Для школьников (в помощь желающим лучше понять физику).
Поступило пожелание полнее раскрыть физическую суть процесса зарядки конденсатора, что сейчас и сделаем, рассмотрев не только процесс зарядки (и разрядки) конденсатора, но и сопутствующие этому явления.
На первый взгляд представляется, о чём тут особо говорить, но на самом деле рассмотрение вопроса зарядки (разрядки) конденсатора и замкнутости цепи переменного тока охватывает весь раздел физики под названием “Электричество”.
По этой причине вернёмся к рассмотренным ранее и нужным сейчас понятиям и вопросам из раздела физики “Электричество”.
Ёмкость уединённого проводника. Ёмкость конденсатора
Заряженный уединённый проводник характеризуется потенциалом
Потенциал проводника численно равен работе, которую надо совершить , чтобы перенести заряд из бесконечности на проводник.
Все точки заряженного проводника имеют один и тот же потенциал, пропорциональный заряду q проводника.
Чем больший заряд сообщили проводнику, тем больше будет его потенциал (потенциал проводника пропорционален его заряду).
Это значит, что отношение заряда проводника к его потенциалу не зависит от заряда, что позволяет ввести понятие ёмкости С уединённого проводника.
Таким образом, чем больше ёмкость проводника, тем больший заряд он может накопить при данном потенциале.
Электрическая ёмкость проводника определяется его размерами, формой и диэлектрической проницаемостью окружающей среды. От материала, из которого изготовлен проводник, электрическая ёмкость не зависит.
Наличие вблизи заряженного проводника 1 других тел (пусть это будет проводник 2) изменяет его ёмкость, так как потенциал проводника зависит и от электрических полей, создаваемых наведёнными (индуцированными) зарядами, вследствие явления электростатической индукции
Разность потенциалов (или напряжение U) между проводниками уменьшится, а ёмкость (теперь это будет взаимная ёмкость проводников) возрастёт.
Система таких двух проводников, имеющих заряды равные по модулю, но противоположные по знаку, называется конденсатором, а их взаимная ёмкость называется ёмкостью конденсатора.
Если проводники имеют вид пластин, то получим плоский конденсатор. Ёмкость конденсатора больше ёмкости одного заряженного проводника – она будет равна уже отношению заряда одной обкладки конденсатора к разности потенциалов (или напряжению) между обкладками.
Ёмкость плоского конденсатора находится по формуле
то есть зависит от площади обкладок, расстояния между обкладками и от диэлектрической проницаемости диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора.
Электроёмкость конденсатора практически не зависит от наличия окружающих тел и может достигать большой величины при малых размерах конденсатора.
Итак, между обкладками заряженного конденсатора существует напряжение U (или разность потенциалов), то есть существует электрическое поле напряжённостью Е.
Продолжаем вспоминать кратко основное из раздела “Электричество”, но по ссылкам, даваемым в тексте, можно будет прочесть интересующий вопрос подробно.
Ссылки на все опубликованные статьи, посвящённые электричеству, можно найти в конце Занятий 45, 58 и 70.
Проводники и диэлектрики.
Твёрдыми проводниками являются металлы. Металл (пусть это будет обкладка конденсатора) состоит из атомов, расположенных в узлах кристаллической решётки (а – расстояние между атомами в решётке, называемое постоянной решётки).
(Мы знаем, что атом вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов, вращающихся вокруг ядра. В свободном состоянии атом нейтрален, так как содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов).
Атомы в металле взаимодействуют между собой, притягиваясь друг к другу и одновременно отталкиваясь друг от друга. Притяжение вызвано зарядами противоположных знаков, а отталкивание – зарядами одного знака. Размер ячейки а кристаллической решётки металла соответствует равенству сил притяжения и отталкивания между атомами кристалла (соответствует минимуму потенциальной энергии).
При взаимодействии атомов их валентные (находящиеся на дальней орбите) электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными – общими для всего металла. Свободных электронов в металле очень много. Каждый атом кристаллической решётки, потеряв часть электронов, становится положительно заряженным ионом).
Итак, каждый металл представляем в виде кристаллической решётки, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы металла, между которыми двигаются свободные электроны.
Если в объёме металла (пусть это будут обкладки конденсатора) содержится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, то они компенсируют друг друга и в целом объём металла не заряжен.
Для получения однородного электрического поля между обкладками конденсатора, надо одной из них сообщить положительный заряд, а другой – такой же отрицательный заряд
Чтобы повысить ёмкость конденсатора, между его обкладками помещают диэлектрик.
Диэлектриками называются вещества не способные проводить электрический ток, так как в них (в отличие от проводников) нет свободных электронов – все (почти все) электроны связаны со своими атомами.
Диэлектрики бывают газообразными (это все газы при нормальных условиях), жидкими (масла), твёрдыми, имеющими кристаллическое строение (соль, эбонит, фарфор и др.).
Все диэлектрики можно разбить на 3 класса: полярные, неполярные, кристаллические (см. Занятие 51).
Как можно зарядить тело?
Зарядить можно и проводники, и диэлектрики.
Если тело не заряжено, то это значит, что в нём содержится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.
Тело заряжено положительно, если в нём положительных зарядов больше, чем отрицательных. Тело заряжено отрицательно, если в нём больше отрицательных зарядов, чем положительных.
Легко переходить с одного тела на другое могут свободные электроны. Такое происходит при трении тел или просто при их тесном соприкосновении.
Сколько электронов ушло с одного тела, столько же их пришло на другое тело. Тогда при разделении тел и отдалении их друг от друга, одно тело зарядится положительно, а другое отрицательно. Причём по модулю их заряды будут одинаковы.
Для отдаления тел друг от друга (для разделения тел после трения или тесного соприкосновения) надо совершить механическую работу по преодолению сил притяжения тел, так как их заряды имеют противоположные знаки.
Эта работа переходит в энергию электрического поля, возникшего между заряженными телами.
Легче заряжаются диэлектрики, так как в них заряд остаётся в том месте где он возник. Зарядить трением можно взяв проводник и диэлектрик. Но если для этого взять два проводника, то их зарядить не удастся, так как при перемещении проводников после трения в оставшихся местах контакта электроны перебегут обратно.
Наша цель рассмотреть, как можно зарядить конденсатор, то есть сообщить одной его обкладке положительный заряд, а другой – такой же отрицательный заряд.
Проще всего зарядить конденсатор, подключив его обкладки к электродам источника постоянного тока.
Тогда возникает вопрос как заряжаются электроды источника постоянного тока?
Постоянный ток. Цепь постоянного тока
Рассмотрим самую простую электрическую цепь постоянного тока, состоящую из источника постоянного тока (гальванического элемента) и сопротивления R (это может быть реостат или так можно изобразить суммарное сопротивление всех проводов цепи).
Буквой r обозначено внутреннее сопротивление гальванического элемента – сопротивление электролита движению ионов в нём (обычно его отдельно не показывают).
Гальванический элемент состоит из двух проводящих пластин из разных металлов, помещённых в электролит
В результате химической реакции одна из пластин заряжается отрицательно (в ней появляется избыток электронов), другая пластина приобретает такой же положительный заряд (в ней будет недостаток электронов).
Этот процесс можно представить так, что часть электронов перешла с одной пластины на другую. Электролит содержит положительно и отрицательно заряженные ионы, которые при движении испытывают сопротивление r со стороны электролита.
Образовавшаяся разность потенциалов (или напряжение) между пластинами гальванического элемента называется ЭДС (электродвижущей силой) источника. Обозначается она буквой
(ЭДС источника измеряется вольтметром при разомкнутой внешней цепи).
Если электроды гальванического элемента замкнуть проводом, то получим замкнутую цепь, по которой потечёт постоянный ток. Для наглядности это можно изобразить следующим рисунком:
На рисунке показаны катод К и анод А гальванического элемента, соединённые проводом (провод показан толстым, чтобы понять что происходит внутри провода).
Внутри провода возникло электрическое поле, заставляющее свободные электроны двигаться от катода к аноду. Но так как за направление тока условились принимать направление движения положительных зарядов, то силу тока показываем направленной от анода к катоду.
Внутри источника цепь замыкается благодаря сторонним силам (силам химической реакции), которые заставляют ионы двигаться против направления электрического поля внутри источника.
Работу по переносу зарядов вдоль всей замкнутой цепи совершают именно сторонние (не электрические) силы.
В цепи, содержащей гальванический элемент или другой источник постоянного напряжения, возникает постоянный электрический ток.
Под силой тока понимается заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени:
Ток, создаваемый в цепи гальваническим элементом, называется постоянным, так как через любое сечение провода за каждую секунду переносится одинаковый заряд (проходит одинаковое количество электронов).
Сила тока в такой замкнутой (полной) цепи находится по закону Ома:
Чтобы найти силу тока, надо эдс источника разделить на полное сопротивление цепи, которое складывается из сопротивления внешней цепи и сопротивления внутри источника тока. (Сопротивление внешней цепи R – это сопротивление проводов, реостата, лампочки и др).
На следующем рисунке показана часть провода внешней цепи
На этом участке сила тока найдётся через отношение разности потенциалов (напряжения) к сопротивлению участка (закон Ома для однородного участка цепи):
Что мы понимаем под сопротивлением проводника?
Когда внутри провода возникает электрическое поле, электроны, двигаясь направленно, испытывают взаимодействие с ионами решётки, то есть испытывают сопротивление своему движению.
Внутри источника тоже есть сопротивление движению зарядов (ионов) со стороны электролита. Оно обозначается через r.
Запишем закон Ома для замкнутой цепи в таком виде:
Видим, что напряжение в замкнутой цепи (напряжение U на клеммах источника) меньше эдс источника на величину напряжения внутри источника.
Поэтому на схемах цепей пишут, что к внешней цепи подводится напряжение источника, а не его эдс. Иногда на схемах показывают, что к внешней цепи подводится эдс – это допускается, когда внутренним сопротивлением источника можно пренебречь (когда оно мало).
(Напряжение на клеммах источника равно эдс только при разомкнутой цепи).
Теперь перейдём к цепи постоянного тока, содержащей конденсатор.
Конденсатор в цепи постоянного тока
Конденсатор подключается к источнику постоянного тока для его зарядки.
На рисунке слева показана разомкнутая электрическая цепь постоянного тока, содержащая разряженный конденсатор и сопротивление R.
(Здесь U с индексом ноль – есть напряжение на клеммах источника постоянного тока).
В момент замыкания ключа конденсатор начинает заряжаться (рисунок справа). Согласно рисунку, верхняя пластина заряжается от источника положительно, тогда вследствие индукции нижняя пластина получает такой же отрицательный заряд.
Почему верхняя обкладка конденсатора заряжается положительно? Потому что к положительному полюсу источника притягиваются электроны в проводе, с верхней обкладки конденсатора уходит часть свободных электронов и он заряжается положительно. Наоборот, к нижней обкладке конденсатора от отрицательного электрода источника отталкиваются свободные электроны в проводе, в результате на нижней обкладке конденсатора получается избыток электронов и она заряжается отрицательно.
По цепи течёт кратковременный зарядный ток, заряд конденсатора растёт.
Почему появляется этот ток, когда между обкладками конденсатора находится диэлектрик? (Ответ на этот вопрос получим позднее, при рассмотрении понятий “ток смещения” и “ток поляризации”).
При таком выборе направления тока (как показано на правом рисунке), ток связан с зарядом верхней пластины конденсатора соотношением
Рассмотрим подробнее процесс зарядки конденсатора.
До замыкания ключа конденсатор не заряжен, то есть напряжения между обкладками нет (U=0) и потенциал обкладки равен нулю.
В момент замыкания ключа К, между концами провода, соединяющего положительный электрод источника постоянного тока с верхней незаряженной обкладкой конденсатора, разность потенциалов максимальна, тогда и ток в момент замыкания (зарядный ток) I имеет максимальное значение.
Верхняя обкладка конденсатора заряжается положительно, так как свободные электроны с неё начинают стекать под действием электрического поля в проводе.
По мере роста заряда на обкладке разность потенциалов (напряжение) в проводе уменьшается, уменьшается и величина зарядного тока, напряжение же на конденсаторе (между обкладками) при этом увеличивается.
Когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением на клеммах источника, зарядный ток станет равным нулю.
По цепи прошёл кратковременный зарядный ток проводимости – конденсатор зарядился.
Кривая зависимости зарядного тока от времени (которая описана нами словами) показана на рисунке ниже.
Время зарядки конденсатора зависит от сопротивления, через которое конденсатор заряжался, и от ёмкости конденсатора (чем больше R и C, тем дольше идёт зарядка конденсатора):
Если источник не отсоединять, то напряжение на конденсаторе сохраняется. При хорошей изоляции оно сохраняется на некоторое время и при отключении источника.
Если заряженный конденсатор отключить от источника и замкнуть его обкладки через сопротивление R, то по цепи пойдёт разрядный ток:
Разрядный ток направлен в другую сторону (при зарядке ток шёл к положительной пластине конденсатора, а при разрядке он пойдёт от положительной пластины конденсатора).
При таком выборе направления тока (которое показано на рисунке), ток связан с зарядом верхней пластины конденсатора соотношением
но со знаком “минус”.
Разрядный ток (как и зарядный) имеет максимальное значение в начальный момент времени, когда разность потенциалов (напряжение) в проводе максимально.
По мере разрядки конденсатора напряжение между обкладками уменьшается, уменьшается и величина разрядного тока. Время разряда (как и заряда) пропорционально сопротивлению и ёмкости конденсатора.
Ниже на одном рисунке показаны кривые зависимости зарядного и разрядного тока проводимости от времени (ток проводимости – это направленное движение электронов в проводнике).
(Зарядный и разрядный ток кто-то обозначает буквой I, а кто-то обозначает через i ).
Рассматривая зарядку и разрядку конденсатора мы ничего не говорили о диэлектрике между обкладками, благодаря которому заряды и скапливаются на обкладках, так как диэлектрик не пропускает через себя заряды.
Что представляет из себя диэлектрик и как он себя ведёт в электрическом поле конденсатора рассмотрим в следующей статье под названием “Диэлектрики в электрическом поле. Ток поляризации”.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Для школьников предлагаются подборки материала по темам:
!. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.
2. Равнопеременное прямолинейное движение.
Предыдущая запись: Сила Ампера. Сила Лоренца. Взаимодействие упорядоченно движущихся электронов с атомами вещества.
Следующая запись:Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Ток поляризации
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
Формула
Нахождение тока конденсаторного заряда происходит по формуле, представленной ниже. Измеряется он в фарадах, что равно кулону или вольту.
В целомэто элемент электросети, накапливающий и сохраняющий напряжение в ней. Бывает разного типа и размера, к примеру, электролитическим, керамическим и танталовым. Состоит, в основном, из нескольких токопроводящих обкладок с диэлектриком. Его емкость зависит от размеров диэлектрика и заполнителя между обкладками. Заряжается благодаря электричеству. Определить ток конденсаторного заряда можно измерительными приборами и формулой.
Назначение конденсаторов
Конденсатор является пассивным элементом электронной схемы, состоящей их двух токопроводящих обкладок, которые разделены каким-нибудь диэлектриком.
Свойства и выполняемые функции
Основной задачей конденсатора является накопление определенного объема электростатического заряда на обкладках, после включения его в цепь под напряжением. Когда питание отключается, конденсатор сохраняет полученный заряд.
- Если конденсатор подключен к замкнутой цепи, но уже без питания, или напряжение в ней будет ниже, чем то, что накоплено в конденсаторе, то произойдет полная либо частичная разрядка элемента с высвобождение накопленной энергии.
- Тут же введем понятие о емкости конденсатора. Простыми словами – это количество электрической энергии, которую способен накопить элемент, включенный в сеть. Обозначается этот параметр латинской буквой «С», а измеряется он в Фарадах (F).
Интересно знать! Конденсаторы переменного тока большой емкости способны создавать при быстром разряде очень мощные импульсы. Использовать их можно, к примеру, в мощных фотовспышках.
- Рассчитывается емкость по следующей формуле: C=q/U, где q – это заряд на одной обкладке в Кулонах (количество энергии, прошедшей через проводник за 1 сек при силе тока в 1 Ампер); а U – Напряжение в Вольтах между оболочками.
- На корпусе любого конденсатора содержатся данные о его основных параметрах, среди которых есть и емкость. На фото выше выделено красным, такое обозначение. Там же можно узнать рабочие напряжение и температуру.
- Все просто, однако стоит учитывать, что указанная емкость является номинальной, тогда как реальная ее величина может довольно сильно отличаться, на что оказывает влияние множество факторов.
- Емкость конденсатором может разниться от единиц пикофарад до десятков фарад, что зависит от площади электрода (чаще алюминиевой фольги).
Интересно знать! Чтобы увеличить полезную емкость фольгу сворачивают в рулоны – так получаются цилиндрические конденсаторы.
Если в схеме требуется большая емкость конденсаторов, то их подключают параллельно. В таком случае сохраняется рабочее напряжение, но емкость будет увеличиваться прямопропорционально, то есть составит сумму емкостей подключенных конденсаторов.
Если конденсаторы соединить последовательно, то емкость изменяться не будет, точнее она будет немного меньше, чем минимальная емкость, включенная в цепь. Для чего же нужно такое подключение? При нем вероятность пробоя одного из конденсаторов сводится минимуму, то есть они как бы распределяют нагрузку.
- Для конденсаторов характерен и такой параметр, как удельная емкость. Это прямое отношение емкости электро детали к массе или объему диэлектрика. Максимальные значения этого параметра могут быть достигнуты при наименьшей толщине диэлектрической прокладки, однако для пробоя такого конденсатора требуется меньшее напряжение, про которое мы сейчас и поговорим.
- Маркировка детали также указывает номинальное напряжение. Тут все предельно просто – это значение показывает максимальный уровень напряжения в цепи, при которой радиодеталь сможет отработать весь свой срок службы, не меняя при этом сильно своих заданных параметров.
- Отсюда простой вывод – напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального, иначе его может пробить.
- На уровень номинального напряжения влияют материалы, из которых конденсатор собран.
Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя
Интересно знать! У многих типов конденсаторов допустимое напряжение будет уменьшаться по мере его нагрева, поэтому на корпусах изделий также указывается и максимальная рабочая температура.
Выход из строя конденсаторов очень распространенная поломка в электротехнике. «Умирать» они могут по-тихому, просто вздувшись, или под канонаду нехилого взрыва, заливая все ближайшие детали электролитом, под «сценический дым» и прочие эффекты.
Именно поэтому диагностировать выход из строя этого элемента можно чисто визуально, без применения тестовой аппаратуры, но не всегда.
Многие электролитические конденсаторы (с оксидным диэлектриком), из-за особенностей взаимодействия диэлектрика и электролита, способны работать только при соблюдении определенной полярности, о чем обязательно гласит соответствующая маркировка на корпусе детали.
- При попытке включить их в цепь в обратной полярности, конденсаторы обычно моментально выходят из строя – разрушается диэлектрик, закипает электролит, в результате чего произойдет тот самый взрыв.
- Взрываются конденсаторы довольно часто, особенно в импульсных устройствах. Происходит это из-за перегрева, по причине утечки или увеличения эквивалентного последовательного сопротивления по мере старения детали.
- Не секрет, что поврежденная деталь в любой схеме может быть заменена на новую, и устройство будет функционировать как и раньше, однако последствия взрыва могут быть достаточно серьезны — повредятся соседние элементы, что сильно осложнит ремонт, плюс возрастет его цена.
Для уменьшения последствий на корпусах конденсаторов большой емкости устанавливают клапан или же делают насечку с торца в виде букв «Х, К, и Т». Такие конденсаторы взрываются очень редко, из-за того, что либо клапан, либо разрушившийся по насечке корпус выпускают электролит в виде едких испарений, то есть давление внутри корпуса снижается.
Прочие параметры
Помимо тех параметров, что мы уже разобрали, конденсаторы обладают индуктивностью и собственным сопротивлением, поэтому схему реального конденсатора можно представить следующим образом.
Данные параметры можно назвать паразитическими, так как они препятствуют идеальной работе детали.
К таковым относятся (обозначаем как в схеме выше):
- Сопротивление изоляции конденсатора (r) – значение определяемое соотношением фактического напряжения приложенного к конденсатору к току утечки.
- Эквивалентное последовательное сопротивление (R) – это электрическое сопротивление материала, из которого изготовлены обкладки, выводов конденсатора и контактов с платой. Сюда же стоит включать потери в диэлектрике. ЭПС начинает увеличиваться с возрастанием частоты тока.
- Поглощение диэлектрика. При быстрой разрядке конденсатора в момент подключения нагрузки с низким сопротивлением, если снять нагрузку, то, спустя какое то время, можно увидеть, что напряжение на выводах конденсатора начнет медленно увеличиваться. Это явление называется еще абсорбцией электрического заряда. Насколько интенсивно будет проявляться этот эффект зависит от свойств применяемого в конденсаторе диэлектрика.
Также к паразитным параметрам относятся тангенс угла потерь и температурный коэффициент емкости, однако лезть так глубоко в дебри в ознакомительной статье мы не будем.
Типы конденсаторов
Классифицируются конденсаторы, прежде всего, по типу используемого в них диэлектрика, который и определяет все электрические параметры элемента.
- Вакуумные конденсаторы – строение их таково, что несколько коаксиальных цилиндров, которые встроены один в один, располагаются во внешнем стеклянном цилиндре. Для этих устройств характерна наибольшая мощность в единице объема.
- Воздушные или газовые конденсаторы – бывают постоянной и переменной емкости. Применяются они в основном в электроизмерительном оборудовании, радиоприемниках и передатчиках, так как позволяют настраивать колебательные контуры.
- Конденсаторы с жидким диэлектриком;
- Конденсаторы с твердыми неорганическими диэлектриками – к ним относятся модели на стеклоэмалях, стеклокерамике, стеклопленках, слюде, керамике и прочем. Для таких конденсаторов характерна очень большая емкость, несмотря на их скромные габариты.
- Конденсаторы с твердыми органическими диэлектриками – здесь разнообразие тоже велико: бумажные и металлобумажные, пленочные и комбинированные.
- Отдельно можно выделить конденсаторы электролитические и оксидно-полупроводниковые, так как их отличает большая удельная емкость. В качестве диэлектрика в них используется слой оксида вокруг металлического анода. Вторая обкладка в нем – это либо электролит, в первом случае, либо полупроводник – во втором. Анод, в зависимости от конденсатора, может быть изготовлен из танталовой, ниобиевой или алюминиевой фольги, а также из спеченного порошка.
Такая классификация не единственная и различают конденсаторы и по возможности изменения их емкости:
- Постоянные – это конденсаторы, емкость которых является постоянной в течение срока службы, не считая изменений связанных со старением детали.
- Переменные – этот вид способен менять свою емкость во время работы оборудования. Управление такими конденсаторами реализуется через механику, электрическое напряжение, а также температуру.
- Подстроечные – емкость этих конденсаторов также может меняться, но происходит это не во время работы аппаратуры, а разово, при установке или настройке. Применяются они в основном при выравнивании начальных емкостей у сопрягаемых контуров, а также для регулировки параметров цепей схем.
Применение конденсаторов
Заканчивая первую часть статьи, не можем не обратить внимание на сферы применения этих элементов электрических цепей. А применяются они повсеместно.
- Их комбинируют с катушками индуктивности и резисторами, чтобы получать цепи, в которых свойства тока будут зависеть от его частоты, например, фильтр частот или цепь обратной связи колебательного контура.
- В системах, где требуется создание мощного импульса, про которые мы уже сегодня упоминали – вспышки фотоаппаратов, импульсные лазеры, генераторы Маркса и прочее.
- Применяются конденсаторы и в качестве элемента памяти, так как способны сохранять заряд достаточно длительное время. Это же свойство применяется в устройствах, предназначенных для хранения энергии.
- Если говорить об электротехнике промышленного уровня, то конденсаторы применяются для компенсации реактивной мощности и в качестве фильтров высших гармоник.
И это далеко не все сферы, но мы думаем, что этого пока достаточно. Давайте лучше перейдем к опытам и посмотрим, что же происходит с током, когда он проходит через конденсатор.
формулы для конденсаторов
Одним из важных элементов электрической цепи является конденсатор, формулы для которого позволяют рассчитать и подобрать наиболее подходящий вариант. Основная функция данного устройства заключается в накоплении определенного количества электроэнергии. Простейшая система включает в себя два электрода или обкладки, разделенные между собой диэлектриком.
- В чем измеряется емкость конденсатора
- Формула энергии конденсатора
- Формула заряда конденсатора
- Формула тока утечки конденсатора
Что такое конденсатор
Конденсатор – это двухполюсное устройство, имеющее постоянное или переменное емкостное значение и малую проводимость. Это элемент цепи, служащий накопителем энергии, что формирует электрическое поле; пассивный электронный компонент любого подключения. Содержит в себе несколько металлических электродов или обкладок, между которыми находится диэлектрик. Может иметь пакетную, трубчатую, дисковую, литую секционированную и рулонную конструкцию.
Конденсатор имеет в плоскую или цилиндрическую форму. Плоское устройство состоит из относительно далеко расположенных друг от друга пластин, а цилиндрический – из нескольких полых коаксиальных проводящих цилиндров с радиусами r1 и r2 (основное условие – r1 > r2).
Измерение емкости конденсатора мультиметром и специальными приборами
Некоторые мультиметры имеют функцию измерения емкости. Взять хотя бы эти распространенные модели: M890D, AM-1083, DT9205A, UT139C и т.д.
С помощью любого из этих приборов можно не только узнать точную емкость конденсатора, но и убедиться в отсутствии короткого замыкания между обкладками или внутреннего обрыва одного из выводов.
Читайте также: Про размер зимнего комбинезона Lassie
Некоторые производители даже уверяют, что их мультиметры способны проверить емкость конденсатора не выпаивая его с платы. Что, конечно же, противоречит здравому смыслу.
К сожалению, проверка конденсатора мультиметром не поможет определить такие наиважнейшие параметры, как ток утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Их измерить только с помощью специализированных тестеров. Например, с помощью весьма недорогого LC-метра.
Ёмкость плоского конденсатора
Ёмкость уединённого проводника на практике используется редко. В обычных ситуациях проводники не являются уединёнными. Заряженный проводник взаимодействует с окружающими телами и наводит на них заряды, а потенциал поля этих индуцированных зарядов (по принципу суперпозиции!) изменяет потенциал самого проводника. В таком случае уже нельзя утверждать, что потенциал проводника будет прямо пропорционален его заряду, и понятие ёмкости проводника самого по себе фактически утрачивает смысл.
Можно, однако, создать систему заряженных проводников, которая даже при накоплении на них значительного заряда почти не взаимодействует с окружающими телами. Тогда мы сможем снова говорить о ёмкости — но на сей раз о ёмкости этой системы проводников.
Наиболее простым и важным примером такой системы является плоский конденсатор. Он состоит из двух параллельных металлических пластин (называемых обкладками), разделённых слоем диэлектрика. При этом расстояние между пластинами много меньше их собственных размеров.
Для начала рассмотрим воздушный конденсатор, у которого между обкладками находится воздух
Пусть заряды обкладок равны и . Именно так и бывает в реальных электрических схемах: заряды обкладок равны по модулю и противоположны по знаку. Величина — заряд положительной обкладки — называется зарядом конденсатора.
Пусть — площадь каждой обкладки. Найдём поле, создаваемое обкладками в окружающем пространстве.
Поскольку размеры обкладок велики по сравнению с расстоянием между ними, поле каждой обкладки вдали от её краёв можно считать однородным полем бесконечной заряженной плоскости:
Характеристики конденсаторов
Главной характеристикой прибора является емкость, то есть, количество энергии, которое он может накопить в виде электронов. Общее число зарядов на пластинах определяет величину емкости конденсатора.
Обратите внимание! Емкость зависит от площади обкладок и диэлектрической проницаемости материала. Чем больше площадь конденсаторных пластин, тем больше заряженных частиц могут поместиться на них и тем выше показатель емкости.
Из важнейших характеристик также можно назвать удельную емкость, плотность, номинальную силу заряда и полярность. Из дополнительных параметров можно указать количество фаз, метод установки конденсатора, рабочую температуру, активный электрический ток переменного или постоянного типа.
В электротехнике существуют также понятия негативных факторов, искажающих рабочие свойства колебательного контура. К ним относятся электрическое сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность. В качестве примера негативного критерия можно привести показатель, показывающий падение заряда после отключения электричества.
Вам это будет интересно Особенности расчёта токов КЗ
Полярные и неполярные конденсаторы
Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные.
Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.
На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.
Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.
Мощность цепи с конденсатором
Выражение мгновенной мощности реального конденсатора
p = ui = Umsinωt * Imsin(ωt+φ)
совпадает с выражением мгновенной мощности катушки. Рассуждения, аналогичные тем, которые сделаны при рассмотрении графика мгновенной мощности катушки (см. рис.13. 11), можно провести и для реального конденсатора на основе графика рис. 13.17. Величины активной, реактивной и полной мощностей выражаются теми же формулами, какие были получены для катушки [см. (13.19) — (13.22)]. Это нетрудно показать, если стороны треугольника токов, выраженные в единицах тока, умножить на напряжение U. В результате умножения получится подобный треугольник мощностей (рис. 13.16, в), катетами которого являются мощности; активная
P = UIG = UIcosφ
реактивная
Q = UIC = UIsinφ
полная
Формула заряда конденсатора
Для выполнения зарядки, конденсатор должен быть подключен к цепи постоянного тока. С этой целью может использоваться генератор. У каждого генератора имеется внутреннее сопротивление. При замыкании цепи происходит зарядка конденсатора. Между его обкладками появляется напряжение, равное электродвижущей силе генератора: Uc = E.
Обкладка, подключенная к положительному полюсу генератора, заряжается положительно (+q), а другая обкладка получает равнозначный заряд с отрицательной величиной (- q). Величина заряда q находится в прямой пропорциональной зависимости с емкостью конденсатора С и напряжением на обкладках Uc. Эта зависимость выражается формулой: q = C x Uc.
В процессе зарядки одна из обкладок конденсатора приобретает, а другая теряет определенное количество электронов. Они переносятся по внешней цепи под влиянием электродвижущей силы генератора. Такое перемещение является электрическим током, известным еще как зарядный емкостной ток (Iзар).
Течение зарядного тока в цепи происходит практически за тысячные доли секунды, до того момента, пока напряжение конденсатора не станет равным электродвижущей силе генератора. Напряжение увеличивается плавно, а потом постепенно замедляется. Далее значение напряжения конденсатора будет постоянным. Во время зарядки по цепи течет зарядный ток. В самом начале он достигает максимальной величины, так как напряжение конденсатора имеет нулевое значение. Согласно закона Ома Iзар = Е/Ri, поскольку к сопротивлению Ri приложена вся ЭДС генератора.
Конденсатор в цепях электрического тока
Итак, мы приблизительно поняли, что такое конденсатор, но как работает сей элемент, еще толком не разобрали.
Цепь постоянного тока
Если говорить простыми словами, то конденсатор, или «кондер», как его называют в народе – это небольшой элемент, который словно аккумулятор способен накапливать в себе некий заряд, который он готов разрядить за считанные доли секунды
Интересно знать! В отличие от аккумулятора в конденсаторе отсутствует источник ЭДС.
Чтобы кондеру разрядиться, ему нужно замкнуть контакты напрямую, либо через цепь. Вроде бы все ясно, но как происходит течение тока в конденсаторе при подключении его в сеть.
- Начнем с постоянного тока, и проведем один небольшой опыт. Для этого нам понадобятся сам конденсатор, источник постоянного тока на 12 Вольт и лампочка с проводами, тоже на 12 Вольт.
- Подключаем все это вместе, как показано на фото выше, и видим, что ничего не происходит – лампочка не горит.
- Меняем положение «крокодила» так, чтобы пустить ток в обход конденсатора. И, о чудо! Лампочка загорелась! Почему же так происходит?
- Все просто, достаточно помнить, что ток через конденсатор протекает, только когда он заряжается и разряжается, причем напряжение всегда будет отставать от тока.
- Разряженный конденсатор сродни короткому замыканию в цепи – при его подключении к источнику напряжения, в первый момент времени напряжения в нем нет, но зато имеется ток, который в этот момент времени является максимальным (вот вам и отставание).
- Ток течет через конденсатор, и тот начинает накапливать заряд, увеличивая свое внутреннее напряжение до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением источника питания и кондер не заполнит всю свою емкость.
- В этот момент времени ток перестает течь, а так как конденсатор не может разрядиться, то, соответственно, и лампочка гореть не будет.
- Сравнить этот процесс можно с водяной системой в виде сообщающегося сосуда, разделенного заслонкой, при том, что одна часть пустая, а вторая полная. Уберите препятствие, и вода потечет во второй сосуд, пока давления не выровняются, то есть напор не спадет до нуля.
- А что было бы, если бы конденсатор отсоединился от цепи и закоротился? Да все то же самое! В первый момент времени ток будет максимальным при неизменном напряжении. Ток побежит вперед, а напряжение вслед за ним, пока весь заряд не уйдет.
- Снова в качестве примера берем водяную систему, состоящую из полного бачка, который будет играть роль конденсатора, и краника на нем, через который можно осуществить слив воды. Открывает кран и видим, что вода тут же потекла, при этом давление (напряжение) будет падать плавно, по мере опустошения емкости.
Эти же закономерности характерны и для синусоидального тока, о чем мы сейчас и поговорим.
Определение емкости неизвестного конденсатора
Способ : измерение емкости специальными приборами
Самый просто способ — измерить емкость с помощью прибора, имеющего функцию измерения емкостей. Это и так понятно, и об этом уже говорилсь в начале статьи и тут нечего больше добавить.
Ну или раскошелиться, наконец, на универсальный тестер, который измеряет емкость до 100000 мкФ, ESR, сопротивление, индуктивность, позволяет проверять диоды и измерять параметры транзисторов. Сколько раз он меня выручал!
Как вычислить напряжение и вольтаж
Чтобы определить мощность, напряжение и вольтаж двухполюсников, можно использовать мультиметр или специальную формулу для теоретических расчётов. Чтобы проверить мультиметром силу заряда и количество вольт, необходимо вставить щупы в измеряемое оборудование, переключить прибор на режим омметра, нажать на соответствующую клавишу проверки и получить запрашиваемый показатель.
Обратите внимание! Сила заряда при проверке быстро падает, поэтому правильной будет та цифра, которая появилась на индикаторе мультиметра в самом начале измерений.
Относительная диэлектрическая проницаемость
Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость
. Это безразмерная физическая величина, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме
.
Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость. Объясняется это эффектом поляризации
– смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.
Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала (напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно, понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.
Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.
Воздух – 1.0005
Бумага – от 2.5 до 3.5
Стекло – от 3 до 10
Слюда – от 5 до 7
Порошки оксидов металлов – от 6 до 20
Формулы измерения напряжения конденсаторов
Численный показатель напряжения равен электродвижущей силе. Также он определяется, как емкость, поделенная на величину заряда, исходя из формулы определения его величины. В соответствии с ещё одним правилом, напряжение равно току утечки, поделенному на изоляционное сопротивление.
Вам это будет интересно Как выбрать цветовую температуру
В целом, конденсатор – это устройство для аккумулирования электрического заряда, состоящее из нескольких пластинчатых электродов, которые разделены с помощью диэлектриков. Устройство имеет электрод, измеряемый в фарадах. Один фарад равен одному кулону. На напряжение устройства влияет ток, показатели которого можно вычислить через описанные выше формулы.
Треугольник проводимостей для конденсатора
Стороны треугольников токов, выраженные в единицах тока, разделим на напряжение U. Получим подобный треугольник проводимостей (рис. 13.16, б), катетами которого являются активная G = IG/U и емкостная Вс = Iс/U проводимости, а гипотенузой — полная проводимость цепи Y = I/U. Из треугольника проводимостей
Связь между действующими величинами напряжения и тока выражается формулами
I = UY
U = I/Y (13.35)
Из треугольников токов и проводимостей определяют величины
cosφ = IG/I = G/Y; sinφ = Ic/I = Bc/Y; tgφ = IC/IG = Bc/G. (13.36)
Конденсатор
Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда.
Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости.
Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).
Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея.
Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V).
Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).
Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов.
По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).
- 1µF = 0.000001 = 10-6 F
- 1nF = 0.000000001 = 10-9 F
- 1pF = 0.000000000001 = 10-12 F
Плоский конденсатор
Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор.
Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок),
электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).
Заряд конденсатора. Ток
По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы,
максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.
Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания,
на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов,
на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик,
заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора.
Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.
В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места.
Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным.
По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное
место на обкладках и ток совсем не прекратится.
Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного»
конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием),
называют переходным периодом заряда конденсатора.
Заряд конденсатора. Напряжение
В самом начале переходного периода зарядки, напряжение между обкладками конденсатора равняется нулю.
Как только на обкладках начинают появляться заряженные частицы, между разноименными зарядами возникает напряжение.
Причиной этому является диэлектрик между пластинами, который «мешает» стремящимся друг к другу зарядам с противоположным
знаком перейти на другую сторону конденсатора.
На начальном этапе зарядки, напряжение быстро растет,
потому что большой ток очень быстро увеличивает количество заряженных частиц на обкладках.
Чем больше заряжается конденсатор, тем меньше ток, и тeм медленнее растет напряжение.
В конце переходного периода, напряжение на конденсаторе полностью прекратит рост, и будет равняться напряжению на источнике питания.
Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.
Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:
- Ic — ток конденсатора
- C — Емкость конденсатора
- ΔVc/Δt – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени
Разряд конденсатора
После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R.
Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания.
Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны,
накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами,
двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.
В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки.
Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.
Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда,
напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений
напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.
Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R.
Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше
времени потребует процесс зарядки/разрядки ( ток определяется как количество заряда, прошедшего
по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.
Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу τ (тау).
За один τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять τ
конденсатор заряжается или разряжается полностью.
Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В.
Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:
Устройство конденсатора. От чего зависит емкость?
Емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:
- Площадь пластин — A
- Расстояние между пластинами – d
- Относительная диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами — ɛ
Площадь пластин
Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше заряженых частиц могут на них разместится, и тем больше емкость.
Расстояние между пластинами
Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для того чтобы объяснить природу влияния этого фактора,
необходимо вспомнить механику взаимодействия зарядов в пространстве (электростатику).
Если конденсатор не находится в электрической цепи, то на заряженные частицы, расположенные на его пластинах влияют две силы.
Первая — это сила отталкивания между одноименными зарядами соседних частиц на одной пластине.
Вторая – это сила притяжения разноименных зарядов между частицами, находящимися на противоположных пластинах.
Получается, что чем ближе друг к другу находятся пластины, тем больше суммарная сила притяжения зарядов
с противоположным знаком, и тем больше заряда может разместится на одной пластине.
Относительная диэлектрическая проницаемость
Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между
обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость ɛ. Это безразмерная физическая величина,
которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.
Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость.
Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.
Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала
(напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно,
понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.
Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.
- Воздух – 1.0005
- Бумага – от 2.5 до 3.5
- Стекло – от 3 до 10
- Слюда – от 5 до 7
- Порошки оксидов металлов – от 6 до 20
Номинальное напряжение
Второй по значимости характеристикой после емкости является максимальное номинальное напряжение конденсатора.
Данный параметр обозначает максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор.
Превышение этого значения приводит к «пробиванию» изолятора между пластинами и короткому замыканию. Номинальное напряжение зависит от материала изолятора и его толщины (расстояния между обкладками).
Следует отметить, что при работе с переменным напряжением нужно учитывать именно пиковое значение
(наибольшее мгновенное значение напряжения за период). Например, если эффективное напряжение
источника питания будет 50В, то его пиковое значение будет свыше 70В. Соответственно необходимо
использовать конденсатор с номинальным напряжением более 70В. Однако на практике, рекомендуется
использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее в два раза превышающим максимально
возможное напряжение, которое будет к нему приложено.
Ток утечки
Также при работе конденсатора учитывается такой параметр как ток утечки. Поскольку в реальной
жизни диэлектрик между пластинами все же пропускает маленький ток, это приводит к потере со временем начального заряда конденсатора.
Enter the voltage (volts), the resistance (ohms), time (seconds), and the capacitance (Farads) into the calculator to determine the Capacitor Charge Current.
- All Electrical Calculators
- Capacitor Voltage Calculator
- Capacitor Charge Time Calculator
- Capacitor Discharge Calculator
- Instantaneous Current Calculator
- Transistor Base Current Calculator
- Displacement Current Calculator
The following formula is used to calculate the Capacitor Charge Current.
I = V / R * e ^- (t/(RC))
- Where I is the Capacitor Charge Current (amps)
- V is the voltage (volts)
- R is the resistance (ohms)
- C is the capacitance (Farads)
- t is the time (charge)
How to Calculate Capacitor Charge Current?
The following example problems outline how to calculate Capacitor Charge Current.
Example Problem #1
- First, determine the voltage (volts). In this example, the voltage (volts) is determined to be 15 .
- Next, determine the resistance (ohms). For this problem, the resistance (ohms) is measured to be 10 .
- Next, determine the capacitance (Farads). In this case, the capacitance (Farads) is found to be 6.
- Next, determine the time. For this problem, the time is 5 seconds.
- Finally, calculate the Capacitor Charge Current using the formula above:
I = V / R * e ^ 1 – (t/(RC))
Inserting the values from above and solving yields:
I = 15 / 10 * e ^- (5/(10*6)) = 1.380 (amps)
Example Problem #2
Using the same method as above, determine the variables required by the formula. For this example problem, these are:
voltage (volts) = 20
resistance (ohms) = 15
capacitance (Farads) = 4
time (seconds) = 2
Enter these given values into the calculator or above yields:
I = 20 / 15 * e ^ – (2/(15*4)) = 1.289 (amps)
Электрический конденсатор (англ. capacitor) — это устройство, которое может накапливать электрический заряд и хранить его некоторое время. Конденсаторы можно найти практически в любом электронном устройстве. Они бывают разных типов и размеров.
На электрических схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными черточками. При этом, у полярных конденсаторов около положительного электрода дополнительно ставится плюсик.
Для чего нужен конденсатор?
У этого прибора есть множество применений. Мы не будем перечислять их все, отметим лишь некоторые.
1) Фильтрация пульсаций в цепях питания. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые могут сгладить неровности напряжения, подобно амортизаторам автомобиля, сглаживающим неровности дороги.
2) Времязадающие электрические цепи. Конденсаторы разной ёмкости заряжаются и разряжаются за разное время. Эту особенность используют в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные промежутки времени. Например, с помощью резистора и конденсатора задается период и скважность импульса в микросхеме таймера 555 (урок про таймер 555).
3) Датчики прикосновения. В роли одной из обкладок конденсатора может выступить человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, тачскрины и тачпады некоторых видов.
4) Хранение данных. Конденсаторы применяются для хранения данных в оперативной памяти — ОЗУ (SRAM). Каждый модуль такой памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые могут быть заряжены или разряжены, что интерпретируется как единица или ноль.
И это далеко не все варианты применения этого незаменимого прибора. Попробуем разобраться, как устройство конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!
Устройство простейшего конденсатора
Конденсатор состоит их двух металлических пластин — электродов, называемых также обкладками, между которыми находится тонкий слой диэлектрика.
Собственно, все конденсаторы устроены именно таким (или почти таким) образом, разве что меняется материал обкладок и диэлектрика.
Чтобы увеличить ёмкость конденсатора, не увеличивая его размеры, применяют разные хитрости. Например, если мы возьмем две обкладки в виде длинных полосок фольги, проложим между ними хотя бы тот же полиэтилен и свернем все это как рулет, то получится очень компактный прибор с большой ёмкостью. Именно так устроены плёночные конденсаторы.
Если вместо полиэтилена взять бумагу и пропитать её электролитом, то на поверхности фольги образуется тонкий слой оксида, который не проводит ток. Такой конденсатор будет называться электролитическим.
Существует много разных видов конденсаторов: бумажные, плёночные, оксидные алюминиевые и танталовые, вакуумные и т.п. В нашем уроке мы будем использовать оксидные электролитические конденсаторы из-за их большой ёмкости и доступности.
Общая концепция
Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.
Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.
Принцип работы
Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.
Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.
Полярные и неполярные конденсаторы
Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные.
Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.
На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.
Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.
Ёмкость и напряжение конденсатора
Теперь обратим внимание на две важные характеристики конденсатора: ёмкость и номинальное напряжение.
Ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Это как ёмкость банки, в которой хранится, к примеру, вода. Кстати, не зря одним из первых электрических конденсаторов была так называемая Лейденская банка. Она представляла собой обыкновенную стеклянную посуду, снаружи обмотанную фольгой. В банку была налита токопроводящая жидкость — электролит. Фольга и электролит играли роль обкладок, а стекло банки служило тем самым диэлектрическим барьером.
Ёмкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах ёмкость обозначают латинской буквой C. Как правило, ёмкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ). Ёмкость указывается на корпусе конденсатора. Если единицы не указаны — то это пикофарады. Микрофарады часто обозначают как uF — так как буква u внешне похожа на греческую букву мю, которую используют вместо приставки микро.
Существует и особый вид конденсаторов, называемых ионисторами (англ. supercapacitor), которые имеют ёмкость в несколько фарад! Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии в нём может храниться и тем дольше он заряжается, при прочих равных условиях.
Номинальное напряжение — второй важный параметр. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя применять в 12-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт — он быстро выйдет из строя.
Именно эти два параметра обычно наносят на поверхность корпуса конденсатора. На фотографии ниже изображён электролитический конденсатор ёмкостью 470 мкФ и номинальным напряжением 16 Вольт.
А вот на керамических конденсаторах часто указывают только ёмкость. На картинке ниже конденсатор имеет маркировку 104. Что бы это значило?
Последняя цифра в этом коде — количество нулей после двухзначного числа в начале. 104 = 10 0000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ
Формулы измерения напряжения конденсаторов
Численный показатель напряжения равен электродвижущей силе. Также он определяется, как емкость, поделенная на величину заряда, исходя из формулы определения его величины. В соответствии с ещё одним правилом, напряжение равно току утечки, поделенному на изоляционное сопротивление.
Вам это будет интересно Особенности профессии электрика
В целом, конденсатор – это устройство для аккумулирования электрического заряда, состоящее из нескольких пластинчатых электродов, которые разделены с помощью диэлектриков. Устройство имеет электрод, измеряемый в фарадах. Один фарад равен одному кулону. На напряжение устройства влияет ток, показатели которого можно вычислить через описанные выше формулы.
Параллельное и последовательное подключение конденсаторов
Как и в случае резисторов, конденсаторы можно составлять в цепочки. Это бывает нужно, когда в схеме необходима какая-то конкретная ёмкость, а у вас нет такого конденсатора.
Параллельное подключение
В отличие от резисторов, при параллельном подключении конденсаторов их ёмкости складываются. Например, если нам нужно получить ёмкость 3000 мкФ, а у нас есть два конденсатора по 1000 мкФ, и 10 штук по 100 мкФ, смело ставим их параллельно и получаем: 1000*2+100*10 = 2000 + 1000 = 3000 мкФ
Последовательно подключение
При последовательном подключении конденсаторы ведут себя как резисторы, соединённые параллельно. Например, посчитаем суммарную ёмкость двух конденсаторов на 100 мкФ, соединённых последовательно:
Суммарная ёмкость Ctot = 50 мкФ.
Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка
Теперь разберёмся с процессами, происходящими внутри конденсатора во время заряда и разряда. Для этого рассмотрим самую простую электрическую цепь с конденсатором. С левой стороны схемы подключим источник питания. Сверху разместим ключ и резистор, а справа сам конденсатор. Участок цепи, на котором есть конденсатор и резистор называют RC-цепью.
При замыкании ключа, в такой цепи образуется электрический ток, сила которого зависит от сопротивления резистора и внутреннего сопротивления самого конденсатора. Заряженные частицы устремятся к конденсатору, но не смогут преодолеть слой диэлектрика (по крайней мере все разом). Вследствие чего, с одной стороны конденсатора накопятся отрицательно заряженные частицы, а с другой стороны — положительно заряженные. Концентрация заряженных частиц на обкладках создаст мощное электрическое поле между ними.
С течением времени, напряжение на конденсаторе растет, а сила тока падает. После завершения процесса заряда, ток в цепи упадет почти до нуля. Останется только очень маленький ток утечки, который образуется благодаря тому, что некоторым заряженным частицам всё же удается проскочить через слой диэлектрика. Напряжение, напротив, станет практически равным напряжению источника.
Когда мы отключим конденсатор от источника питания, этот самый ток утечки постепенно разрядит конденсатор. Эта особенность электрических конденсаторов не даёт нам сделать из них контейнер для длительного хранения энергии. Хотя частично эту проблему решают ионисторы.
Характеристики конденсаторов
Главной характеристикой прибора является емкость, то есть, количество энергии, которое он может накопить в виде электронов. Общее число зарядов на пластинах определяет величину емкости конденсатора.
Обратите внимание! Емкость зависит от площади обкладок и диэлектрической проницаемости материала. Чем больше площадь конденсаторных пластин, тем больше заряженных частиц могут поместиться на них и тем выше показатель емкости.
Из важнейших характеристик также можно назвать удельную емкость, плотность, номинальную силу заряда и полярность. Из дополнительных параметров можно указать количество фаз, метод установки конденсатора, рабочую температуру, активный электрический ток переменного или постоянного типа.
В электротехнике существуют также понятия негативных факторов, искажающих рабочие свойства колебательного контура. К ним относятся электрическое сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность. В качестве примера негативного критерия можно привести показатель, показывающий падение заряда после отключения электричества.
Вам это будет интересно Особенности светильника ДРЛ 250
Резистор и время заряда конденсатора
Зачем в цепи нужен резистор? Что на мешает подключить его напрямую к источнику? Тому есть две причины.
Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц за единицу времени прибывает в конденсатор, тем больше времени для заряда ему потребуется.
Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда в зависимости от его ёмкости и от сопротивления резистора.
По картинке можно понять, что за время T конденсатор заряжается на 63,2%. А вот за время 3T уже на 95%. Время T здесь равно произведению ёмкости конденсатора C на сопротивление R, последовательно соединенного резистора:
Например, у нас есть конденсатор ёмкостью 100 мкФ, соединенный с резистором 1 кОм. Посчитаем за сколько секунд он зарядится хотя бы до 95%:
Теперь умножаем это на 3 и получаем 3T = 0,3 секунды — за такое время конденсатор почти полностью будет заряжен.
Таким образом, меняя ёмкость конденсатора и резистора мы можем управлять временем его заряда, что нам ещё пригодится в будущем.
Вторая важная причина, по которой в цепи присутствует резистор — защита источника питания. Дело в том, что разряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое составляет доли Ома. По сути, их можно рассматривать как обычные проводники. А что будет, если замкнуть выводы питания проводником? Будет короткое замыкание! Такой режим работы цепи является аварийным для источника питания, и его нужно всячески избегать.
Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет
Кафедра общей и технической физики
Отчёт по лабораторной работе
По дисциплине: Физика .
(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)
Тема: «исСледование процессов накопления и релаксации заряда в диэлектрических материалах»
Выполнила: студентка гр. РМ-11 ______________ /Даниленко А.К./
(подпись) (Ф.И.О.)
Проверил: ____________ /Ходьков Д.А./
(подпись) (Ф.И.О.)
Санкт-Петербург,
2012
Цель работы: 1. Определение постоянной времени RC-цепи.
2.Определение входного сопротивления вольтметра путем измерения разрядных характеристик конденсатора.
3. Оценка величины заряда, не связанного с поляризацией диэлектрика в конденсаторе.
Краткие теоретические сведения.
Релаксация заряда
Релаксация заряда в базе Q(t) зависит от схемы включения, так как она определяется не только рекомбинацией неравновесных носителей, но и током базы составляющей тока эмиттера.
Для исследования релаксации заряда конкретного вида, например, инжектированного гомозаряда, обычно используются изотермические процессы при повешенной температуре, учитывается перезахват носителей заряда мелкими ловушками и процесс высвобождения носителей, захваченных глубокими ловушками.
Квазистационарные процессы
Квазистационарными процессами называют процессы, протекающие в ограниченной системе и распространяющиеся в ней так быстро, что за время распространения этого процесса в пределах ее системы ее состояние не успевает измениться. Понятие квазистационарный процесс может быть применен и к другим системам – механическим и термодинамическим.
Квазистационарные процессы можно исследовать с помощью законов постоянного тока, если применять эти законы к мгновенным значениям сил токов и напряжений на участках цепи.
Из-за огромного значения скорости света время установления электрического равновесия в цепи оказывается весьма малым. Поэтому к квазистационарным можно отнести многие достаточно быстрые в обычном смысле процессы. Например, быстрые колебания в радиотехнических цепях с частотами порядка миллиона колебаний в секунду и даже выше очень часто еще можно рассматривать как квазистационарные.
Процессы, протекающие во времени в цепях обычно являются медленными в рассматриваемом смысле. В данной работе рассматривается процесс накопления заряда на конденсаторе С
(т.е. его зарядка от источника напряжения) и релаксация этого заряда (т.е. разряд конденсатора) в цепи сопротивлением
R
. Ниже будет показано, что при разумных значениях емкости и сопротивления данный процесс можно считать квазистационарным.
Конденсатор — электроэлемент, который накапливает электричество в форме
электрического поля.
Переходный процесс— процесс изменения во времени характеристик динамической
системы, при её переходе из одного установившегося
состояния в другое, под действием приложенного
возмущения.
Постоянная времени RC – величина, показывающая через какое время после
начала разряда напряжение на конденсаторе
уменьшается в е
= 2,72 раз.
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением
связанных зарядов в диэлектрике или поворотом
электрических диполей, обычно под воздействием
внешнего электрического поля, иногда под
действием других внешних сил или спонтанно.
Инжекция носителей заряда — увеличение концентрации носителей заряда в
полупроводнике (диэлектрике) в результате
переноса носителей током из областей с
повышенной концентрацией под действием
внешнего электрического поля.
Миграционные заряды — избыточные электрические заряды, сообщённые
проводящему или непроводящему телу и вызывающие
нарушение его электронейтральности.
Схема установки.
Расчетные формулы:
1). — зависимость напряжения на конденсаторе от времени в
процессе его заряда, где: Uc
– мгновенное значение
напряжения на конденсаторе (В), R –
сопротивление
цепи (Ом), С – электроемкость конденсатора (Ф).
2). — зависимость напряжения на конденсаторе от времени в
процессе его разряда, где Uнач –
начальное напряжение (В).
3). — постоянная времени RC
– цепи, где: — постоянной времени RC – цепи,
R –
сопротивление цепи (Ом), С – электроемкость конденсатора (Ф).
4). — сопротивление, где: – интервал времени между
измерениями напряжений и на емкости в
процессе ее разрядки.
5). — сила тока, где: Uc
– мгновенное значение напряжения на конденсаторе
(В), R –
сопротивление цепи (Ом).
6). — нахождение заряда, оставшегося в диэлектрике, при известной
зависимости I(t)
за очень большое время наблюдения.
7). , где: — оставшийся в диэлектрике заряд, S –
площадь под
графиком I(t)
, а
I1
и
t1
–масштабы по осям тока и времени.
8). — полный заряд заряженного конденсатора.
Таблица исходных данных.
Таблица 1.
Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его заряда
U0= 12,1В, R=100кОм, С=470мкФ
| t,c | 6 | 12 | 19 | 28 | 38 | 51 | 67 | 92 | 134 |
| Uс,B | 1,2 | 2,4 | 3,6 | 4,8 | 6,0 | 7,2 | 8,4 | 9,6 | 10,8 |
| Ucтеор,В | 16,3 | 20,4 | 25,3 | 31,6 | 38,5 | 47,6 | 58,7 | 76 | 105,2 |
Таблица 2.
Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда
Uнач= 10,8В, R=100кОм, С=470мкФ
| t,c | 6 | 13 | 22 | 32 | 45 | 69 | 85 | 127 | 558 |
| Uс,B | 9,6 | 8,4 | 7,2 | 6,0 | 4,8 | 3,6 | 2,4 | 1,2 | 0 |
| Uc теор,В | 3,7 | 8,1 | 13,6 | 19,9 | 27,9 | 48 | 59,1 | 88,3 | 387,9 |
Таблица 3.
Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда через искомое входное сопротивление вольтметра Rв
Uнач= 12,1В, С=470мкФ
| № измерения | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| t, c | 566 | 768 | 893 | 987 | 1208 | 1312 | 1435 | 1345 | 1498 |
| Uс,B | 10,8 | 9,6 | 8,4 | 7,2 | 6,0 | 4,2 | 3,6 | 2,4 | 1,2 |
| Пара №-в измер., выбр. Для расч. | 1 и 5 | 3 и 7 | 2 и 8 | 3 и 9 | 1 и 4 | 3 и 8 | 2 и 6 | 5 и 9 | 1 и 7 |
| Rв,МОм | 2,324 | 1,361 | 0,89 | 0,66 | 2,2 | 0,77 | 1,4 | 0,38 | 1,7 |
Таблица 4.
Плавное выключение светодиода при помощи конденсатора
Проведем небольшой опыт. Для этого соберем на макетной плате цепь с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания используем контакты питания Ардуино Уно.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Подключим Ардуино к питанию. Затем, нажмем кнопку и светодиод практически мгновенно загорится. Отпустим кнопку — светодиод медленно начнет гаснуть. Почему так происходит?
Сразу после подключения нашей схемы к источнику питания, в ней начинают происходит интересные процессы.
Как уже говорилось ранее, пока конденсатор пустой, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает стремительно набирать заряд. При этом светодиоду, который подключен параллельно, ничего не достается
