Что представляет собой плоский конденсатор. Как рассчитать емкость плоского конденсатора. Какие факторы влияют на емкость плоского конденсатора. Где применяются плоские конденсаторы в технике и электронике.
Что такое плоский конденсатор и как он устроен
Плоский конденсатор представляет собой простейший вид конденсатора, состоящий из двух параллельных проводящих пластин (обкладок), разделенных диэлектриком. Это одна из базовых конструкций конденсаторов, широко используемая в электротехнике и электронике.
Основные элементы плоского конденсатора:
- Две параллельные металлические пластины (обкладки)
- Диэлектрик между пластинами
- Выводы для подключения
Расстояние между пластинами обычно намного меньше размеров самих пластин. Это позволяет создать однородное электрическое поле между обкладками и достичь высокой емкости при компактных размерах.
Принцип работы плоского конденсатора
Принцип работы плоского конденсатора основан на способности накапливать электрический заряд на обкладках. При подключении к источнику напряжения на одной пластине скапливаются положительные заряды, на другой — отрицательные.
Между обкладками возникает электрическое поле. Диэлектрик препятствует прохождению тока между пластинами. Таким образом, конденсатор способен накапливать и хранить электрический заряд.
Как рассчитать емкость плоского конденсатора
Емкость плоского конденсатора рассчитывается по формуле:
C = ε * ε0 * S / d
Где:
- C — емкость конденсатора (Ф)
- ε — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками
- ε0 — электрическая постоянная (8.85 * 10^-12 Ф/м)
- S — площадь пластин (м^2)
- d — расстояние между пластинами (м)
Из формулы видно, что емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:
- Площади пластин — чем больше площадь, тем выше емкость
- Расстояния между пластинами — чем меньше расстояние, тем выше емкость
- Диэлектрической проницаемости среды между пластинами
Факторы, влияющие на емкость плоского конденсатора
Рассмотрим подробнее основные факторы, от которых зависит емкость плоского конденсатора:
Площадь пластин
При увеличении площади пластин прямо пропорционально возрастает емкость конденсатора. Это происходит потому, что на большей площади может накопиться больший заряд.
Расстояние между пластинами
Уменьшение расстояния между пластинами ведет к увеличению емкости. Это связано с усилением электрического поля между обкладками при их сближении.
Диэлектрическая проницаемость
Использование диэлектрика с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяет повысить емкость конденсатора. Это объясняется ослаблением электрического поля в диэлектрике.
Энергия плоского конденсатора
Заряженный конденсатор обладает энергией электрического поля. Энергия плоского конденсатора может быть рассчитана по формуле:
W = CU^2/2
Где:
- W — энергия конденсатора (Дж)
- C — емкость конденсатора (Ф)
- U — напряжение на обкладках (В)
Энергию также можно выразить через заряд конденсатора:
W = q^2/(2C)
Где q — заряд на обкладках (Кл).
Преимущества и недостатки плоских конденсаторов
Плоские конденсаторы имеют ряд достоинств и ограничений:
Преимущества:
- Простая конструкция
- Низкая стоимость производства
- Высокая удельная емкость
- Малые габариты
- Широкий диапазон емкостей
Недостатки:
- Чувствительность к механическим воздействиям
- Паразитные эффекты на высоких частотах
- Ограничения по рабочему напряжению
Применение плоских конденсаторов
Благодаря своим преимуществам плоские конденсаторы широко применяются в различных областях техники и электроники:
- Радиотехника — в колебательных контурах, фильтрах
- Источники питания — сглаживание пульсаций
- Импульсная техника — формирование импульсов
- Измерительные приборы — датчики перемещения, давления
- Цифровая электроника — развязка по питанию
- Силовая электроника — снабберы, коммутация
Разновидности плоских конденсаторов
Существуют различные типы плоских конденсаторов, отличающиеся конструкцией и применяемыми материалами:
По типу диэлектрика:
- Воздушные
- Бумажные
- Слюдяные
- Керамические
- Пленочные
По конструкции:
- Однослойные
- Многослойные
- Подстроечные
- Переменные
Выбор типа конденсатора зависит от конкретного применения и требуемых характеристик.
Заключение
Плоский конденсатор является одним из базовых элементов современной электроники. Его простая конструкция и понятный принцип работы делают его удобным для изучения основ электростатики. В то же время, многообразие конструкций на основе плоского конденсатора позволяет создавать высокотехнологичные устройства для различных применений.
Плоский конденсатор, теория и примеры задач
Большое число конденсаторов, которые применяют в технике, приближены по типу к плоскому конденсатору. Это конденсатор, который представляет собой две параллельные проводящие плоскости (обкладки), которые разделяет небольшой промежуток, заполненный диэлектриком. На обкладках сосредоточены равные по модулю и противоположные по знаку заряды.
Электрическая емкость плоского конденсатора
Электрическая емкость плоского конденсатора очень просто выражается через параметры его частей. Изменяя площадь пластин конденсатора и расстояние между ними легко убедиться, что электрическая емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его пластин (S) и обратно пропорциональна расстоянию между ними (d):
Формулу для расчета емкости плоского конденсатора просто получить при помощи теоретических расчетов.
Положим, что расстояние между пластинами конденсатора много меньше, чем их линейные размеры. Тогда краевыми эффектами можно пренебречь, и электрическое поле между обкладками считать однородным. Поле (E), которое создают две бесконечные плоскости, несущие одинаковый по модулю и противоположный по знаку заряд, разделенные диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , можно определить при помощи формулы:
где — плотность распределения заряда по поверхности пластины. Разность потенциалов между рассматриваемыми обкладками конденсатора, находящимися на расстоянии d будет равна:
Подставим правую часть выражения (3) вместо разности потенциалов в (1) учитывая, что , имеем:
Энергия поля плоского конденсатора и сила взаимодействия его пластин
Формула энергии поля плоского конденсатора записывается как:
где – объем конденсатора; E – напряженность поля конденсатора. Формула (5) связывает энергию конденсатора с зарядом на его обкладках и напряженностью поля.
Механическую (пондемоторную) силу, с которой пластины плоского конденсатора взаимодействуют между собой можно найти, если использовать формулу:
В выражении (6) минус показывает, что пластины конденсатора притягиваются друг к другу.
Примеры решения задач
Плоский конденсатор. Электризация. Электроёмкость, напряжённость конденсатора формулы
Рис. 1. Заряженный проводникПредставим себе отрицательно заряженный кусок проводника (рис. 1.1). Проводник в целом должен быть электронейтральным, т.е. его заряженность обеспечивается дополнительными электронами, которые помещены на проводник. Данный заряженный проводник организует вокруг себя электрические поле, напряженностью
. Добавим ещё один проводник (рис. 1.2). Во втором проводнике, из-за электрического поля первого проводника, происходит электризация через влияние — появление разделённого электрического заряда. Данный процесс проистекает из воздействия внешнего электрического поля (поле первого проводника) на свободные электроны внутри второго проводника, смещая их против направления поля (по закону Кулона). Тогда, в части, ближайшей к первому проводнику, остаётся несбалансированный положительный заряд (т.к. второй проводник изначально электронейтрален). Таким образом, мы получили систему, состоящую из двух заряженных разным по модулю, но одинаковым по значению зарядом. Такую систему и назовёмРис. 2. Плоский конденсатор
Простейшим конденсатором, рассматриваемым в школе, является плоский конденсатор. Плоским конденсатором называется система из двух пластин, площадью
, помещённых на близком расстоянии () друг от друга (рис. 2). Пластины (обкладки конденсатора) заряжены одинаковым по модулю и различным по знаку зарядами ( и ). Между пластинами конденсатора чаще всего воздух (с диэлектрической проницаемостью ), тогда такой конденсатор называется воздушным. В случае заполнения пространства между обкладками конденсатора неким диэлектриком свойства конденсатора меняются и описываются диэлектрической проницаемостью данной среды ().Нами были уже введены два параметра для плоского конденсатора:
(1) (2)- где
- — заряд конденсатора.
Вывод: в принципе, конденсатором можно считать любые разнозаряженные тела, поднесённые близко друг к другу. Плоский конденсатор — это уже вполне определённая система, параметры которой достаточно просто рассчитать (1) и (2).
Поделиться ссылкой:
Плоские конденсаторы, особенности, емкость и энергия плоских конденсаторов
Плоский конденсатор – это очень простое устройство для Емкость плоского конденсатора, зависит от его размеров, а именно от поверхности его обкладок. Также влияет диэлектрик. Основное удобство плоских моделей – их компактность. Они занимают меньше места на плате и схеме, тем сам экономя драгоценное пространство. Выглядит такая радиодеталь в виде двух пластинок, помещенных в тонкий плоский корпус. Электроны движутся с одной обкладки к плюсовому полюсу, то есть противоположный электрод. Преградой является диэлектрик.
В статье содержится вся полезная информация по определению плоского конденсатора, расчету его емкости и отличиям от конденсаторов, имеющие иную форму. В качестве бонуса читателю предложен файл с интересной лекцией, а также видеоролик на данную тему.
Плоский конденсатор.
Электрическая емкость плоского конденсатора
Электрическая емкость плоского конденсатора очень просто выражается через параметры его частей. Изменяя площадь пластин конденсатора и расстояние между ними легко убедиться, что электрическая емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его пластин (S) и обратно пропорциональна расстоянию между ними (d).
Емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его обкладок и диэлектрической проницаемости материала диэлектрика, разделяющего обкладки, и обратно пропорциональна расстоянию между ними:
C=εε0SdC=εε0Sd
Плоский конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, разделенные диэлектриком. Расстояние между пластинами много меньше характерного размера пластин. Поле вдали от краев пластин можно представить в виде суперпозиции полей бесконечно заряженных плоскостей.
Поле вдали от краев обкладок конденсатора
Так как обкладки заряжены равными по величине разноименными зарядами, напряженность поля между обкладками складывается из напряженностей полей каждой из обкладок. Вне обкладок конденсатора их поля противоположно направлены и результирующее поле становится нулевым. Таким образом:
Eрез=E++E−=2⋅σ2εε0Eрез=E++E-=2⋅σ2εε0
Используем связь между напряженностью и напряжением и напряженностью и определение поверхностной плотности заряда
E=UdE=Ud
σ=qSσ=qS
Получаем$
Ud=qεε0SUd=qεε0S
Откуда
C=qU=εε0Sd
Плоский конденсатор
Итак, простейший конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу и разделенные слоем диэлектрика. Причем расстояние между пластинами должно быть намного меньше, чем, собственно, размеры пластин. Такое устройство называется плоским конденсатором, а пластины – обкладками конденсатора.
Стоит уточнить, что здесь мы рассматриваем уже заряженный конденсатор (сам процесс зарядки мы изучим чуть позже), то есть на обкладках сосредоточен определенный заряд. Причем наибольший интерес представляет тот случай, когда заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку (как на рисунке).
А поскольку на обкладках сосредоточен заряд, между ними возникает электрическое поле, изображенное стрелками на нашей схеме. Поле плоского конденсатора, в основном, сосредоточено между пластинами, однако, в окружающем пространстве также возникает электрическое поле, которое называют полем рассеяния. Очень часто его влиянием в задачах пренебрегают, но забывать о нем не стоит. Для определения величины этого поля рассмотрим еще одно изображение плоского конденсатора:
Плоские конденсаторы
Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:
- положительно заряженная пластина (+q) создает поле, напряженность которого равна
- отрицательно заряженная пластина (-q) создает поле, напряженность которого равна E_
Здесь – это поверхностная плотность заряда: . А – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора. Поскольку площадь пластин конденсатора у нас одинаковая, как и величина заряда, то и модули напряженности электрического поля, равны между собой. Но направления векторов разные – внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне – в противоположные. А какая же будет величина напряженности вне конденсатора? А все просто – слева и справа от обкладок поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0.
Процессы зарядки и разрядки конденсаторов
С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить? Свободные электроны с первой обкладки конденсатора устремятся к положительному полюсу источника, в связи с чем на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц и она станет положительно заряженной.
В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора, в результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную разность потенциалов.
Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока, после этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.
Емкость и энергия конденсатора.
При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом.
Материал в тему: все о переменном конденсаторе.
В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.
Емкость и энергия конденсатора
Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора – физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора одного из проводников к разности потенциалов между проводниками. Емкость изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость конденсаторов измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ).
Помимо емкости конденсаторы характеризуются еще одним параметром, а именно величиной напряжения, которое может выдержать его диэлектрик. При слишком больших значениях напряжения электроны диэлектрика отрываются от атомов, и диэлектрик начинает проводить ток. Это явление называется пробоем конденсатора, и в результате обкладки оказываются замкнутыми друг с другом.
Собственно, характеристикой, которая часто используется при работе с конденсаторами является не напряжение пробоя, а рабочее напряжение – то есть величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.
Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке и кончаются на другой, поэтому свободные
заряды, которые возникают на разных обкладках, равны по модулю и противоположны по знаку. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (φ1 — φ2) между его обкладками. В таблице ниже приведем основные параметры конденсаторов.
Стоит почитать: все об электолитических конденсаторах.
При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников. Обкладкам конденсатора сообщают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды, что способствует накоплению зарядов, так как разноименные заряды притягиваются и поэтому располагаются на внутренних поверхностях пластин. Под зарядом конденсатора понимают заряд одной пластины.
Заключение
Более подробно о том, что такое плоский конденсатор и как рассчитать его электроемкость, можно узнать из статьи “Электроемкость“. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.
Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
www.sverh-zadacha.ucoz.ru
www.ru.solverbook.com
www.xn--80ancbkzagjllo.xn--p1ai
www.microtechnics.ru
www.energetik.com.ru
www.easy-physic.ru
ПредыдущаяКонденсаторыЧем отличается пусковой конденсатор от рабочего?
СледующаяКонденсаторыЧто такое полярность конденсатора и как ее определить?
Урок по физике на тему «ЭНЕРГИЯ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА»(10 класс)
Занятие №42
ЭНЕРГИЯ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА
Цели занятия:
Образовательные: определить энергию заряженного конденсатора, а также область применения различных видов конденсаторов постоянной и переменной электроемкости.
Развивающие: сформировать представление о том, что наличие энергии у электрического поля является признаком материальности электрических полей.
Воспитательные: способствовать формированию коммуникативной культуры учащихся, воспитывать внимание, чувство ответственности, терпимости к суждениям товарищей, развивать познавательный интерес к физике и технике.
Тип занятия: изучение нового материала.
Форма организации познавательной деятельности учащихся: индивидуально – обособленная, фронтальная.
Основной методологический подход к организации учебного процесса на занятии: коммуникативный.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
1. Организационный момент
2. Проверка домашнего задания
3. Актуализация опорных знаний
4. Целеполагание
5. Изучение нового материала
6. Домашнее задание
7. Рефлексия
1. Организационный момент. Приветствие учащихся, проверка
готовности учащихся к занятию.
2. Проверка домашнего задания.
Упр. 16 (1).
Дано: Решение:
U = 20В Электроемкость конденсатора определяется
q = 5,0 Кл по формуле: С = .
С – ? С = = 0,25 (Ф).
Ответ: С = 0,25 Ф.
3. Актуализация опорных знаний.
– Какой проводник можно считать уединенным? (Уединенным
называется проводник, вблизи которого нет никаких других проводников, тел и зарядов).
– Что называют электрической емкостью уединенного проводника? (Электрическая емкость уединенного проводника – физическая скалярная величина, количественно характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд и равная отношению заряда проводника к его потенциалу: C = ).
– От чего зависит и от чего не зависит электроемкость проводника? (Электроемкость проводника зависит только от его формы и размеров, а также от диэлектрической проницаемости среды, в которой этот проводник находится).
– Какую систему проводников называют конденсатором? (Конденсатор – система, состоящая из двух или более проводников и способная накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды). – Что представляет собой плоский конденсатор? (Если обкладками конденсатора являются две одинаковые параллельные друг другу пластины, то конденсатор называют плоским . Электростатическое поле заряженного плоского конденсатора в основном сосредоточено между его обкладками и является практически однородным. Вблизи краев пластин однородность поля нарушается, однако этим часто пренебрегают, когда расстояние между пластинами значительно меньше их размеров).
– Что называют электрической емкостью конденсатора? (Электрической емкостью конденсатора называют физическую скалярную величину, количественно характеризующую способность конденсатора накапливать электрические заряды и равную отношению заряда конденсатора к напряжению между его обкладками: С = ).
– От чего зависит электроемкость плоского конденсатора? (Электроемкость плоского конденсатора зависит от площади обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды, находящейся между обкладками: С = ).
4. Целеполагание. Цель данного занятия: определить энергию
заряженного конденсатора, а также область применения различных видов конденсаторов постоянной и переменной электроемкости.
5. Изучение нового материала. В процессе электризации тел внешние
силы совершают работу по перераспределению зарядов между телами, преодолевая силы кулоновского притяжения при разделении отрицательных и положительных зарядов. Но всякое разделение зарядов приводит к возникновению электростатического поля. Это означает, что для создания электростатического поля системы заряженных тел необходимо совершить работу по перемещению зарядов между этими телами. Если в качестве таких тел рассматривать обкладки конденсатора, то процесс его зарядки можно представить как перенос заряда q с одной обкладки на другую, в результате чего одна из них приобретает заряд –q, а другая – +q. Работа, совершённая при этом внешними силами, равна энергии электростатического поля заряженного конденсатора.
Если форма и размеры обкладок конденсатора, а также расстояние между ними и диэлектрические свойства среды, заполняющей пространство между обкладками, остаются неизменными, то напряжение на конденсаторе прямо пропорционально модулю заряда его обкладок U = q. Чтобы увеличить модуль заряда на обкладках от до + , внешней силе необходимо совершить работу = q по перемещению бесконечно малой положительной порции заряда q с отрицательной обкладки на положительную. Этой работе на рисунке 1 соответствует площадь заштрихованного столбика. Полная же работа А по зарядке конденсатора до напряжения U равна сумме площадей всех аналогичных столбиков, т. е. площади фигуры под графиком зависимостей U(q). В данном случае – площади треугольника, равной половине произведения его основания на высоту:
А = .
Рис. 1
Приращение энергии электростатического поля заряженного конденсатора равно работе, совершенной внешней силой при его зарядке:
W = W – 0 = A = .
Учитывая, что q = CU, формулу для определения энергии электростатического поля заряженного конденсатора можно записать в виде:
W = или W = .
Энергию электростатического поля заряженного конденсатора можно выразить через напряженность поля, сосредоточенного между его обкладками (рис. 2).
Электроемкость плоского конденсатора С = , напряжение между обкладками U = Ed. Следовательно, W = = Sd = , где V – объем пространства между обкладками конденсатора.
Рис. 2
Применение конденсаторов. Конденсаторы находят широкое применение в электротехнике, радиотехнической и телевизионной аппаратуре, радиолокационной технике, телефонии, технике счётно – решающих устройств, лазерной технике, электроэнергетике (например, для
улучшения коэффициента мощности промышленных установок, регулирования напряжения в распределительных сетях, в устройствах освещения люминесцентными лампами), металлопромышленности (например, для плавки и термической обработки металлов), добывающей промышленности (например, в электровзрывных устройствах), медицинской технике (например, в рентгеновской аппаратуре, приборах электротерапии), фототехнике (для получения вспышки света при фотографировании).
6. Домашнее задание. §21, упр. 17(1,2).
7. Рефлексия.
Гельмгольца, конденсатора — Справочник химика 21
По Гельмгольцу (1879 г.), двойной электрический слой можно уподобить плоскому конденсатору, одна из обкладок которого совпадает с плоскостью, проходящей через поверхностные заряды [c.157]Толщина плотного слоя Гельмгольца принимается равной диаметру противоиона. Эту часть ДЭС можно рассматривать как плоский конденсатор, потенциал которого с увеличением расстояния от поверхности снижается линейно. По теории Гуи — Чепмена противоионы диффузной части ДЭС распределяются в поле поверхностного потенциала в соответствии с законом Больцмана. Теория показывает, что потенциал в диффузной части слоя снижается с расстоянием по экспоненте. При малом значении потенциала эта зависимость выражается уравнением [c.78]
Было предложено несколько теорий образования ДЭС, из которых наиболее известными являются модели Гельмгольца (так называемая модель плоского конденсатора) и модель Гуи-Чепмена. Современные представления о структуре ДЭС базируются на теории Штерна, согласно которой противоионы находятся в двух положениях одна их часть образует адсорбционный слой (так назы- [c.71]
Согласно Штерну, первый слой или даже несколько первых слоев противоионов притягиваются к стенке под влиянием как электростатических, так и адсорбционных сил. В результате этого часть противоионов удерживается поверхностью на очень близком расстоянии, порядка 1—2 молекул, образуя плоский конденсатор толщиной б, предусмотренный теорией Гельмгольца — Перрена. Этот слой, в котором, естественно, наблюдается резкое падение электрического потенциала, одни авторы называют гельмгольцевским, другие — штерновским, третьи — адсорбционным слоем. Остальные противоионы, нужные для компенсации потенциалопределяющих ионов, в результате теплового разбрасывания образуют диффузную часть двойного слоя, в которой они распределены согласно тем же законам, что и в диффузном слое Гуи — Чэпмена. Эту часть двойного слоя, в которой потенциал падает относительно постепенно, иногда называют сло мХм.и. Схема двойного электрического слоя по Штерну и падение в нем электрического потенциала показаны на рис. vn, 11. [c.185]
Из схемы можно видеть, что полное падение потенциала фо слагается из падения потенциала ср а диффузной части двойного слоя и разности потенциалов (фо — фе) между обкладками конденсатора. Место границы скольжения в таком слое остается до сих пор неясным. Некоторые авторы принимают, что она совпадает с границей между слоем Гельмгольца и слоем Гуи. Однако в общем случае ее можно представить себе находящейся в слое Гуи, как это изображено,на рис. VH, И (граница скольжения обозначена пунктирной линией АВ). Таким образом, потенциал на границе слоя Гельмгольца и слоя Гуи не обязательно должен быть равен -потенциалу. [c.185]
Теории двойного электрического слоя. Впервые представление о двойном слое было введено в науку Кольраушем (1872). Простейшая количественная теория двойного электрического слоя, которую называют теорией плоского конденсатора конденсированного двойного слоя, была развита Г. Гельмгольцем (1879) и Р. А. Колли. В этой теории двойной электрический слой представляет собой конденсатор из двух обкладок, удаленных друг от друга на расстояние I. Одна обкладка совпадает с [c.417]
Характер изменения потенциала в двойном электрическом слое позволяет выделить в нем плотную и диффузную части. Плотная часть двойного электрического слоя (так называемый слой Гельмгольца) образована ионами, находящимися на минимальном расстоянии от поверхности раздела фаз. Такой слой подобен конденсатору с металлическими обкладками. Потенциал в нем меняется линейно. [c.228]
Представление о двойном электрическом слое, как о плоском конденсаторе, развитое в классических работах Гельмгольца, получило дальнейшее развитие в трудах Смолуховского, Гуи, Чэпмена, Штерна и других ученых. [c.176]
Гуггенгейм пишет по этому поводу 1 В своих работах Гельмгольц, дает ясное определение моменту двойного слоя, а именно момент двойного слоя равен произведению заряда на расстояние между обкладками. Далее Гельмгольц говорит, что эта величина равна разности потенциалов между пластинками конденсатора, деленной на 4я. Из зтого следует, во-первых, что Гельмгольц употреблял электростатические единицы. Это ясно также из того, что помимо прочего нигде нет ни слова о вольте. Гельмгольц делает следующую подстановку [c.92]
Первая теория такого рода была предложена Г. Гельмгольцем в 1853 г. Он полагал, что двойной электрический слой состоит из двух слоев зарядов противоположного знака, находящихся друг от друга на расстоянии порядка диаметра молекулы воды слоя зарядов на металле и слоя притянутых к нему ионов. Одновременно предполагалось, что заряды в обоих этих слоях равномерно размазаны вдоль поверхности, так что можно провести полную аналогию между двойным слоем и обычным плоским конденсатором. [c.102]
Итак, теория Гельмгольца находится в качественном согласии с рядом экспериментальных фактов. Именно поэтому при рассмотрении свойств двойного слоя часто прибегают к формуле плоского конденсатора. Вместе с тем теория Гельмгольца не охватывает всей совокупности экспериментальных фактов. Так, например, согласно этой [c.104]
Итак, теория Гельмгольца находится в качественном согласии с рядом экспериментальных фактов. Именно поэтому при рассмотрении свойств двойного слоя часто прибегают к формуле плоского конденсатора. [c.108]
Модельные представления о строении двойного слоя на границе электрод — раствор развивались в течение длительного времени. Первая работа относится к 1853 г., когда Г. Гельмгольц для описания границы между электродом и раствором предложил модель плоского конденсатора. Согласно теории Гельмгольца, к слою зарядов на металле жестко притянуты ионы противоположного знака, так что двойной слой представляет собой своеобразный плоский конденсатор с очень малым расстоянием между его обкладками (порядка диаметра молекулы воды). Эта теория предсказывала правильные по порядку величины емкости двойного слоя, объясняла форму электрокапиллярных кривых, но не могла объяснить зависимости емкости и пограничного натяжения от концентрации электролита и температуры. [c.162]
Двойной электрический слой образуется электрическими зарядами, находящимися на металле, и ионами, несущими заряд противоположного знака, расположенными в растворе электролита вплотную к поверхности металла. Образующийся двойной слой подобен плоскому конденсатору, расстояние между обкладками которого определяется величиной радиусов ионов. Такая упрощенная картина, предложенная Г. Гельмгольцем, справедлива только при больших концентрациях растворов электролитов и больших величинах плотности заряда электрода. В большинстве реализуемых случаев строение двойного слоя отличается от описанного. [c.342]
Согласно простейшей модели Гельмгольца, ДЭС состоит из двух плоских слоев зарядов, расположенных на молекулярном расстоянии один от другого и взаимодействующих между собой только за счет электростатических сил притяжения. Такая структура подобна плоскому конденсатору, и падение потенциала между слоями происходит линейно (рис. 25.5, /). [c.403]
Теорию двойного электрического слоя иногда называют теорией плоского конденсатора и часто ошибочно связывают с именем Гельмгольца. [c.201]
Первая количественная теория ДЭС была разработана Гельмгольцем в 1879 г. В то время о существовании ионов в расгворах не знали и Гельмгольц рассматривал ДЭС как плоский конденсатор, внешняя обкладка которого расположена в жидкости параллельно поверхности на расстоянии молекулярного порядка от нее (рис. 73). Потенциал отсчитанный от нулевого [c.195]
Первую количественную теорию ДЭС разработал Гельмгольц в 1879 г. В то время о существовании ионов в растворах не знали и Гельмгольц рассматривал ДЭС как плоский конденсатор, внешняя обкладка которого расположена в жидкости параллельно поверхности на расстоянии молекулярного порядка от нее (рис. XII. 4). Потенциал il), отсчитанный от нулевого уровня, отвечающего глубине раствора (д =оо), г 5 = (г 5)д — (ф) е=ос, уменьшается линейно с расстоянием х от поверхности, в соответствии с теорией плоского конденсатора. [c.181]
Можно ожидать (см. петит ниже), что диффузность, т. е. большая размытость слоя противоионов по сравнению с моделью Гельмгольца изменит только характер распределения скоростей смещения отдельных слоев жидкости в непосредственной близости к поверхности твердой фазы. При этом наблюдаемая на опыте скорость перемещения фаз относительно друг друга uo, которая, как и в модели Гельмгольца, определяется величиной фо, существенно не изменится (кривая 2 стремится к тому же пределу, что и Г)- На это, в частности, указывает то обстоятельство, что единственный параметр, определяющий геометрические характеристики двойного слоя в модели Гельмгольца, — расстояние между обкладками конденсатора б — не входит в конечное выражение. (Если какой-либо параметр, используемый при выводе, не входит в конечное соотношение, это обычно означает, что свойство системы, отражаемое этим параметром, не влияет на рассматриваемое явление.) В качестве наиболее близкого по физическому смыслу значения расстояния б может быть использована толщина ионной атмосферы б=1/> . [c.189]
Первую количественную теорию строения двойного электрического слоя на границе металл — раствор связывают обычно с именем Гельмгольца (1853). По Гельмгольцу, двойной электрический слой можно уподобить плоскому конденсатору, одна из обкладок которого совпадает с плоскостью, проходящей через поверхностные заряды в металле, другая — с плоскостью, соединяющей центры тя- кестн зарядов 1, онов, находящихся в растворе, по притянутых электростатическими силами к иоверлиости металла (рис. 12.1). Толщина двойного слоя I (т. е. расстояние между обкладками [c.261]
Поскольку в зaви имo tи Гельмгольца—Кройта содержание полярных компонентов в жидкости может проявляться только через диэлектрическую проницаемость, исследовалась зависимость-диэлектрических проницаемостей от содержания в них Уюлярных компонентов на установке, изображенной на рис. 20. Она состояла из куметра ВМ-311 (/), измерительного конденсатора с рубашкой охлаждения (2), ультратермостата ВЕ (3), контроль- [c.121]
Первые предположения о его образовании были сделаны Квинке. Строение двойного электрического слоя впервые было представлено Гельмгольцем и Перреном по аналогии со строением плоского конденсатора. Предполагалось, что, как и в плоском конденсаторе, на границе соприкасающихся фаз заряды располагаются в виде двух рядов разноименных ионов. Толщина слоя считалась близкой к молекулярным размерам или размерам сольватированных ионов. Потенциал слоя снижается на этом расстоянии линейно до нуля. Поверхностный заряд теорией плоского конденсатора уравнением (11.80) [c.54]
Это классическое выражение для скорости движения жидкости при электроосмосе можно получить н на основе представлений двойного электрического слоя как плоского конденсатора, что и было сделано еще Гельмгольцем. Более строгий вывод соотношения (IV. 66) был затем дан Смолуховскнм. Поэтому уравнение (IV. 66) носит название уравнения Гельмгольца—Смолуховского. [c.221]
Первая теория строения двойного электрического слоя (Гельмгольц) рассматривала его в виде плоского конденсатора, одной обкладкой которого является заряженная поверхность электрода, а вторую образует слой противоположно заряженных ионов, расположенный в электролите. Расстояние между обкладками бц принимается равным радиусу ионов г,.. В таком случае емкость двойног электрического слоя может рассчитываться по формуле [c.101]
Впервые представление об образовании двойного электрического слоя было высказано Квинке (1859) и развитое работах Гельмгольца (1879). По этим представлениям, двойной электрический слой подобен плоскому конденсатору, одна обкладка которого находится в твердой фазе, другая — в растворе. Толщина конденсатора имеет порядок молекулярного радиуса. По Гельмгольцу, образование двойного электрического слоя происходит следующим образом. На поверхности коллоидных частиц адсорбируется преимущественно один из ионов, который и сообщает поверхности свой знак заряда. Под действием электростатических сил притяжения противоионы (или компенсирующие ионы) стремятся расположиться возможно ближе к ионам, адсорбированным на поверхности частиц. В результате образуются два слоя ионов, из которых один расположен на поверхности, другой — в растворе, на расстоянии молекулярного радиуса (рис. 93, /). Такая система ионов (в целом нейтральная) получила название двойного электрического слоя по Гельмгольцу. [c.314]
Аномальные величины С и Х получаются вследствие того, что теория Гуи — Чапмена рассматривает ионы как частицы точечного размера, которые поэтому могут подходить к поверхности электрода на бесконечно малое расстояние. В действительности ионы не могут приблизиться к электроду на расстояние меньше их радиуса. Поэтому теория Гельмгольца, которая рассматривает двойной слой как конденсатор с толщиной, равной радиусу иона, дает более правильные величины емкости, чем теория Гуи — Чапмена. Таким образом, возникла задача сочетания основных представлений теории Гельмгольца и теории Гуи—Чапмена. Эта задача была решена О. Штерном. [c.110]
Для количественного описания этого эффекта можно воспользоваться эквивалентной схемой, представленной на рис. 2.19 и основанной на следующих модельных допущениях 1) плотная часть двойного электрического слоя подчиняется модели двух параллельных конденсаторов 2) внешняя плоскость Гельмгольца является эквипотенциальной. Кроме того, обычно предполагают, что свойства диффузной части двойного слоя можно описать теорией Гуи-Чапмена и, следовательно, применить уравнение (2.95). [c.74]
Строение двойного электрического слоя. Основываясь на экспериментальных данных, полученных Квинке при изучении электрокинетических явлений, Г. Гельмгольц предложил первую модель двойного электрического слоя. Согласно воззрениям Гельмгольца, в дальнейшем развитым М. Смолуховским и Ж. Перреном, двойной электрический слой рассматривается как заряженный плоский конденсатор. На поверхности находится слой ионов, называемых потенциалобразующими, а на некотором расстоянии от нее в жидкой фазе находятся, удерживаемые силой электростатического притяжения, ионы противоположного знака, называемые противоионами. Модель Квинке — Гельмгольца предполагает, что расстояние между плотным слоем противоионов и слоем потенциалопределяющих ионов повсюду одинаково. По условию электронейтральности удельные поверхностные заряды (поверхностные плотности зарядов) обенх составляюш,их частей двойного электрического слоя должны быть равны по абсолютной величине д+=д . Скачок потенциала для модели Квинке — Гельмгольца рассчитывается по известной формуле для плоского конденсатора 9=СД >1, в которой С—емкость плоского конденсатора на единицу площади, причем С = еео- — (еео — [c.87]
При соприкосновении двух электропроводящих фаз между ними возникает электрическая разность потенциалов, называемая напряжением Гальвани Дф или е, которая сама по себе не может быть измерена. Это явление связано с образованием двойного электрического слоя. Двойной электрический слой состоит из слоев диполей, которые образуются вследствие перехода электронного газа металла наружу за пределы решетки положительных ионов или вследствие адсорбции дипольных молекул из раствора, а также из зарядового двойного слоя, возникающего в результате взаимодействия двух поверхностных дипольных слоев и непосредственного межфаз-ного перехода носителей заряда [2]. Простейшее представление о строении двойного электрического слоя дал Гельмгольц, согласно представлениям которого избыточные заряды размещаются по обеим сторонам поверхности раздела фаз в двух параллельных слоях, расположенных на небольшом расстоянии. Таким образом,электрический слой можно уподобить плоскому конденсатору. Более глубокое представление о строении двойного электрического слоя дали Гуи, Чапмен, Штерн и др. [4—6]. В общем принято считать, что двойной электрический слой по своему строению представляет один или несколько параллельно включенных конденсаторов, измеряя емкость которых можно получить представление о строении и составе двойного электрического слоя. [c.97]
Впервые идея образования двойного электрического слоя на границе раздела фаз гетерогенных систем была предложена Г. Квинке и далее развита Г. Гельмгольцем. Двойной электрический слой представлялся аналогичным плоскому конденсатору, одна обкладка которого находится в твердой фазе, другая — в растворе. Толщина такого конденсатора б имеет порядок молекулярного радиуса. [c.323]
Под строением двойного слоя понимают распределение зарядов в его ионной обкладке. Упрощенно ионную обкладку можно условно разделить на две части 1 — плотную, или гельмгольцев-скую, образованную ионами, практически вплотную подошедшими к металлу, 2 — диффузную, созданную ионами, находящимися на расстояниях от металла, превышающих радиус сольватированного иона. Толщина плотной части — порядка 10 см, диффузной — 10- —10 см. Величина скачка потенциала на границе раствор — металл складывается из падения потенциала в плотной части двойного слоя и падения потенциала в диффузной. Строение двойного электрического слоя определяется общей концентрацией раствора. С ее увеличением процессы, способствующие формированию диффузной части, ослабляются, размеры ее уменьшаются, двойной слой сжимается. В концентрированных растворах диффузная часть практически отсутствует и двойной электрический слой подобен плоскому конденсатору, что соответствуе т модели Гельмгольца, впервые предложившего теорию строения двойного слоя (1853 г.). Разность потенциалов, возникающую на границе раздела металл — раствор, называют электродным потенциалом.( [c.327]
При рассмотрении строения мицеллы было показано, что при взаимодействии лиофобных коллоидов с электролитами на поверхности ядра адсорбируются определенные ионы из раствора. Ядро с адсорбированными на нем ионами того или иного знака взаимодействует с окружающим раствором. При этом благодаря электростатическому притяжению ионы, обладающие знаком, противоположным по отношению к потенциалопределяю-щим ионам, стремятся расположиться к ним как можно ближе. В результате этого образуются два близко расположенных слоя ионов один на поверхности (потенциалобразующие ионы) и другой в растворе (противоионы). Такая система называется двойным электрическим слоем Гельмгольца (рис. 122). Следует помнить, что в целом эта система электроней-тральна. В представлении Гельмгольца двойной электрический слой по добен плоскому конденсатору, внутренняя обкладка которого находится в твердой фазе, а внешняя — расположена в жидкости параллельно твердой поверхности ядра на расстоянии молекулярного порядка. Общий термодинамический по- [c.319]
В соответствии с простейшей моделью Гельмгольца, пространственное разделение зарядов вблизи поверхности может рассматриваться как двойной электрический (ионный) слой, представляюш,ий собой две параллельные обкладки заряженного конденсатора, разделенные прослойкой дисперсионной среды с некоторой средней (эффективной) толщиной б. Одна обкладка конденсатора образована ионами, закрепленными на самой поверхности, — лоте -циалопределяющими ионами, другая — находящимися в среде противоионами-, при этом ионы, одноименно заряженные с поверхностью, так называемые ко-ионы оттеснены в объем раствора. Такое разделение зарядов приводит к возникновению разности потенциалов Дф между контактирующими фазами и, в данной модели, к линейному падению потенциала между обкладками конденсатора (рис. VII—2), [c.175]
Открытый урок по физике по теме «Электроемкость. Конденсаторы». 10-й класс
Цель урока: Ввести понятие емкости проводника и конденсатора.
Задачи урока: Научить учащихся пользоваться формулами электроемкости заряженного проводника и конденсатора. Показать назначение и применение конденсаторов в нашей жизни.
Оборудование урока: Плоский воздушный конденсатор, электрофорная машина, проводники, пластины из диэлектриков.
Опрос пройденного материала. Опрос пройденного материала производится с помощью компьютеров по тест модулю «Потенциал и напряженность электрического поля»
1. Проводящий шар находится о однородном электростатическом поле. Сравнить потенциалы точек 1 и 2 шара.
2. Отрицательный заряд внесен внутрь полой проводящей сферы, внешняя поверхность которой заземлена. Что можно сказать о потенциалах φ1 и φ2 в произвольных точках внутри и снаружи шара.
3. Заряд q перемещен по контуру ABCDA (на рисунке – против часовой стрелки) в поле точечного заряда Q. На каком участке или участках работа сил поля положительна, если Q > 0 и q > 0?
4. В неоднородном электрическом поле положительный заряд перемещается из точки 1 в точку 2 по разным траекториям. В каком случае работа сил электрического поля больше?
5. Электрическое поле создано неподвижным положительно заряженным шаром +q1. Как изменятся напряженность и потенциал поля в точке A, если в точке B будет размещен другой положительный заряд +q2 и |q2| < |q1|?
6. С какой силой действует однородное электростатическое поле, напряженность которого E = 200 000 Н/Кл, на заряд q = 5∙10–6 Кл?
7. Определите разность потенциалов между точками 1 и 2 электрического поля точечного заряда q = 4∙10–8 Кл, если расстояния от этих точек до заряда равны соответственно 1 и 4 м?
8. В однородном электростатическом поле четыре заряда движутся по направлениям, указанным стрелками. Установите, какие заряды перемещаются под действием сил электрического поля. Какие работы по перемещению зарядов положительные, а какие отрицательные?
Объяснение нового материала.Новый материал излагается на интерактивной доске с помощью модуля «Электроемкость. Электроемкость конденсатора».
Емкость проводника.
После открытия электризации тел перед экспериментаторами возник вопрос: при каком условии можно накопить на проводниках большой электрический заряд.
Электроемкость проводника. Рассмотрим удаленный от всех тел проводник, заряженный равномерно распределенным по нему зарядом q. Тогда можно утверждать, что потенциал на поверхности проводника будет пропорционален заряду проводника.
q ~ φ или q = С φ
Коэффициент пропорциональности С, где С > 0, между зарядом и потенциалом называется электроемкостью проводника (сокращенно емкостью).
Электроемкость – физическая величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд при заданном потенциале и определяемая как отношение заряда уединенного проводника к его потенциалу.
С=q/φ
С системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф):
Из-за того что заряд 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф тоже очень велика. Поэтому на практике часто используют доли этой единицы:
- 1пФ = 10–12 Ф
- 1 мкФ = 10–6 Ф
Конденсаторы. Емкость конденсатора.
Большой заряд можно накопить если использовать не один проводник, а два близко расположенных проводника, которым сообщить равные по модулю и разные по знаку электрические заряды. Такое устройство, предназначенное для накопления электрического заряда и состоящее из двух близко расположенных проводников (обкладки), разделенных тонким слоем диэлектрика, называется конденсатором.
Электроемкостью конденсатора называется физическая величина, равная отношению заряда одной из пластин конденсатора (обкладки) q к разности потенциалов Δφ между ними.
Первым конденсатором в истории физики стала лейденская банка, опыты с которой в середине XVIII века поставил голландский ученый Питер Ван Мушенбрук.
Мушенбруку привелось испытать на себе прохождение огромного по тем временам электрического заряда с помощью обыкновенной стеклянной банки. Оказалось, что если выложить внутреннюю и внешнюю поверхность банки фольгой, тона этих проводниках можно накапливать большой электрический заряд.
Емкость плоского конденсатора
Простейшим конденсатором является система из двух проводящих пластин разделенных тонким диэлектриком. Такой конденсатор называется плоским.
Не сложно увидеть:
1) что заряд конденсатора q, а следовательно и емкость конденсатора C (согласно формулы С=q/U) будет прямо пропорционально зависеть от площади пластин (обкладок) S.
С ~ S
2) из формулы С=q/U также видно, что чем меньше напряжение между обкладками конденсатора, тем больше емкость конденсатора С. А напряжение между обкладками U = φ1 – φ2 прямо пропорционально зависит от расстояния между обкладками d. Следовательно Между С и d существует обратно пропорциональная зависимость.
C ~
3) вводя различные виды диэлектриков между пластинами можно изменять емкость конденсатора. Следовательно емкость конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика ε.
С ~ ε
Тогда формула плоского конденсатора имеет вид
Где ε0 = 8,85* 10–12 Ф/м – электрическая постоянная.
Электрическое однородное поле плоского конденсатора в основном локализовано между обкладками.
Конденсаторы первоначально использовались для накопления электрического заряда.
Но сегодня когда существуют различные источники тока, потребность в накоплении электрического заряда отпала. Тем не менее конденсаторы очень широко используются в радиотехнике для:
- Накопления электрического заряда и энергии.
- Фильтрации и сглаживания выпрямленного тока.
- Настройки резонансных цепей приемо-передающей аппаратуры с помощью конденсатора переменной емкости.
- Фильтрация или развязка цепей по постоянному току и «прохождение» переменного тока через конденсатор.
И т.д.
Закрепление пройденного материала.С помощью компьютеров рассматривается тест модуль «Плоский конденсатор».
- Напряженность электрического поля в пространстве между пластинами плоского конденсатора в вакууме равна 40 В/м, расстояние между пластинами равно 2 см. Каково напряжение между пластинами конденсатора?
- Заряд на обкладках конденсатора увеличили в 2 раза. Как изменится электроемкость конденсатора?
- Электрический заряд на одной пластине конденсатора +20 Кл а на другой -20 Кл. Напряжение между пластинами 5*104 В. Определить электроемкость конденсатора.
- Как изменится емкость плоского конденсатора, если расстояние между его пластинами увеличить в 2 раза?
- Как изменится напряжение на обкладках заряженного плоского конденсатора, если расстояние между его обкладками увеличить в 2раза?
- Плоский конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменится заряд на обкладках конденсатора, если площадь пластин уменьшить в 2 раза?
- Как изменится емкость конденсатора при его заполнении диэлектриком с проницаемостью ε = 4? Конденсатор исходно заряжен и отключен от источника тока.
- Как изменится электроемкость конденсатора, если в пространство между пластинами вместо стекла с ε = 7 вставить парафин с ε = 2?
- Какую площадь должны иметь пластины плоского конденсатора для того, чтобы его электроемкость была равна 1 мкФ, если между пластинами помещен слой слюды толщиной 0,1 мм? Диэлектрическая проницаемость слюды ε = 7. Электрическая постоянная равна ε0 = 8,85* 10–12 Ф/м.
(Задание №9 является дополнительным).
Первый вариант делает не четные задания, а второй вариант – четные. Оценивание количества выполненных заданий производится компьютером. По количеству выполненных заданий выставляется оценка в журнал.
Задание на дом.- § 101 – 102, упражнение 18 № 1,3
Электроёмкость плоского конденсатора | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко
Плоским конденсатором обычно называют систему плоских проводящих пластин — обкладок, разделенных диэлектриком. Простота конструкции такого конденсатора позволяет сравнительно просто рассчитывать его электроемкость и получать значения, совпадающие с результатами эксперимента.
| Рис. 4.71. Плоский конденсатор на электрометре |
Укрепим две металлические пластины на изоляционных подставках и соединим с электрометром так, что одна из пластин будет присоединена к стержню электрометра, а вторая — к его металлическому корпусу (рис. 4.71). При таком соединении электрометр будет измерять разность потенциалов между пластинами, которые образуют плоский конденсатор из двух пластин. Проводя исследования, необходимо помнить, что
при постоянном значении заряда пластин уменьшение разности потенциалов свидетельствует об увеличении электроемкости конденсатора, и наоборот.
Сообщим пластинам разноименные заряды и отметим отклонение стрелки электрометра. Приближая пластины друг к другу (уменьшая расстояние между ними), заметим уменьшение разности потенциалов. Таким образом, при уменьшении расстояния между пластинами конденсатора его электроемкость увеличивается. При увеличении расстояния показания стрелки электрометра увеличиваются, что является свидетельством уменьшения электроемкости.
Электроемкость плоского конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между его обкладками.
C ~ 1 / d,
где d — расстояние между обкладками.
| Рис. 4.72. График зависимости емкости плоского конденсатора от расстояния между пластинами |
| Рис. 4.73. При расчетах емкости плоских конденсаторов учитывают площадь перекрытия пластин |
Эту зависимость можно изобразить графиком обратной пропорциональной зависимости (рис. 4.72).
Будем смещать пластины одну относительно другой в параллельных плоскостях, не изменяя расстояния между ними.
При этом площадь перекрытия пластин будет уменьшаться (рис. 4.73). Увеличение разности потенциалов, отмеченное электрометром, будет свидетельствовать об уменьшении электроемкости.
Увеличение площади перекрытия пластан приведет к увеличению емкости.
Электроемкость плоского конденсатора пропорциональна площади пластин, которые перекрываются.
C ~ S,
где S — площадь пластин.
| Рис. 4.74. График зависимости емкости плоского конденсатора от площади его пластин |
Эту зависимость можно представить графиком прямой пропорциональной зависимости (рис. 4.74).
Возвратив пластины в начальное положение, внесем в пространство между ними плоский диэлектрик. Электрометр отметит уменьшение разности потенциалов между пластинами, что свидетельствует об увеличении электроемкости конденсатора. Если между пластинами поместить другой диэлектрик, то изменение электроемкости будет иным.
Электроемкость плоского конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика.
C ~ ε,
где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Материал с сайта http://worldofschool.ru
| Рис. 4.75. График зависимости емкости плоского конденсатора от диэлектрической проницаемости диэлектрика |
Такая зависимость показана на графике рис. 4.75.
Результаты опытов можно обобщить в виде формулы ёмкости плоского конденсатора:
C = εε0S / d,
где S — площадь пластины; d — расстояние между ними; ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε0 — электрическая постоянная.
Конденсаторы, которые состоят из двух пластин, в практике применяются очень редко. Как правило, конденсаторы имеют много пластин, соединенных между собой по определенной схеме.
На этой странице материал по темам:Простые задачи энергия плоского конденсатора скачать
Самостоятельная работа по теме электроемкость плоского конденсатора
Физика 10 класс . рассчитать площадь и электроемкость плоского конденсатора.
График электроемкости плоского конденсатора от площади его пластин
Электроемкость конденсатора зависит от расстояния
Какое строение плоского конденсатора?
По изменению какой величины в опыте можно делать заключение об изменении электроемкости?
В какой последовательности проводится опыт, в котором устанавливалась зависимость электроемкости конденсатора от его параметров?
Как зависит электроемкость плоского конденсатора от активной площади пластин?
Как зависит электроемкость плоского конденсатора от расстояния между пластинами?
Как влияет диэлектрик на электроемкость конденсатора?
MLCC и керамические конденсаторы
В статье рассказывается о конструкции, производстве, применении и особенностях керамических конденсаторов.
Несмотря на все вышеперечисленные преимущества, у технологии есть некоторые ограничения, которые необходимо понимать для правильного использования и проектирования. В следующих главах мы также обсудим две основные группы керамических диэлектрических материалов:
Керамические конденсаторы класса 2 можно разделить на две основные группы: одну с умеренной температурной зависимостью для класса – ΔC ≤ ±15% в пределах температурного диапазона – и другую с такими изменениями, что при температуре остается только часть емкости пределы.Первая группа в наших таблицах и диаграммах представлена керамическим типом, обозначаемым X7R или 2C1, последняя — Z5U или 2F4.
Введение в класс 2 Конденсаторыкласса 2 характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью, часто обозначаемой буквой K, за которой следует εr. Отсюда K2000 означает εr ≈ 2000. Температурная зависимость емкости велика. Поэтому EIA характеризует керамику тремя символами, которые по порядку указывают нижний и верхний предел температурного диапазона и определяют изменение емкости в пределах диапазона.
| Буквенный код низкая температура | Цифровой код верхняя температура | Буквенный код изменение емкости в диапазоне температур | ||
| X = -9 020 °C 65 °C (+149 °F) | P = ±10% | |||
| Y = -30 °C (-22 °F) | 5 = +85 °C (+185 °F) | R = ±15 % | ||
| Z = +10 °C (+50 °F) | 6 = +105 °C (+221 °F) | S = ±22 % °C (+257 °F) | T = +22/−33 % | |
| 8 = +150 °C (+302 °F) | U = +22/−56 % | 9 = +200°C (+392°F) | В = +22/−82% |
Пример: X7R означает с обозначениями EIA диапазон температур -55/+125 °C, при котором изменение емкости не превышает ±15 % при условии, что напряжение постоянного тока равно нулю. Код EIA не учитывает, что керамика класса 2 реагирует уменьшением емкости на постоянное напряжение.
С другой стороны, есть и другие стандарты. Вот несколько примеров.
Таблица 5. содержит две основные группы керамики класса 2:
• К900⋅⋅⋅К2200; ΔC примерно ±20% в пределах диапазона температур.
• К4000⋅⋅⋅К12 000; очень большие ΔCs на предельных температурах.
В этих группах есть еще много материалов, например недавний материал Y5V, но в наших диаграммах и табличной информации мы в основном ограничимся X7R/2C1 и Z5U/2F4. По спецификации Z5U находится в более ограниченном диапазоне температур, чем 2F4, но это связано только с указанным ΔC, а не с его способностью выдерживать более низкие температуры.
Если мы примем изменения емкости, вызванные холодом, керамика выдержит -55°C. В разделе диаграммы мы более подробно рассмотрим температурную зависимость емкости. Однако не следует превышать верхний предел температуры. Допустимые отклонения емкости для X7R обычно составляют ±5, ±10 или ±20%. Обычные допуски Z5U составляют ±10, ±20 или -20/+80%.
Высокое диэлектрическое поглощение:
• X7R/2C1 ≈ 2,5⋅⋅⋅4,5%;
• Z5U/2F4 ≈ 4,5⋅⋅⋅8,5%.
То, что измеряемое напряжение определено и ограничено, зависит, среди прочего, от емкости, которая изменяется с приложенным переменным напряжением. См. примеры на рис. 34 tp 38.
Рис. 34. Примеры класса 2. Керамические конденсаторы ΔC в зависимости от измерительного напряжения для X7R/2C1 с различными номинальными напряжениями Рис. 35. Примеры керамических конденсаторов класса 2 в зависимости от электрического напряжения ΔC для Z5U/2F4 при различных номинальных и опорных напряжениях. Температура КюриКерамические конденсаторы имеют кристаллическую структуру и диполи, которые придают материалам их уникальные диэлектрические постоянные ε r . Но выше определенной температуры хрупкого перехода, так называемой температуры Кюри, керамика теряет свои диэлектрические свойства. Температура Кюри для керамики класса 2 обычно находится в пределах 125⋅⋅⋅150 °C. Влияния не проявляются ни при какой точной температуре переключения, но становятся постепенно заметными вблизи температуры Кюри.Таким образом, мы должны скорее говорить о диапазоне Кюри.
C 2.11.4 Зависимость емкости от приложенного напряжения
Диэлектрическая абсорбция (DA) и ферроэлектричество
Различные типы керамики класса 2 изготавливаются на основе титанатов бария. Их кристаллическая структура состоит из диполей, которые при поляризации имеют диэлектрический гистерезис. По образцу кривой гистерезиса магнитных материалов их называют сегнетоэлектриками.
Рис 36.показывает заряд конденсатора в зависимости от приложенного напряжения.
Рис. 36. Диэлектрический материал конденсатора с ферроэлектрическим гистерезисом.При увеличении напряжения от нуля до предельного значения и последующем снижении зарядная кривая следует другой ветви, которая при напряжении V = 0 оставляет остаточный заряд + ΔQ. Переменное напряжение той же величины заставит кривую зарядки проходить по контурам большой петли гистерезиса на рисунке.
Если переменное напряжение мало, а постоянное напряжение = 0, петля гистерезиса будет следовать за маленьким овалом в центре рисунка.Небольшие изменения напряжения соответствуют большим изменениям заряда, то есть большой емкости. Но если мы наложим небольшое переменное напряжение на значительное постоянное напряжение, то увидим, что ΔV1 соответствует более слабым изменениям заряда ΔQ1. Емкость упала.
На рис. 36 показано, как ферроэлектрический материал удерживает остаточный заряд ΔQ на поверхности электрода, когда напряжение на конденсаторе падает до нуля (короткое замыкание внешней цепи). Другими словами, речь идет о диэлектрическом поглощении (DA).Но есть и разница.
Сегнетоэлектрическая кривая поворачивается к оси V, в то время как общая кривая DA выглядит как увеличенное изображение центрального овала. В обоих случаях связанный остаточный заряд ΔQ зависит от времени. Если внешняя цепь замкнута накоротко (V = 0), последовательно освобождаются заряды на поверхности электродов, в то время как ΔQ уменьшается.
Поглощение сегнетоэлектрической энергии зависит от полярности. Таким образом, полная реполяризация потребует больше энергии, чем первоначальная поляризация.Но, например, в цифро-аналоговых преобразователях длительность импульса может оказаться недостаточной для удовлетворительной переполяризации.
Значительное диэлектрическое поглощение керамики класса 2 делает ее непригодной для использования в прецизионных интеграторах, таких как цифро-аналоговые преобразователи, особенно при наличии положительных и отрицательных импульсов. Кристаллическая структура сегнетоэлектрических материалов сохраняется вплоть до температуры Кюри.
Конкретной группой материалов являются антисегнетоэлектрические диэлектрики, как мы обсуждали во введении и на рисунке 3.
Пьезоэлектричество
Если мы подвергнем керамический материал класса 2 воздействию напряженности электрического поля, это вызовет слабые движения в керамике. И наоборот, механическое давление создаст электрические заряды в конденсаторе. Явление называется пьезоэлектричество. Керамика BX (K900⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅K1800), подвергшаяся воздействию ударов/вибраций, произвела в эксперименте выходное напряжение до 40 мВ3.
Если мы подключим конденсатор X7R к осциллографу и постучим молотком по компоненту, то иногда получим скачки высокого напряжения, а иногда нет.Это зависит не только от способа нанесения удара, но и варьируется от одного образца к другому. Выходное напряжение зависит как от производителя, так и от партии.
Зависимость от постоянного напряжения
Мы показали только рассуждениями вокруг сегнетоэлектрической кривой, как емкость уменьшалась с увеличением постоянного напряжения. Как постоянное напряжение влияет на емкость, показано на рис. 37. Обратите внимание, как требования спецификации по зависимости от напряжения влияют на эквивалентные материалы в других отношениях.
Для X7R требований нет – зависимость будет большая – , для 2C1 зависимость максимальная до –30%. В классах материалов зависимость от напряжения увеличивается с увеличением номинального напряжения. Толщина диэлектрика не увеличивается пропорционально номинальному напряжению. Таким образом, напряженность электрического поля увеличивается с увеличением номинального напряжения, что, в свою очередь, приводит к несколько усиленной зависимости от напряжения.
Рис. 37. Типовой диапазон кривой зависимости ΔC от напряжения постоянного тока для различных классов диэлектрических материалов керамических конденсаторовЗависимость от переменного напряжения
Переменное напряжение оказывает обратное влияние на емкость по сравнению с постоянным напряжением.
Рис. 38. Примеры зависимости ΔC от напряжения переменного тока в процентах от номинального напряжения VR для керамических конденсаторов класса 2.Подчеркнем, что рис. 38. представляет собой один пример. Возможны большие вариации. В любом случае значение норм для измерения емкости очевидно. При измерениях ИК-излучения и испытаниях напряжения MIL и IEC/CECC устанавливают ограничение заряда и разряда не более 50 мА.
Комментарий: Ограничения сомнительны. Некоторые производители решили исключить эти требования из своих каталожных листов.Некоторые даже определяют время нарастания напряжения 1000 В/мкс, что для емкостей выше 1 нФ означает импульсные токи ≥ 1 А!
Если для вашего приложения требуются значительные токи заряда/разряда, уточните у производителя или проверьте сами, какой конденсатор может выдержать, и ограничьте применение одиночными импульсами. Керамика 2 класса не выдерживает интенсивных периодических импульсных нагрузок.
Старение Керамика класса 2со временем теряет емкость. Снижение называется старением.Оно подчиняется логарифмическому закону и убывает на определенный процент за десятилетие времени.
Рис. 39. Пример диаграммы старения диэлектриков керамических конденсаторов класса 2 для керамики X7R и Z5U.На диаграмме емкость керамики Z5U уменьшается примерно на 6% за декаду времени, а керамики X7R примерно на 1,3%.
Типичные константы старения обычно равны
• BX/X7R/2C1 1⋅⋅⋅2%
• Z5U/2F4 3⋅⋅⋅6%.
Константа старения k, выраженная в процентах за десятилетие времени, соответствует общей формуле.
Снижение емкости определяется при запуске через 1 час после охлаждения. Во избежание споров о поставленной стоимости соответствующие нормы гласят, что стоимость должна быть гарантирована на момент 1000 часов. Если исходить из формулы C2-2, то значение за 1000 часов рассчитывается как
.[1]
Если приложить временное постоянное напряжение величиной VR, будет наблюдаться затяжной эффект в виде уменьшения емкости более или менее, как если бы компонент подвергался старению в течение 1⋅⋅⋅1½ временной декады (Рисунок 40.).
Рисунок 40. Эффект старения от кратковременного постоянного напряжения величиной VR o n класс 2. конденсатор керамический диэлектрическийНа рисунке также видно, как значение емкости в некоторой степени увеличивается при снятии постоянного напряжения, здесь примерно VR.
Увеличение может составить примерно
• +2,5% для керамики C21
• +5% для керамики X7R и Z5U.
Старение начинается по определению через 1 час после охлаждения. Теперь, если нагреть конденсатор выше точки Кюри и дать ему остыть, кристаллические структуры ориентируются так же, как и после изготовления, и емкость возвращается к исходному значению, прежде чем она снова начнет спадать в соответствии с кривой старения.Одни говорят о «омоложении».
Имейте в виду, что каждая пайка чип-керамики приводит к ее старению. Эффекты замедления старения могут проявляться уже в нижней части диапазона Кюри, если расстояние до точки Кюри компенсируется соответствующим увеличением времени.
Эффект старения DC BIAS
Керамические потери емкости класса II при постоянном и переменном токе, температуре и сроке службы могут быть умножены, и необходимо уделить внимание оценке всех условий работы конечного электронного оборудования, чтобы убедиться, что конденсатор соответствует всем требованиям.Это особенно важно в критически важных приложениях и системах безопасности.
Подробную статью, представленную на симпозиуме PCNS Passive Components Networking Symposium, можно найти здесь:
Объяснение потери емкости при высоком CV MLCC DC BIAS и старении
Конечные пользователи из автомобильной отрасли рассмотрели эту проблему в следующих статьях:
Класс II MLCC Проблемы старения смещения постоянного тока в автомобильных приложениях
MLCCкласса II — более подробная классификация или более конкретные параметры по умолчанию?
Зависимость от температурыЗависимость емкости от температуры и напряжения
Рисунок 41.Типовой диапазон кривой зависимости емкости керамических конденсаторов класса 2 от температуры в X7R/2C1 с приложенным номинальным напряжением и без него. Рис. 42. Типовой диапазон кривой зависимости емкости керамических конденсаторов класса 2 от температуры в Z5U/2F4 с приложенным номинальным напряжением и без него.Tan δ в зависимости от температуры
Рис. 43. Типичные диапазоны кривых и средние кривые для класса 2. керамические конденсаторы диэлектрический Tan δ в зависимости от температуры в X7R/2C1 и Z5U/2F4ИК в зависимости от температуры
Рисунок 44.Типичные примеры зависимости IR от температуры в микросхемах керамических конденсаторов класса 2.Сопротивление изоляции в керамических конденсаторах класса 2 обычно уменьшается в среднем на одну мощность от комнатной температуры до +125°C.
Частотные зависимостиЗависимость емкости и Tan δ от частоты
Рис. 45. Типичные диапазоны кривых емкости и Tan δ в зависимости от частоты в керамических конденсаторах X7R и 2C1 класса 2. Рисунок 46.Типичные диапазоны кривых и средние линии для емкости и Tan δ в зависимости от частоты в диэлектриках керамических конденсаторов Z5U / 2F4 класса 2.Импеданс и ESR в зависимости от частоты
Рис. 47. Примеры зависимости импеданса и ESR от частоты в X7R и 2C1 класса 2. керамические конденсаторы диэлектрики Рис. 48. Примеры частотной зависимости импеданса и ESR в керамических конденсаторах 2Ф4/З5У класса 2. Диэлектрики. Рисунок 49.Другие примеры частотной зависимости импеданса и ESR на диэлектриках керамических конденсаторов класса 2. Таблица 7. КЕРАМИКА КЛАСС 2 / X7R-2C1 / Z5U-2F4 ХАРАКТЕРИСТИКИКерамический конденсатор
Керамические конденсаторы являются наиболее широко используемыми конденсаторами. в электронных схемах. Эти конденсаторы в основном используется там, где требуется небольшой физический размер и большой запас заряда. обязательный.Мы знаем, что конденсатор используется для хранения электрического обвинение. Метод, используемый для хранения электрического заряда, одинаков в все конденсаторы, кроме материала, из которого изготовлен конденсатор это отличается.
Строительство керамического конденсатора
В керамическом конденсаторе керамический материал используются для изготовления диэлектриков и проводящих металлов. для изготовления электродов.Диэлектрик – это изолятор материал, помещенный между электродами конденсатора.
В качестве диэлектрика выбран керамический материал из-за его большой способности допускать электростатическое притяжение и отталкивание. Кроме того, керамические материалы являются плохими проводниками электричество. Поэтому они не пропускают электрический ток. заряжается через них. С другой стороны, электроды керамические конденсаторы являются хорошими проводниками электричества.Следовательно, они легко пропускают через себя электрический ток.
Разное формы керамического конденсатора
Керамические конденсаторыдоступны в следующих форм или форм:
- Дисковый керамический конденсатор
- Керамический трубчатый конденсатор
- Многослойный керамический конденсатор (MLCC)
Керамика дисковый конденсатор
Дисковые керамические конденсаторы производятся покрытие серебром с обеих сторон керамического диска.Керамика диск действует как диэлектрик и покрыт серебром с обеих сторон диск действует как электроды. Для малой емкости один используется керамический диск, покрытый серебром, тогда как для высоких используются несколько слоев емкости.
Выводы из меди крепятся к керамический диск методом пайки. Защитное покрытие применяется к керамическому дисковому конденсатору, чтобы защитить его от нагревать.
Площадь керамического диска или диэлектрика и Расстояние между серебряными электродами также определяет емкость дискового керамического конденсатора. Основной недостаток Использование керамического дискового конденсатора заключается в его высоком изменении емкости. с небольшим изменением температуры.
Керамика трубчатый конденсатор
Как следует из названия, керамическая трубчатая конденсатор представляет собой полый цилиндрический керамический материал.Внутренний и внешние поверхности полого цилиндрического керамического материала покрыты серебряной краской. Полая цилиндрическая керамика материал действует как диэлектрик, а серебряные чернила покрывают внутренняя и внешняя поверхности действуют как электроды.
Многослойный керамический конденсатор (MLCC)
Многослойный керамический конденсатор (MLCC) изготовлен из нескольких слоев керамического материала и проводящего электроды, расположенные один над другим.Проводящие электроды помещаются между каждым слоем керамического материала. В MLCC, несколько слоев керамического материала действуют как диэлектрик.
Многослойная керамика и электроды соприкасаются через контактные поверхности. Таким образом, несколько создаются слои керамического материала и электроды. Немного MLCC содержат сотни керамических слоев и электродов, каждый из которых слой толщиной всего несколько микрометров.
Емкость каждого слоя в MLCC составляет такой же. Полная емкость MLCC получается путем умножения емкость одного слоя по общему количеству слоев.
Например, если каждый слой имеет емкость 2 пФ, а общее количество слоев в MLCC равно 50. Суммарная емкость равен 100 пФ.
Суммарная емкость MLCC = 2 пФ × 50 = 100 пФ
Емкость MLCC увеличивается за счет уменьшения пространство между слоями керамического диэлектрика.
приложений керамических конденсаторов
Различные области применения керамики конденсаторы включают:
- Тоновая компенсация
- Автоматическая фильтрация громкости
- Антенная муфта
- Резонансный контур
- Регулятор громкости РЧ обход
- Осветительные балласты
Преимущества керамического конденсатора
- Высокая стабильность
- Низкие потери
- Высокая емкость
- Маленький размер
Керамический конденсатор
: что это такое?
Что такое керамический конденсатор?
Керамический конденсатор является наиболее часто используемым конденсатором в электронной схеме.Керамический конденсатор используется из-за его небольшого физического размера и большой способности накопления заряда. Керамический конденсатор получил свое название из-за использования керамики в качестве диэлектрической среды.
Керамические конденсаторы мы называем «рабочими лошадками» высокочастотных конденсаторов. Это бесполярный конденсатор, поэтому на керамических конденсаторах нет маркировки полярности, в отличие от электролитического конденсатора.
Таким образом, его можно легко использовать в цепях переменного тока. Керамические конденсаторы обычно изготавливаются номиналами от 1 пФ до 100 мкФ и рабочим напряжением постоянного тока от 10 до 5000 вольт.
Типы керамического конденсатора
Строительство-мудрые могут быть подразделены на две группы
- керамический дисковой конденсатор
- многослойный керамический конденсатор
керамический дисковой конденсатор
керамические дисковые конденсаторы обычно состоят из двух проводящих диски на каждой стороне куска керамического изолятора, по одному проводу, прикрепленному к каждой пластине и покрытому каким-либо инертным водонепроницаемым покрытием из некоторого керамического состава.
Дисковые конденсаторы имеют высокую емкость на единицу объема.Они доступны до значения 0,01 мкФ. Он имеет номинальное напряжение до 750 В постоянного тока и 350 В относительно переменного тока.
Многослойный керамический конденсатор
Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) состоят из нескольких слоев керамического материала, часто из титаната бария, разделенных встречно-штыревыми металлическими электродами. В этой конструкции много конденсаторов размещены параллельно.
Некоторые MLCC содержат сотни керамических слоев; каждый слой ведет себя как один керамический конденсатор.Это означает, что MLCC состоит из нескольких слоев керамического материала, обычно из титаната бария, разделенных металлическими электродами, как показано на рисунке.
Клеммные контакты берутся с обоих концов конструкции. Некоторые MLCC содержат сотни керамических слоев, каждый из которых имеет толщину всего несколько микрометров.
Полная емкость структуры будет произведением емкости каждого слоя на общее количество слоев в конденсаторе.
Многослойная конструкция конденсатора в сочетании с технологией поверхностного монтажа позволяет производить почти идеальные высокочастотные конденсаторы.Некоторые маломощные (например, десятки пикофарад) MLCC для поверхностного монтажа могут иметь собственные резонансные частоты в диапазоне нескольких гигагерц.
Большинство MLCC имеют значения емкости 1 мкФ или менее при номинальном напряжении 50 В или менее. Небольшое расстояние между слоями ограничивает номинальное напряжение.
Тем не менее, небольшое расстояние в сочетании с большим количеством слоев позволило производителям производить MLCC с более высокими значениями емкости со значениями емкости в диапазоне от 10 до 100 пФ. MLCC являются отличными высокочастотными конденсаторами и обычно используются для высокочастотной фильтрации, а также приложений с цифровой логической развязкой.
Керамические конденсаторы High-K (K = диэлектрическая проницаемость) предназначены только для среднечастотных конденсаторов. Они относительно нестабильны во времени, температуре и частоте. Их основным преимуществом является более высокое отношение емкости к объему по сравнению со стандартными керамическими конденсаторами.
Они обычно используются в некритических приложениях для обхода, соединения и блокировки. Другим недостатком является то, что переходные процессы напряжения могут повредить их.
Поэтому не рекомендуется использовать шунтирующие конденсаторы непосредственно через источник питания с низким импедансом.
Преимущества керамического конденсатора
Преимущества керамических конденсаторов:
- На рынке доступен любой размер и форма.
- При этом керамические конденсаторы стоят недорого.
- Они также легкие.
- Они могут выдерживать достаточно высокое напряжение (до 100 В).
- Их производительность надежна.
- Они подходят для использования в гибридных интегральных схемах.
Недостатки керамических конденсаторов
К недостаткам керамических конденсаторов относятся:
- Керамические конденсаторы с очень высоким напряжением недоступны.
- Высокие значения емкости невозможны.
Применение керамических конденсаторов
Керамические конденсаторы со средней и высокой диэлектрической проницаемостью используются для шунтирования и развязки или частотной дискриминации, где добротность и стабильность не являются основными проблемами.
Что такое керамический конденсатор? Обычное использование и сравнение | Arrow.com
Хотите верьте, хотите нет, но конденсаторы являются одним из фундаментальных строительных блоков нашего современного мира.Эти устройства хранения заряда работают во всем, от динамиков вашего автомобиля до вспышки на вашей камере. Одним из наиболее важных типов конденсаторов являются керамические конденсаторы, в которых используется керамический слой в качестве диэлектрика между двумя или более проводящими пластинами для накопления заряда.
Что такое керамический конденсатор?Керамические конденсаторы были впервые разработаны в 1920-х годах в Германии в качестве заменителя слюдяных диэлектриков. В 21 веке Международная электротехническая комиссия (МЭК) в настоящее время разделяет керамические конденсаторы на два класса.В соответствии с рекомендациями IEC:
- Конденсаторы класса 1 изготавливаются из тонко измельченных параэлектрических материалов для обеспечения высокой стабильности. Конденсаторы
- класса 2 изготавливаются с использованием ферроэлектрических материалов. Конденсаторы класса 2 имеют более высокую емкость на единицу объема по сравнению с компонентами класса 1, но обеспечивают меньшую точность и стабильность.
Чаще всего мы видим керамические конденсаторы в корпусах многослойных керамических чип-конденсаторов (MLCC), подходящих для пайки поверхностным монтажом, или в виде однослойных керамических дисковых конденсаторов, которые обычно подходят для монтажа в сквозное отверстие.По состоянию на 2012 год производители произвели более триллиона этих компонентов, и это число почти наверняка увеличилось, учитывая их более широкое использование в электронных устройствах. К сожалению, конденсаторов по-прежнему может не хватить.
Какими бы многочисленными и полезными они ни были, керамические конденсаторы не являются единственным доступным компонентом, удерживающим заряд, а другие типы обладают уникальными преимуществами и недостатками. Керамические конденсаторы относятся к классу неполяризованных конденсаторов. Напротив, поляризованные конденсаторы должны правильно подключаться в положительной и отрицательной конфигурации.
Полярные и неполярные диэлектрические материалыКерамические конденсаторы относятся к классу неполяризованных конденсаторов. Когда диэлектрик разделяет два параллельных пластинчатых проводника, они проявляют емкостные свойства, накапливая заряд на пластинах. Благодаря их простоте мы можем использовать несколько альтернативных диэлектрических материалов вместо керамики, например:
.- Пленки полимерные
- Бумага
- Полистирол
- Слюда
- Стекло
- В некоторых случаях воздух или вакуум
Каждый альтернативный диэлектрический материал имеет различную диэлектрическую проницаемость, минимальную толщину диэлектрика и диэлектрическую прочность.Керамические конденсаторы, как правило, имеют более высокую диэлектрическую проницаемость и меньшую минимальную толщину диэлектрика — порядка 0,5–1 микрометра (мкм) — по сравнению с другими материалами из приведенного выше списка. Керамические конденсаторы также имеют более низкую диэлектрическую прочность — менее 100 В/мкм, хотя конденсаторы с воздушным зазором являются одним заметным исключением при 3,3 В/мкм.
Поляризованные конденсаторы требуют точной ориентации для правильного функционирования. Обычно это включает следующее:
- Электролитический колпачок, в котором используется металлический проводник для формирования анодной «пластины» – если говорить в терминах керамического конденсатора
- Электролитический раствор, контактирующий с катодом
- Оксидный слой, образующий диэлектрический материал на металлическом аноде, которому придают шероховатость для значительного увеличения площади поверхности
Эта увеличенная площадь поверхности, а также тот факт, что оксидный диэлектрический материал может стать очень тонким (менее менее .01 мкм) означает, что поляризованный конденсатор может иметь очень большую емкость для данного физического размера.
Одним из недостатков поляризованных конденсаторов является то, что они не подходят для использования в приложениях, где напряжение колеблется между одним контактом и другим, например, в некоторых типах фильтрации. Для этих приложений лучшим выбором являются керамические и другие неполяризованные конденсаторы.
В поляризованных конденсаторахдля формирования оксидного слоя может использоваться алюминий, тантал или ниобий. Каждый материал обладает относительно высокой диэлектрической прочностью, при этом оксид алюминия демонстрирует самые высокие характеристики при 710 В/мкм.Их относительная диэлектрическая проницаемость аналогична керамическим конденсаторам класса 1, порядка 20 (наибольшая диэлектрическая проницаемость ниобия, затем тантал, затем алюминий), хотя в некоторых случаях керамические конденсаторы класса 2 могут демонстрировать гораздо более высокие характеристики при более чем 10 000.
Керамические конденсаторы по сравнению с СуперконденсаторыМы можем классифицировать суперконденсаторы как одну из форм поляризованных конденсаторов, потому что они содержат положительные и отрицательные выводы, но эти устройства относятся к своему собственному классу.Суперконденсаторы используют движение ионов через электролит для динамического формирования двойного слоя Гельмгольца. Этот двойной слой действует как очень тонкий — менее 0,001 мкм — диэлектрик. Эти конденсаторы обеспечивают отличные возможности накопления энергии, но из-за их относительно медленного поглощения и рассеивания заряда по сравнению с керамическими и другими типами конденсаторов они не подходят для фильтрации. Кроме того, они имеют ограниченный срок службы при зарядке и разрядке и более низкое общее напряжение пробоя диэлектрика.
Керамические конденсаторы по сравнению с Подстроечные конденсаторы Керамические конденсаторымогут хорошо поддерживать постоянный номинал, но ваше приложение может потребовать от вас изменения емкости на лету. Если это так, регулируемый или настраивающий конденсатор может быть правильным компонентом. Подстроечные конденсаторы предназначены для перемещения двух параллельных пластин для увеличения или уменьшения емкости. Хотя конденсаторы для настройки в значительной степени вытеснены другими технологиями, когда-то они позволяли настраивать наши радиоприемники, и вы все еще можете найти их в работе в определенных нишевых и образовательных приложениях.Вы даже можете создать свой собственный настроечный конденсатор, используя эти инструкции .
Плоские алюминиевые электролитические конденсаторы | Сварные уплотнения
Плоские алюминиевые электролитические конденсаторы со сварными уплотнениями, срок службы 5000 часов при температуре 125 °C, прочная конструкция
Ноябрь 1, 2016 г. — Нью-Бедфорд, Массачусетс — Компания Cornell Dubilier Electronics, Inc. (CDE) представила новейший в своей серии плоский алюминиевый электролитический конденсатор повышенной прочности Flatpack — MLSG.Эта серия предназначена для компактных источников питания в военной и аэрокосмической промышленности, а также в других критически важных системах. Благодаря усовершенствованиям конструкции и новому электролиту срок службы MLSG почти удвоился по сравнению с его предшественником без дополнительных затрат. В этой технологии предлагаются два основных профиля упаковки: MLSG Flatpack толщиной всего 0,5 дюйма и шириной 1,75 дюйма и MLSG Slimpack размером 0,5 дюйма толщиной и шириной 1,00 дюйма, оба предлагаются с шагом 1,5 дюйма, 2,0 дюйма, 2 .5 дюймов или 3,0 дюйма.
КонденсаторыMLSG Flatpack могут выдерживать вибрацию до 50 г (стандарт 10 г) и высоту более 80 000 футов. Благодаря корпусу из нержавеющей стали и сварным уплотнениям они рассчитаны на продолжительную работу в очень суровых условиях. Особо следует отметить сохранение высокого уровня производительности во всем диапазоне рабочих температур. Сохранение емкости при -55 °C очень сильное, с отличными характеристиками при высоких температурах до +125 °C. Новая система электролитов полностью соответствует требованиям REACH, что позволяет использовать компоненты в широком диапазоне применений, где требуется компактность и необычайно долгий срок службы.
Доступен широкий диапазон стандартных значений емкости от 220 мкФ до 24 000 мкФ с номинальным напряжением до 250 В постоянного тока. Уникальный плоский дизайн упаковки не только экономит место. Он легко охлаждается и может предложить уникальную гибкость при объединении двух или более устройств способами, недоступными для обычных электролитов.
Вариантывключают высокую вибрацию (HV) для производительности до 50 г и высокую надежность (HR) с приработкой при номинальном напряжении и 85 °C. Там, где требуется настоящее герметичное соединение стекло-металл, CDE предлагает MLSH Slimpack , , который имеет аналогичную конструкцию в плоском корпусе из нержавеющей стали.Он доступен в девяти номиналах, от 120 мкФ до 3200 мкФ, с номиналами до 250 В постоянного тока.
«Новейшие конденсаторы MLSG Flatpack созданы специально для их задач, — сказал Майк МакГичи, инженер-конструктор и инженер по применению. «Они обеспечивают очень высокий уровень электрических и экологических характеристик. Инженеры обычно не имеют такой возможности при выборе пассивов».
По всем вопросам обращайтесь: Марио ДиПьетро, менеджер по маркетингу продуктов, [email protected]
Узнайте больше здесь: MLSG
С момента своего основания в 1909 году компания Cornell Dubilier занимается разработкой конденсаторных технологий для новых приложений.Компания сочетает инновационные продукты с инженерным опытом для предоставления надежных компонентов для инверторов, ветровой и солнечной энергии, электромобилей, источников питания, моторных приводов, HVAC, двигателей, сварочных, аэрокосмических, телекоммуникационных систем и систем бесперебойного питания.
Международная компания Cornell Dubilier имеет сертифицированные по стандарту ISO-9001 производственные и дистрибьюторские мощности в Либерти, Южная Каролина; Нью-Бедфорд, Массачусетс; Мехикали, Мексика; и Гонконг.
Изменяется ли емкость при подаче постоянного напряжения на керамические конденсаторы? Есть ли какие-либо моменты, о которых следует знать в отношении изменения емкости?
Фарад (Ф) — это единица измерения емкости керамических конденсаторов.Он показывает, сколько заряда хранится в конденсаторе. Емкость часто указывается в описании продукта как «номинальное значение».
Обратите внимание, что среди керамических конденсаторов емкость, особенно конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью (характеристика B/X5R, R/X7R), может отличаться от номинального значения при приложении постоянного напряжения.
Например, как показано на диаграмме, чем больше постоянное напряжение, подаваемое на конденсаторы с высокой диэлектрической проницаемостью, тем больше снижается эффективная емкость.
На следующей диаграмме по горизонтальной оси показано напряжение постоянного тока, приложенное к конденсатору (В), а по вертикальной оси показан коэффициент изменения емкости по сравнению с начальным значением.*
Таким образом, характеристика изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения называется «характеристикой смещения постоянного тока».Исходя из вышеизложенного, при использовании конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью следует учитывать их характеристики. Кроме того, целесообразность использования должна быть подтверждена на основе фактических условий, а также фактического оборудования.
К вашему сведению, не только наши продукты имеют смещение постоянного тока; это явление обычно наблюдается в конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью.
Характеристики смещения, температурные характеристики, частотные характеристики и т. д. могут быть подтверждены с помощью этого программного обеспечения. (SimSurfing)
SimSurfing
Как использовать
Механизм характеристики смещения постоянного тока
В керамических конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью в настоящее время в качестве основного компонента с высокой диэлектрической проницаемостью используется в основном BaTiO3 (титанат бария).
Как показано ниже, BaTiO3 имеет кристаллическую структуру в форме перовскита, а выше температуры Кюри он приобретает кубическую форму с ионами Ba2+ в вершинах, ионами O2- в центре грани и ионами Ti4+ в центрированном положении тела.
Кристаллическая структура керамики BaTiO3
При температуре Кюри (около 125°C) или выше он имеет кубическую кристаллическую структуру, а ниже температуры Кюри и в диапазоне температур окружающей среды одна ось (ось C) вытягивается, а другая ось сжимается и превращается в тетрагональный кристалл. структура.
В этом случае поляризация возникает в результате единичного смещения вытянутого в осевом направлении кристалла иона Ti4+. Эта поляризация происходит без приложения внешнего электрического поля или давления и известна как «спонтанная поляризация». Как объяснялось выше, характеристика, которая имеет спонтанную поляризацию и свойство изменять ориентацию спонтанной поляризации внешним электрическим полем на обратную, называется «сегнетоэлектричеством».
Обращение спонтанной поляризации на единицу объема эквивалентно относительной диэлектрической проницаемости.Относительная диэлектрическая проницаемость наблюдается как емкость.
Без постоянного напряжения спонтанная поляризация может происходить свободно. Однако при внешнем приложении постоянного напряжения спонтанная поляризация связана с направлением электрического поля в диэлектрике, и независимая инверсия спонтанной поляризации подавляется. В результате емкость становится меньше, чем до подачи смещения.
Это механизм уменьшения емкости после подачи постоянного напряжения.
К сведению, в конденсаторах с температурной компенсацией (характеристики CH, C0G и т.д.), емкость не меняется, потому что в качестве основного материала используется параэлектрическая керамика, что придает конденсаторам характеристику постоянного напряжения.
Часто задаваемые вопросы по теме
> Пожалуйста, предоставьте данные о температурных характеристиках и характеристиках смещения постоянного тока, характеристиках напряжения переменного тока, импедансе/ESR и других частотных характеристиках, экзотермических характеристиках пульсаций и других основных электрических характеристиках многослойных керамических конденсаторов. Кроме того, возможно ли предоставление таких данных в формате CSV?> Пожалуйста, предоставьте данные о характеристиках смещения постоянного тока в случае изменения условий измерения (температура окружающей среды и приложенное напряжение переменного тока) многослойных керамических конденсаторов.(Пример: данные характеристики смещения постоянного тока при 40 ℃ и 10 мВ (среднеквадратичное значение)
> Пожалуйста, предоставьте данные о температурных характеристиках в случае изменения условий измерения (приложенное напряжение постоянного/переменного тока) многослойных керамических конденсаторов. (Пример: данные температурных характеристик при 3 В постоянного тока и 10 мВ среднеквадратичного значения)
> Пожалуйста, предоставьте данные о частотных характеристиках в случае изменения условий измерения (температура окружающей среды и приложенное напряжение постоянного тока) многослойных керамических конденсаторов.(Пример: данные частотной характеристики при 40 ℃ и 3 В постоянного тока)
> Пожалуйста, предоставьте лист технических данных с указанием электрических характеристик многослойных керамических конденсаторов. Кроме того, предоставьте сравнительные данные для нескольких артикулов.
Многослойный керамический конденсатор MLCC, стандартный | Ноулз Точные устройства
Стандартный ассортимент наших многослойных керамических конденсаторов SMD (MLCC) охватывает диапазон размеров корпуса от 0402 до 8060 и напряжение от 10 В до 12 кВ постоянного тока
Эти устройства относятся к классу надежности стандартных компонентов, который мы предлагаем.В рамках уровня надежности стандартных компонентов мы охватываем стандартную конструкцию конденсатора MLC до тандемных конденсаторов с разъемом FlexiCap для повышения надежности.
Для более высокого уровня надежности ознакомьтесь с нашими линейками AEC-Q200 и High Reliability MLCC.
Ассортимент многослойных керамических конденсаторов стандартного и высокого напряжения включает:
Стандартные классы конденсаторов
Строительные инновации
- StackiCap TM Конструкция (предлагает значительное сокращение «недвижимости печатной платы» для эквивалентного значения емкости, когда пространство на плате имеет большое значение.)
- FlexiCap TM Концевая заделка (предназначена для уменьшения стрессового повреждения MLCC)
Варианты конструкции для повышения производительности/надежности
- TCC/VCC (конденсаторы X7R с определенным изменением емкости под действием приложенного постоянного напряжения во всем диапазоне рабочих температур)
- Диапазон NC (диапазон NC предназначен для достижения максимально возможного диапазона емкости для данного размера компонента и высокого напряжения в сочетании со 100% покрытием чипа после монтажа)
- 250 В перем. тока (диапазон, который обеспечивает решение для использования при постоянном напряжении до 250 В перем. тока, 60 Гц и обеспечивает некритичные для безопасности применения, где требуются расширенные диапазоны емкости)
- 500 В перем. тока (диапазон, обеспечивающий непрерывное использование при напряжении до 500 В перем. тока, частоте 60 Гц и предназначенный для некритичных с точки зрения безопасности приложений, где требуются расширенные диапазоны емкости)
- VC1 (MLCC диапазона остаточной емкости VC1 обеспечивают более стабильное значение емкости с напряжением — не падать ниже 50% от значения 1Vrms 1kHz, вплоть до полного номинального напряжения постоянного тока, при комнатной температуре.)
- 115 В переменного тока, 400 Гц (конденсаторы для аэрокосмических приложений, которые разработаны и испытаны на соответствие переходным процессам напряжения и частоты, требуемым MIL-STD-704)
- Конденсаторы с открытым режимом (разработаны специально для использования в приложениях, где механическое растрескивание является серьезной проблемой, а короткие замыкания из-за растрескивания недопустимы)
- Тандемные конденсаторы (разработаны как отказоустойчивые, с использованием внутренней конструкции последовательных секций, для использования в любых приложениях, где короткие замыкания недопустимы.
