Что находится внутри конденсатора: Что внутри дешевых конденсаторов? — Автозвук

Содержание

Что внутри дешевых конденсаторов? — Автозвук

Тело конденсатора практически полностью занимает объем корпуса, что свидетельствует о соответствии заявленной емкости 1 Фарад. Мощные выводы контактов, качественные материалы изготовления обкладок и диэлектрика обеспечивают низкое внутреннее сопротивление 1,5 мОм. Такой набор параметров действительно стабилизирует напряжение на клеммах усилителей мощностью до 1000 W. Это позволяет усилителю звука полностью раскрыть свой потенциал, достичь максимальной эффективности работы и минимизировать искажения в звучании. Это работает, поэтому конструкция Stinger SPC012, как и многих других конденсаторов Stinger за последние 11 лет абсолютно не изменилась.

Вывод

Армия убежденных в том, что конденсатор для усилителя - это бесполезная трата денег, сформировалась благодаря доминированию на рынке caraudio дешевых конденсаторов-пустышек. За всем этим стоит алчность недобросовесных производителей, у которых нет другого выхода, кроме снижения качества своей продукции "ниже плинтуса" в угоду снижения цены.

Нашему брату впаривают смолу и битые кирпичи в красивой оболочке. Нужно отметить, что смола эта с известными именами и не самой дешевой ценой, как можно было бы подумать.

Любители автозвука! Задумайтесь, как вы присматриваетесь к покупке конденсаторов для автозвука. Вас привлекает красивая упаковка? Внушает доверие увесистость конденсатора? Радует цена? Скорей всего это очередная «пустышка». Да это все даже неважно! Имеет значение только реальная емкость и внутреннее сопротивление, характеризующее скорость отдачи заряда. Если вы хотите услышать на что действительно способна ваша автомобильная аудиосистема, если вы хотите получить удовольствие от каждой вложенной копейки, вам не обойтись без качественного накопителя энергии. Это факт. Но не дайте себя обмануть! Подходите к выбору такого компонента, как конденсатор, также ответственно, как и к выбору головного устройства, усилителей звука, сабвуферов или акустики. Доверяйте только проверенным производителям, и тогда никому не будет важно, что играет у вас на CD, так как все внимание будет прикованно к качеству, а не к содержанию.

высоковольтные конденсаторы

Конденсаторы высоковольтные силовые косинусные напряжением 6,3(10,5) кВ предназначены для изготовления различных компенсаторов реактивной мощности, в том числе высоковольтных конденсаторных установок, батарей статических конденсаторов и фильтрокомпенсирующих устройств.

КОНСТРУКЦИЯ

В конденсаторах применена технология all-film dielectric (единая пленочная структура), обеспечивающая по сравнению с традиционной технологией более стабильную работу в нестандартных режимах эксплуатации и более длительный срок службы, а также уменьшающая потери.

В основе технологии лежит метод построения конденсатора. На обе стороны полипропиленовой пленки наносится тонкое металлизированное покрытие (напыление), которое образует обкладки конденсатора. Обработанная таким образом пленка укладывается в цельнометаллический корпус прямоугольной формы. Для получения большей мощности и повышения надежности внутри конденсатора образуют несколько изолированных секций. Секции соединяются с помощью параллельных и последовательных соединений и защищаются (по требованию заказчика) встроенными предохранителями. В случае пробоя и выхода из строя одной из секций происходит ее отключение, но конденсатор остается в работе.

Выводы конденсатора выполняются с помощью проходных керамических изоляторов. Количество выводов может варьироваться от 1 до 3 для однофазных и трехфазных конденсаторов. В трехфазных конденсаторах внутреннее соединение между секциями фаз выполняется по схеме треугольника (Д).

Все конденсаторы оснащаются разрядными резисторами, обеспечивающими понижение напряжения между фазами до 75 В в течение 3-х минут после отключения.

Конденсаторы допускают длительную работу при повышении напряжения на 10% над номинальным. При повышении тока при коммутационных включениях свыше 100-кратного значения Iном необходимо использовать токоограничивающие устройства (токоограничивающие реакторы).

ДОСТОИНСТВА

  • Используемый диэлектрический наполнитель не содержит PCB или иные токсичные вещества
  • Срок службы конденсаторов не менее 20 лет
  • Экологичность

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

МАССОГАБАРИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Параметр

Значение

Номинальное [AC] напряжение

1 - фазные: 1-24 кВ (25… 800 квар)
3 – фазные: 1-12 кВ (25… 700 квар)

Номинальная частота

50/60 Гц

Стандарты

IEC 60871-1: 1997 EN 60871-1: 1997
IEC 60871-2: 1997 EN 60871-2: 1997

Максимально допустимое напряжение

Uном + 10 % (в теч. 8 часов за 24 часа)
Uном + 15 % (в теч. 30 минут за 24 часа)
Uном + 20 % (в теч. 5 минут)
Uном + 30 % (в теч. 1 минута)

Максимальная перегрузка по току

1,3 Iном

Погрешность емкости

-5 / +10 %

Испытательное напряжение между клеммами

2,15 Uном, AC, 10 сек или 4,3 Uном DC, 10 сек

Пусковой ток

100 Iном

Диэлектрические потери

0,07 Вт/квар

Ресурс

> 100 000 часов

Степень защиты корпуса

IP 54

Категории температур окружающей среды:

-40°C/C - максимальная температура 50 °C
- наивысшая средняя величина за 24 часа - 40 °C
- наивысшая средняя величина за 1 год - 30 °C

Охлаждение

Воздушное естественное

Разрешенная относительная влажность

95 %

Корпус

Нержавеющая сталь

Диэлектрик

металлизированная полипропиленовая пленка

Обработка поверхности

Порошковая краска RAL 7035

ТАБЛИЦА ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Мощность [квар] Напряжение [кВ] A [мм] B [мм] H [мм] h [мм] h2 [мм] Масса [кг]
50 6,3(10,5) 380 120 531(571) 350 190 24
75 6,3(10,5) 380 120 531(571) 350 190 24
100 6,3(10,5) 380 120 531(571) 350 190 24
150 6,3(10,5) 380 120 831(871) 650 490 45
200 6,3(10,5) 380 120 831(871) 650
490
45
250 6,3(10,5) 380 120 831(871) 650 490 45
300 6,3(10,5) 380 120 831(871) 650 490 45
350 6,3(10,5) 380 120 831(871) 650 490 45
400 6,3(10,5) 380 120 1131(1171)     65
450 6,3(10,5) 380 120 1131(1171)     65

*По необходимости изготавливаются другие мощности и напряжения конденсаторов

СОБСТВЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Что такое конденсатор | Принцип работы, виды, типы

Что такое конденсатор

Конденсатор или как в народе говорят – “кондер”, образуются от латинского “condensatus”, что означает как “уплотненный, сгущенный”. Он представляет из себя пассивный радиоэлемент, который обладает таким свойством, как сохранение электрического заряда на своих обкладках, если, конечно, перед этим его зарядить каким-нибудь источником питания.

Грубо говоря, конденсатор можно рассматривать как батарейку или аккумулятор электрической энергии. Но вся разница в том, что аккумулятор или батарейка имеют в своем составе источник ЭДС, тогда как конденсатор лишен этого внутреннего источника.

Из чего состоит конденсатор


Любой конденсатор состоит из двух или более металлических обкладок, которые не соприкасаются друг с другом. Для более полного понимания, как все это устроено в конденсаторе, давайте представим себе блин.

намажем его сгущенкой

 и сверху положим точно такой же блин

Должно выполняться условие: эти два блина не должны прикасаться  друг  с другом. То есть верхний блин должен лежать на сгущенке и не прикасаться с нижним блином. Тут, думаю, все понятно. Перед вами типичный “блинный конденсатор” :-). Вот таким образом устроены все конденсаторы, только вместо блинов используются тонкие металлические пластины, а вместо сгущенки различный диэлектрик. В качестве диэлектрика может быть воздух, бумага, электролит, слюда, керамика, и так далее. К каждой металлической пластине подсоединены проводки – это выводы конденсатора.

Схематически все это выглядит примерно вот так.

Как вы могли заметить, из-за диэлектрика конденсатор не может проводить ток. Но это относиться только к постоянному току. Переменный ток конденсатор пропускает через себя без проблем с небольшим сопротивлением, номинал которого зависит от частоты тока и емкости самого конденсатора.

Емкость конденсатора

Электрические заряды

Как вы знаете, существует два типа зарядов: положительный заряд и отрицательный заряд. Ну и все как обычно, одноименные заряды отталкивается, а разноименные  – притягиваются. Физика седьмой класс).

Давайте еще раз рассмотрим простую модель конденсатора.

Если мы соединим наш конденсатор с каким-нибудь источником питания постоянного тока, то мы его зарядим. В этот момент положительные заряды, которые идут от плюса источника питания, осядут на одной пластине, а отрицательные заряды с минуса источника питания – на другой.

Самое интересное то, что количество положительных зарядов будет равняться количеству отрицательных зарядов.

Даже если мы отсоединим источник питания постоянного тока, то у нас конденсатор так и останется заряженным.

Почему так происходит?

Во-первых, заряду некуда течь. Хотя с течением времени он все равно будет разряжаться. Это  зависит от материала диэлектрика.

Во-вторых, происходит взаимодействие зарядов. Положительные заряды притягиваются к отрицательным, но они не могут соединиться с друг другом, так как им мешает диэлектрик, который, как вы знаете, не пропускает электрический ток. В это время между обкладками конденсатора возникает электрическое поле, которое как раз и запасает энергию конденсатора.

Когда конденсатор заряжается, электрическое поле между обкладками становится сильнее. Соответственно, когда конденсатор разряжается, электрическое поле слабеет. Но как много заряда мы можем “впихнуть” в конденсатор? Вот здесь и применяется такое понятие, как емкость конденсатора.

Что такое емкость

Емкость конденсатора – это его способность накапливать заряд на своих пластинах в виде электрического поля.

Но ведь емкость может быть не только у конденсатора. Например, емкость бутылки 1 литр, или емкость бензобака – 100 литров и так далее. Мы ведь не можем впихнуть в бутылку емкость в 1 литр больше, чем рассчитана эта бутылка, так ведь? Иначе остатки жидкости просто не влезут в бутылку и будут выливаться из нее. Точно такие же дела и обстоят с конденсатором. Мы не сможем впихнуть в него заряда больше, если он не рассчитан на это. Поэтому, емкость конденсатора выражается формулой:

где

С – это емкость, Фарад

Q – количество заряда на одной из обкладок конденсатора, Кулоны

U – напряжение между пластинами, Вольты

Получается, 1 Фарад – это когда на обкладках конденсатора хранится заряд в 1 Кулон и напряжение между пластинами 1 Вольт. Емкость может принимать только положительные значения.

Значение в 1 Фарад – это слишком много. На практике в основном пользуются значениями микрофарады, нанофарады и пикофарады. Хочу вам напомнить, что приставка “микро” – это 10-6 , “нано” – это 10-9 , пико – это 10-12 .

Плоский конденсатор и его емкость

Плоским конденсатором называют конденсатор, который состоит из двух одинаковых пластин, которые параллельны друг другу. Пластины могут быть разной формы. На практике чаще всего можно встретить квадратные, прямоугольные и круглые пластины. Давайте рассмотрим простой плоский квадратный конденсатор.

плоский конденсатор

где

d – расстояние между пластинами конденсатора, м

S – площадь самой наименьшей пластины, м2

ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками конденсатора

Готовая формула для плоского конденсатора будет выглядеть так:

где

С – емкость конденсатора, ф

ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика

ε0 – диэлектрическая постоянная, ф/м

S – площадь самой наименьшей пластины, м2

d – расстояние между пластинами, м

Да, знаю, у вас сразу возникает вопрос: “А что такое диэлектрическая постоянная?” Диэлектрическая постоянная – это постоянная величина, которая нужная для вычислений в некоторых формулах электромагнетизма. Ее значение равняется 8, 854 × 10-12 ф/м.

Диэлектрическая проницаемость – эта величина зависит от типа диэлектрика, который находится между обкладками конденсатора. Например, для воздуха и вакуума это значение равняется 1, для некоторых других веществ можете посмотреть в таблице.

Какой можно сделать вывод из этой формулы? Хотите сделать конденсатор с огромной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и заправляйте вместо диэлектрика дистиллированную воду.

В настоящее время конденсаторы делают из нескольких пластин в виде слоеного торта. Это примерно выглядит вот так.

многослойный конденсатор

В этом случае формула такого конденсатора примет вид:

формула многослойного конденсатора

где n – это количество пластин

Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе

Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

максимальное рабочее напряжение конденсатора

В технической документации этот параметр чаще всего обозначается, как WV, что с английского Working Voltage (рабочее напряжение), или DC WV – Direct Current Working Voltage – постоянное рабочее напряжение конденсатора.

Здесь есть один нюанс, о котором часто забывают. Дело в том, что на конденсаторе написано именно на какое постоянное напряжение он рассчитан, а не переменное. Если такой конденсатор, как на рисунке выше, с максимальным рабочим напряжением в 50 Вольт вставите в цепь переменного тока с источником питания, который выдает 50 Вольт переменного тока, то ваш конденсатор взорвется. Так как 50 Вольт переменного тока – это действующее напряжение. Его максимальное значение будет 50 × √2 = 70,7 Вольт, что намного больше, чем 50 Вольт.

Ток утечки конденсатора

Дело все в том, что какой бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как через диэлектрик, как ни странно, все равно течет ток. Величина этого тока у разных конденсаторов тоже разная. Электролитические конденсаторы обладают самым большим током утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между обкладками конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I=U/Rдиэлектрика . Поэтому, никогда не стоит подавать напряжение больше, чем максимально рабочее напряжение, прописанное в даташите или на самом конденсаторе.

Неполярные конденсаторы


К неполярным конденсаторам относят конденсаторы, для которых неважна полярность. Такие конденсаторы обладают симметричностью. Обозначение неполярных конденсаторов на электросхемах выглядит вот так.

обозначение конденсатора на схеме

Конденсаторы переменной емкости

Эти виды конденсаторов имеют воздушный диэлектрик и могут менять свою емкость под действием внешней силы, например, такой как рука человека. Ниже на фото советские типы таких переменных конденсаторов.

переменные конденсаторы

Современные выглядят чуточку красивее

подстроечные конденсаторы

Переменный конденсатор от подстроечного отличается лишь тем, что переменный конденсатор крутят чаще, чем подстроечный. Подстроечный крутят раз в жизни)

На схемах обозначаются так.

переменный конденсатор обозначение на схеме

Слева -переменный, справа – подстроечный.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы являются самыми распространенными в большом семействе конденсаторов. Они названы так потому, что вместо диэлектрика здесь используется тонкая пленка, которая может состоять из полиэстера, полипропилена, поликарбоната, тефлона и много еще из чего. Такие конденсаторы идут от номинала 5 пФ и до 100 мкФ. Они могут быть сделаны по принципу бетерброда

А также по принципу рулета

Давайте рассмотрим К73-9 советский пленочный конденсатор.

к73-9 советский конденсатор

Что же у него внутри? Смотрим.

Как и ожидалось, рулончик из фольги с диэлектриком-пленкой

что внутри конденсатора

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы – это конденсаторы, которые изготавливают из керамики или фарфора, которые покрывают серебром. Берут диск квадратной или круглой формы, напыляют с с двух сторон серебро, выводят выводы и вуаля! Конденсатор готов! То есть и есть самый простой плоский конденсатор, о котором мы говорили выше в этой статье.

Хотите получишь емкость больше? Не вопрос! Складываем диски в бутерброд и увеличиваем емкость

Выглядеть керамические конденсаторы могут вот так:

керамические конденсаторыкерамические каплевидные конденсаторы

SMD конденсаторы

SMD конденсаторы – это керамические конденсаторы, которые построены по принципу бутерброда.

строение SMD конденсатора

Они используются в микроэлектронике, так как обладают крошечными размерами и удобны в плане промышленного производства с помощью роботов, которые автоматически расставляют SMD компоненты на плату.Такой тип конденсаторов вы без труда можете найти на платах своих мобильных телефонов, на материнских платах компьютеров, а также в современных гаджетах.

Полярные конденсаторы

Для полярных конденсаторов очень важно не путать выводы местами при монтаже. Плюсовая ножка должны подключаться к плюсу на схеме, а минусовая – к минусу. Обозначается полярные конденсаторы также, как и их собратья. Единственное отличие – это указание полярности такого конденсатора. Выглядеть на схемах они могут вот так.

обозначение полярных конденсаторов на схеме

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы используется в электронике и электротехнике, где требуются большие значения емкости. Также повелось название “электролиты”.

электролитические конденсаторы

Строение электролитических конденсаторов очень похоже на пленочные конденсаторы, которые также собраны по принципу рулета, но с одной только разницей. Вместо диэлектрика здесь используется оксид алюминия.

строение электролитического конденсатора

Давайте разберем один из таких электролитических конденсаторов во благо науки.

Снимаем его корпус и видим тот самый рулетик

Разматываем “рулетик” и видим, что между двумя обкладками металлической фольги у нас находится бумага, пропитанная каким-то раствором.

что внутри электролитического конденсатора

Некоторые ошибочно полагают, что бумага – это и есть тот самый диэлектрик, хотя это в корне неверно. Как она может быть диэлектриком, если она смочена в растворе, который проводит электрический ток?

На самом же деле диэлектриком в данном случае является тончайший слой оксида алюминия, который производится электрохимическим способом еще на производстве. Все это выглядит приблизительно вот так:

схема строения электролитического конденсатора

Слой оксида алюминия настолько тонкий, что можно изготавливать конденсаторы бешеной емкости с малыми габаритами. Вы ведь не забыли формулу емкости для плоского конденсатора?

где d – это и есть тот самый слой оксида алюминия. Чем он тоньше, тем больше емкость.

На полярных конденсаторах часто можно увидеть вот такой значок-стрелку, которая указывает на минусовый вывод конденсатора.

обозначение минусового вывода электролитического конденсатора

То есть  в электрических схемах с постоянным током вы должны обязательно соблюдать правило: плюс на плюс, а минус на минус. Если перепутаете, то конденсатор может бахнуть.

Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы доступны как в мокром так и в сухом исполнении. Хотя, в сухом исполнении они намного более распространены. Здесь в качестве диэлектрика используется оксид тантала. Оксид тантала обладает более лучшими свойствами, по сравнению с оксидом алюминия. Если самый большой минус электролитических конденсаторов – это их большой ток утечки, то танталовые конденсаторы лишены такого недостатка. Минус танталовых конденсаторов в том, что они рассчитаны на более низкое напряжение, чем их собраться – электролиты. Танталовые конденсаторы также полярные, как и электролитические конденсаторы.

Выглядеть танталовые конденсаторы могут вот так

 

танталовые конденсаторы

ну или так

танталовые конденсаторы капли

 

 

 

[quads id=1]

Ионисторы

Есть также  особый класс конденсаторов – ионисторы. Иногда их еще называют суперконденсаторами или золотыми конденсаторами. Нет, не потому, что  там есть золото. Сам принцип работы ионистора ценее, чем золото.  Для того, чтобы получить максимальную емкость мы должны намазать “сгущенку”(диэлектрик)  тонким-тонким слоем или увеличить площадь блинов (металлических пластин). Так как без конца увеличивать слой блинов очень затратно, разработчики решили уменьшить слой диэлектрика. Так как диэлектрический слой между обкладками ионистора , то есть “слой сгущенки”, составляет 5-10 нанометров, следовательно емкость ионистора достигает впечатляющих значений! Вы только представьте, какой заряд может накопить такой суперконденсатор!

Емкость таких конденсаторов может достигать до десятка фарад. Поверьте, это очень много. Ионисторы выглядят, как обычные таблетки, а  также могут выглядеть как цилиндрические конденсаторы. Для того, чтобы различить их от конденсаторов, достаточно взглянуть на емкость, которая на них указана. Если там единицы Фарад, то это однозначно ионистор!

ионистор

большой ионистор

В настоящее время ионисторы стали очень широко применяться в электронике и электротехнике. Они заменяют маленькие батарейки с малым напряжением, потому что ионистор конструктивно пока что не могут сделать на напряжение более нескольких Вольт. Но можно соединить их последовательно и набрать нужное напряжение. Но удовольствие это не дешевое :-).

Они также очень быстро заряжаются, так как их сопротивление ограничено только их выводами.  А исходя из закона Ома, чем меньше сопротивление проводника, тем большая сила тока течет по нему и следовательно тем быстрее заряжается ионистор. Заряжать и разряжать ионисторы можно почти бесконечно.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Итак, берем блок питания постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение 12 Вольт. Лампочку берем тоже на 12 Вольт. Теперь в разрыв цепи вставляем конденсатор.

Нет, лампочка не горит.

А  вот если исключить конденсатор из цепи и подключить напрямую к лампочке, то лампа горит.

Отсюда напрашивается вывод: постоянный ток через конденсатор не течет! То есть в цепи постоянного тока идеальный конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление.

Если честно, то в самый начальный момент подачи напряжения ток все-таки течет на доыли секунды. Все зависит от емкости конденсатора.

Конденсатор в цепи переменного тока

Для того, чтобы узнать, как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока, нам надо собрать простейшую схему, которая представляет из себя делитель напряжения. Смысл опыта такой: с помощью генератора частоты мы будем менять только частоту, а амплитуду оставим неизменной. По сути красная точка нам будет показывать сигнал с генератора частоты, а желтая – сигнал на резисторе. Снимая сигнал с резистора, мы можем косвенно узнать, как ведет себя конденсатор исходя из законов делителя напряжения.

С помощью осциллографа мы будем снимать сигнал с красной и желтой точек относительно земли.

Думаю, этот генератор частоты вполне пойдет.

Для начала возьмем конденсатор на 1мкФ и резистор на 100 ом.

 

Далее за дело берется цифровой осциллограф OWON SDS 6062. Что такое осциллограф и с чем его едят, читаем здесь.  Будем использовать сразу два канала, то есть на одном экране будут высвечиваться сразу два сигнала. Здесь на экране уже видны наводки от сети 220 Вольт. Не стоит на это обращать внимание.

Красная осциллограмму снимаем с красной точки в цепи, а желтую – с желтой точки в цепи.

Зависимость сопротивления от частоты и сдвиг фаз

Поехали. Итак, если у нас частота нулевая, то это значит постоянный ток. Постоянный ток, как мы уже видели, конденсатор не пропускает. С этим вроде бы разобрались. Но что будет, если подать переменный ток с частотой в 100 Герц?

[quads id=1]

На дисплее осциллографа были выведены такие параметры, как частота сигнала и его амплитуда (эти параметры помечены белой стрелочкой).

F – это частота

Ma – амплитуда

Красная синусоида показывает сигнал, который выдает нам китайский генератор частоты. Желтая синусоида – это то, что мы уже получаем на нагрузке. В нашем случае нагрузкой является резистор. Ну вот, собственно, и все.

Как вы видите на осциллограмме, с генератора выходит синусоидальный сигнал с частотой в 100 Герц и амплитудой в 2 Вольта, а на резисторе напряжение всего каких-то 136 мВ.

Как вы могли заметить, амплитуда желтого сигнала стала меньше. Это говорит нам о том, что конденсатор стал пропускать переменный ток, но его сопротивление до сих пор очень большое.

Но здесь можно заметить еще одну особенность: осциллограмма напряжения на резисторе сигнала сдвинулась влево, то есть она опережает сигнал с генератора частоты, или научным языком, появляется сдвиг фаз. Опережает именно фаза, а не сам сигнал. Если бы опережал сам сигнал, то у нас бы тогда получилось, что сигнал на резисторе появлялся бы по времени раньше, чем сигнал, поданный на него через конденсатор. Получилось бы какое-те перемещение во времени :-), что конечно же, невозможно.

Сдвиг фаз – это разность между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае – напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз:

Давайте увеличим частоту  на генераторе до 500 Гц

На резисторе уже получили 560 мВ. Сдвиг фаз уменьшается. Получается, что мы чуть-чуть увеличили частоту, и сопротивление конденсатора стало меньше.

Увеличиваем частоту до 1 КГц

На резисторе у нас напряжение 1 Вольт. Напряжение не резисторе растет с увеличением частоты. Это говорит о том, что сопротивление конденсатора стало еще меньше.

Ставим частоту 5 КГц

Амплитуда 1,84 Вольта и сдвиг фаз явно становится меньше

Увеличиваем до 10 КГц

Амплитуда уже почти  такая же как и на входе. Сдвиг фаз менее заметен.

Ставим 100 КГц.

Сдвига фаз почти нет. Напряжение не резисторе почти сравнялось с напряжением генератора частоты. Это говорит о том, что конденсатор почти не оказывает сопротивление на высоких частотах.

Получился парадокс. Постоянный ток конденсатор не пропускает, а вот токи высокой частоты – без проблем!

Отсюда делаем глубокомысленные выводы:

Чем больше частота, тем меньшее сопротивление конденсатор оказывает переменному току. Сдвиг фаз убывает с увеличением частоты почти до нуля. На бесконечно низких частотах его величина составляет 90 градусов или π/2.

Если построить обрезок графика, то получится типа что-то этого:

Зависимость сопротивления от номинала конденсатора

Итак, мы с вами узнали, что сопротивление конденсатора зависит от частоты. Но только ли от частоты? Давайте возьмем конденсатор емкостью в 0,1 микрофарад, то есть номиналом в 10 раз меньше, чем предыдущий и снова прогоним по  этим же частотам.

Смотрим и анализируем значения:

Внимательно сравните амплитудные значения желтого сигнала на одной и той же частоте, но с разными номиналами конденсатора. Например, на частоте в 100 Гц  и номиналом конденсатора в 1 мкФ амплитуда желтого сигнала равнялась 136 милливольт, а на этой же самой частоте амплитуда желтого сигнала, но с конденсатором в 0,1 мкФ уже была 101 милливольт (в реальности еще меньше из за помех). На частоте 500 Герц –  560 милливольт и 106 милливольт соответственно, на частоте в 1 Килогерц – 1 Вольт и 136 милливольт и так далее.

Отсюда вывод напрашивается сам собой: при уменьшении номинала конденсатора его сопротивление становится больше.

Формула сопротивления конденсатора

С помощью физико-математических преобразований физики и математики вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, ХС  – это сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и равняется приблизительно 3,14 

F – частота, измеряется в Герцах

С – емкость,  измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в  ноль Герц. Частота в ноль Герц – это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

При последовательном соединении  конденсаторов

последовательное соединение конденсаторов

 

Их общая емкость будет вычисляться по формуле

последовательное сопротивление конденсаторов формула

 

 а при параллельном соединении

параллельное соединение конденсаторов

 

их общая емкость будет вычисляться по формуле

формула параллельного соединения конденсаторов

 

Также в интернете нашел очень интересное видео по теме конденсаторов

 

Похожие статьи по теме “конденсатор”

ESR конденсатора

Как проверить конденсатор мультиметром

RC цепь

Радиодетали СССР

В середине 17 века в Голландии, в Лейденском университете, учеными, в результате многочисленных опытов, был изобретен способ накопления и сохранения электрических зарядов. В роли накопителя электричества выступала так называемая лейденская банка (по названию университета). Лейденскую банку сделали из обычной стеклянной колбы, а стенки этой колбы ученые проклеили с двух сторон, снаружи и внутри, свинцовой фольгой. В результате экспериментов, когда этот прибор подключали обкладками к электрической машине, была доказана способность накапливать и длительное время сохранять значительное количество электричества внутри опытного образца.

Ученые заметили, что когда обкладки замыкали между собой толстой металлической проволокой, то в месте замыкания появлялся сильный искровой разряд. После этого накопленный электрический заряд в приборе мгновенно и бесследно исчезал.

В результате дальнейших экспериментов они попробовали соединить обкладки лейденской банки тонкой металлической проволокой. В этом случае проволока нагревалась и плавилась, т.е. перегорала. Тем самым учеными был сделан вывод: по тонкой проволоке течет электрический ток, а источником этого тока является электрически заряженная лейденская банка.

В наше время аналогичные приборы носят название конденсаторы. Слово конденсатор значит сгущать, сгуститель. Полоски фольги, которые не имеют соединения между собой, называются обкладками электрических конденсаторов. Единица емкости конденсаторов – микрофарада (мкФ) взята за основу в радиолюбительских конструкциях и в промышленной аппаратуре. Но чаще используется другая единица – пикофарада (пФ), миллионная доля микрофарады. На схемах встречается и та, и другая единица. Причем емкость до 9100 пФ включительно указывают на схемах в пикофарадах, а свыше – в микрофарадах. Если, например,рядом с условным обозначением конденсатора написано 27, 510 или 6800, значит, емкость конденсатора соответственно 27,510 или 6800 пФ. А вот надписи 0,015 мк, 0,25 мк или 1 мк свидетельствуют о том, что емкость конденсатора составляет соответствующее число микрофарад.

Типов конденсаторов очень много. Они отличаются материалом между пластинами и конструкцией. Немного о конденсаторах, которые наиболее часто встречаются в радиоэлектронике.

1.Керамические конденсаторы постоянной емкости

Эти конденсаторы содержат токопроводящие обкладки. Между этими обкладками находятся слюда, бумага, керамика. По тому, какой диэлектрик используется, конденсаторы называются соответственно слюдяными, бумажными, керамическими. У этих конденсаторов роль диэлектрика выполняет специальная керамика. Обкладки такого конденсатора – тонкие слои посеребренного металла, которые нанесены на поверхность керамики. Выводы у них выполнены из латунной посеребренной проволоки или полоски из того же материала, которые припаяны к обкладкам. Снаружи на корпуса таких конденсаторов нанесен слой специальной эмали.

2.Слюдяные конденсаторы

Это конденсаторы небольших размеров, но имеющие относительно большую емкость. Такие конденсаторы изготавливают из нескольких пластин, которые сложены в стопку и разделены друг от друга диэлектриком. В таком случае каждая пара расположенных рядом пластин создает конденсатор. Эти пары пластин соединяют параллельно и создают конденсатор значительной емкости. Обкладки таких конденсаторов изготовлены из алюминиевой фольги или слоя серебра, которые наносятся непосредственно на слюду.

Выводы у них сделаны из посеребренной проволоки. Они носят название КСО. В их обозначении есть цифра, описывающая форму и размеры таких конденсаторов. КСО-1, КСО-5, КСО-8. Чем цифра больше, тем больше размер самого конденсатора. Снаружи эти конденсаторы заливаются пластмассой. В промышленности применяются и разновидности слюдяных конденсаторов. Это конденсаторы СГМ. По внутренней конструкции они не отличаются от слюдяных. Единственное отличие состоит в том, что корпуса в конденсаторах СГМ выполнены из керамики и влагонепроницаемы.

3.Бумажные и металлобумажные конденсаторы
постоянной емкости

Такие конденсаторы находят применение в низкочастотных цепях. Все конденсаторы данного типа имеют в своем обозначении букву Б, т.е. бумажные. Конденсаторы БМ (Бумажные Малогабаритные) помещены в трубки малых размеров из металла. Эти трубки с торцов заливаются специальной смолой. Конденсаторы типа КБ изготовлены в картонных цилиндрических корпусах. Конденсаторы типа КБГ-И изготовлены в фарфоровых корпусах с металлическими торцовыми колпачками. Эти колпачки имеют соединение с обкладками, от которых отходят узкие выводные лепестки.

В радиопромышленности находят применение конденсаторы КБГ-МП, КБГ-МН, КБГТ. Такие конденсаторы имеют емкость до нескольких микрофарад и находятся в металлических корпусах. В одном таком металлическом корпусе конденсаторов с этой маркировкой может быть два-три.

Конденсаторы типа МБМ имеют одну отличительную особенность – это способность самовосстановления после электрического пробоя диэлектрика. Диэлектрик у таких конденсаторов выполнен из лакированной конденсаторной бумаги. Обкладки изготовлены из слоя металла толщиной меньше одного микрона. Эти слои нанесены на одну сторону бумаги.

4.Электролитические конденсаторы

Внутри корпуса данного типа конденсатора имеются две ленты, сделанные из алюминиевой фольги. Поверхность одной ленты покрывается тонким слоем окиси. Промеж этих лент прокладывается лента из пористой бумаги. Эта бумага пропитана специальной жидкостью – электролитом. Всю эту четырехслойную полосу сворачивают в рулон и располагают в алюминиевый цилиндр. Роль диэлектрика у таких конденсаторов выполняет слой окиси. Такое устройство имеют конденсаторы типа КЭ, К50-3, К50-6.

5.Конденсаторы переменной емкости

Конструкция конденсаторов данного типа такова: одна из его обкладок является статором и неподвижна. Другая обкладка, ее называют ротором, закреплена на оси и вращается вместе с ней. Когда ось начинает вращение, то изменяется площадь перекрытия обкладок и емкость конденсатора. Обкладки таких конденсаторов сделаны из алюминиевых или латунных пластин. Пластины ротора соединяются осью. Статорные пластины также имеют соединение и изолируются от ротора. В этих конденсаторах роль диэлектрика выполняет воздух.

Для переменных или подстроечных конденсаторов на схеме указывают крайние значения емкости, которые получаются, если ось конденсатора повернуть от одного крайнего положения до другого или вращать вкруговую (как у подстроечных конденсаторов). Например, надпись 5-180 говорит о том, что в одном крайнем положении оси емкость конденсатора составляет 5 пФ, а в другом – 180 пФ. При плавном повороте из одного положения в другое емкость конденсатора будет также плавно изменяться от 5 до 180 пФ или от 180 до 5 пФ.

Разновидностью конденсаторов переменной емкости являются подстроечные конденсаторы. Конструктивно такие конденсаторы состоят из керамического основания и тонкого диска, который также выполнен из керамики. На поверхность основания, т.е. под самим диском и на сам диск наложены в виде секторов металлические слои. Эти слои и являются обкладками конденсаторов данного типа. Когда диск начинает вращение вокруг оси, то меняется площадь перекрытия секторов – обкладок и тем самым меняется емкость конденсатора. Роль диэлектрика в этих конденсаторах выполняет бумага, керамика или пластмассовая пленка. Их еще называют конденсаторы с твердым диэлектриком.

Почему я могу поставить электролитический конденсатор на переменный ток?

«Может» и «должен» - это две вещи. Должны ли вы сделать это? Нет: это использование вне указанных рабочих параметров обычных электролитических конденсаторов. Вы, кажется, уже поняли это. Ты можешь сделать это? Да, как показывает видео. Чтобы понять, почему требуется некоторое понимание того, что находится внутри конденсатора.

Конденсатор представляет собой два проводника (обычно пластины), разделенные изолятором. Чем больше площадь поверхности и чем ближе они друг к другу, тем выше емкость. Электролитические конденсаторы имеют тонкую пленку, свернутую в банку. Эта пленка покрыта тонким оксидным слоем, и его толщина дает электролитическим конденсаторам высокую емкость по сравнению с их размером.

Этот оксидный слой создается химическим составом материалов в конденсаторе и полярностью напряжения, приложенного к каждой стороне пленки. Напряжение, приложенное в правильном направлении, создает и поддерживает оксидный слой. Если полярность обратная, оксидный слой растворяется.

Если оксидный слой растворяется, у вас больше не будет изолятора между двумя пластинами конденсатора. Вместо двух пластин, разделенных изолятором, у вас есть две пластины, разделенные проводником. Вместо устройства, которое блокирует постоянный ток, у вас есть устройство, которое проводит его. По сути, у вас есть проволока в банке.

Обычно, когда вы сталкиваетесь с этим режимом отказа, большой ток течет, быстро нагревая внутреннюю часть конденсатора. Расширяющаяся жидкость и газ разрушают предохранительный клапан или взрывается баллончик.

Почему тогда конденсатор в этом примере не взрывается?

Напряжение обратной полярности никогда не применяется в течение очень долгого времени и никогда без правильного напряжения полярности, приложенного вскоре после этого, чтобы восстановить любое нанесенное повреждение.

Оксидный слой не растворяется мгновенно при приложении обратного напряжения; это займет время. Время зависит от приложенного напряжения, размера конденсатора, химического состава и т. Д., Но половину цикла переменного тока частотой 50 Гц, вероятно, недостаточно для нанесения серьезного ущерба. Когда наступает вторая половина цикла, оксидный слой восстанавливается.

Любой ток короткого замыкания существенно ограничен последовательными резисторами.

С этими последовательными резисторами мощность, доступная для нагрева конденсатора, мала. Просто недостаточно мощности для катастрофического разрушения конденсатора, потому что большая часть доступной энергии идет в резисторы. Возможно, вы просто слегка нагреете конденсатор. Когда напряжение меняет направление, оксидный слой может преобразовываться.

Возможно, в какой-то степени вы все еще повредите конденсатор, но он достаточно работоспособен для демонстрации.

Электрическая емкость (страница 1)

Решение:
При перемещении пластины емкость конденсатора в данный момент времени определяется той частью площади пластин, по которой они перекрывают друг друга. В моменты времени t1 и t2 площади

где l=10 см-длина стороны пластины. В эти моменты времени конденсатор имеет емкости

а заряды на его пластинах

11 Найти заряд, который нужно сообщить двум параллельно соединенным конденсаторам с емкостями C1 = 2 мкФ и С2=1 мкФ, чтобы зарядить их до разности потенциалов V=20кВ.

Решение:
Общий заряд параллельно соединенных конденсаторов

12 Два одинаковых плоских конденсатора соединены параллельно и заряжены до разности потенциалов V0 = 6 В. Найти разность потенциалов V между пластинами конденсаторов, если после отключения конденсаторов от источника тока у одного конденсатора уменьшили расстояние между пластинами вдвое.

Решение:

13 Два конденсатора с емкостями С1 = 1 мкФ и С2 = 2мкФ зарядили до разностей потенциалов V1=20B и V2 = 50 В. Найти разность потенциалов V после соединения — конденсаторов одноименными полосами.

Решение:



14 Конденсатор емкости C1 = 20 мкФ, заряженный до разности потенциалов V1 = 100B, соединили параллельно с заряженным до разности потенциалов V1=40 В конденсатором, емкость которого С2 неизвестна (соединили одноименно заряженные обкладки конденсаторов). Найти емкость С2 второго конденсатора, если разность потенциалов между обкладками конденсаторов после соединения оказалась равной V=80 В.

Решение:

15 Конденсатор емкости С1=4мкФ, заряженный до разности потенциалов V1 = 10B, соединен параллельно с заряженным до разности потенциалов V2 = 20 В конденсатором емкости С2 = 6 мкФ (соединили разноименно заряженные обкладки конденсаторов). Какой заряд окажется на пластинах первого конденсатора после соединения?

Решение:
Заряды конденсаторов до их соединения q1 = C1V1 и q2 = C2V2. После соединения разноименно заряженных обкладок конденсаторов общий заряд q = |q2-q1| = (C1 + C2)V и заряд первого конденсатора где V-разность потенциалов между обкладками конденсаторов после соединения; отсюда

16 Конденсатор, заряженный до разности потенциалов V1 = 20 В, соединили параллельно с заряженным до разности потенциалов V2 = 4 В конденсатором емкости С2 = 33 мкФ (соединили разноименно заряженные обкладки конденсаторов). Найти емкость С1 первого конденсатора, если разность потенциалов между обкладками конденсаторов после их соединения V=2 В.

Решение:
После соединения разноименных обкладок общий заряд q = CV равен разности зарядов q1 = C1V1 и q2 = C2V2 отдельных конденсаторов, где С=С1 + С2 — общая емкость после соединения. Таким образом,


17 Конденсатор емкости С1 = 1 мкФ, заряженный до разности потенциалов V1 = 100B, соединили с конденсатором емкости С2 = 2 мкФ, разность потенциалов V2 на обкладках которого неизвестна (соединили разноименно заряженные обкладки конденсаторов). Найти разность потенциалов V2, если разность потенциалов между обкладками конденсаторов после соединения оказалась равной V=200 В.

Решение:
До соединения заряды первого и второго конденсаторов

После соединения разноименных обкладок общий заряд

Двойной знак мы здесь поставили потому, что заранее не известно, какой из зарядов, q2 или q1 больше; отсюда

Решение со знаком минус соответствует случаю, когда знаки зарядов на пластинах первого конденсатора после соединения пластин не меняются, а со знаком плюс-случаю, когда эти знаки становятся обратными. Так как в нашем случае , а величина |V2| должна быть всегда положительной, то существует лишь одно решение-со знаком плюс. В результате |V2| = 350 В.

18 Два проводящих шара с радиусами R1 и R2 расположены так, что расстояние между ними во много раз больше радиуса большего шара. На шар радиуса R1 помещен заряд q. Каковы будут заряды на шарах после соединения их проводником, если второй шар не был заряжен? Емкостью проводника, соединяющего шары, пренебречь.

Решение:


19 Два проводящих шара с радиусами R1 = 8см и R2 = 20 см, находящихся на большом расстоянии друг от друга, имели электрические заряды q1=40 нКл и q2=— 20 нКл. Как перераспределятся заряды, если шары соединить проводником? Емкостью проводника, соединяющего шары, пренебречь.

Решение:
Соединение шаров проводником эквивалентно параллельному соединению конденсаторов. После соединения


20 Два проводящих шара с радиусами R1 = 10см и R2 = 5см, заряженных до потенциалов φ1=20B и φ2=10В, соединяются проводником. Найти поверхностные плотности зарядов на шарах σ1 и σ2 после их соединения. Расстояние между шарами велико по сравнению с их радиусами. Емкостью проводника, соединяющего шары, пренебречь.

Решение:
Заряды на шарах до и после соединения Общий потенциал шаров после соединения определим из условия сохранения заряда
Заряды на первом и втором шарах после соединения

Поверхностные плотности зарядов на шарах


21 Плоский воздушный конденсатор, заряженный до разности потенциалов V0 = 800 В, соединили параллельно с таким же по размерам незаряженным конденсатором, заполненным диэлектриком. Какова диэлектрическая проницаемость e диэлектрика, если после соединения разность потенциалов между пластинами конденсаторов оказалась равной V=100В?

Решение:

22 Найти емкость С трех плоских воздушных конденсаторов, соединенных параллельно. Размеры конденсаторов одинаковы: площадь пластины S=314 см2, расстояние между пластинами d=1 мм. Как изменится емкость трех конденсаторов, если пространство между пластинами одного конденсатора заполнить слюдой (диэлектрическая проницаемость ε1 = 7), а другого — парафином (диэлектрическая проницаемость ε2 = 2)?

Решение:
Емкость трех конденсаторов без диэлектрика При заполнении двух конденсаторов диэлектриками емкость трех конденсаторов

23 В заряженном плоском конденсаторе, отсоединенном от источника тока, напряженность электрического поля равна Е0. Половину пространства между пластинами конденсатора заполнили диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε (толщина диэлектрика равна расстоянию между пластинами). Найти напряженность электрического поля Е в пространстве между пластинами, свободном от диэлектрика.

Решение:
Если d-расстояние между пластинами и С0 — емкость конденсатора без диэлектрика, то разность потенциалов между пластинами конденсатора (без диэлектрика) и заряд на пластинах Конденсатор, половина которого заполнена диэлектриком, можно рассматривать как два соединенных параллельно конденсатора (рис. 341), причем один не содержит диэлектрика и имеет емкость а в другом все пространство между пластинами заполнено диэлектриком, и поэтому его емкость Полная емкость конденсатора, половина которого заполнена диэлектриком, При отключенном источнике тока заряд на пластинах сохраняется, поэтому разность потенциалов между пластинами V=q/C, и напряженность электрического поля в пространстве между пластинами, свободном от диэлектрика,


24 Два последовательно соединенных конденсатора с емкостями C1 = 1 мкФ и С2 = 3 мкФ подключены к источнику тока с напряжением V =220 В. Найти напряжение на каждом конденсаторе.

Решение:
Если V1 и V2 — напряжения на первом и втором конденсаторах, то V= V1 + V2, а заряды на них одинаковы и равны
q=C1V1=C2V2; отсюда

При последовательном соединении конденсаторов на конденсаторе меньшей емкости напряжение больше, чем на конденсаторе большей емкости.

25 Два последовательно соединенных конденсатора с емкостями C1 = 1 мкФ и С2 = 2 мкФ подключены к источнику тока с напряжением V =900 В. Возможна ли работа такой схемы, если напряжение пробоя конденсаторов Vпр = 500 В?

Решение:
Напряжения на первом и втором конденсаторах (см. задачу 24). Работать при указанном в условии задачи напряжении пробоя конденсаторов нельзя, ибо произойдет пробой первого, а затем и второго конденсаторов.

26 Два последовательно соединенных конденсатора подключены к источнику тока с напряжением V= 200 В (рис. 79). Один конденсатор имеет постоянную емкость C1 = 0,5 мкФ, а другой — переменную емкость С2 (от Cmin = 0,05 мкФ до Сmах = 0,5 мкФ). В каких пределах изменяется напряжение на переменном конденсаторе при изменении его емкости от минимальной до максимальной?

Решение:
При изменении емкости переменного конденсатора С2 от Cmin до Сmax, напряжение на нем V изменяется в пределах (см. задачу 24)

27 При последовательном соединении трех различных конденсаторов емкость цепи С0 = 1 мкФ, а при параллельном соединении емкость цепи С=11мкФ. Найти емкости конденсаторов С2 и С3, если емкость конденсатора С1 = 2 мкФ.

Решение:

28 При последовательном соединении трех различных конденсаторов емкость цепи С0 = 0,75 мкФ, а при параллельном соединении емкость цепи С = 7 мкФ. Найти емкости конденсаторов С2 и С3 и напряжения на них V2 и V3 (при последовательном соединении), если емкость конденсатора C1 = 3 мкФ, а напряжение на нем V1 = 20B.

Решение:
При последовательном соединении конденсаторов имеем

при параллельном

Из этих уравнений находим

Согласно теореме Виета С2 и С3 должны быть корнями квадратного уравнения

Решая его, найдем

Заряды на всех конденсаторах при последовательном соединении равны между собой:


29 Три последовательно соединенных конденсатора с емкостями С1 = 100пФ, С2 = 200 пФ, С3 = 500 пФ подключены к источнику тока, который сообщил им заряд q=10нКл. Найти напряжения на конденсаторах V1, V2 и V3, напряжение источника тока V и емкость всех конденсаторов С0.

Решение:
При последовательном соединении конденсаторов заряд каждого конденсатора равен q, поэтому

Напряжение источника тока равно полному напряжению на всех конденсаторах:

Так как при последовательном соединении
то

30 Три последовательно соединенных конденсатора с емкостями С1=0,1мкФ, С2 = 0,25 мкФ и С3 = 0,5 мкФ подключены к источнику тока с напряжением V =32 В. Найти напряжения V1, V2 и V3 на конденсаторах.

Решение:


31 Два одинаковых воздушных конденсатора емкости С=100пФ соединены последовательно и подключены к источнику тока с напряжением V= 10 В. Как изменится заряд на конденсаторах, если один из них погрузить в диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε = 2?

Решение:
При последовательном соединении конденсаторов заряды на конденсаторах равны. До погружения одного из них в диэлектрик заряд на каждом конденсаторе

после погружения одного из них в диэлектрик заряды конденсаторов будут

Учитывая, что

Изменение заряда на конденсаторах


32 Два плоских воздушных конденсатора с одинаковыми емкостями соединены последовательно и подключены к источнику тока. Пространство между пластинами одного из конденсаторов заполняют диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε = 9. Во сколько раз изменится напряженность электрического поля Е в этом конденсаторе?

Решение:
Первоначальная напряженность электрического поля в каждом конденсаторе

где d-расстояние между пластинами конденсатора. После заполнения одного конденсатора диэлектриком напряженность электрического поля в нем

Отношение напряженностей


33 Решить предыдущую задачу для случая, когда конденсаторы после зарядки отключаются от источника тока.

Решение:
После отключения конденсатора от источника тока и заполнения его диэлектриком заряд на нем не изменяется:

Напряженность электрического поля в конденсаторе, заполненном диэлектриком,

Отношение напряженностей

34 Два плоских воздушных конденсатора с одинаковыми емкостями С=10пФ соединены последовательно. Насколько изменится емкость конденсаторов, если пространство между пластинами одного из них заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε = 2?

Решение:
Изменение емкости соединенных конденсаторов


35 В плоский воздушный конденсатор с площадью обкладок S и расстоянием между ними d введена параллельно обкладкам проводящая пластинка, размеры которой равны размерам обкладок, а ее толщина намного меньше d. Найти емкость конденсатора с проводящей пластинкой, если пластинка расположена на расстоянии l от одной из обкладок конденсатора.

Решение:
После введения пластинки образовалось два последовательно включенных конденсатора с емкостями

(рис. 342). Их общую емкость определим из соотношения

где С-первоначальная емкость конденсатора. Таким образом, после введения пластинки при любом ее положении С0 = С.

36 В плоский воздушный конденсатор с площадью обкладок S и расстоянием между ними d введена параллельно обкладкам проводящая пластинка, размеры которой равны размерам обкладок, а толщина dп = d/3

Решение:
Введение проводящей пластинки между обкладками конденсатора приводит к образованию двух последовательно включенных конденсаторов с расстояниями между обкладками d1 и d2 и емкостями

(рис.343). Их общую емкость находим из соотношения

При -первоначальная емкость конденсатора.

37 Плоский воздушный конденсатор заряжен до разности потенциалов V0 = 50 В и отключен от источника тока. После этого в конденсатор параллельно обкладкам вносится проводящая пластинка толщины dп= 1 мм. Расстояние между обкладками d=5 мм, площади обкладок и пластинки одинаковы. Найти разность потенциалов V между обкладками конденсатора с проводящей пластинкой.

Решение:
Емкости конденсатора до и после внесения проводящей пластинки толщины dп (см. задачу 36)
Заряд конденсатора, отключенного от источника тока, не изменяется:

отсюда разность потенциалов между обкладками конденсатора после внесения проводящей пластинки

38 В плоский воздушный конденсатор с площадью обкладок S и расстоянием между ними d вводится параллельно обкладкам диэлектрическая пластинка толщины d1<d/ Диэлектрическая проницаемость пластинки равна ε, площади обкладок и пластинки одинаковы и равны S. Найти емкость конденсатора с диэлектрической пластинкой.

Решение:

Конденсатор в холодильнике. Что это?

Конденсатор в холодильнике представляет собой особый теплообменный аппарат, который является важной частью холодильного оборудования. В нем пары хладагента охлаждаются до определенной температуры, после чего, переходят в жидкое состояние.

Чаще всего конденсатор устанавливается на задней стенке устройства. Но существуют и другие вариант расположения этого компонента. От работоспособности конденсатора зависит очень многое, в том числе и работоспособность всего холодильника.

Принцип и особенности работы конденсатора

Холодильный агент нагревается во время работы и перед тем, как он поступает в конденсатор. Но после прохождения данного изделия он охлаждается. Конденсатор является трубопроводом, который обычно обладает видом змеевика.

Именно внутрь его и поступают пары от холодильного агента. На змеевик оказывают влияние некоторые окружающие факторы, например, воздух. В крупных холодильных агрегатах для этих целей используется вода. Как правило, внешняя поверхность змеевика не может самостоятельно охладиться при помощи воздуха. Благодаря увеличению количества ребер увеличивается поверхность змеевика. Таким образом, процесс охлаждения осуществляется намного быстрее. Обычно змеевик находится горизонтально, а хладагент подается в верхний виток.

Если холодильник абсолютно новый, то холод в нем генерируется посредствам поглощения тепла во внутренних камерах, а поглощенное тепло при этом выделяется в окружающую атмосферу. Если холодильник не может нормально выделить тепло в течение определенного времени, то его работоспособность может нарушиться. Таким образом, может произойти накопление тепла, компрессор перегреется, а в конденсаторе повысится уровень давления. Когда будет расти давление, появится дополнительная нагрузка на компрессор, чего лучше не допускать.

Почти все современные холодильники, например, торговой марки Zanussi обладают продуманным составом компонентов. Там используются надежные конденсаторы. Но даже они при неправильной эксплуатации могут поломаться. Но профессионалы обычно могут устранить проблему весьма быстро.

Основные типы конденсаторов

Конденсатор может находиться на задней части холодильника. Этот вариант является наиболее распространенным среди бытовых моделей. Это конструктивное исполнение обладает большим количеством преимуществ, но и не лишено некоторых недостатков. Обычно холодильники торговой марки Toshiba оснащаются именно таким типом конденсатора. Его основным достоинством можно назвать возможность проведения простой очистки. Можно избавиться от загрязнений практически любого типа. Лучше всего чистить конденсатор при помощи обыкновенного пылесоса без специальных насадок. Благодаря этому удается предельно качественно очистить щели конденсатора, которые могут забиваться пылью. Важно сохранять чистоту не на поверхности решетки, а в щелях. Современные мастера говорят о том, что обычно на конденсаторах находится очень много пыли, которая может приводить к поломкам. Как правило, люди даже не думают о чистке щелей до того момента, пока не произойдет поломка. Иногда эксплуатация может продлиться несколько лет без чистки. Но рано или поздно устройство поломается, потому что из-за пыли оно может очень сильно перегреваться, в особенности в жаркое время года.

Также лучше не прислонять холодильник слишком быстро к стене, чтобы разогретый воздух от конденсатора мог без препятствий подниматься наверх. Производители, например, компания Bosch обычно предусматривают установку специальных ограничителей, которые не дают возможности устанавливать холодильник в непосредственной близости около стены.

Конденсатор может находиться с боковой части холодильника. Данный вид исполнения также обладает и плюсами, и минусами. Такое расположение конденсатора обладает самой низкой вероятностью возникновения каких-либо нарушений теплообмена по причине скопления грязи и напыли. Конденсатор, который находится в таком месте, обычно прячется за специальную металлическую пластину, которая обеспечивает защиту изделия от коррозионных процессов и окисления.

К недостаткам такого расположения можно отнести не очень большое тепловыделение. А в случае утечки холодильного агента могут возникнуть некоторые неприятности, потому что конденсатор скрыт за решеткой. Чтобы продлить эксплуатационный срок такого оборудования не нужно располагать его боковой стороной вплотную около любого предмета. Надо гарантировать устройству свободную циркуляцию воздуха. Есть модели, в которых тепло выделяется одновременно с обеих сторон. В этом случае надо поставить устройство так, чтобы с двух сторон был свободный доступ для выхода тепла. Если не соблюдать элементарные правила эксплуатации, может понадобиться ремонт холодильников на дому. Но опытные профессионалы смогут без проблем уладить практически любые проблемы, связанные с конденсаторами любого типа.

Конденсатор может находиться снизу оборудования. К преимуществам такого расположения можно отнести тот факт, что охлаждение осуществляется активным образом. Лучше всего можно охладить любую деталь, если обдувать ее при помощи вентилятора. Но это возможно только тогда, когда поступает не нагретый воздух. Ключевым недостатком такого конденсатора можно назвать быстрое засорение отверстий, которые используются для всасывания воздуха. Если щели забиваются, то не просто охладить конденсатор. Последствия могут быть самыми печальными. Чтобы такой холодильник работал без проблем и максимально долго, нужно исключить вероятность засорения отверстий конденсатора.

Конденсаторы могут обладать воздушным охлаждением. Есть модели с пластинчатыми ребрами. Листотрубные модели являются очередным типом такого оборудования. Вне зависимости от конкретного вида конденсатора нужно соблюдать правила эксплуатации холодильника. Если возникли хотя бы малейшие проблемы с работой, нужно обратиться за помощью к профессионалам. Лучше не усугублять поломку и не запускать ее. Ведь намного проще устранить ее на начальной стадии. Опытные мастера смогут быстро обнаружить проблему и устранить ее при помощи специального современного оборудования.

 

Tags: детали

 

Как работают конденсаторы? - Объясни, что материал

Смотрите в небо большую часть дней, и вы увидите огромные конденсаторы парит над твоей головой. Конденсаторы (иногда называемые конденсаторами) устройства хранения энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемники и другое электронное оборудование. Настройте радио на станции, сделайте снимок со вспышкой с помощью цифрового камеру или щелкни каналов на вашем HDTV, и у вас все хорошо использование конденсаторов.В конденсаторы, которые дрейфуют по небу, более известны как облака и, хотя они совершенно гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике они точно так же накапливают энергию. Давайте подробнее рассмотрим конденсаторы и как они работают!

Фотография: Типичный конденсатор, используемый в электронных схемах. Этот называется электролитическим конденсатором и рассчитан на 4,7 мкФ (4,7 мкФ). с рабочим напряжением 350 вольт (350 В).

Что такое конденсатор?

Фото: Маленький конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Возьмем два электрических проводника (то, что пропускает электричество через них) и разделите их изолятором (материал что не пропускает электричество очень хорошо) и вы делаете конденсатор: то, что может хранить электрическую энергию. Добавление электроэнергии к конденсатору называется зарядка ; высвобождая энергию из Конденсатор известен как разрядный .

Конденсатор немного похож на батарею, но у него другая работа делать.Батарея использует химические вещества для хранения электрической энергии и высвобождения это очень медленно через цепь; иногда (в случае кварца смотреть) это может занять несколько лет. Конденсатор обычно высвобождает это энергия намного быстрее - часто за секунды или меньше. Если вы берете например, снимок со вспышкой, вам понадобится камера, чтобы огромная вспышка света за доли секунды. Конденсатор прилагается к вспышке заряжается в течение нескольких секунд, используя энергию вашего аккумуляторы фотоаппарата. (Для зарядки конденсатора требуется время, и это почему обычно приходится немного подождать.) Как только конденсатор полностью заряжен, он может высвободить всю эту энергию. в мгновение ока через ксеноновую лампочку-вспышку. Зап!

Конденсаторы

бывают всех форм и размеров, но обычно они те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины , , в основном по историческим причинам) и между ними есть изолятор. их (называемый диэлектриком ). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединения снаружи называются клеммами , которые похожи на тонкие металлические ножки можно подключить в электрическую цепь.

Фото: Внутри электролитический конденсатор немного похож на швейцарский рулет. «Пластины» - это два очень тонких листа металла; диэлектрик - масляная пластиковая пленка между ними. Все это упаковано в компактный цилиндр и покрыто металлическим защитным футляром. ВНИМАНИЕ: вскрытие конденсаторов может быть опасным. Во-первых, они могут выдерживать очень высокое напряжение. Во-вторых, диэлектрик иногда состоит из токсичных или едких химикатов, которые могут обжечь кожу.

Изображение: как электролитический конденсатор изготавливается путем скатывания листов алюминиевой фольги (серого цвета) и диэлектрического материала (в данном случае бумаги или тонкой марли, пропитанной кислотой или другим органическим химическим веществом).Листы фольги подключаются к клеммам (синим) наверху, поэтому конденсатор можно подключить в цепь. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США из патента США 2089683: Электрический конденсатор Фрэнка Кларка, General Electric, 10 августа 1937 г.

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрическая цепь. При включении питания электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина получает положительный заряд а другая пластина получает равный и противоположный (отрицательный) заряд.Если вы отключаете питание, конденсатор держит заряд (хотя со временем он может медленно вытекать). Но если подключить конденсатор ко второй цепи, содержащей что-то вроде электрического электродвигателя или лампочки-вспышки, заряд будет стекать с конденсатора через двигатель или лампу, пока на пластинах не останется ничего.

Хотя конденсаторы фактически выполняют только одну работу (хранение заряда), их можно использовать для самых разных целей в электротехнике. схемы. Их можно использовать в качестве устройств отсчета времени (потому что для этого требуется определенное, предсказуемое количество времени для их зарядки), как фильтры (схемы, которые пропускают только определенные сигналы), для сглаживания напряжение в цепях, для настройки (в радиоприемниках и телевизорах), а также для множество других целей.Большие суперконденсаторы также могут быть используется вместо батареек.

Что такое емкость?

Количество электрической энергии, которую может хранить конденсатор, зависит от его емкость . Емкость конденсатора немного похожа на размер ведра: чем больше ведро, тем больше воды оно может вместить; чем больше емкость, тем больше электричества может выдержать конденсатор. хранить. Есть три способа увеличить емкость конденсатор. Один из них - увеличить размер тарелок.Другой - сдвиньте пластины ближе друг к другу. Третий способ - сделать диэлектрик как можно лучше изолятор. Конденсаторы используют диэлектрики из всевозможных материалов. В транзисторных радиоприемниках настройка осуществляется большим переменным конденсатором , который между пластинами нет ничего, кроме воздуха. В большинстве электронных схем конденсаторы представляют собой герметичные компоненты с диэлектриками из керамики такие как слюда и стекло, бумага, пропитанная маслом, или пластмассы, такие как майлар.

Фото: Этот переменный конденсатор прикреплен к главной шкале настройки в транзисторном радиоприемнике.Когда вы поворачиваете циферблат пальцем, вы поворачиваете ось, проходящую через конденсатор. Это вращает набор тонких металлических пластин, так что они перекрываются в большей или меньшей степени с другим набором пластин, продетых между ними. Степень перекрытия пластин изменяет емкость, и именно это настраивает радио на определенную станцию.

Как измерить емкость?

Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарад (F), названный в честь английского пионера электротехники Майкла Фарадея (1791–1867).Один фарад - это огромная емкость так что на практике большинство конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, просто доли фарада - обычно микрофарады (миллионные доли фарада, пишется мкФ), нанофарады (миллиардные доли фарада, написанные нФ), и пикофарады (миллионные доли фарада, написано пФ). Суперконденсаторы хранят гораздо большие заряды, иногда оценивается в тысячи фарадов.

Почему конденсаторы накапливают энергию?

Если вы находите конденсаторы загадочными и странными, и они на самом деле не имеют для вас смысла, вместо этого попробуйте подумать о гравитации.Предположим, вы стоите у подножия ступенек. и вы решаете начать восхождение. Вы должны поднять свое тело против земного притяжения, которая является притягивающей (тянущей) силой. Как говорят физики, чтобы подняться, нужно «работать». лестница (работать против силы тяжести) и использовать энергию. Энергия, которую вы используете, не теряется, но хранится в вашем теле в виде гравитационной потенциальной энергии, которую вы могли бы использовать для других целей (например, спуск вниз по горке на уровень земли).

То, что вы делаете, когда поднимаетесь по ступеням, лестницам, горам или чему-либо еще, работает против Земли. гравитационное поле.Очень похожая вещь происходит с конденсатором. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу, как противоположное полюса двух магнитов - или как ваше тело и Земля. Если вы их разделите, вам придется «поработать» против этого электростатического заряда. сила. Опять же, как и при подъеме по ступенькам, энергия, которую вы используете, не теряется, а накапливается зарядами, когда они отдельный. На этот раз он называется , электрическая потенциальная энергия . И это, если вы не догадались к настоящему времени это энергия, которую накапливает конденсатор.Две его пластины содержат противоположные заряды и разделение между ними создает электрическое поле. Вот почему конденсатор накапливает энергию.

Почему у конденсаторов две пластины?

Фото: Очень необычный регулируемый конденсатор с параллельными пластинами, который Эдвард Беннетт Роза и Ноа Эрнест Дорси из Национального бюро стандартов (NBS) использовали для измерения скорости света в 1907 году. Точное расстояние между ними. пластины можно регулировать (и измерять) с помощью микрометрического винта.Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Как мы уже видели, конденсаторы имеют две проводящие пластины. разделены изолятором. Чем больше тарелки, тем ближе они являются, и чем лучше изолятор между ними, тем больше заряда конденсатор можно хранить. Но почему все это правда? Почему бы и нет у конденсаторов только одна большая пластина? Попробуем найти простой и удовлетворительное объяснение.

Предположим, у вас есть большой металлический шар, установленный на изоляционном деревянная подставка.Вы можете хранить определенное количество электрического заряда на сфера; чем он больше (чем больше радиус), тем больше заряда вы можете хранить, и чем больше заряда вы храните, тем больше потенциал (напряжение) сферы. Однако в конце концов вы достигнете точка, в которой, если вы добавите хотя бы один дополнительный электрон ( наименьшая возможная единица заряда) конденсатор перестанет работать. Воздух вокруг него разобьется, превратившись из изолятора в проводник: заряд будет лететь по воздуху на Землю (землю) или другой ближайший проводник в виде искры - электрического тока - в мини заряд молнии.Максимальный заряд, который вы можете хранить на сфера - это то, что мы подразумеваем под ее емкостью. Напряжение (В), заряд (Q), и емкость связаны очень простым уравнением:

C = Q / V

Таким образом, чем больше заряда вы можете сохранить при данном напряжении, не вызывая воздух для разрушения и искры, тем выше емкость. Если бы ты мог как-то хранить больше заряда на сфере, не доходя до точки там, где вы создали искру, вы бы эффективно увеличили ее емкость. Как ты мог это сделать?

Забудьте о сфере.Предположим, у вас есть плоская металлическая пластина с максимально возможный заряд, хранящийся на нем, и вы обнаружите, что пластина находится на определенное напряжение. Если вы поднесете вторую идентичную тарелку близко к это, вы обнаружите, что можете хранить гораздо больше заряда на первой пластине для такое же напряжение. Это потому, что первая пластина создает электрический поле вокруг него, которое "индуцирует" равный и противоположный заряд на второй тарелке. Таким образом, вторая пластина снижает напряжение. первой пластины. Теперь мы можем хранить больше заряда на первой пластине не вызывая искры.Мы можем продолжать делать это, пока не достигнем исходное напряжение. С большим запасом заряда (Q) точно так же напряжение (В), уравнение C & равно; Q / V сообщает нам, что мы увеличили емкость нашего устройства накопления заряда, добавив вторую пластину, и именно поэтому конденсаторы имеют две пластины, а не одну. На практике дополнительная пластина дает огромную разницу между , что Вот почему все конденсаторы на практике имеют две пластины.

Как увеличить емкость?

Интуитивно очевидно, что если вы сделаете тарелки больше, вы сможете хранить больше заряда (так же, как если бы вы сделали шкаф больше, вы можете набить больше вещи внутри него).Так что увеличение площади пластин тоже увеличивает емкость. Менее очевидно, если мы уменьшим расстояние между пластинами, что также увеличивает емкость. Это потому что чем короче расстояние между пластинами, тем больше эффект пластины располагаются одна на другой. Вторая тарелка, будучи ближе, еще больше снижает потенциал первой пластины, и это увеличивает емкость.

Изображение: диэлектрик увеличивает емкость конденсатора за счет уменьшения электрического поле между пластинами, что снижает потенциал (напряжение) каждой пластины.Это означает, что вы можете хранить больше заряд на пластинах при одинаковом напряжении. Электрическое поле в этом конденсаторе исходит от положительной пластины. слева к отрицательной пластине справа. Поскольку противоположные заряды притягиваются, полярные молекулы (серые) диэлектрика выстраиваются в линию в противоположном направлении - и это то, что уменьшает поле.

Последнее, что мы можем сделать, чтобы увеличить емкость, - это изменить диэлектрик (материал между пластинами). Воздух работает неплохо, но другие материалы даже лучше.Стекло как минимум в 5 раз больше эффективнее воздуха, поэтому самые ранние конденсаторы (Leyden банки, используя обычное стекло в качестве диэлектрика) работали так хорошо, но это тяжело, непрактично, и его трудно втиснуть в небольшие помещения. Вощеный бумага примерно в 4 раза лучше воздуха, очень тонкая, дешевая, легко изготавливать крупными кусками и легко скатывать, что делает его отличным, практический диэлектрик. Лучшие диэлектрические материалы сделаны из полярных молекулы (с более положительным электрическим зарядом на одной стороне и с другой стороны, больше отрицательного электрического заряда).Когда они сидят в электрическое поле между двумя пластинами конденсатора, они совпадают со своими заряды направлены напротив поля, что эффективно его уменьшает. Это снижает потенциал на пластинах и, как и раньше, увеличивает их емкость. Теоретически вода, состоящая из крошечных полярные молекулы, будут отличным диэлектриком, примерно в 80 раз лучше воздуха. На практике, правда, не все так хорошо (протекает и высыхает и превращается из жидкости в лед или пар при относительно умеренные температуры), поэтому в реальных конденсаторах он не используется.

Диаграмма: Различные материалы делают диэлектрики лучше или хуже в зависимости от того, насколько хорошо они изолируют пространство между пластинами конденсатора и уменьшают электрическое поле между ними. Измерение, называемое относительной диэлектрической проницаемостью, говорит нам, насколько хорошим будет диэлектрик. Вакуум является наихудшим диэлектриком, и его относительная диэлектрическая проницаемость равна 1. Другие диэлектрики измеряются относительно (путем сравнения) с вакуумом. Воздух примерно такой же. Бумага примерно в 3 раза лучше.Спирт и вода, которые имеют полярные молекулы, являются особенно хорошими диэлектриками.

Как работают конденсаторы? - Объясни, что материал

Смотрите в небо большую часть дней, и вы увидите огромные конденсаторы парит над твоей головой. Конденсаторы (иногда называемые конденсаторами) устройства хранения энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемники и другое электронное оборудование. Настройте радио на станции, сделайте снимок со вспышкой с помощью цифрового камеру или щелкни каналов на вашем HDTV, и у вас все хорошо использование конденсаторов.В конденсаторы, которые дрейфуют по небу, более известны как облака и, хотя они совершенно гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике они точно так же накапливают энергию. Давайте подробнее рассмотрим конденсаторы и как они работают!

Фотография: Типичный конденсатор, используемый в электронных схемах. Этот называется электролитическим конденсатором и рассчитан на 4,7 мкФ (4,7 мкФ). с рабочим напряжением 350 вольт (350 В).

Что такое конденсатор?

Фото: Маленький конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Возьмем два электрических проводника (то, что пропускает электричество через них) и разделите их изолятором (материал что не пропускает электричество очень хорошо) и вы делаете конденсатор: то, что может хранить электрическую энергию. Добавление электроэнергии к конденсатору называется зарядка ; высвобождая энергию из Конденсатор известен как разрядный .

Конденсатор немного похож на батарею, но у него другая работа делать.Батарея использует химические вещества для хранения электрической энергии и высвобождения это очень медленно через цепь; иногда (в случае кварца смотреть) это может занять несколько лет. Конденсатор обычно высвобождает это энергия намного быстрее - часто за секунды или меньше. Если вы берете например, снимок со вспышкой, вам понадобится камера, чтобы огромная вспышка света за доли секунды. Конденсатор прилагается к вспышке заряжается в течение нескольких секунд, используя энергию вашего аккумуляторы фотоаппарата. (Для зарядки конденсатора требуется время, и это почему обычно приходится немного подождать.) Как только конденсатор полностью заряжен, он может высвободить всю эту энергию. в мгновение ока через ксеноновую лампочку-вспышку. Зап!

Конденсаторы

бывают всех форм и размеров, но обычно они те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины , , в основном по историческим причинам) и между ними есть изолятор. их (называемый диэлектриком ). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединения снаружи называются клеммами , которые похожи на тонкие металлические ножки можно подключить в электрическую цепь.

Фото: Внутри электролитический конденсатор немного похож на швейцарский рулет. «Пластины» - это два очень тонких листа металла; диэлектрик - масляная пластиковая пленка между ними. Все это упаковано в компактный цилиндр и покрыто металлическим защитным футляром. ВНИМАНИЕ: вскрытие конденсаторов может быть опасным. Во-первых, они могут выдерживать очень высокое напряжение. Во-вторых, диэлектрик иногда состоит из токсичных или едких химикатов, которые могут обжечь кожу.

Изображение: как электролитический конденсатор изготавливается путем скатывания листов алюминиевой фольги (серого цвета) и диэлектрического материала (в данном случае бумаги или тонкой марли, пропитанной кислотой или другим органическим химическим веществом).Листы фольги подключаются к клеммам (синим) наверху, поэтому конденсатор можно подключить в цепь. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США из патента США 2089683: Электрический конденсатор Фрэнка Кларка, General Electric, 10 августа 1937 г.

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрическая цепь. При включении питания электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина получает положительный заряд а другая пластина получает равный и противоположный (отрицательный) заряд.Если вы отключаете питание, конденсатор держит заряд (хотя со временем он может медленно вытекать). Но если подключить конденсатор ко второй цепи, содержащей что-то вроде электрического электродвигателя или лампочки-вспышки, заряд будет стекать с конденсатора через двигатель или лампу, пока на пластинах не останется ничего.

Хотя конденсаторы фактически выполняют только одну работу (хранение заряда), их можно использовать для самых разных целей в электротехнике. схемы. Их можно использовать в качестве устройств отсчета времени (потому что для этого требуется определенное, предсказуемое количество времени для их зарядки), как фильтры (схемы, которые пропускают только определенные сигналы), для сглаживания напряжение в цепях, для настройки (в радиоприемниках и телевизорах), а также для множество других целей.Большие суперконденсаторы также могут быть используется вместо батареек.

Что такое емкость?

Количество электрической энергии, которую может хранить конденсатор, зависит от его емкость . Емкость конденсатора немного похожа на размер ведра: чем больше ведро, тем больше воды оно может вместить; чем больше емкость, тем больше электричества может выдержать конденсатор. хранить. Есть три способа увеличить емкость конденсатор. Один из них - увеличить размер тарелок.Другой - сдвиньте пластины ближе друг к другу. Третий способ - сделать диэлектрик как можно лучше изолятор. Конденсаторы используют диэлектрики из всевозможных материалов. В транзисторных радиоприемниках настройка осуществляется большим переменным конденсатором , который между пластинами нет ничего, кроме воздуха. В большинстве электронных схем конденсаторы представляют собой герметичные компоненты с диэлектриками из керамики такие как слюда и стекло, бумага, пропитанная маслом, или пластмассы, такие как майлар.

Фото: Этот переменный конденсатор прикреплен к главной шкале настройки в транзисторном радиоприемнике.Когда вы поворачиваете циферблат пальцем, вы поворачиваете ось, проходящую через конденсатор. Это вращает набор тонких металлических пластин, так что они перекрываются в большей или меньшей степени с другим набором пластин, продетых между ними. Степень перекрытия пластин изменяет емкость, и именно это настраивает радио на определенную станцию.

Как измерить емкость?

Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарад (F), названный в честь английского пионера электротехники Майкла Фарадея (1791–1867).Один фарад - это огромная емкость так что на практике большинство конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, просто доли фарада - обычно микрофарады (миллионные доли фарада, пишется мкФ), нанофарады (миллиардные доли фарада, написанные нФ), и пикофарады (миллионные доли фарада, написано пФ). Суперконденсаторы хранят гораздо большие заряды, иногда оценивается в тысячи фарадов.

Почему конденсаторы накапливают энергию?

Если вы находите конденсаторы загадочными и странными, и они на самом деле не имеют для вас смысла, вместо этого попробуйте подумать о гравитации.Предположим, вы стоите у подножия ступенек. и вы решаете начать восхождение. Вы должны поднять свое тело против земного притяжения, которая является притягивающей (тянущей) силой. Как говорят физики, чтобы подняться, нужно «работать». лестница (работать против силы тяжести) и использовать энергию. Энергия, которую вы используете, не теряется, но хранится в вашем теле в виде гравитационной потенциальной энергии, которую вы могли бы использовать для других целей (например, спуск вниз по горке на уровень земли).

То, что вы делаете, когда поднимаетесь по ступеням, лестницам, горам или чему-либо еще, работает против Земли. гравитационное поле.Очень похожая вещь происходит с конденсатором. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу, как противоположное полюса двух магнитов - или как ваше тело и Земля. Если вы их разделите, вам придется «поработать» против этого электростатического заряда. сила. Опять же, как и при подъеме по ступенькам, энергия, которую вы используете, не теряется, а накапливается зарядами, когда они отдельный. На этот раз он называется , электрическая потенциальная энергия . И это, если вы не догадались к настоящему времени это энергия, которую накапливает конденсатор.Две его пластины содержат противоположные заряды и разделение между ними создает электрическое поле. Вот почему конденсатор накапливает энергию.

Почему у конденсаторов две пластины?

Фото: Очень необычный регулируемый конденсатор с параллельными пластинами, который Эдвард Беннетт Роза и Ноа Эрнест Дорси из Национального бюро стандартов (NBS) использовали для измерения скорости света в 1907 году. Точное расстояние между ними. пластины можно регулировать (и измерять) с помощью микрометрического винта.Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Как мы уже видели, конденсаторы имеют две проводящие пластины. разделены изолятором. Чем больше тарелки, тем ближе они являются, и чем лучше изолятор между ними, тем больше заряда конденсатор можно хранить. Но почему все это правда? Почему бы и нет у конденсаторов только одна большая пластина? Попробуем найти простой и удовлетворительное объяснение.

Предположим, у вас есть большой металлический шар, установленный на изоляционном деревянная подставка.Вы можете хранить определенное количество электрического заряда на сфера; чем он больше (чем больше радиус), тем больше заряда вы можете хранить, и чем больше заряда вы храните, тем больше потенциал (напряжение) сферы. Однако в конце концов вы достигнете точка, в которой, если вы добавите хотя бы один дополнительный электрон ( наименьшая возможная единица заряда) конденсатор перестанет работать. Воздух вокруг него разобьется, превратившись из изолятора в проводник: заряд будет лететь по воздуху на Землю (землю) или другой ближайший проводник в виде искры - электрического тока - в мини заряд молнии.Максимальный заряд, который вы можете хранить на сфера - это то, что мы подразумеваем под ее емкостью. Напряжение (В), заряд (Q), и емкость связаны очень простым уравнением:

C = Q / V

Таким образом, чем больше заряда вы можете сохранить при данном напряжении, не вызывая воздух для разрушения и искры, тем выше емкость. Если бы ты мог как-то хранить больше заряда на сфере, не доходя до точки там, где вы создали искру, вы бы эффективно увеличили ее емкость. Как ты мог это сделать?

Забудьте о сфере.Предположим, у вас есть плоская металлическая пластина с максимально возможный заряд, хранящийся на нем, и вы обнаружите, что пластина находится на определенное напряжение. Если вы поднесете вторую идентичную тарелку близко к это, вы обнаружите, что можете хранить гораздо больше заряда на первой пластине для такое же напряжение. Это потому, что первая пластина создает электрический поле вокруг него, которое "индуцирует" равный и противоположный заряд на второй тарелке. Таким образом, вторая пластина снижает напряжение. первой пластины. Теперь мы можем хранить больше заряда на первой пластине не вызывая искры.Мы можем продолжать делать это, пока не достигнем исходное напряжение. С большим запасом заряда (Q) точно так же напряжение (В), уравнение C & равно; Q / V сообщает нам, что мы увеличили емкость нашего устройства накопления заряда, добавив вторую пластину, и именно поэтому конденсаторы имеют две пластины, а не одну. На практике дополнительная пластина дает огромную разницу между , что Вот почему все конденсаторы на практике имеют две пластины.

Как увеличить емкость?

Интуитивно очевидно, что если вы сделаете тарелки больше, вы сможете хранить больше заряда (так же, как если бы вы сделали шкаф больше, вы можете набить больше вещи внутри него).Так что увеличение площади пластин тоже увеличивает емкость. Менее очевидно, если мы уменьшим расстояние между пластинами, что также увеличивает емкость. Это потому что чем короче расстояние между пластинами, тем больше эффект пластины располагаются одна на другой. Вторая тарелка, будучи ближе, еще больше снижает потенциал первой пластины, и это увеличивает емкость.

Изображение: диэлектрик увеличивает емкость конденсатора за счет уменьшения электрического поле между пластинами, что снижает потенциал (напряжение) каждой пластины.Это означает, что вы можете хранить больше заряд на пластинах при одинаковом напряжении. Электрическое поле в этом конденсаторе исходит от положительной пластины. слева к отрицательной пластине справа. Поскольку противоположные заряды притягиваются, полярные молекулы (серые) диэлектрика выстраиваются в линию в противоположном направлении - и это то, что уменьшает поле.

Последнее, что мы можем сделать, чтобы увеличить емкость, - это изменить диэлектрик (материал между пластинами). Воздух работает неплохо, но другие материалы даже лучше.Стекло как минимум в 5 раз больше эффективнее воздуха, поэтому самые ранние конденсаторы (Leyden банки, используя обычное стекло в качестве диэлектрика) работали так хорошо, но это тяжело, непрактично, и его трудно втиснуть в небольшие помещения. Вощеный бумага примерно в 4 раза лучше воздуха, очень тонкая, дешевая, легко изготавливать крупными кусками и легко скатывать, что делает его отличным, практический диэлектрик. Лучшие диэлектрические материалы сделаны из полярных молекулы (с более положительным электрическим зарядом на одной стороне и с другой стороны, больше отрицательного электрического заряда).Когда они сидят в электрическое поле между двумя пластинами конденсатора, они совпадают со своими заряды направлены напротив поля, что эффективно его уменьшает. Это снижает потенциал на пластинах и, как и раньше, увеличивает их емкость. Теоретически вода, состоящая из крошечных полярные молекулы, будут отличным диэлектриком, примерно в 80 раз лучше воздуха. На практике, правда, не все так хорошо (протекает и высыхает и превращается из жидкости в лед или пар при относительно умеренные температуры), поэтому в реальных конденсаторах он не используется.

Диаграмма: Различные материалы делают диэлектрики лучше или хуже в зависимости от того, насколько хорошо они изолируют пространство между пластинами конденсатора и уменьшают электрическое поле между ними. Измерение, называемое относительной диэлектрической проницаемостью, говорит нам, насколько хорошим будет диэлектрик. Вакуум является наихудшим диэлектриком, и его относительная диэлектрическая проницаемость равна 1. Другие диэлектрики измеряются относительно (путем сравнения) с вакуумом. Воздух примерно такой же. Бумага примерно в 3 раза лучше.Спирт и вода, которые имеют полярные молекулы, являются особенно хорошими диэлектриками.

Конденсаторы

- learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 76

Теория конденсаторов

Примечание : Материал на этой странице не совсем критичен для понимания новичками в электронике ... и к концу все становится немного сложнее. Мы рекомендуем прочитать раздел Как делается конденсатор , остальные, вероятно, можно было бы пропустить, если они вызывают у вас головную боль.

Как делается конденсатор

Схематический символ конденсатора на самом деле очень похож на то, как он сделан. Конденсатор состоит из двух металлических пластин и изоляционного материала, называемого диэлектриком . Металлические пластины расположены очень близко друг к другу, параллельно, но между ними находится диэлектрик, чтобы они не соприкасались.

Стандартный сэндвич с конденсаторами: две металлические пластины, разделенные изолирующим диэлектриком.

Диэлектрик может быть изготовлен из любых изоляционных материалов: бумаги, стекла, резины, керамики, пластика или всего, что препятствует прохождению тока.

Пластины изготовлены из проводящего материала: алюминия, тантала, серебра или других металлов. Каждый из них подключен к клеммному проводу, который в конечном итоге подключается к остальной части схемы.

Емкость конденсатора - сколько в нем фарад - зависит от того, как он устроен. Для большей емкости требуется конденсатор большего размера. Пластины с большей площадью перекрытия поверхности обеспечивают большую емкость, в то время как большее расстояние между пластинами означает меньшую емкость. Материал диэлектрика даже влияет на то, сколько фарад имеет колпачок.Полная емкость конденсатора может быть рассчитана по формуле:

где ε r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (постоянное значение, определяемое материалом диэлектрика), A - площадь перекрытия пластин друг с другом, а d - расстояние между пластинами.

Как работает конденсатор

Электрический ток - это поток электрического заряда, который электрические компоненты используют, чтобы загораться, вращаться или делать то, что они делают.Когда ток течет в конденсатор, заряды «застревают» на пластинах, потому что они не могут пройти через изолирующий диэлектрик. Электроны - отрицательно заряженные частицы - засасываются одной из пластин, и она становится в целом отрицательно заряженной. Большая масса отрицательных зарядов на одной пластине отталкивает, как заряды, на другой пластине, делая ее заряженной положительно.

Положительный и отрицательный заряды на каждой из этих пластин притягиваются друг к другу, потому что это то, что делают противоположные заряды.Но с диэлектриком, сидящим между ними, как бы они ни хотели соединиться, заряды навсегда останутся на пластине (до тех пор, пока им не будет куда-то идти). Стационарные заряды на этих пластинах создают электрическое поле, которое влияет на электрическую потенциальную энергию и напряжение. Когда заряды группируются на конденсаторе таким образом, крышка накапливает электрическую энергию так же, как батарея может накапливать химическую энергию.

Зарядка и разрядка

Когда положительный и отрицательный заряды сливаются на пластинах конденсатора, конденсатор становится заряженным .Конденсатор может сохранять свое электрическое поле - удерживать свой заряд - потому что положительный и отрицательный заряды на каждой из пластин притягиваются друг к другу, но никогда не достигают друг друга.

В какой-то момент обкладки конденсатора будут настолько заряжены, что просто не смогут принимать больше. На одной пластине достаточно отрицательных зарядов, чтобы они могли отразить любые другие, которые попытаются присоединиться. Именно здесь вступает в игру емкость конденсатора , (фарад), которая говорит вам о максимальном количестве заряда, которое может хранить конденсатор.

Если в цепи создается путь, который позволяет зарядам найти другой путь друг к другу, они покинут конденсатор, и он разрядит .

Например, в схеме ниже можно использовать батарею для создания электрического потенциала на конденсаторе. Это вызовет нарастание одинаковых, но противоположных зарядов на каждой из пластин, пока они не станут настолько полными, что оттолкнут ток от протекания. Светодиод, расположенный последовательно с крышкой, может обеспечивать путь для тока, а энергия, запасенная в конденсаторе, может использоваться для кратковременного освещения светодиода.

Расчет заряда, напряжения и тока

Емкость конденсатора - сколько в нем фарад - говорит вам, сколько заряда он может хранить. Сколько заряда хранит конденсатор в настоящее время, зависит от разности потенциалов (напряжения) между его пластинами. Это соотношение между зарядом, емкостью и напряжением можно смоделировать с помощью следующего уравнения:

Заряд (Q), накопленный в конденсаторе, является произведением его емкости (C) и приложенного к нему напряжения (V).

Емкость конденсатора всегда должна быть постоянной известной величиной. Таким образом, мы можем регулировать напряжение, чтобы увеличивать или уменьшать заряд крышки. Больше напряжения означает больше заряда, меньше напряжения ... меньше заряда.

Это уравнение также дает нам хороший способ определить значение одного фарада. Один фарад (F) - это способность хранить одну единицу энергии (кулоны) на каждый вольт.

Расчет тока

Мы можем пойти дальше по уравнению заряда / напряжения / емкости, чтобы выяснить, как емкость и напряжение влияют на ток, потому что ток является скоростью потока заряда.Суть отношения конденсатора к напряжению и току такова: величина тока через конденсатор зависит как от емкости, так и от того, как быстро напряжение растет или падает . Если напряжение на конденсаторе быстро растет, через конденсатор будет индуцироваться большой положительный ток. Более медленный рост напряжения на конденсаторе означает меньший ток через него. Если напряжение на конденсаторе стабильное и неизменное, через него не будет проходить ток.

(Это некрасиво и касается вычислений. Это не все, что необходимо, пока вы не перейдете к анализу во временной области, разработке фильтров и прочим грубым вещам, так что переходите к следующей странице, если вам не нравится это уравнение. .) Уравнение для расчета тока через конденсатор:

Часть dV / dt этого уравнения является производной (причудливый способ сказать мгновенная скорость ) напряжения с течением времени, это эквивалентно выражению «насколько быстро напряжение растет или падает в этот самый момент».Большой вывод из этого уравнения заключается в том, что если напряжение стабильно , производная равна нулю, что означает, что ток также равен нулю . Вот почему ток не может течь через конденсатор, поддерживающий постоянное постоянное напряжение.



← Предыдущая страница
Условные обозначения и единицы

Конденсаторы и диэлектрики | Физика II

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите действие конденсатора и определите емкость.
  • Объясните, почему конденсаторы с параллельными пластинами и их емкости.
  • Обсудите процесс увеличения емкости диэлектрика.
  • Определите емкость при заданном заряде и напряжении.

Конденсатор - это устройство, используемое для хранения электрического заряда. Конденсаторы имеют различные применения: от фильтрации статического электричества при радиосигнале до накопления энергии в дефибрилляторах сердца. Обычно в промышленных конденсаторах две проводящие части расположены близко друг к другу, но не соприкасаются, как показано на рисунке 1.(В большинстве случаев между двумя пластинами используется изолятор для обеспечения разделения - см. Обсуждение диэлектриков ниже.) Когда клеммы батареи подключены к первоначально незаряженному конденсатору, равные количества положительного и отрицательного заряда, + Q и - Q разделены на две пластины. Конденсатор в целом остается нейтральным, но в этом случае мы называем его хранящим заряд Q .

Рис. 1. Оба конденсатора, показанные здесь, были изначально разряжены перед подключением к батарее.Теперь у них разделены заряды + Q и - Q на двух своих половинах. (а) Конденсатор с параллельными пластинами. (b) Скрученный конденсатор с изоляционным материалом между двумя проводящими листами.

Конденсатор

Конденсатор - это устройство, используемое для хранения электрического заряда.

Количество заряда Q , которое может хранить конденсатор , зависит от двух основных факторов - приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.

Количество заряда

Q конденсатор может хранить

Количество заряда Q , которое может хранить конденсатор , зависит от двух основных факторов - приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.

Рис. 2. Силовые линии электрического поля в этом конденсаторе с параллельными пластинами, как всегда, начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными. Поскольку напряженность электрического поля пропорциональна плотности силовых линий, она также пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Система, состоящая из двух идентичных параллельных проводящих пластин, разделенных расстоянием, как на рисунке 2, называется конденсатором с параллельными пластинами . Легко увидеть взаимосвязь между напряжением и накопленным зарядом для конденсатора с параллельными пластинами, как показано на рисунке 2. Каждая линия электрического поля начинается с отдельного положительного заряда и заканчивается отрицательным, так что поля будет больше. линии, если есть больший заряд. (Рисование одной линии поля для каждой зарядки - это только удобство.Мы можем нарисовать много силовых линий для каждого заряда, но их общее количество пропорционально количеству зарядов.) Таким образом, напряженность электрического поля прямо пропорциональна Q .

Поле пропорционально начислению:

E Q ,

, где символ ∝ означает «пропорционально». Из обсуждения в разделе «Электрический потенциал в однородном электрическом поле» мы знаем, что напряжение на параллельных пластинах равно

.

V = Ed .

Таким образом, V E . Отсюда следует, что V Q , и, наоборот,

Q V .

В целом это верно: чем больше напряжение, приложенное к любому конденсатору, тем больше в нем хранится заряд.

Различные конденсаторы будут накапливать разное количество заряда для одного и того же приложенного напряжения в зависимости от их физических характеристик. Мы определяем их емкость C так, чтобы заряд Q , хранящийся в конденсаторе, был пропорционален C .Заряд, накопленный в конденсаторе, равен

.

Q = CV .

Это уравнение выражает два основных фактора, влияющих на количество накопленного заряда. Этими факторами являются физические характеристики конденсатора C и напряжение В . Изменив уравнение, мы видим, что емкость , C, , - это количество накопленного заряда на вольт, , или

.

[латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex].

Емкость

Емкость C - это величина накопленного заряда на вольт, или

[латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex]

Единица измерения емкости - фарад (Ф), названная в честь Майкла Фарадея (1791–1867), английского ученого, внесшего вклад в области электромагнетизма и электрохимии. Поскольку емкость - это заряд на единицу напряжения, мы видим, что фарад - это кулон на вольт, или

.

[латекс] 1 \ text {F} = \ frac {1 \ text {C}} {1 \ text {V}} \\ [/ latex].

Конденсатор емкостью 1 фарад может хранить 1 кулон (очень большое количество заряда) при подаче всего 1 вольт. Таким образом, одна фарада - это очень большая емкость. Типичные конденсаторы варьируются от долей пикофарада (1 пФ = 10 −12 Ф) до миллифарадов (1 мФ = 10 −3 Ф).

На рисунке 3 показаны некоторые распространенные конденсаторы. Конденсаторы в основном изготавливаются из керамики, стекла или пластика, в зависимости от назначения и размера. Как обсуждается ниже, в их конструкции обычно используются изоляционные материалы, называемые диэлектриками.

Рисунок 3. Некоторые типичные конденсаторы. Размер и значение емкости не обязательно связаны. (Источник: Windell Oskay)

Конденсатор с параллельной пластиной

Рис. 4. Конденсатор с параллельными пластинами, разделенные пластинами на расстояние d. Каждая пластина имеет площадь A.

Конденсатор с параллельными пластинами, показанный на рисунке 4, имеет две идентичные проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поверхности A, , разделенных расстоянием d (без материала между пластинами).Когда на конденсатор подается напряжение В, , он сохраняет заряд Q , как показано. Мы можем увидеть, как его емкость зависит от A и d , рассмотрев характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что одинаковые заряды отталкиваются, в отличие от зарядов притягиваются, и сила между зарядами уменьшается с расстоянием. Поэтому кажется вполне разумным, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить, потому что заряды могут расходиться больше. Таким образом, C должен быть больше для большего A .Точно так же, чем ближе пластины расположены друг к другу, тем сильнее на них притяжение противоположных зарядов. Таким образом, C должно быть больше для меньшего d .

Можно показать, что для конденсатора с параллельными пластинами есть только два фактора ( A, и d ), которые влияют на его емкость C . Емкость конденсатора с параллельными пластинами в форме уравнения равна

.

[латекс] C = \ epsilon_ {o} \ frac {A} {d} \\ [/ latex].

Емкость параллельного пластинчатого конденсатора

[латекс] C = \ epsilon_ {o} \ frac {A} {d} \\ [/ latex]

A - это площадь одной пластины в квадратных метрах, а d - это расстояние между пластинами в метрах.Константа ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства; его числовое значение в единицах СИ составляет ε 0 = 8,85 × 10 −12 Ф / м. Единицы измерения Ф / м эквивалентны C 2 / Н · м 2 . Небольшое числовое значение ε 0 связано с большим размером фарада. Конденсатор с параллельными пластинами должен иметь большую площадь, чтобы его емкость приближалась к фараду. (Обратите внимание, что приведенное выше уравнение действительно, когда параллельные пластины разделены воздухом или свободным пространством.Когда между пластинами помещается другой материал, уравнение изменяется, как обсуждается ниже.)

Пример 1. Емкость и заряд в параллельном пластинчатом конденсаторе

  1. Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами, каждая из которых имеет площадь 1,00 м 2 , разделенных расстоянием 1,00 мм?
  2. Какой заряд хранится в этом конденсаторе, если к нему приложено напряжение 3,00 × 10 3 В?
Стратегия

Определение емкости C представляет собой прямое приложение уравнения [латекс] C = \ epsilon_ {o} \ frac {A} {d} \\ [/ latex].{-9} \ text {F} = 8.85 \ text {nF} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение части 1

Это небольшое значение емкости указывает на то, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью. Помогают специальные методы, такие как использование тонких пленок очень большой площади, расположенных близко друг к другу.

Решение для Части 2

Заряд любого конденсатора определяется уравнением Q = CV . Ввод известных значений в это уравнение дает

[латекс] \ begin {array} {lll} Q & = & CV = \ left (8.{3} \ text {V} \ right) \\\ text {} & = & 26.6 \ mu \ text {C} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение части 2

Этот заряд лишь немного больше, чем у обычного статического электричества. Поскольку воздух разрывается при примерно 3,00 × 10 6 В / м, на этом конденсаторе не может быть накоплено больше заряда за счет увеличения напряжения.

Другой интересный биологический пример, связанный с электрическим потенциалом, обнаружен в плазматической мембране клетки. {6} \ text {V / m} \\ [/ latex]

Этого электрического поля достаточно, чтобы вызвать пробой в воздухе.

Диэлектрик

Предыдущий пример подчеркивает сложность сохранения большого количества заряда в конденсаторах. Если d сделать меньше, чтобы получить большую емкость, то максимальное напряжение должно быть уменьшено пропорционально, чтобы избежать пробоя (поскольку [латекс] E = \ frac {V} {d} \\ [/ latex]). Важным решением этой проблемы является размещение изоляционного материала, называемого диэлектриком , между пластинами конденсатора и обеспечение минимально возможного размера d .Мало того, что меньший d увеличивает емкость, многие изоляторы могут выдерживать более сильные электрические поля, чем воздух, перед тем, как сломаться.

Есть еще одно преимущество использования диэлектрика в конденсаторе. В зависимости от используемого материала емкость больше, чем заданная уравнением [латекс] C = \ kappa \ epsilon_ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex], на коэффициент κ , называемый диэлектрическая проницаемость . Конденсатор с параллельными пластинами с диэлектриком между пластинами имеет емкость, определяемую выражением [латекс] C = \ kappa \ epsilon_ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex] (конденсатор с параллельными пластинами с диэлектриком).

Значения диэлектрической проницаемости κ для различных материалов приведены в таблице 1. Обратите внимание, что κ для вакуума равно 1, и поэтому приведенное выше уравнение справедливо и в этом случае. Если использовать диэлектрик, например, поместив тефлон между пластинами конденсатора в примере 1, то емкость будет больше в κ раз, что для тефлона составляет 2,1.

Эксперимент на вынос: создание конденсатора

Насколько большой конденсатор можно сделать из обертки от жевательной резинки? Пластины будут из алюминиевой фольги, а разделитель (диэлектрик) между ними - из бумаги.

Таблица 1. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая прочность для различных материалов при 20ºC
Материал Диэлектрическая проницаемость κ Диэлектрическая прочность (В / м)
Вакуум 1,00000
Воздух 1.00059 3 × 10 6
Бакелит 4,9 24 × 10 6
Плавленый кварц 3.78 8 × 10 6
Неопреновый каучук 6,7 12 × 10 6
Нейлон 3,4 14 × 10 6
Бумага 3,7 16 × 10 6
Полистирол 2,56 24 × 10 6
Стекло Pyrex 5,6 14 × 10 6
Кремниевое масло 2.5 15 × 10 6
Титанат стронция 233 8 × 10 6
тефлон 2,1 60 × 10 6
Вода 80

Обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость воздуха очень близка к 1, так что конденсаторы, заполненные воздухом, действуют так же, как конденсаторы с вакуумом между пластинами , за исключением , что воздух может стать проводящим, если напряженность электрического поля становится равной. слишком большой.(Напомним, что [латекс] E = \ frac {V} {d} \\ [/ latex] для конденсатора с параллельными пластинами.) Также в таблице 1 показаны максимальные напряженности электрического поля в В / м, которые называются диэлектрической прочностью , для нескольких материалов. Это поля, над которыми материал начинает разрушаться и проводить. Диэлектрическая прочность накладывает ограничение на напряжение, которое может быть приложено для данного расстояния между пластинами. 6 \ text {V / m} \ right) \ left ( 1.{-3} \ text {m} \ right) \\\ text {} & = & 3000 \ text {V} \ end {array} \\ [/ latex]

Однако предел для расстояния 1,00 мм, заполненного тефлоном, составляет 60 000 В, поскольку диэлектрическая прочность тефлона составляет 60 × 10 90 450 6 90 451 В / м. Таким образом, тот же конденсатор, заполненный тефлоном, имеет большую емкость и может подвергаться гораздо большему напряжению. Используя емкость, которую мы рассчитали в приведенном выше примере для конденсатора с параллельными пластинами, заполненного воздухом, мы обнаружили, что конденсатор с тефлоновым заполнением может хранить максимальный заряд

[латекс] \ begin {array} {lll} Q & = & CV \\\ text {} & = & \ kappa {C} _ {\ text {air}} V \\\ text {} & = & (2.4 \ text {V}) \\\ text {} & = & 1.1 \ text {mC} \ end {array} \\ [/ latex]

Это в 42 раза больше заряда того же конденсатора, заполненного воздухом.

Диэлектрическая прочность

Максимальная напряженность электрического поля, при превышении которой изолирующий материал начинает разрушаться и становится проводником, называется его диэлектрической прочностью.

Микроскопически, как диэлектрик увеличивает емкость? За это отвечает поляризация изолятора. Чем легче он поляризуется, тем больше его диэлектрическая проницаемость κ .Вода, например, представляет собой полярную молекулу , потому что один конец молекулы имеет небольшой положительный заряд, а другой конец имеет небольшой отрицательный заряд. Полярность воды обуславливает ее относительно большую диэлектрическую проницаемость, равную 80. Эффект поляризации лучше всего объясняется характеристиками кулоновской силы. На рис. 5 схематично показано разделение зарядов в молекулах диэлектрического материала, помещенных между заряженными пластинами конденсатора. Кулоновская сила между ближайшими концами молекул и зарядом на пластинах притягивает и очень сильна, поскольку они расположены очень близко друг к другу.Это притягивает больше заряда к пластинам, чем если бы пространство было пустым, а противоположные заряды находились на расстоянии d друг от друга.

Рис. 5. (a) Молекулы изоляционного материала между пластинами конденсатора поляризованы заряженными пластинами. Это создает слой противоположного заряда на поверхности диэлектрика, который притягивает больше заряда к пластине, увеличивая ее емкость. (б) Диэлектрик снижает напряженность электрического поля внутри конденсатора, что приводит к уменьшению напряжения между пластинами при одинаковом заряде.Конденсатор сохраняет тот же заряд при меньшем напряжении, что означает, что он имеет большую емкость из-за диэлектрика.

Другой способ понять, как диэлектрик увеличивает емкость, - это рассмотреть его влияние на электрическое поле внутри конденсатора. На рисунке 5 (b) показаны силовые линии электрического поля с установленным диэлектриком. Поскольку силовые линии заканчиваются зарядами в диэлектрике, их меньше, идущих от одной стороны конденсатора к другой. Таким образом, напряженность электрического поля меньше, чем если бы между пластинами был вакуум, даже если бы на пластинах был одинаковый заряд.Напряжение между пластинами составляет В, = Ed, , поэтому оно тоже снижается за счет диэлектрика. Таким образом, есть меньшее напряжение В, для того же заряда Q ; поскольку [латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex], емкость C больше.

Диэлектрическая проницаемость обычно определяется как [латекс] \ kappa = \ frac {E_0} {E} \\ [/ latex], или отношение электрического поля в вакууме к электрическому полю в диэлектрическом материале, и в конечном итоге связанные с поляризуемостью материала.

Великие и малые вещи: субмикроскопическое происхождение поляризации

Поляризация - это разделение зарядов в атоме или молекуле. Как уже отмечалось, планетарная модель атома описывает его как имеющее положительное ядро, вращающееся вокруг отрицательных электронов, аналогично планетам, вращающимся вокруг Солнца. Хотя эта модель не совсем точна, она очень полезна для объяснения широкого круга явлений и будет уточнена в других местах, например, в атомной физике. Субмикроскопическое происхождение поляризации можно смоделировать, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Художественное представление о поляризованном атоме. Орбиты электронов вокруг ядра слегка смещены внешними зарядами (показаны в преувеличении). Получающееся разделение зарядов внутри атома означает, что он поляризован. Обратите внимание, что непохожий заряд теперь ближе к внешним зарядам, вызывая поляризацию.

В атомной физике мы обнаружим, что орбиты электронов более правильно рассматривать как электронные облака с плотностью облака, связанной с вероятностью обнаружения электрона в этом месте (в отличие от определенных местоположений и путей движения планет на их орбитах). вокруг Солнца).Это облако сдвигается кулоновской силой, так что в среднем атом имеет разделенный заряд. Хотя атом остается нейтральным, теперь он может быть источником кулоновской силы, поскольку заряд, поднесенный к атому, будет ближе к одному типу заряда, чем к другому.

Некоторым молекулам, например молекулам воды, присуще разделение зарядов, поэтому они называются полярными молекулами. На рисунке 7 показано разделение зарядов в молекуле воды, которая имеет два атома водорода и один атом кислорода (H 2 O).Молекула воды несимметрична - атомы водорода отталкиваются в одну сторону, придавая молекуле форму бумеранга. Электроны в молекуле воды более сконцентрированы вокруг более заряженного ядра кислорода, чем вокруг ядер водорода. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным, а водородный конец - слегка положительным. Внутреннее разделение зарядов в полярных молекулах облегчает их выравнивание с внешними полями и зарядами. Следовательно, полярные молекулы проявляют более сильные поляризационные эффекты и имеют более высокие диэлектрические проницаемости.Те, кто изучает химию, обнаружат, что полярная природа воды имеет множество эффектов. Например, молекулы воды собирают ионы гораздо эффективнее, потому что у них есть электрическое поле и разделение зарядов для притяжения зарядов обоих знаков. Кроме того, как было показано в предыдущей главе, полярная вода обеспечивает защиту или экранирование электрических полей в сильно заряженных молекулах, представляющих интерес в биологических системах.

Рис. 7. Художественная концепция молекулы воды. Существует внутреннее разделение зарядов, поэтому вода - полярная молекула.Электроны в молекуле притягиваются к ядру кислорода и оставляют избыток положительного заряда около двух ядер водорода. (Обратите внимание, что схема справа является приблизительной иллюстрацией распределения электронов в молекуле воды. На ней не показано фактическое количество протонов и электронов, участвующих в структуре.)

Исследования PhET: лаборатория конденсаторов

Узнайте, как работает конденсатор! Измените размер пластин и добавьте диэлектрик, чтобы увидеть влияние на емкость.Измените напряжение и посмотрите, как на пластинах накапливаются заряды. Наблюдайте за электрическим полем в конденсаторе. Измерьте напряжение и электрическое поле.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

  • Конденсатор - это устройство, используемое для хранения заряда.
  • Количество заряда Q , которое может хранить конденсатор, зависит от двух основных факторов - приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.
  • Емкость C - это количество накопленного заряда на вольт, или [латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex].
  • Емкость конденсатора с параллельными пластинами составляет [латекс] C = {\ epsilon} _ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex], когда пластины разделены воздухом или свободным пространством. [latex] {\ epsilon} _ {\ text {0}} [/ latex] называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства.
  • Конденсатор с параллельными пластинами с диэлектриком между пластинами имеет емкость, определяемую выражением [латекс] C = \ kappa \ epsilon_ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex], где κ - диэлектрик. константа материала.
  • Максимальная напряженность электрического поля, выше которой изолирующий материал начинает разрушаться и становится проводником, называется электрической прочностью.

Концептуальные вопросы

  1. Зависит ли емкость устройства от приложенного напряжения? А как насчет хранящегося в нем заряда?
  2. Используйте характеристики кулоновской силы, чтобы объяснить, почему емкость должна быть пропорциональна площади пластины конденсатора. Аналогичным образом объясните, почему емкость должна быть обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
  3. Объясните причину, по которой диэлектрический материал увеличивает емкость по сравнению с тем, что было бы с воздухом между пластинами конденсатора.Какова независимая причина того, что диэлектрический материал также позволяет приложить большее напряжение к конденсатору? (Таким образом, диэлектрик увеличивает ° C и допускает более В .)
  4. Как полярный характер молекул воды помогает объяснить относительно большую диэлектрическую проницаемость воды? (См. Рисунок 7.)
  5. Искры возникают между пластинами заполненного воздухом конденсатора при более низком напряжении, когда воздух влажный, чем когда сухой. Объясните почему, учитывая полярный характер молекул воды.
  6. Вода имеет большую диэлектрическую проницаемость, но редко используется в конденсаторах. Объяснить, почему.
  7. Мембраны в живых клетках, включая клетки человека, характеризуются разделением заряда через мембрану. Таким образом, мембраны представляют собой заряженные конденсаторы, важные функции которых связаны с разностью потенциалов на мембране. Требуется ли энергия для разделения этих зарядов в живых мембранах, и если да, то является ли ее источником метаболизм пищевой энергии или каким-либо другим источником?

Рисунок 8.Полупроницаемая мембрана клетки имеет разную концентрацию ионов внутри и снаружи. Диффузия перемещает ионы K + (калий) и Cl - (хлорид) в показанных направлениях, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос. Это приводит к слою положительного заряда снаружи, слою отрицательного заряда внутри и, следовательно, к напряжению на клеточной мембране. Мембрана обычно непроницаема для Na + (ионы натрия).

Задачи и упражнения

  1. Какой заряд сохраняется в конденсаторе 180 мкФ, когда к нему приложено 120 В?
  2. Найдите накопленный заряд, когда 5.50 В подается на конденсатор емкостью 8,00 пФ.
  3. Какой заряд хранится в конденсаторе в Примере 1?
  4. Рассчитайте напряжение, приложенное к конденсатору 2,00 мкФ, когда он имеет заряд 3,10 мкКл.
  5. Какое напряжение необходимо подать на конденсатор емкостью 8,00 нФ, чтобы накопить заряд 0,160 мкКл?
  6. Какая емкость необходима для хранения 3,00 мкКл заряда при напряжении 120 В?
  7. Какая емкость терминала большого генератора Ван-де-Граафа, учитывая, что он хранит 8?00 мкКл заряда при напряжении 12,0 МВ?
  8. Найдите емкость конденсатора с параллельными пластинами, площадь пластин которого составляет 5,00 м 2 , разделенных слоем тефлона 0,100 мм.
  9. (a) Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами, площадь пластин которого составляет 1,50 м 2 , разделенных 0,0200 мм неопренового каучука? (b) Какой заряд он держит, когда к нему приложено 9,00 В?
  10. Интегрированные концепции. Шутник подает 450 В на 80.Конденсатор 0 мкФ, а затем бросает его ничего не подозревающей жертве. Палец пострадавшего обгорел от разряда конденсатора через 0,200 г мяса. Какое повышение температуры мяса? Разумно ли предполагать отсутствие изменения фазы?
  11. Необоснованные результаты. (a) Конденсатор с параллельными пластинами имеет площадь пластин 4,00 м 2 , разделенных нейлоном толщиной 0,0100 мм, и накапливает 0,170 Кл заряда. Какое приложенное напряжение? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения являются ответственными или противоречивыми?

Глоссарий

конденсатор: устройство, накапливающее электрический заряд

Емкость : количество заряда на единицу вольт

диэлектрик: изоляционный материал

диэлектрическая прочность: максимальное электрическое поле, выше которого изоляционный материал начинает разрушаться и проводить

Конденсатор с параллельными пластинами: две идентичные проводящие пластины, разделенные расстоянием

полярная молекула: молекула с внутренним разделением заряда

Избранные решения проблем и упражнения

1.21,6 мК

3. 80.0 мС

5. 20,0 кВ

7. 667 пФ

9. (а) 4,4 мкФ; (б) 4.0 × 10 −5 C

11. (а) 14,2 кВ; (b) Напряжение неоправданно велико, более чем в 100 раз больше напряжения пробоя нейлона; (c) Предполагаемый заряд неоправданно велик и не может храниться в конденсаторе таких размеров.

Конденсаторы

: все, что вам нужно знать | ОРЕЛ

Нет, мы здесь не говорим о Grand Theft Auto! Закрывание крышки в мире электроники нехорошо, если вам не нравится видеть, как ваш электролитический конденсатор горит в огне.Конденсаторы играют важную роль в семействе пассивных электронных компонентов, и их можно использовать повсюду.

Помните вспышку в вашей цифровой камере? Конденсаторы делают это возможным. Или возможность переключать канал на телевизоре? Опять конденсаторы. Эти ребята - маленькие батарейки, которые «могут», и вам нужно знать все, что о них известно, прежде чем вы начнете работать над своим первым проектом в области электроники.

Это как бутерброд с мороженым

Для простоты - конденсатор накапливает электрический заряд , очень похоже на батарею.Также называемые caps , вы найдете этих парней в приложениях, где требуется накопление энергии, подавление напряжения и даже фильтрация сигналов. А как они выглядят? Ну бутерброд с мороженым!

Что бы вы сделали с баром «Клондайк»? Сравните это, конечно, с конденсатором! (Источник изображения)

Подумайте о том восхитительном бутерброде с мороженым, который вам понравился в тот знойный летний день. У вас есть восхитительная корочка с двух сторон и кремовый кусок ванильного мороженого посередине.Эта композиция из двух внешних слоев и одного внутреннего слоя - это то, как выглядит конденсатор. Вот из чего они сделаны:

  • Начиная снаружи. Сверху и снизу конденсатора вы найдете набор металлических пластин, также называемых проводниками. Электрический заряд находит эти металлические пластины очень привлекательными.
  • Сидит посередине. Среди этих двух металлических пластин вы найдете изолятор или материал, к которому не притягивается электричество.Этот изолятор обычно называют диэлектриком и может быть изготовлен из бумаги, стекла, резины, пластика и т. Д.
  • Соединяем вместе. Две металлические пластины наверху и внизу крышки соединены двумя электрическими клеммами, которые соединяют ее с остальной частью цепи. Один конец конденсатора подключается к источнику питания, а другой - к земле.

Внутренняя структура конденсатора, у нас есть две металлические пластины, внутренний диэлектрик и соединительные клеммы.

Конденсаторы всех форм и размеров

Конденсаторы

бывают разных форм и размеров, каждый из которых определяет, насколько хорошо они могут удерживать заряд. Три наиболее распространенных типа конденсаторов, с которыми вы столкнетесь, включают керамический конденсатор, электролитический конденсатор и суперконденсатор:

Конденсаторы керамические

Это конденсаторы, с которыми вы, вероятно, будете работать в своем первом электронном проекте с использованием макета. В отличие от своих электролитических аналогов, керамические конденсаторы удерживают меньший заряд, но и меньше пропускают ток.Они также оказываются самыми дешевыми конденсаторами из всей группы, так что запасайтесь! Вы можете быстро определить керамический конденсатор со сквозным отверстием, посмотрев на маленькие желтые или красные лампочки с двумя торчащими из них выводами.

Три типа керамических конденсаторов, вы будете использовать их на макетных платах. (Источник изображения)

Конденсаторы электролитические

Эти парни выглядят как маленькие консервные банки, которые вы найдете на печатной плате, и в их крошечном следе могут удерживаться огромные электрические разряды.Это также единственный тип конденсатора, который поляризован, а это означает, что они будут работать только при подключении с определенной ориентацией. На этих электролитических конденсаторах есть положительный вывод, называемый анодом, и отрицательный вывод, называемый катодом. Анод всегда нужно подключать к более высокому напряжению. Если вы подключите его наоборот, когда на катоде будет более высокое напряжение, приготовьтесь к взрыву крышки!

Электролитический конденсатор, обратите внимание на положительный вывод и более длинный вывод (анод) и более короткий отрицательный вывод (катод).(Источник изображения)

Несмотря на то, что электролитические колпачки способны удерживать большое количество электрического заряда, они также хорошо известны тем, что пропускают ток быстрее, чем керамические колпачки. Из-за этого они не лучший выбор, когда вам нужно хранить энергию.

Суперконденсаторы

Supercaps - супергерои семейства конденсаторных, они могут хранить большое количество энергии! К сожалению, суперкапс не очень хорошо справляется с избыточным напряжением, и вы окажетесь без колпачка, если превысите максимальное напряжение, указанное в таблице данных.ПОП!

В отличие от электролитических конденсаторов, вы обнаружите, что суперконденсаторы используются для хранения и разряда энергии, как и батареи. Но в отличие от батареи, суперкаперы высвобождают свой заряд сразу, и вы никогда не получите такой же срок службы, как обычный аккумулятор.

Посмотрите на этот мощный supercap ! Он имеет огромную емкость 3000F. (Источник изображения)

Обозначения конденсаторов

Идентифицировать конденсатор на вашей первой схеме очень просто, поскольку они бывают только двух типов: стандартные и поляризованные.Обратите внимание на символ стандартного конденсатора ниже. Вы заметите, что это всего лишь две простые линии с пробелом между ними. Это две металлические пластины, которые вы найдете сверху и снизу физического конденсатора.

Поляризованный конденсатор выглядит немного иначе и имеет дугообразную линию в нижней части, а также положительный вывод наверху. Этот положительный вывод очень важен и указывает, как этот поляризованный конденсатор должен быть подключен. Положительная сторона всегда подключается к источнику питания, а сторона дуги подключается к земле.

Два наиболее распространенных типа конденсаторов, которые вы увидите на схеме для США, стандартные и поляризованные.

Кто изобрел эти вещи?

Хотя многие считают английского химика Майкла Фарадея пионером современного конденсатора, он не был первым, кто его изобрел. То, что сделал Фарадей, было важно - он продемонстрировал первые практические примеры конденсатора и то, как использовать его для хранения электрического заряда в своих экспериментах. И благодаря Фарадею у нас также есть способ измерить заряд, который может удерживать конденсатор, известный как емкость, который измеряется в Фарадах!

Гениальный английский химик Майкл Фарадей, пионер конденсаторов, которые мы используем сегодня.(Источник изображения)

До Майкла Фарадея некоторые записи указывают на то, что покойный немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст изобрел первый конденсатор в 1745 году. Несколько месяцев спустя голландский профессор по имени Питер ван Мушенбрук придумал похожий дизайн, теперь известный как Лейденская банка. Странное время, правда? Однако все это было просто совпадением, и оба ученых в равной степени получили признание за их первоначальные изобретения конденсатора.

Самый ранний образец конденсатора, лейденская банка.(Источник изображения)

Знаменитый Benjamin Franklin позже стал усовершенствованием конструкции лейденской банки, созданной Musschenbroek. Франклин также смог обнаружить, что использование плоского куска стекла было отличной альтернативой целой банке. Так родился первый плоский конденсатор, получивший название площади Франклина.

Крышки

в действии - как они работают

Давайте подробно рассмотрим, как работают эти мощные конденсаторы, на практическом примере. Вы ведь раньше пользовались цифровым фотоаппаратом? Тогда вы знаете, что есть несколько коротких моментов между нажатием кнопки, чтобы сделать снимок, и моментом срабатывания вспышки.

Что здесь происходит? К вспышке прикреплен конденсатор, который заряжается после того, как вы нажмете кнопку, чтобы сделать снимок. Как только этот конденсатор полностью заряжается аккумулятором камеры, вся эта энергия взрывается наружу в ослепляющей вспышке света!

Обратите внимание, конденсатор, который делает возможной вспышку в этой камере. (Источник изображения)

Так как же все это произошло? Заглянем изнутри в загадочный мир конденсатора:

  1. Начинается с заряда. Электрический ток от источника питания сначала течет в конденсатор и застревает на первой пластине. Почему застревает? Потому что есть изолятор, который не пропускает отрицательно заряженную электронику.
  2. Накопление сборов. По мере того, как все больше и больше электронов прилипают к этой первой пластине, она становится отрицательно заряженной и в конечном итоге отталкивает все лишние электроны, с которыми она не может справиться, к другой пластине. Затем эта вторая пластина становится положительно заряженной.
  3. Заряд сохраняется. Поскольку две пластины конденсатора продолжают заряжаться, отрицательные и положительные электроны отчаянно пытаются соединиться, но этот противный изолятор в середине не позволяет им, создавая электрическое поле. Вот почему колпачок продолжает удерживать и накапливать заряд, потому что существует бесконечный источник напряжения между отрицательной и положительной сторонами двух пластин, которые не разрешены.
  4. Заряд высвобождается. Рано или поздно две пластины в нашем конденсаторе не смогут удерживать заряд, так как они на пределе емкости.Но что происходит сейчас? Если в вашей цепи есть путь, по которому электрический заряд может течь в другом месте, тогда все электроны в вашей крышке будут разряжены , и , наконец, прекратят свое напряжение, когда они будут искать другой путь друг к другу.

Измерение заряда

Как можно измерить, сколько заряда хранится в конденсаторе? Каждый колпачок рассчитан на определенную емкость. Он измеряется в фарадах по английскому химику Майклу Фарадею. Поскольку в одном фараде содержится тонна электрического заряда, вы обычно видите конденсаторы, измеряемые в пикофарадах или микрофарадах.Вот полезная диаграмма, которая показывает, как разбиваются эти измерения:

Имя Аббревиатура Фарады
Пикофарад пФ 0,000000000001 Ф.
Нанофарад нФ 0,000000001 Ф.
Микрофарад мкФ 0,000001 Ф.
Милифарад мФ 0.001 F
Килофарад кФ 1000 Факс

Теперь, чтобы выяснить, какой заряд конденсатора в данный момент хранится, вам понадобится это уравнение:

В этом уравнении общий заряд представлен как (Q) , и соотношение этого заряда можно найти, умножив емкость конденсатора ( C ) и приложенное к нему напряжение ( В, ). Следует отметить, что емкость конденсатора напрямую зависит от его напряжения.Таким образом, чем больше вы увеличиваете или уменьшаете источник напряжения в цепи, тем больший или меньший заряд будет у вашего конденсатора.

Емкость в параллельных и последовательных цепях

Когда вы размещаете конденсаторы в цепи параллельно, вы можете определить общую емкость, сложив все отдельные емкости вместе.

Получить общую емкость в параллельной цепи так же просто, как 1 + 1, просто сложите их все вместе! (Источник изображения)

При последовательном размещении конденсаторов общая емкость вашей цепи является обратной величиной всех ваших суммированных емкостей.Вот краткий пример. Если у вас есть два конденсатора по 10 Ф, соединенные последовательно, то они будут давать общую емкость 5 Ф.

Получить общую емкость в последовательной цепи немного сложнее. Емкость уменьшается вдвое. (Источник изображения)

Начало работы

Теперь, когда у нас есть твердое представление о том, что такое конденсаторы, как они работают и как измеряются, давайте рассмотрим три распространенных применения конденсаторов. Сюда входят такие приложения, как развязывающие конденсаторы, накопители энергии и емкостные сенсорные датчики.

Конденсатор развязки

В наши дни вам будет сложно найти схему, в которой нет интегральной схемы или ИС. В этих типах схем конденсаторы должны выполнять критически важную работу, удаляя весь высокочастотный шум, обнаруживаемый в сигналах источника питания, которые питают ИС.

Почему это необходимая работа для нашего конденсатора? Любые колебания напряжения могут быть фатальными для ИС и даже могут привести к неожиданному отключению питания микросхемы. Помещая конденсаторы между ИС и источником питания, они успокаивают колебания напряжения, а также действуют как второй источник питания, если первичная мощность падает до уровня, достаточного для выключения ИС.

Разделительный конденсатор для контроля колебаний напряжения.

Накопитель энергии

Конденсаторы

имеют много общих характеристик с батареями, включая их способность накапливать энергию. Однако, в отличие от батареи, конденсаторы не выдерживают такой большой мощности. Но хотя они и не успевают по количеству, они стараются разрядиться как можно быстрее! Конденсаторы могут поставлять энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их идеальными для питания вспышки в камере, настройки радиостанции или переключения каналов на телевизоре.

Емкостные сенсорные датчики

Одно из последних достижений в области применения конденсаторов связано с бурным ростом технологий сенсорных экранов. Стеклянные экраны, из которых состоят эти сенсорные датчики, имеют очень тонкое прозрачное металлическое покрытие. Когда ваш палец касается экрана, это вызывает падение напряжения, определяющее точное местоположение вашего пальца!

Емкостные сенсорные датчики в действии с защитной накладкой и печатной платой. (Источник изображения)

Практика - выбор конденсатора

Давайте перейдем к сфере практичности и поговорим о том, на что обращать внимание при выборе следующего конденсатора.Необходимо учитывать пять переменных, в том числе:

  • Размер - сюда входит как физический размер вашего конденсатора, так и его общая емкость. Не удивляйтесь, если выбранный вами конденсатор будет самой большой частью вашей печатной платы, так как чем больше емкости вам нужно, тем больше они становятся.
  • Допуск - Конденсаторы, как и их аналоги с резисторами, имеют переменный допуск. Вы найдете допуск для конденсаторов от ± 1% до ± 20% от заявленного значения.
  • Максимальное напряжение - Каждый конденсатор имеет максимальное напряжение, с которым он может работать. В противном случае он взорвется! Вы найдете максимальное напряжение от 1,5 до 100 В.
  • Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) - Как и любой другой физический материал, клеммы конденсатора имеют очень маленькое сопротивление. Это может стать проблемой, если вам нужно помнить о потерях тепла и энергии.
  • Ток утечки - В отличие от наших батарей, в конденсаторах происходит утечка накопленного заряда.И пока он истощается медленно, вам стоит обратить внимание на то, насколько сильно протекает ваш конденсатор, если его основная функция - накопление энергии.

Все заряжено

Итак, все, что вам нужно знать о конденсаторах, чтобы полностью зарядиться для вашего следующего электронного проекта! Конденсаторы - это очаровательная небольшая группа, способная накапливать электрический заряд для множества применений, и они даже могут выступать в качестве вторичного источника питания для этих чувствительных интегральных схем.При работе с конденсаторами внимательно следите за максимально возможным напряжением. В противном случае вы получите несколько взрывающихся крышек, как вы увидите на видео:

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE бесплатно включает тонну библиотек конденсаторов? Начните со своего следующего проекта в области электроники и забудьте о создании собственных деталей! Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня.

энергии, накопленной в конденсаторе - University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, как энергия хранится в конденсаторе
  • Использование соотношений энергии для определения энергии, запасенной в конденсаторной сети

Большинство из нас видели, как медицинский персонал использует дефибриллятор, чтобы пропустить электрический ток через сердце пациента, чтобы заставить его нормально биться.Часто реалистичный в деталях, человек, применяющий электрошок, просит другого человека «сделать на этот раз 400 джоулей». Энергия, передаваемая дефибриллятором, накапливается в конденсаторе и может регулироваться в зависимости от ситуации. Часто используются единицы СИ - джоули. Менее драматично использование конденсаторов в микроэлектронике для подачи энергии при зарядке аккумуляторов ((рисунок)). Конденсаторы также используются для питания импульсных ламп на камерах.

Конденсаторы на печатной плате электронного устройства следуют соглашению о маркировке, при котором каждый из них обозначается кодом, начинающимся с буквы «C.”(Источник: Винделл Оскей)

Энергия, запасенная в конденсаторе, является электростатической потенциальной энергией и, таким образом, связана с зарядом Q и напряжением В между пластинами конденсатора. Заряженный конденсатор накапливает энергию в электрическом поле между своими пластинами. По мере зарядки конденсатора нарастает электрическое поле. Когда заряженный конденсатор отсоединяется от батареи, его энергия остается в поле в пространстве между пластинами.

Чтобы понять, как можно выразить эту энергию (в терминах Q и В ), рассмотрим заряженный пустой конденсатор с параллельными пластинами; то есть конденсатор без диэлектрика, но с вакуумом между пластинами.Пространство между его пластинами имеет объем Ad и заполнено однородным электростатическим полем E . Полная энергия конденсатора содержится в этом пространстве. Плотность энергии в этом пространстве просто делится на объем Ad . Если мы знаем плотность энергии, ее можно найти как. В книге «Электромагнитные волны» (после завершения изучения уравнений Максвелла) мы узнаем, что плотность энергии в области свободного пространства, занятой электрическим полем E , зависит только от величины поля и составляет

Если мы умножим плотность энергии на объем между пластинами, мы получим количество энергии, хранящейся между пластинами конденсатора с параллельными пластинами :.

В этом выводе мы использовали тот факт, что электрическое поле между пластинами однородно, так что и Поскольку, мы можем выразить этот результат в других эквивалентных формах:

Выражение на рисунке (рисунок) для энергии, запасенной в конденсаторе с параллельными пластинами, обычно справедливо для всех типов конденсаторов. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим любой незаряженный конденсатор (не обязательно с параллельными пластинами). В какой-то момент мы подключаем его к батарее, давая ему разность потенциалов между пластинами.Первоначально заряд на пластинах равен По мере того, как конденсатор заряжается, заряд постепенно накапливается на его пластинах и через некоторое время достигает значения Q . Чтобы переместить бесконечно малый заряд dq с отрицательной пластины на положительную (от более низкого к более высокому потенциалу), объем работы dW , который должен быть выполнен на dq , равен.

Эта работа становится энергией, запасенной в электрическом поле конденсатора. Чтобы зарядить конденсатор до заряда Q , требуется общая работа

.

Поскольку геометрия конденсатора не указана, это уравнение справедливо для любого типа конденсатора.Общая работа Вт, , необходимая для зарядки конденсатора, представляет собой запасенную в нем электрическую потенциальную энергию, или. Когда заряд выражается в кулонах, потенциал выражается в вольтах, а емкость выражается в фарадах, это соотношение дает энергию в джоулях.

Зная, что энергия, запасенная в конденсаторе, равна, теперь мы можем найти плотность энергии, запасенную в вакууме между пластинами заряженного конденсатора с параллельными пластинами. Нам просто нужно разделить на объем Ad пространства между его пластинами и учесть, что для конденсатора с параллельными пластинами мы имеем и.Следовательно, получаем

Мы видим, что это выражение для плотности энергии, запасенной в конденсаторе с параллельными пластинами, соответствует общему соотношению, показанному на (Рисунок). Мы могли бы повторить этот расчет либо для сферического конденсатора, либо для цилиндрического конденсатора - или для других конденсаторов - и во всех случаях мы получили бы общее соотношение, представленное (рисунок).

Проверьте свое понимание Разность потенциалов на конденсаторе 5,0 пФ составляет 0,40 В.а) Какая энергия хранится в этом конденсаторе? (b) Теперь разность потенциалов увеличена до 1,20 В. На какой фактор увеличена запасенная энергия?

а .; б. 9 раз

При неотложной сердечной недостаточности портативное электронное устройство, известное как автоматический внешний дефибриллятор (AED), может быть спасением. Дефибриллятор ((Рисунок)) подает большой заряд коротким импульсом или разрядом в сердце человека, чтобы исправить нарушение сердечного ритма (аритмию). Сердечный приступ может возникнуть в результате быстрого, нерегулярного сердцебиения, называемого фибрилляцией сердца или желудочков.Применение большого разряда электрической энергии может прекратить аритмию и позволить естественному кардиостимулятору организма вернуться к своему нормальному ритму. Сегодня машины скорой помощи носят с собой AED. AED также можно найти во многих общественных местах. Они предназначены для использования непрофессионалами. Устройство автоматически диагностирует сердечный ритм пациента, а затем применяет разряд с соответствующей энергией и формой волны. Во многих случаях перед использованием дефибриллятора рекомендуется сердечно-легочная реанимация.

Автоматические внешние дефибрилляторы можно найти во многих общественных местах. Эти портативные устройства предоставляют устные инструкции по использованию в первые несколько важных минут для человека, страдающего сердечным приступом. (кредит: Оуайн Дэвис)

Емкость дефибриллятора сердца Дефибриллятор сердца доставляет энергию путем первоначального разряда конденсатора. Какова его емкость?

Стратегия Нам дается В и , и нас просят найти емкость C .Решаем (рисунок) для C и подставляем.

Решение Решение этого выражения для C и ввод данных значений дает

Сводка

  • Конденсаторы используются для подачи энергии к различным устройствам, включая дефибрилляторы, микроэлектронику, такую ​​как калькуляторы, и лампы-вспышки.
  • Энергия, запасенная в конденсаторе, - это работа, необходимая для зарядки конденсатора, начиная с нулевого заряда на его пластинах. Энергия накапливается в электрическом поле в пространстве между пластинами конденсатора.Это зависит от количества электрического заряда на пластинах и от разности потенциалов между пластинами.
  • Энергия, запасенная в конденсаторной сети, представляет собой сумму энергий, сохраненных на отдельных конденсаторах в сети. Его можно вычислить как энергию, запасенную в эквивалентном конденсаторе сети.

Концептуальные вопросы

Если вы хотите хранить большое количество энергии в конденсаторной батарее, подключите ли вы конденсаторы последовательно или параллельно? Объяснять.

Глоссарий

плотность энергии
энергия, запасенная в конденсаторе, деленная на объем между пластинами
Конденсаторы

- основная причина отказа кондиционеров

Жизнь в пустыне сопряжена с множеством проблем, но ни одну из них не преодолеть так сложно, как жаркая летняя жара. К счастью, современные кондиционеры состоят всего из нескольких частей, что делает их невероятно надежными. Вы можете рассчитывать на то, что ваше устройство будет эксплуатироваться в течение многих лет с минимальным обслуживанием, но если ваш кондиционер внезапно отказывается запускаться в один прекрасный день, несмотря на все ваши заботы, вероятно, виноват конденсатор.Хотя конденсаторы небольшие, они играют большую роль в повседневной работе вашего кондиционера.

Что такое конденсатор?

Конденсатор - это хитроумное устройство, состоящее из двух металлических проводников, разделенных изоляционным материалом. В кондиционере они часто выглядят как большие цилиндрические батареи с двумя или тремя столбиками, торчащими из верхней части. Основная задача конденсаторов - хранить электроны для обеспечения пусковой энергии вашего кондиционера, они накапливают заряд, когда через них проходит электричество, обменивая электроны между двумя проводящими пластинами внутри.

Из-за своих конденсаторов кондиционеры при каждом запуске делают небольшой фокус. Вашему блоку кондиционирования воздуха на самом деле требуется гораздо больше энергии для запуска, чем доступно через домашнюю проводку, поэтому конденсатор добавляется в цепь, чтобы дать электрический толчок в тот же момент, когда ваш кондиционер потребляет энергию от электрической сети. сетка. Вместе эти два электрических источника обеспечивают необходимое количество сока для вашего кондиционера. Конденсатор работает до тех пор, пока не завершится цикл кондиционирования воздуха.Затем компрессор должен снова запуститься.

Ваш кондиционер может фактически содержать несколько различных конденсаторов, включая рабочий конденсатор двигателя компрессора, рабочий конденсатор двигателя внешнего вентилятора, рабочий конденсатор двигателя внутреннего вентилятора и пусковой конденсатор. Чаще всего выходит из строя конденсатор двигателя компрессора. У него большая работа, и он занимает больше места в вашем кондиционере. На самом деле это сдвоенный конденсатор с тремя выводами вместо двух.

Почему хорошие конденсаторы выходят из строя

Конденсаторы выходят из строя каждый день - они делают тяжелую работу и, к сожалению, их работа сказывается на них.Однако есть несколько факторов, которые сильно влияют на срок службы ваших конденсаторов. К ним относятся:

Тепловое воздействие. В Phoenix, возможно, одним из самых вредных элементов для конденсаторов кондиционеров является тепло. К сожалению, длительное воздействие высоких температур на эти устройства значительно сокращает их срок службы и может нанести значительный ущерб вашему устройству. Убедитесь, что вы затенили кондиционер. Держите его в чистоте и поддерживайте циркуляцию воздуха, чтобы продлить срок службы конденсатора.

Номинальное напряжение. Все конденсаторы имеют номинальное напряжение, которое сообщает техническим специалистам по кондиционерам, какой именно конденсатор соответствует какому кондиционеру. К сожалению, домовладельцы могут попытаться сократить расходы, решив заменить конденсатор самостоятельно, не понимая, как правильно выбрать конденсатор. Конденсатор меньшего размера не повредит вашему кондиционеру, но значительно сократит срок его службы. Если вы решите выполнить эту работу своими руками, помните, что чем больше, тем лучше - если ваш кондиционер рассчитан на 370 вольт, повышение до 400-вольтового конденсатора гарантирует, что вы получите достаточную мощность и что ваш конденсатор приблизится к достижению максимального срока службы. охватывать.

Возраст. Как и все остальное, конденсаторы имеют ограниченный срок службы. Большинство из них рассчитаны на срок службы около 20 лет, но ряд факторов может привести к их более быстрому износу. Если ваш кондиционер работает намного быстрее, чем в среднем, ваш конденсатор слишком мал (как упоминалось выше) или построен из проблемных частей, и расчетный срок службы может значительно сократиться. К счастью, замена этих деталей относительно недорога, поэтому даже если конденсатор изнашивается раньше, чем кондиционер, он не сломает батарею.

Если ваш кондиционер не запускается, работает без особого энтузиазма, издает странные звуки или просто не охлаждается, позвоните в Precision Air. Все наши технические специалисты имеют сертификаты NATE и обучены решать любые проблемы, с которыми может столкнуться ваш кондиционер. Помните, что мы не берем плату за выходные и не добавляем к вашему счету путевые расходы, и мы приедем, когда вам будет удобно. Быстрый звонок по номеру 602-349-6922 - это все, что нужно, чтобы записаться на прием, 24 часа в сутки, семь дней в неделю!

Точность 14 января 2018 г.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *