуры и обеспечивают стабильную работу. Однако эти конденсаторы относительно дороги и, как правило, используются для узкоспециализированных приложений.

Основные характеристики:

  • Может работать при температуре до 200 ° C
Пленочный конденсатор из ПТФЭ
Источник изображения

Пленка из полистирола

Пленка из полистирола традиционно известна как дешевые конденсаторы общего назначения с высокой стабильностью, низким рассеиванием и утечкой.

Основные характеристики:

  • Высокая изоляция
  • Низкая утечка
  • Низкое диэлектрическое поглощение
  • Низкие искажения (из-за этого они нравятся энтузиастам аудио)
  • Хорошая температурная стабильность
Пленочный конденсатор из полистирола
Источник изображения
Сравнение популярных пленочных конденсаторов
Источник изображения

Слюдяные конденсаторы

Слюдяные или серебряные слюдяные конденсаторы — это конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется слюда.Слюда — очень электрически, химически и механически стабильный материал. Несмотря на то, что он обладает хорошими электрическими свойствами и устойчивостью к высоким температурам, он имеет высокую стоимость сырья. Слюда также устойчива к большинству кислот, воды, масел и растворителей. Эти конденсаторы изготавливаются путем прослоения листов слюды с металлом с обеих сторон. Серебряные слюдяные конденсаторы встречаются редко, но все еще используются, когда требуются стабильные и надежные конденсаторы с очень низкими номиналами. У них очень низкие потери, их можно использовать для высоких частот, и их значения невероятно стабильно меняются с течением времени.

Серебряные слюдяные конденсаторы
Источник изображения

Основные характеристики слюдяных конденсаторов:

  • Высокая точность — до 1% от номинального значения емкости.
  • Высокая стабильность — эти конденсаторы очень стабильны, практически не разрушаются со временем, а сборка защищена эпоксидной смолой.
  • Высокая устойчивость к температуре.
  • Высокая устойчивость к напряжению (до 1кВ).
  • Высокая устойчивость к частоте.
  • High Q, low ESR / ESL
  • Конденсаторы Mica
  • громоздкие и довольно дорогие.

Серебряные слюдяные конденсаторы используются в:

  • Фильтры — высокие уровни допуска и стабильности позволяют точно рассчитывать фильтры и быстро прогнозировать их работу.
  • ВЧ-генераторы
  • и другие ВЧ-схемы — в этих приложениях их низкие уровни потерь позволяют улучшить добротность настроенной схемы.
  • ВЧ передатчики большой мощности.
  • Высоковольтные приложения.

Кремниевые конденсаторы

Кремниевые конденсаторы, по крайней мере, в качестве дискретных компонентов, являются относительно новым типом конденсаторов.Интересно отметить, что наиболее распространенным типом конденсаторов в мире по объему являются силиконовые конденсаторы, используемые в интегральных схемах, таких как RAM и flash. Этот тип дискретных конденсаторов основан на таких диэлектриках, как диоксид кремния и нитрид кремния, которые используются для изготовления конденсаторов высокой плотности. Такие конденсаторы очень применимы в ситуациях, когда требуется высокая стабильность, надежность и устойчивость к высоким температурам.

Кремниевые конденсаторы SMT
Источник изображения

Кремниевые конденсаторы имеют следующие преимущества:

  • Высокая стабильность при высоких температурах — кремниевые конденсаторы выдерживают температуру до 250 ° C.
  • Емкость не снижается из-за напряжения смещения постоянного тока.
  • Чрезвычайно высокий потенциал миниатюризации.
  • Очень низкий ток утечки и низкий коэффициент потерь.
  • Низкая частота отказов.
  • Минимальная СОЭ и ESL.

Ограничения кремниевых конденсаторов:

  • Низкие значения емкости (до 5 мкФ).
  • Утечка заряда.
  • Чрезвычайно дорогой (от 5 до 5000 раз дороже, чем MLCC с тем же значением и номинальным напряжением).

Стоимость кремниевых конденсаторов гарантирует, что они используются только в очень специфических приложениях. Вы найдете их в абсолютно критически важных и, как правило, дорогих устройствах, где производительность и надежность являются наивысшим приоритетом, а стоимость второстепенна. Это означает, что вы найдете кремниевые конденсаторы в медицинских, военных и аэрокосмических приложениях, а также в высокопроизводительных ВЧ-устройствах.

Если приложение требует чрезвычайно жестких допусков при очень высокой производительности, нет другого типа конденсатора, который мог бы сравниться с кремниевыми конденсаторами.

Суперконденсаторы

Суперконденсаторы — это еще один тип конденсаторов, который нельзя сравнивать с другими. Этот тип конденсатора используется для совершенно иной цели, чем описанные выше. Суперконденсаторы, по крайней мере, в применении, больше похожи на батареи, чем другие типы конденсаторов, которые мы обсуждали. Основное назначение этих конденсаторов — аккумулирование энергии с сильноточным питанием или приложениями резервного копирования памяти, такими как RAM или GPS.

В настоящее время вкладываются значительные средства в исследования и разработки суперконденсаторов в качестве альтернативы батареям для электромобилей.Следующее десятилетие будет очень интересным с быстрым развитием этой технологии.

Интересные плоские суперконденсаторы от Murata
Image Source

Диапазон емкости суперконденсаторов начинается от мФ до нескольких килофарад, что является значительным количеством энергии. Их емкость в тысячи или миллионы раз выше, чем у типичного конденсатора, который вы можете использовать в схемотехнике.

Суперконденсаторы
Image Source

Хотя суперконденсаторы часто сравнивают с литий-ионными батареями, они имеют существенно другие свойства.Их не следует путать с «литиевыми конденсаторами», которые представляют собой литий-ионную или полимерную батарею в корпусе конденсатора.

Функция Суперконденсатор Литий-ионный аккумулятор
Время зарядки 1-10 секунд 10–60+ минут
Срок службы 1 миллион циклов / 30 000 часов 500+
Напряжение элемента 2.От 3 до 2,75 В Номинальное напряжение 3,6 В
Удельная энергия 5 Втч / кг (номинал) от 120 до 240 Втч / кг
Удельная мощность До 10 000 Вт / кг от 1000 до 3000 Вт / кг
Стоимость кВтч 10 000 долларов (стандарт) 250-1000 долларов оптом
Срок службы (промышленный) 10-15 лет 5-10 лет
Температура заряда от -40 до 65C (от -40 до 149F) от 0 до 45 ° C (от 32 до 113 ° F)
Температура нагнетания от -40 до 65C (от -40 до 149F) от -20 до 60 ° C (от -4 до 140 ° F)

Достоинства суперконденсаторов:

  • Очень большое количество циклов зарядки / разрядки.
  • Колоссальная удельная мощность, позволяющая подавать очень большой ток.
  • Длительный срок службы.
  • Широкий диапазон рабочих температур.

Однако у этих конденсаторов есть и недостатки, например:

  • Очень высокая стоимость.
  • Очень низкие напряжения (от 1,5 В до 5 В максимум).
  • Умеренно высокий ток утечки, что и делает их. Не подходит для длительного хранения энергии.
  • Низкая плотность энергии по сравнению с батареями.
  • Сравнительно большой размер.

Заключение

В заключение, каждый тип конденсатора имеет свое место, даже если оно меняется со временем, поскольку новые технологии и улучшения других типов конденсаторов меняют рынок. Некоторые типы конденсаторов могут превосходить другие. Однако, как мы видели, все еще существует множество применений, в которых один тип конденсатора не может быть заменен для его идеального применения. Конденсаторы, как и любой другой тип компонентов в электронике, все еще развиваются и развиваются, движимые требованиями все более совершенных технологий.Мы часто думаем о конденсаторах как о решенной технологии, но многие конденсаторы, которые мы используем сегодня, значительно отличаются от тех, что были доступны в недавней истории.

Приложения

MLCC быстро растут. Это самые популярные конденсаторы, и на то есть веские причины. Они дешевы, компактны, в целом имеют хорошие характеристики. Они предлагают идеальный компромисс между техническими характеристиками и стоимостью для большинства основных приложений развязки, фильтрации и обхода.

Танталовые конденсаторы имеют более высокую стабильность при изменении температуры, смещения постоянного тока и времени.Кроме того, они не подвержены пьезоэлектрическому эффекту и более устойчивы к нагрузкам. К сожалению, они имеют высокое СОЭ, высокую цену и склонность взорваться или превратиться в небольшой огненный шар при незначительном обращении.

Алюминиевые электролитические конденсаторы обладают очень высокой емкостью и могут иметь высокое максимальное номинальное напряжение. Они также намного дешевле по тем же характеристикам, что и полимерные конденсаторы. Но они большие, имеют высокое СОЭ и со временем высыхают.

Алюминиевые полимерные и танталовые конденсаторы

— это превосходная и захватывающая новая технология.Они обладают почти всеми преимуществами своих традиционных аналогов конденсаторов с добавлением низкого ESR. Однако в настоящее время они все еще относительно дороги и имеют довольно низкие значения максимального напряжения. Поскольку это относительно новая технология, я могу только вообразить улучшения в этих типах конденсаторов в ближайшие годы / десятилетия.

Существует много типов пленочных конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретного применения. Они большие и имеют низкую номинальную емкость, но стабильны и обладают рядом других преимуществ.

Слюдяные конденсаторы — самые необычные конденсаторы, которые мы когда-либо видели. У них высокая устойчивость, стабильность и точность, но они относительно редки и дороги.

Кремниевые конденсаторы

термостабильны и надежны, но очень дороги и имеют низкую номинальную емкость. Когда для вашей схемы подойдет только лучшее, вам нужны кремниевые конденсаторы.

Суперконденсаторы больше похожи на элементы накопления энергии, чем другие конденсаторы, указанные выше. Их чрезвычайно высокая емкость — это фантастика, но цена, высокая утечка и низкое максимальное напряжение резко ограничивают их применение.В будущем суперконденсаторы станут прекрасной альтернативой батареям для многих устройств, предлагая практически мгновенную зарядку и невероятную плотность энергии. Автомобильные компании вкладывают много денег в исследования суперконденсаторов, и это технология, которая может радикально изменить мир и окружающую среду в будущем.

У каждого конденсатора есть место, и выбор, который вы выберете, будет зависеть от вашего применения, дизайна, бюджета и других требований.

Есть еще вопросы? Вызовите специалиста Altium.

Конденсаторы

и формулы для расчета емкости

Конденсаторы — это пассивные устройства. в электронных схемах для хранения энергии в виде электрического поля. Они комплимент индукторы, хранящие энергию в виде магнитного поля. Идеальный конденсатор является эквивалентом разомкнутой цепи (бесконечное сопротивление) для постоянного тока (DC) и представляет собой импеданс (реактивное сопротивление) для переменные токи (AC), зависящие от частоты тока (или напряжения).Реактивное сопротивление (сопротивление току расход) конденсатора обратно пропорционален частоте сигнала, воздействующего на него. Конденсаторы изначально были называемые «конденсаторами» по причине, восходящей к временам Лейденской банки, когда считалось, что электрические заряды накапливаться на пластинах в процессе конденсации.

Свойство емкости, которая препятствует изменению напряжения, используется для передачи сигналов с компонент с более высокой частотой, предотвращая прохождение сигналов компонентов с более низкой частотой.Обычное применение конденсатор в РЧ (радиочастотной) цепи — это место, где есть напряжение смещения постоянного тока, которое необходимо заблокировать от присутствия в цепи, позволяя РЧ-сигналу проходить. Источники питания постоянного тока используют большие значения емкости параллельно с выходом. клеммы для сглаживания низкочастотных пульсаций из-за выпрямления и / или переключения форм сигналов.

При использовании последовательно (левый рисунок) или параллельно (правый рисунок) с его комплемент схемы, индуктор, комбинация индуктор-конденсатор образует контур, который резонирует на определенной частоте это зависит от значений каждого компонента.В последовательной цепи сопротивление протеканию тока на резонансной частоте равен нулю с идеальными компонентами. В параллельной цепи (справа) сопротивление протеканию тока бесконечно с идеальными компонентами.

Реальные конденсаторы, состоящие из физических компонентов, демонстрируют больше, чем просто емкость, когда присутствует в цепи переменного тока. Слева показана модель симулятора общей схемы. Он включает в себя собственно идеальный конденсатор с параллельным резистивным подключением. компонент («Утечка»), реагирующий на переменный ток.Эквивалентный резистивный компонент постоянного тока (‘ESR’) последовательно с идеальным конденсатором и эквивалентной последовательной индуктивной составляющей («ESL») присутствует из-за металлических выводов (если они есть) и характеристик поверхностей пластин. Эта индуктивность в сочетании с емкостью создает резонансную частоту, на которой конденсатор выглядит как чистое сопротивление.

Когда рабочая частота увеличивается за пределы резонанса (также известного как собственная резонансная частота или SRF), схема ведет себя как индуктивность, а не как емкость.Следовательно, требуется тщательное рассмотрение SRF, когда выбор конденсаторов. Симуляторы типа SPICE используют эту или даже более сложную модель для облегчения более точных расчетов. в широком диапазоне частот.

Уравнения для последовательного и параллельного объединения конденсаторов приведены ниже. Для конденсаторов приведены дополнительные уравнения. различной конфигурации. Как показывают эти цифры и формулы, емкость — это мера способности двух поверхностей. для хранения электрического заряда.Разделенный и изолированный диэлектриком (изолятором), чистый положительный заряд накапливается на одна поверхность и чистый отрицательный заряд хранится на другой поверхности. В идеальном конденсаторе заряд будет храниться бесконечно; однако реальные конденсаторы постепенно теряют заряд из-за токов утечки через неидеальный диэлектрик.

Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов равна обратной величине сумма обратных величин индивидуальных емкостей.Держите единицы измерения постоянными.

Емкость (C в фарадах) двух параллельных пластин равной площади равна произведению площади (A, в метрах) одной пластины. расстояние (d, в метрах), разделяющее пластины, и диэлектрическая проницаемость (ε, в Фарадах на метр) пространства разделение пластин. ε, полная диэлектрическая проницаемость, является произведением диэлектрической проницаемости свободного пространства, ε 0 , и относительная диэлектрическая проницаемость материала ε r .Обратите внимание, что единицы измерения длины и площади могут быть метрическими. или английский, если они согласованы.

Коэффициент рассеяния (DF), также известный как тангенс потерь (tan δ), взаимозаменяемо определяется как величина, обратная коэффициенту качества (QF) или отношению эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и емкостного реактивного сопротивления (X C ).Это показатель степени потери накопленного заряда. DF обычно используется в низкочастотных приложениях, в то время как tan δ чаще используется в высокочастотных приложениях.

Общая емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме индивидуальных емкости. Держите единицы измерения постоянными.

Следующие физические константы и механические размерные переменные применимы к уравнениям на этой странице.Единицы для уравнений показаны в скобках в конце уравнений; например, означает, что длина дана в дюймах, а индуктивность — в единицах Генри. Если единицы не указаны, то можно использовать любые, если они согласованы для всех объектов; т.е. все измерители, все мкФ, пр.

C = емкость

L = индуктивность

W = энергия

ε r = относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная)

ε 0 = 8,85 x 10 -12 Ф / м (диэлектрическая проницаемость свободного пространства)

µ r = Относительная проницаемость (безразмерная)

µ 0 = 4π x 10 -7 Гн / м (проницаемость свободного пространства)

1 метр = 3.2808 футов <—> 1 фут

= 0,3048 метра

1 мм = 0,03937 дюйма <—> 1 дюйм

= 25,4 мм

Кроме того, точки (не путать с десятичными знаками) используются для обозначения умножения. во избежание двусмысленности.

Емкостное реактивное сопротивление (X C , в Ω) обратно пропорциональна частоте (ω в радианах / сек или f в Гц) и емкости (C в фарадах).Чистая емкость имеет фазовый угол -90 ° (напряжение отстает от тока с фазовым углом 90 °).

Заряд (Q, в кулонах) конденсатора Пластины — это произведение емкости (C в фарадах) и напряжения (V в вольтах) на устройстве.

Энергия (Вт, в Джоулях) хранится в конденсаторе представляет собой половину произведения емкости (C в фарадах) на напряжение (V в вольтах) на устройстве.

Ток действительно течет «через» идеальный конденсатор. Напротив, заряд, накопленный на его пластинах, передается в подключенную цепь, тем самым облегчая ток. поток. И наоборот, сетевое напряжение, приложенное к пластинам, вызывает протекание тока в подключенной цепи по мере накопления заряда. на тарелках.

Добротность безразмерная. отношение реактивного сопротивления к сопротивлению в конденсаторе.

Связанные страницы на RF Cafe

— Конденсаторы и Расчет емкости

— Конденсатор Цветовые коды

— Преобразование емкости

— Конденсатор Диэлектрики

— Стандартные значения конденсаторов

— Продавцы конденсаторов

— Благородное искусство разъединения

Файл: Параллельный пластинчатый конденсатор.svg — Wikimedia Commons

Сводка [править]

Описание Параллельный пластинчатый конденсатор.svg Схема простого конденсатора с параллельными пластинами, показывающая пластины, площадь пластин, A, , диэлектрик и разделение пластин, d .
Дата 25 ноября 2006 г.
Источник собственный рисунок, выполненный в Inkscape 0.44
Автор индуктивная нагрузка
Разрешение
(Повторное использование этого файла)
PD
Другие версии Производные этого файла: Параллель арматуры Condensatore.svg

Это векторное изображение , не указанное W3C, было создано с помощью Inkscape.

Лицензирование [править]

Public domainPublic domainfalsefalse
Я, владелец авторских прав на это произведение, передаю его в общественное достояние . Это применимо во всем мире.
В некоторых странах это может быть невозможно по закону; в таком случае:
Я даю кому-либо право использовать это произведение в любых целях, , без каких-либо условий, если только такие условия не требуются по закону.

Щелкните дату / время, чтобы просмотреть файл в том виде, в каком он был в тот момент.

обсуждение | вклад)
Дата / время Миниатюра Размеры Пользователь Комментарий
текущий 02:55, 19 ноября 2008 г. 250 × 200 (13 КБ) Размер изменен до ширины 250 пикселей и изменен шрифт
12:34, 25 ноября 2006 г. 300 × 200 (11 КБ) Индуктивная нагрузка (обсуждение | вклад) {{ Информация | Описание = Схема простого конденсатора с параллельными пластинами, показывающая пластины, площадь пластины, A , диэлектрик и расстояние между пластинами, d .| Источник = собственный рисунок, выполненный в Inkscpae 0.44 | Дата = 25.11.06 | Автор = индуктивная загрузка | Pe

Этот файл нельзя перезаписать.

Этот файл используется на следующих 2 страницах:

  • Конденсатор
  • Файл: Condensatore armature parallele.svg

Следующие другие вики используют этот файл:

  • Использование на as.wikipedia.org
  • Использование на az.wikipedia.org
  • Использование на ca.wikipedia.org
  • Использование в cs.wikipedia.орг
  • Использование на en.wikipedia.org
  • Использование на en.wikibooks.org
  • Использование на es.wikipedia.org
  • Использование на fa.wikipedia.org
  • Использование на fr.wikibooks.org
  • Использование на ko.wikipedia.org
  • Использование на ml.wikipedia.org
  • Использование на pnb.wikipedia.org
  • Использование на pt.wikipedia.org
  • Использование на tt.wikipedia.org
  • Использование на ur.wikipedia.org

18,5 Конденсаторы и диэлектрики — Физика

Задачи обучения секции

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Вычислить энергию, запасенную в заряженном конденсаторе, и емкость конденсатора
  • Объясните свойства конденсаторов и диэлектриков

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (5) Студент знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (F) спроектировать, построить и рассчитать сквозной ток, разность потенциалов, сопротивление и мощность, используемую элементами электрической цепи, соединенными как в последовательной, так и в параллельной комбинациях.

Кроме того, в Руководстве по лаборатории физики средней школы рассматривается содержание этого раздела лаборатории под названием: Электрический заряд, а также следующие стандарты:

  • (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (F) спроектировать, построить и рассчитать сквозной ток, разность потенциалов, сопротивление и мощность, используемую элементами электрической цепи, соединенными как в последовательной, так и в параллельной комбинациях.

Раздел Основные термины

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Чтобы представить конденсаторы, в этом разделе подчеркивается их способность накапливать энергию. Диэлектрики вводятся как способ увеличения количества энергии, которое может храниться в конденсаторе.Чтобы представить идею хранения энергии, обсудите со студентами другие механизмы хранения энергии, такие как плотины или батареи. Спросите, у кого больше возможностей.

Конденсаторы

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Объясните, что электрические конденсаторы являются жизненно важными частями всех электрических цепей. Фактически, все электрические устройства имеют емкость, даже если конденсатор явно не вставлен в устройство.

[BL] Предложите учащимся определить, как слово емкость используется в повседневной жизни.Попросите их найти определение в словаре. Сравните и сопоставьте повседневное значение со значением термина в физике.

[OL] Спросите студентов, слышали ли они слово конденсатор , используемое в связи с электричеством, например, на электростанциях или в электрических цепях. Попросите их описать, как используется это слово.

[AL] Обсудите, как пружина может накапливать механическую энергию. Обсудите, какие свойства пружины увеличивают ее способность накапливать энергию.Обратите внимание на то, что эти свойства присущи пружине.

Снова рассмотрим рентгеновскую трубку, рассмотренную в предыдущем примере задачи. Как создать однородное электрическое поле? Один положительный заряд создает электрическое поле, направленное от него, как показано на рисунке 18.17. Это поле неоднородно, потому что расстояние между линиями увеличивается по мере удаления от заряда. Однако, если мы объединим положительный и отрицательный заряды, мы получим электрическое поле, показанное на рисунке 18.19 (а). Обратите внимание, что между зарядами силовые линии электрического поля расположены более равномерно.

Что произойдет, если мы разместим, скажем, пять положительных зарядов в линию напротив пяти отрицательных зарядов, как на рис. 18.27? Теперь область между линиями заряда содержит довольно однородное электрическое поле.

Рисунок 18.27 Красные точки — положительные заряды, синие точки — отрицательные. Направление электрического поля показано красными стрелками. Обратите внимание, что электрическое поле между положительными и отрицательными точками довольно однородно.

Мы можем расширить эту идею еще дальше и до двух измерений, поместив две металлические пластины лицом к лицу и заряжая одну положительным зарядом, а другую равной величиной отрицательного заряда. Это можно сделать, подключив одну пластину к положительной клемме аккумулятора, а другую пластину — к отрицательной клемме, как показано на рисунке 18.28. Электрическое поле между этими заряженными пластинами будет чрезвычайно однородным.

Рисунок 18.28 Две параллельные металлические пластины заряжаются противоположным зарядом путем подключения пластин к противоположным клеммам батареи.Величина заряда на каждой пластине одинакова.

Давайте подумаем о работе, необходимой для зарядки этих пластин. Перед подключением пластин к батарее они являются нейтральными, то есть имеют нулевой общий заряд. Размещение первого положительного заряда на левой пластине и первого отрицательного заряда на правой пластине требует очень мало работы, потому что пластины нейтральны, поэтому нет противоположных зарядов. Теперь рассмотрите возможность размещения второго положительного заряда на левой пластине и второго отрицательного заряда на правой пластине.Поскольку первые два заряда отталкивают вновь прибывших, необходимо приложить силу к двум новым зарядам на некотором расстоянии, чтобы положить их на пластины. Это определение работы, которое означает, что по сравнению с первой парой требуется больше работы, чтобы положить вторую пару зарядов на пластины. Чтобы разместить на пластинах третий положительный и отрицательный заряды, требуется еще больше работы и так далее. Откуда взялась эта работа? Батарея! Его химическая потенциальная энергия преобразуется в работу, необходимую для разделения положительных и отрицательных зарядов.

Несмотря на то, что аккумулятор работает, эта работа выполняется в системе аккумуляторных пластин. Следовательно, сохранение энергии говорит нам, что, если потенциальная энергия батареи уменьшается на отдельные заряды, энергия другой части системы должна увеличиваться на такую ​​же величину. Фактически, энергия аккумулятора сохраняется в электрическом поле между пластинами. Эта идея аналогична рассмотрению того, что потенциальная энергия поднятого молота хранится в гравитационном поле Земли.Если бы гравитационное поле исчезло, у молота не было бы потенциальной энергии. Точно так же, если бы между пластинами не было электрического поля, между ними не было бы накопления энергии.

Если теперь отсоединить пластины от аккумулятора, они будут удерживать энергию. Мы могли бы, например, подключить пластины к лампочке, и лампочка загорелась бы до тех пор, пока эта энергия не была бы израсходована. Таким образом, эти пластины обладают способностью накапливать энергию. По этой причине такое устройство называется конденсатором.Конденсатор — это набор объектов, которые в силу своей геометрии могут накапливать энергию в виде электрического поля.

Различные реальные конденсаторы показаны на рисунке 18.29. Обычно их делают из токопроводящих пластин или листов, разделенных изоляционным материалом. Они могут быть плоскими, свернутыми или иметь другую геометрию.

Рисунок 18.29 Некоторые типичные конденсаторы. (Источник: Windell Oskay)

Емкость конденсатора определяется его емкостью C , которая определяется как

.

, где Q — это величина заряда на каждой пластине конденсатора, а В, — разность потенциалов при переходе от отрицательной пластины к положительной.Это означает, что и Q , и V всегда положительны, поэтому емкость всегда положительна. Из уравнения для емкости видно, что единицами измерения емкости являются C / V, которые называются фарадами (F) в честь английского физика девятнадцатого века Майкла Фарадея.

Уравнение C = Q / VC = Q / V имеет смысл: конденсатор с параллельными пластинами (например, показанный на рис. 18.28) размером с футбольное поле может удерживать большой заряд, не требуя слишком много работы на единицу заряда для протолкните заряд в конденсатор.Таким образом, Q будет большим, а V будет малым, поэтому емкость C будет очень большой. Чтобы поместить такой же заряд в конденсатор размером с ноготь, потребуется гораздо больше работы, поэтому В, будет очень большим, а емкость будет намного меньше.

Хотя уравнение C = Q / VC = Q / V создает впечатление, что емкость зависит от напряжения, на самом деле это не так. Для данного конденсатора отношение заряда, накопленного в конденсаторе, к разнице напряжений между пластинами конденсатора всегда остается неизменным.Емкость определяется геометрией конденсатора и материалами, из которых он изготовлен. Для конденсатора с параллельными пластинами, между пластинами которого ничего нет, емкость равна

.

, где A, — площадь пластин конденсатора, а d — их расстояние между ними. Мы используем C0C0 вместо C , потому что между пластинами конденсатора ничего нет (в следующем разделе мы увидим, что происходит, когда это не так). Константа ε0, ε0, прочитанная эпсилон-ноль , называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства, и ее значение равно

. ε0 = 8.85 × 10–12 Ф / мε0 = 8,85 × 10–12 Ф / м

18,37

Возвращаясь к энергии, хранящейся в конденсаторе, мы можем спросить, сколько именно энергии хранит конденсатор. Если конденсатор заряжают, подавая на него напряжение В , например, подключая его к батарее с напряжением В, — электрическая потенциальная энергия, запасенная в конденсаторе, составляет

.

Обратите внимание, что форма этого уравнения аналогична форме для кинетической энергии, K = 12mv2K = 12mv2.

Watch Physics

Откуда берется емкость?

В этом видео показано, как определяется емкость и почему она зависит только от геометрических свойств конденсатора, а не от напряжения или накопленного заряда.При этом он дает хороший обзор концепций работы и электрического потенциала.

Проверка захвата

Если увеличить расстояние между пластинами конденсатора, как изменится емкость?

  1. Увеличение расстояния между пластинами конденсатора вдвое уменьшит емкость в четыре раза.
  2. Увеличение расстояния между пластинами конденсатора вдвое уменьшит емкость в два раза.
  3. Удвоение расстояния между пластинами конденсатора увеличивает емкость в два раза.
  4. Удвоение расстояния между пластинами конденсатора увеличивает емкость в четыре раза.

Virtual Physics

Зарядите свой конденсатор

В этом моделировании вам представлен конденсатор с параллельными пластинами, подключенный к батарее переменного напряжения. Батарея изначально имеет нулевое напряжение, поэтому конденсатор не заряжается. Сдвиньте ползунок батареи вверх и вниз, чтобы изменить напряжение батареи, и наблюдайте за зарядами, которые накапливаются на пластинах. Отображение емкости, заряда верхней пластины и накопленной энергии при изменении напряжения батареи.Вы также можете отобразить линии электрического поля в конденсаторе. Наконец, измерьте напряжение между различными точками этой цепи с помощью вольтметра.

Проверка захвата

Верно или нет — в конденсаторе накопленная энергия всегда положительна, независимо от того, заряжена ли верхняя пластина отрицательным или положительным зарядом.

  1. ложь
  2. правда

Рабочий пример

Емкость и заряд в параллельном пластинчатом конденсаторе

(a) Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами с металлическими пластинами, каждая из которых имеет площадь 1.00 м 2 , расстояние между которыми составляет 0,0010 м? (б) Какой заряд сохраняется в этом конденсаторе, если к нему приложено напряжение 3,00 × 10 3 В?

Стратегия для (A)

Используйте уравнение C0 = ε0AdC0 = ε0Ad.

Решение для (а)

Ввод данных значений в это уравнение для емкости конденсатора с параллельными пластинами дает

C = ε0Ad = (8,85 × 10−12 Ф / м) 1,00 м 20,0010 м = 8,9 × 10−9 F = 8,9 нФ.C = ε0Ad = (8,85 × 10−12 Ф / м) 1,00 м 20,0010 м = 8,9 × 10−9 F = 8.9нФ.

18,39

Обсуждение для (а)

Это небольшое значение емкости указывает на то, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью. Помогают специальные методы, такие как использование тонких фольг с очень большой площадью, расположенных близко друг к другу, или использование диэлектрика (будет обсуждено ниже).

Стратегия FOR (B)

Зная C , найдите накопленный заряд, решив уравнение C = Q / VC = Q / V для заряда Q .

Решение для (b)

Заряд Q на конденсаторе

Q = CV = (8.9 × 10–9F) (3,00 × 103V) ​​= 2,7 × 10–5C. Q = CV = (8,9 × 10–9F) (3,00 × 103V) ​​= 2,7 × 10–5C.

18,40

Обсуждение для (б)

Этот заряд лишь немного больше, чем типичный заряд статического электричества. Больше заряда можно было сохранить, используя диэлектрик между пластинами конденсатора.

Рабочий пример

Какой аккумулятор нужен для зарядки конденсатора?

Ваш друг дает вам конденсатор 10 мкФ10 мкФ. Аккумулятор какого напряжения следует покупать для хранения 120 мкКл120 мкКл на этом конденсаторе?

Стратегия

Используйте уравнение C = Q / VC = Q / V, чтобы найти напряжение, необходимое для зарядки конденсатора.

Решение

Решение C = Q / VC = Q / V для напряжения дает V = Q / CV = Q / C. Вставка C = 10 мкФ = 10 × 10–6FC = 10 мкФ = 10 × 10–6F и Q = 120 мкКл = 120 × 10–6CQ = 120 мкКл = 120 × 10–6 ° C дает

V = QC = 120 × 10–6C10 × 10– 6F = 12В = QC = 120 × 10−6C10 × 10−6F = 12В

18,41

Обсуждение

Такую батарею должно быть легко достать. Остается вопрос, достаточно ли в аккумуляторе энергии для обеспечения желаемого заряда. Уравнение UE = 12CV2UE = 12CV2 позволяет рассчитать необходимую энергию.

UE = 12CV2 = 12 (10 × 10-6F) (12В) 2 = 72мJUE = 12CV2 = 12 (10 × 10-6F) (12В) 2 = 72мДж

18,42

Обычный коммерческий аккумулятор может легко обеспечить такое количество энергии.

Практические задачи

23.

Какое напряжение на 35 мкФ при заряде 25 нКл?

  1. 8,75 × 10 −13 В
  2. 0,71 × 10 −3 В
  3. 1,4 × 10 −3 В
  4. 1,4 × 10 3 В
24.

Какое напряжение подается на конденсатор емкостью 100 мкФ, в котором накапливается 10 Дж энергии?

  1. −4.5 × 10 2 В
  2. 4,5 × 10 2 В
  3. ± 4,5 × 10 2 В
  4. ± 9 × 10 2 В

Диэлектрики

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Объясните, что диэлектрик — это сокращение от диэлектрического материала , который имеет определенные электрические свойства, которые будут обсуждаться в этом разделе. Слово диэлектрик используется для обозначения способности материала накапливать энергию.Напомните учащимся, что изолятор используется для обозначения способности материала предотвращать прохождение электрического заряда.

[BL] [OL] Обратите внимание на то, что префикс di означает два или двойной. В сочетании со словом electric это означает, что диэлектрик может иметь два электрических заряда.

[AL] Спросите студентов, знают ли они другие слова, которые используют префикс di в науке (двухатомный, двуокись углерода, диполь,…).

Перед тем, как разобраться с некоторыми примерами проблем, давайте посмотрим, что произойдет, если мы поместим изоляционный материал между пластинами конденсатора, который был заряжен, а затем отключен от заряжающей батареи, как показано на рисунке 18.30. Поскольку материал является изолирующим, заряд не может перемещаться через него от одной пластины к другой, поэтому заряд Q на конденсаторе не изменяется. Между пластинами заряженного конденсатора существует электрическое поле, поэтому изолирующий материал становится поляризованным, как показано в нижней части рисунка. Электроизоляционный материал, который поляризуется в электрическом поле, называется диэлектриком.

Рисунок 18.30 показывает, что отрицательный заряд в молекулах материала смещается влево, в сторону положительного заряда конденсатора.Этот сдвиг происходит из-за электрического поля, которое прикладывает силу влево к электронам в молекулах диэлектрика. У правых сторон молекул теперь отсутствует немного отрицательного заряда, поэтому их суммарный заряд положительный.

Рисунок 18.30 Верхний и нижний конденсаторы несут одинаковый заряд Q . Между пластинами верхнего конденсатора нет диэлектрика. Между пластинами нижнего конденсатора установлен диэлектрик. Молекулы в диэлектрике поляризованы электрическим полем конденсатора.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Укажите положительный и отрицательный поверхностный заряд на каждой стороне диэлектрика. Обсудите со студентами, что линии электрического поля нарисованы так, чтобы они касались поверхностных зарядов, потому что линии электрического поля всегда начинаются или заканчиваются на заряде. Таким образом, меньшее количество линий электрического поля будет проходить через диэлектрик, а это означает, что электрическое поле внутри диэлектрика слабее.

Все электроизоляционные материалы являются диэлектриками, но некоторые из них на лучше, чем на другие.Хороший диэлектрик — это такой диэлектрик, молекулы которого позволяют своим электронам сильно смещаться в электрическом поле. Другими словами, электрическое поле немного отталкивает их электроны от их атома, но они не выходят полностью из своего атома (вот почему они являются изоляторами).

На рисунке 18.31 показан макроскопический вид диэлектрика в заряженном конденсаторе. Обратите внимание, что линии электрического поля в конденсаторе с диэлектриком расположены дальше друг от друга, чем линии электрического поля в конденсаторе без диэлектрика.Это означает, что электрическое поле в диэлектрике слабее, поэтому он хранит меньше электрической потенциальной энергии, чем электрическое поле в конденсаторе без диэлектрика.

Куда ушла эта энергия? Фактически, молекулы в диэлектрике действуют как крошечные пружины, а энергия электрического поля уходит на растяжение этих пружин. При таком ослаблении электрического поля разница напряжений между двумя сторонами конденсатора становится меньше, поэтому становится легче наложить больший заряд на конденсатор.Таким образом, размещение диэлектрика в конденсаторе перед его зарядкой позволяет хранить в конденсаторе больше заряда и потенциальной энергии. Параллельная пластина с диэлектриком имеет емкость

. C = κε0Ad = κC0, C = κε0Ad = κC0,

18,43

где κκ ( каппа ) — безразмерная постоянная, называемая диэлектрической постоянной . Поскольку для диэлектриков κκ больше 1, емкость увеличивается, когда диэлектрик помещается между пластинами конденсатора. Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов показана в Таблице 18.1.

Материал Диэлектрическая проницаемость (κκ)
Вакуум 1,00000
Воздух 1.00059
Плавленый кварц 3,78
Неопреновый каучук 6,7
Нейлон 3,4
Бумага 3,7
Полистирол 2,56
Стекло Pyrex 5.6
Кремниевое масло 2,5
титанат стронция 233
Тефлон 2,1
Вода 80

Таблица 18.1 Диэлектрическая проницаемость для различных материалов при 20 ° C

Рисунок 18.31 Верхний и нижний конденсаторы несут одинаковый заряд Q. Между пластинами верхнего конденсатора нет диэлектрика. Между пластинами нижнего конденсатора установлен диэлектрик.Поскольку некоторые линии электрического поля заканчиваются и начинаются на поляризационных зарядах в диэлектрике, электрическое поле в конденсаторе менее сильное. Таким образом, при одинаковом заряде конденсатор накапливает меньше энергии, когда он содержит диэлектрик.

Teacher Support

Teacher Support

Подчеркните, что силовые линии электрического поля в диэлектрике менее плотные, чем в конденсаторе без диэлектрика, что показывает, что электрическое поле в диэлектрике слабее.

Рабочий пример

Конденсатор для вспышки камеры

Типичная вспышка для фотоаппарата «наведи и снимай» использует конденсатор емкостью около 200 мкФ и 200 мкФ.(а) Если разность потенциалов между пластинами конденсатора составляет 100 В, то есть 100 В подается «поперек конденсатора», сколько энергии хранится в конденсаторе? (b) Если бы диэлектрик, используемый в конденсаторе, представлял собой лист нейлона толщиной 0,010 мм, какой была бы площадь поверхности пластин конденсатора?

Стратегия для (A)

Учитывая, что V = 100VV = 100V и C = 200 × 10−6FC = 200 × 10−6F, мы можем использовать уравнение UE = 12CV2UE = 12CV2, чтобы найти электрическую потенциальную энергию, хранящуюся в конденсаторе.

Решение для (а)

Вставка заданных величин в UE = 12CV2UE = 12CV2 дает

UE = 12CV2 = 12 (200 × 10−6F) (100V) 2 = 1.0J .UE = 12CV2 = 12 (200 × 10−6F) (100V) 2 = 1.0J.

18,44

Обсуждение для (а)

Этой энергии достаточно, чтобы поднять 1-килограммовый мяч на высоту примерно 1 м от земли. Вспышка длится около 0,001 с, поэтому мощность, отдаваемая конденсатором за это короткое время, составляет P = UEt = 1,0J0,001s = 1kWP = UEt = 1,0J0,001s = 1 кВт. Учитывая, что автомобильный двигатель выдает мощность около 100 кВт, для небольшого конденсатора это неплохо!

Стратегия FOR (B)

Поскольку пластины конденсатора находятся в контакте с диэлектриком, мы знаем, что расстояние между пластинами конденсатора равно d = 0.010мм = 1,0 × 10-5 мд = 0,010 мм = 1,0 × 10-5 м. Из предыдущей таблицы диэлектрическая проницаемость нейлона равна κ = 3,4κ = 3,4. Теперь мы можем использовать уравнение C = κε0AdC = κε0Ad, чтобы найти площадь A, конденсатора.

Решение (b)

Решение уравнения для области A и вставка известных величин дает

C = κε0AdA = Cdκε0 = (200 × 10−6F) (1.0 × 10−5m) (3.4) (8.85 × 10−12 F / m) = 66m2.C = κε0AdA = Cdκε0 = (200 × 10−6F) ( 1,0 × 10–5 м) (3,4) (8,85 × 10–12 Ф / м) = 66 м2.

18.45

Обсуждение для (б)

Это слишком большая область, чтобы поместить ее в конденсатор, достаточно маленький, чтобы поместиться в портативную камеру. Вот почему в этих конденсаторах используются не простые диэлектрики, а более совершенная технология для получения высокой емкости.

Практические задачи

25.

При 12 В на конденсаторе он принимает заряд 10 мкКл. Какая у него емкость?

  1. 0,83 мкм F
  2. 83 мкм F
  3. 120 мкм F
  4. 830 мкм F
26.

Конденсатор с параллельными пластинами имеет площадь 10 см 2 , а пластины разделены на 100 мкм м. Если конденсатор содержит бумагу между пластинами, какова его емкость?

  1. 3,3 × 10 −10 F
  2. 3,3 × 10 −8 F
  3. 3,3 × 10 −6 F
  4. 3,3 × 10 −4 F

Проверьте свое понимание

27.

Если площадь конденсатора с параллельными пластинами увеличивается вдвое, как это влияет на емкость?

  1. Емкость останется прежней.
  2. Емкость увеличится вдвое.
  3. Емкость увеличится в четыре раза.
  4. Емкость увеличится в восемь раз.
28.

Если вы удвоите площадь конденсатора с параллельными пластинами и уменьшите расстояние между пластинами в четыре раза, как изменится емкость?

  1. Увеличится в два раза.
  2. Он увеличится в четыре раза.
  3. Увеличится в шесть раз.
  4. Увеличится в восемь раз.

Конденсаторы

  • • Определите распространенные типы конденсаторов и способы их использования.
  • • Основные символы схем для конденсаторов

Рис. 2.1.1 Базовые обозначения схем конденсаторов

Конденсаторы (и катушки индуктивности) обладают способностью накапливать электрическую энергию, катушки индуктивности накапливают энергию в виде магнитного поля вокруг компонента, но конденсатор хранит электрическую энергию в виде ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, которое создается между двумя тонкими листами металла, называемыми «пластинами», которые у каждого свой электрический потенциал (или напряжение).

На рис. 2.1.1 показаны символы схем в Великобритании и США для различных типов конденсаторов. Основной тип конденсатора с фиксированным номиналом состоит из двух пластин из металлической фольги, разделенных изолятором. Это может быть сделано из различных изоляционных материалов с хорошими ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ свойствами. Некоторые основные типы конструкции конденсатора показаны на рис. 2.1.2a.

Рис. 2.1.2 Общие типы конденсаторов

Конденсаторы

имеют много применений.

Конденсаторы

находят множество применений в электронных схемах.Каждая цель использует одну или несколько функций, описанных в этом модуле. На рис. 2.1.2 показаны различные конденсаторы. Типичное использование:

  • Высоковольтный электролит, используемый в источниках питания.
  • Аксиальный электролитический; меньшее напряжение меньшего размера для общего назначения, где требуются большие значения емкости.
  • Керамический диск высокого напряжения; малый размер и значение емкости, отличные характеристики допуска.
  • Металлизированный полипропилен; небольшой размер для значений до 2 мкФ, хорошая надежность.
  • Субминиатюрный конденсатор с многослойным керамическим чипом (поверхностный монтаж). относительно высокая емкость для размера, достигаемая за счет нескольких слоев. Фактически несколько конденсаторов параллельно.

Рис. 2.1.3 Конструкция — Конденсаторы постоянной величины

Конструкция конденсатора

Конструкция неполяризованных конденсаторов во многих типах аналогична. Различия заключаются в площади пластин и типе диэлектрического материала, используемого для данной емкости; В идеале диэлектрик, выбранный для любого конденсатора, должен соответствовать трем основным критериям.

1. Он будет максимально тонким, потому что емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.

2. Диэлектрическая проницаемость материала должна быть максимально высокой, поскольку диэлектрическая проницаемость напрямую влияет на эффективность диэлектрика.

3. Диэлектрическая прочность должна быть достаточной, чтобы выдерживать требуемое номинальное напряжение конденсатора.

Каждый из основных типов конденсаторов, показанных на рис. 2.1.3 (кроме типов миниатюрных керамических чипов), будет покрыт изолирующим слоем (часто эпоксидной смолой).

Рис. 2.1.4 Конструкция электролитического конденсатора

Конденсаторы электролитические

Конструкция электролитических конденсаторов в некоторой степени похожа на конденсатор из фольги. За исключением того, что, как показано на рис. 2.1.4, слои между фольгой теперь представляют собой два очень тонких слоя бумаги, один из которых образует изолятор (3), разделяющий свернутые пары слоев, а другой — слой ткани (4). между положительной (1) и отрицательной (2) пластиной из фольги, пропитанной электролитом, который делает ткань проводящей!

Из предыдущего абзаца может показаться, что намокшая ткань вызывает короткое замыкание между пластинами.Но настоящий диэлектрический слой создается после завершения строительства в процессе, называемом «Формование». Через конденсатор пропускается ток, и под действием электролита на положительной пластине накапливается очень тонкий слой оксида алюминия (5). Именно этот чрезвычайно тонкий слой используется в качестве изолирующего диэлектрика. Это обеспечивает конденсатор очень эффективным диэлектриком, что дает значения емкости во много сотен раз больше, чем это возможно с обычным пластиковым пленочным конденсатором аналогичного физического размера.

Обратной стороной этого процесса является то, что конденсатор поляризован и не должен иметь напряжения обратной полярности. Если это происходит, изолирующий оксидный слой очень быстро отделяется от положительной пластины, позволяя конденсатору пропускать большой ток. Когда это происходит в запечатанном контейнере, «жидкий» электролит быстро закипает и быстро расширяется. Это может привести к сильному взрыву в считанные секунды! НИКОГДА не подключайте электролитический конденсатор неправильно! Из-за этой опасности на электролитических конденсаторах есть маркировка, показывающая полярность их соединительных проводов.На рис. 2.1.4 показана общая маркировка полярности (6), состоящая из полосы минус (-) символов, обозначающих отрицательный вывод конденсатора.

Также обратите внимание, что на конце конденсатора есть три канавки для обеспечения слабого места в герметичном корпусе, так что в случае взрыва верхняя часть корпуса выйдет из строя, что, как мы надеемся, сводит к минимуму повреждение окружающих компонентов.

Все конденсаторы, независимо от их типа, также имеют максимально безопасное рабочее напряжение (Vwkg). Если напряжение, указанное на конденсаторе (7), превышено, существует высокий риск того, что изоляция диэлектрического слоя, разделяющего две пластины, выйдет из строя и вызовет короткое замыкание между пластинами, это также может вызвать быстрый и сильный перегрев, что приведет к возможный взрыв.

Рис. 2.1.5 Переменные конденсаторы

Конденсаторы переменной емкости

Переменные конденсаторы, показанные на рис. 2.1.5 используются в качестве настроечных конденсаторов в радиоприемниках AM, хотя они в значительной степени были заменены диодами «варикап» (переменной емкости), имеющими небольшую емкость, которую можно изменять, прикладывая переменное напряжение. но конденсаторы с механической регулировкой по-прежнему можно найти на принципиальных схемах и в каталогах поставщиков для замены.

Настроечные конденсаторы, независимо от их типа, обычно имеют очень малые значения емкости, обычно от нескольких пФ до нескольких десятков пФ. Большие типы воздушных диэлектриков, подобные анимированному на рис. 2.1.5, были заменены миниатюрными типами диэлектриков из ПВХ, как показано в правом верхнем углу на рис. 2.1.5. Виды спереди и сзади показывают крошечные предустановленные или подстроечные конденсаторы, доступ к которым осуществляется через отверстия в задней части корпуса).

Обозначения переменных конденсаторов

Рис. 2.1.6 Обозначения переменных и предварительно установленных конденсаторов

Обозначения для переменных конденсаторов приведены на рис. 2.1.6. Переменные конденсаторы часто доступны как компоненты GANGED. Обычно два переменных конденсатора регулируются с помощью одного управляющего винта. Символ стрелки указывает на переменный конденсатор (настраивается пользователем оборудования, а диагональ Т-образной формы указывает на предварительно установленный конденсатор, только для технической настройки. Пунктирная линия, соединяющая пару переменных конденсаторов, указывает на то, что они объединены в группу.

Эти небольшие предустановленные конденсаторы доступны во множестве очень маленьких конструкций и работают аналогично более крупным переменным, с крошечными вращающимися пластинами и, как правило, диэлектрическими слоями из ПВХ-пленки между ними.Их емкость составляет всего несколько пикофарад, и они часто используются в сочетании с более крупными переменными конденсаторами (и даже устанавливаются внутри корпуса настроечных конденсаторов) для повышения точности.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *