Конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля (от лат. kondensator — «уплотнять», «сгущать»).
Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых металлических пластин — обкладок — и слоя диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами пластин.
На схемах электрических цепей конденсатор обозначается: .
Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полюсам источника тока. При зарядке обе обкладки получают заряды, равные по модулю, но противоположные по знаку. Под зарядом конденсаторов понимают модуль заряда одной из его обкладок. Свойство конденсатора накапливать электрический заряд характеризуется физической величиной — электроёмкостью .
Электроёмкость обозначается буквой (C) и определяется по формуле:
C = q U , где (q) — заряд конденсатора, (U) — напряжение между обкладками конденсатора.
Электроёмкость конденсатора зависит от площади перекрытия пластин и расстояния между ними, а также от свойств используемого диэлектрика:
C ∼ S d , где (S) — площадь каждой обкладки, (d) — расстояние между обкладками.
За единицу электроёмкости в СИ принимается Ф арад (Ф).
Она названа в честь Майкла Фарадея — английского физика. (1) Фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд (1) Кулон создаёт между его обкладками напряжение (1) Вольт : 1 Фарад = 1 Кулон 1 Вольт .
(1) Ф — это очень большая ёмкость для конденсатора. Чаще всего конденсаторы имеют электроёмкость, равную дольным единицам Ф: микрофарад (мкФ) — 10 −6 Ф, пикофарад (пФ) — 10 −12 Ф.
Для получения требуемой ёмкости конденсаторы соединяют в батареи.
Если конденсаторы соединены параллельно, то общая ёмкость равна сумме ёмкостей: C об = C 1 + C 2 + C 3 .
Если конденсаторы соединены последовательно, то общая ёмкость будет равна: 1 C об = 1 C 1 + 1 C 2 + 1 C 3 .
При зарядке конденсатора внешними силами совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов. По закону сохранения энергии работа внешних сил равна энергии поля конденсатора. При разрядке конденсатора за счёт этой энергии может быть совершена работа. Энергия конденсатора есть не что иное, как энергия заключённого внутри него электрического поля.
Принцип работы конденсаторов
При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.
МАРКЕРОВКА И обозначение КОНДЕНСАТОРОВ
В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.
Где используются конденсаторы
Конденсаторы применяются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструменте, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.п.
В зависимости от выполняемых функций их разделяют на общего назначения и узкоспециальные.
К конденсаторам общего назначения относятся низковольтные накопители, которые используются в большинстве видов электроаппаратуры.
К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические ипусковые конденсаторы.
Функции, выполняемые конденсаторами:
фильтрация высокочастотных помех;
сведение к минимуму пульсаций;
разделение сигнала на постоянные и переменные компоненты;
создание резонанса с катушкой индуктивности, что позволяет усилить сигнал.
Что такое электрическая емкость?
Электрическая емкость – это физическая величина, которая характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд при подключении к источнику напряжения. Она определяет, сколько заряда может быть сохранено на конденсаторе при заданном напряжении.
Емкость обозначается символом C и измеряется в фарадах (Ф). Один фарад равен одному кулону заряда на один вольт напряжения.
Емкость конденсатора зависит от его геометрических размеров, материала, из которого он изготовлен, и диэлектрика, который разделяет его пластины. Чем больше площадь пластин и меньше расстояние между ними, тем больше емкость конденсатора.
Электрическая емкость играет важную роль в электротехнике и электронике. Конденсаторы используются для хранения энергии, фильтрации сигналов, стабилизации напряжения и других целей.
Основные свойства конденсаторов
Конденсаторы – это электронные компоненты, которые способны накапливать и хранить электрический заряд. Они состоят из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком. Вот некоторые основные свойства конденсаторов:
Емкость (C)
Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) и определяет его способность накапливать заряд. Один фарад равен одному кулону заряда на один вольт напряжения. Емкость конденсатора зависит от его геометрических размеров, материала, из которого он изготовлен, и диэлектрика, который разделяет его пластины. Чем больше площадь пластин и меньше расстояние между ними, тем больше емкость конденсатора.
Напряжение (V)
Конденсаторы имеют ограничение по напряжению, которое они могут выдержать без пробоя диэлектрика. Это называется рабочим напряжением или номинальным напряжением. Превышение этого напряжения может привести к повреждению конденсатора.
Ток (I)
Конденсаторы могут пропускать переменный ток, но блокируют постоянный ток. Это связано с их способностью накапливать заряд и выдерживать напряжение. При подключении конденсатора к источнику постоянного тока, он начинает заряжаться до определенного уровня и затем перестает пропускать ток.
Время зарядки и разрядки
Конденсаторы имеют время зарядки и разрядки, которое определяется их емкостью и сопротивлением цепи. Время зарядки – это время, за которое конденсатор заряжается до определенного уровня при подключении к источнику напряжения. Время разрядки – это время, за которое конденсатор разряжается до определенного уровня при отключении от источника напряжения.
Реактивное сопротивление
Конденсаторы обладают реактивным сопротивлением, которое зависит от их емкости и частоты сигнала. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты сигнала. Это свойство позволяет использовать конденсаторы в фильтрах и других цепях для пропускания или блокирования определенных частот.
Это основные свойства конденсаторов, которые важно учитывать при их выборе и использовании в электротехнике и электронике.
Примеры конденсаторов
Оксидные конденсаторы в блоке питания сервера.
Промышленность выпускает большое количество типов конденсаторов различного назначения, но главными их характеристиками являются ёмкость и рабочее напряжение.
Типичные значение ёмкости конденсаторов изменяются от единиц пикофарад до сотен микрофарад, исключение составляют ионисторы, которые имеют несколько иной характер формирования ёмкости – за счёт двойного слоя у электродов – в этом они подобны электрохимическим аккумуляторам. Суперконденсаторы на основе нанотрубок имеют чрезвычайно развитую поверхность электродов. У этих типов конденсаторов типичные значения ёмкости составляют десятки фарад, и в некоторых случаях они способны заменить в качестве источников тока традиционные электрохимические аккумуляторы.
Вторым по важности параметром конденсаторов является его рабочее напряжение. Превышение этого параметра может привести к выходу конденсатора из строя, поэтому при построении реальных схем принято применять конденсаторы с удвоенным значением рабочего напряжения.
Для увеличения значений ёмкости или рабочего напряжения используют приём объединения конденсаторов в батареи. При последовательном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение удваивается, а суммарная ёмкость уменьшается в два раза. При параллельном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается в два раза.
Третьим по важности параметром конденсаторов является температурный коэффициент изменения ёмкости (ТКЕ). Он даёт представление об изменении ёмкости в условиях изменения температур.
В зависимости от назначения использования, конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, требования к параметрам которых некритичны, и на конденсаторы специального назначения (высоковольтные, прецизионные и с различными ТКЕ).
Маркировка конденсаторов
Подобно резисторам, в зависимости от габаритов изделия, может применяться полная маркировка с указанием номинальной ёмкости, класса отклонения от номинала и рабочего напряжения. Для малогабаритных исполнений конденсаторов применяют кодовую маркировку из трёх или четырёх цифр, смешанную цифро-буквенную маркировку и цветовую маркировку.
Соответствующие таблицы пересчёта маркировок по номиналу, рабочему напряжению и ТКЕ можно найти в Интернете, но самым действенным и практичным методом проверки номинала и исправности элемента реальной схемы остаётся непосредственное измерение параметров выпаянного конденсатора с помощью мультиметра.
Оксидный конденсатор собран из двух алюминиевых лент и бумажной прокладки с электролитом. Одна из алюминиевых лент покрыта слоем оксида алюминия и служит анодом. Катодом служит вторая алюминиевая лента и бумажная лента с электролитом. На алюминиевых лентах видны следы электрохимического травления, позволяющего увеличить их площадь поверхности, а значит и емкость конденсатора.
Предупреждение: поскольку конденсаторы могут накапливать большой заряд при весьма высоком напряжении, во избежание поражения электрическим током необходимо перед измерением параметров конденсатора разряжать его, закоротив его выводы проводом с высоким сопротивлением внешней изоляции. Лучше всего для этого подходят штатные провода измерительного прибора.
Оксидные конденсаторы: данный тип конденсатора обладает большой удельной емкостью, то есть, емкостью на единицу веса конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторов представляет собой обычно алюминиевую ленту, покрытую слоем оксида алюминия. Второй обкладкой служит электролит. Так как оксидные конденсаторы имеют полярность, то принципиально важно включать такой конденсатор в схему строго в соответствии с полярностью напряжения.
Твердотельные конденсаторы: в них вместо традиционного электролита в качестве обкладки используется органический полимер, проводящий ток, или полупроводник.
Трехсекционный воздушный конденсатор переменной емкости
Переменные конденсаторы: емкость может меняться механическим способом, электрическим напряжением или с помощью температуры.
Пленочные конденсаторы: диапазон емкости данного типа конденсаторов составляет примерно от 5 пФ до 100 мкФ.
Имеются и другие типы конденсаторов.
Конденсатор
Основная характеристика конденсатора — электроемкость или просто емкость С, определяемая как отношение заряда одной из обкладок конденсатора к разности потенциалов, т.е. напряжению между обкладками:
где (C) — емкость конденсатора (lbrack Фrbrack) ;
(q) — заряд одной из обкладок конденсатора (lbrack Клrbrack) ;
(U) — напряжение между обкладками (lbrack Brbrack) .
При этом в емкость конденсатора не зависит от его заряда и определяется только его геометрическими параметрами (формой, размером и расстоянием между обкладками) и характеристиками материала, которым заполнено пространство между обкладками конденсатора. Напряжение (разность потенциалов) между обкладками будет устанавливаться в зависимости от того заряда, который сообщен конденсатору.
Единицы емкости. В СИ за единицу электроемкости принят фарад (Ф). Емкостью 1 Ф обладает конденсатор, между обкладками которого устанавливается напряжение в 1В при сообщении ему заряда 1 Кл:
На практике обычно приходится иметь дело с конденсаторами, емкость которых значительно меньше 1 Ф, поэтому используются доли этой единицы — микрофарад (мкФ), пикофарад (пФ): 1мкФ = 10 -6 Ф, 1пФ = 10 -6 мкФ = 10 -12 Ф.
Емкость плоского конденсатора.
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.
Его емкость рассчитывается по следующей формуле:
где (C) — емкость конденсатора (leftlbrack Ф rightrbrack) ;
(varepsilon ₀) — электрическая постоянная , (( approx 8,85 bullet 10^fracА^> Кг>))
(varepsilon) — диэлектрическая проницаемость;
(S) — площадь обкладки (lbrack м^rbrack) ;
(d) — расстояние между обкладками (lbrack мrbrack) .
Пространство между обкладками конденсатора может быть заполнено любым диэлектриком (веществом, не проводящим электрический ток). Диэлектрики характеризуются величиной, называемой диэлектрической проницаемостью.
Диэлектрическая проницаемость (varepsilon) — это безразмерная величина, показывающая во сколько раз напряженность электрического поля (или напряжение между его обкладками) в заполненном диэлектриком конденсаторе меньше, чем в отсутствии диэлектрика при том же заряде конденсатора. Другими словами, диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличится емкость конденсатора при заполнении его диэлектриком.
У твердых диэлектриков значение ε лежит в пределах от 4 до 7, а для жидких — от 2 до 81.
Батареи конденсаторов
При использовании конденсаторов, их иногда соединяют в батареи. При параллельном соединении n конденсаторов, напряжения U на них одинаковы, а полный заряд q батареи равен сумме зарядов конденсаторов qi, для каждого из которых, очевидно, справедливо (q_ = C_U) .
Рассматривая батарею как один конденсатор, получаем q = CU, другой стороны q = q1 + q2+ … + qn = (C1 + C2 + … + Cn)U.
Получаем, что емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей этих конденсаторов: C = C1 + C2 + … + Cn.
Аналогично рассуждая для последовательного соединения конденсаторов, получаем, что емкость такой батареи конденсаторов можно посчитать по формуле:
При последовательном соединении емкость батареи меньше самой малой из емкостей соединенных конденсаторов.
Поле вне и внутри конденсатора. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами и вне конденсатора равно нулю. Поле внутри конденсатора можно выразить через напряжение следующим образом:
Энергия плоского конденсатора. Заряженный конденсатор обладает энергией, которая выражается следующим образом через C, q и U:
Очень важно понимать, какую из формул удобнее применять в каждой конкретной задаче. Например, если в задаче изменяется заряда конденсатора, то следует применять формулу (W = frac>) , если же изменяется заряд, то
Принцип работы конденсаторов
При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.
В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.
Где используются конденсаторы
Конденсаторы применяются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструменте, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.п.
В зависимости от выполняемых функций их разделяют на общего назначения и узкоспециальные.
К конденсаторам общего назначения относятся низковольтные накопители, которые используются в большинстве видов электроаппаратуры.
К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические ипусковые конденсаторы.
Функции, выполняемые конденсаторами:
фильтрация высокочастотных помех;
сведение к минимуму пульсаций;
разделение сигнала на постоянные и переменные компоненты;
создание резонанса с катушкой индуктивности, что позволяет усилить сигнал.
Основные параметры
Основными параметрами конденсаторов являются:
- номинальная емкость (Сном), которая обычно указывается на корпусе конденсатора,
- температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
- номинальное напряжение (Uном).
Номинальное напряжение — это максимальное допустимое постоянное напряжение, при котором конденсатор способен работать длительное время, сохраняя параметры неизменными при всех установленных для него температурах. На конденсаторах, в основном, указано номинальное рабочее напряжение при постоянном токе.
При работе конденсатора в схемах переменного тока его номинальное напряжение, указанное на корпусе, должно в 1,5. 2 раза превышать предельно допустимое действующее переменное напряжение цепи.
На корпусе конденсатора обычно указывают его тип, напряжение, номинальную емкость, допустимое отклонение емкости, ТКЕ и дату изготовления.
Маркировка конденсаторов
Маркируют конденсаторы как и резисторы буквенно-цифровым кодом, который обозначает номинальную емкость, единицу измерения, допустимое отклонение емкости и ТКЕ.
Например, маркировка на конденсаторе 62 pJL расшифровывается так: номинальная емкость 62 пФ с допустимым отклонением ±5%, ТКЕ группы М75 (75 * 10 -6 /1 градус С). Буквенные коды единиц измерения номинальных емкостей приведены в табл. 1.
Таблица 1. Обозначение номинальной величины емкости на корпусах конденсаторов.
Пикофарады
0. 999 пФ
Единица измерения ёмкости
Определение: 1 Фарад – единица СИ электроёмкости, равная емкости такого уединенного проводника, который при сообщении ему заряда 1 Кулон изменяет свой потенциал на 1 Вольт.
Определение: Конденсатором называется устройство, предназначенное для получения больших величин электроёмкости.
Конденсатор состоит из двух проводников, которые называются обкладками. Обычно они расположены таким образом, что поле сосредоточено между ними. Одна обкладка заряжена положительно, другая – отрицательно. Ёмкостью конденсатора называется величина
где Q – заряд положительной обкладки; Dφ – разность или изменение потенциалов между обкладками.
Пространство между обкладками может быть заполнено диэлектриком, следовательно, напряженность поля в e раз меньше, разность потенциалов в e раз меньше, а ёмкость в e раз больше. Поэтому, ёмкость конденсатора с диэлектриком можно записать, как
C0 – емкость вакуумного конденсатора.
В дальнейшем мы будем говорить только о вакуумных конденсаторах.
Ёмкость плоского конденсатора
Плоским конденсатором называется две бесконечно большие разноименные пластины.
Сферический конденсатор – это две разноименно заряженные концентрические сферы.
Если считать внешнюю сферу бесконечно большой, то можно определить ёмкость уединенного шара.
Емкость земного шара
Если радиусы сфер близки друг к другу.
