Электрическая емкость • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения
Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыИмпульс (количество движения)Импульс силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др.
единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Сенсорный экран этого планшета выполнен с использованием проекционно-емкостной технологии.
Общие сведения
Использование емкости
Конденсаторы — устройства для накопления заряда в электронном оборудовании
Историческая справка
Маркировка конденсаторов
Примеры конденсаторов
Ионисторы
Емкостные сенсорные экраны
Поверхностно-емкостные экраны
Проекционно-емкостные экраны
Общие сведения
Измерение емкости конденсатора номинальной емкостью 10 мкФ с помощью осциллографа-мультиметра
Электрическая емкость — это величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд, равная отношению электрического заряда к разности потенциалов между проводниками:
C = Q/∆φ
Здесь Q — электрический заряд, измеряется в кулонах (Кл), — разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
В системе СИ электроемкость измеряется в фарадах (Ф). Данная единица измерения названа в честь английского физика Майкла Фарадея.
Фарад является очень большой емкостью для изолированного проводника. Так, металлический уединенный шар радиусом в 13 радиусов Солнца имел бы емкость равную 1 фарад. А емкость металлического шара размером с Землю была бы примерно 710 микрофарад (мкФ).
Так как 1 фарад — очень большая емкость, поэтому используются меньшие значения, такие как: микрофарад (мкФ), равный одной миллионной фарада; нанофарад (нФ), равный одной миллиардной; пикофарад (пФ), равный одной триллионной фарада.
В системе СГСЭ основной единицей емкости является сантиметр (см). 1 сантиметр емкости — это электрическая емкость шара с радиусом 1 сантиметр, помещенного в вакуум. СГСЭ — это расширенная система СГС для электродинамики, то есть, система единиц в которой сантиметр, грам, и секунда приняты за базовые единицы для вычисления длины, массы и времени соответственно. В расширенных СГС, включая СГСЭ, некоторые физические константы приняты за единицу, чтобы упростить формулы и облегчить вычисления.
Использование емкости
Конденсаторы — устройства для накопления заряда в электронном оборудовании
Условные обозначения конденсаторов на принципиальных схемах
Понятие электрической емкости относится не только к проводнику, но и к конденсатору.
Конденсатор — система двух проводников, разделенных диэлектриком или вакуумом. В простейшем варианте конструкция конденсатора состоит из двух электродов в виде пластин (обкладок). Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухэлектродный прибор для накопления заряда и энергии электромагнитного поля, в простейшем случае представляет собой два проводника, разделённые каким-либо изолятором. Например, иногда радиолюбители при отсутствии готовых деталей изготавливают подстроечные конденсаторы для своих схем из отрезков проводов разного диаметра, изолированных лаковым покрытием, при этом более тонкий провод наматывается на более толстый. Регулируя число витков, радиолюбители точно настраивают контура аппаратуры на нужную частоту.
Параллельная RLC-цепь, состоящая из резистора, конденсатора и катушки индуктивности
Историческая справка
Еще 275 лет назад были известны принципы создания конденсаторов. Так, в 1745 г. в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку» — в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки, а обкладками служили вода в сосуде и ладонь экспериментатора, державшая сосуд. Такая «банка» позволяла накапливать заряд порядка микрокулона (мкКл). После того, как ее изобрели, с ней часто проводили эксперименты и публичные представления. Для этого банку сначала заряжали статическим электричеством, натирая ее. После этого один из участников прикасался к банке рукой, и получал небольшой удар током. Известно, что 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, с ужасом вскрикнули.
В Россию «лейденская банка» пришла благодаря русскому царю Петру I, который познакомился с Мушенбруком во время путешествий по Европе, и подробнее узнал об экспериментах с «лейденской банкой». Петр I учредил в России Академию наук, и заказал Мушенбруку разнообразные приборы для Академии наук.
В дальнейшем конденсаторы усовершенствовались и становились меньше, а их емкость — больше. Конденсаторы широко применяются в электронике. Например, конденсатор и катушка индуктивности образуют колебательный контур, который может быть использован для настройки приемника на нужную частоту.
Существует несколько типов конденсаторов, отличающихся постоянной или переменной емкостью и материалом диэлектрика.
Примеры конденсаторов
Оксидные конденсаторы в блоке питания сервера.
Промышленность выпускает большое количество типов конденсаторов различного назначения, но главными их характеристиками являются ёмкость и рабочее напряжение.
Типичные значение ёмкости конденсаторов изменяются от единиц пикофарад до сотен микрофарад, исключение составляют ионисторы, которые имеют несколько иной характер формирования ёмкости – за счёт двойного слоя у электродов – в этом они подобны электрохимическим аккумуляторам.
Суперконденсаторы на основе нанотрубок имеют чрезвычайно развитую поверхность электродов. У этих типов конденсаторов типичные значения ёмкости составляют десятки фарад, и в некоторых случаях они способны заменить в качестве источников тока традиционные электрохимические аккумуляторы.
Вторым по важности параметром конденсаторов является его рабочее напряжение. Превышение этого параметра может привести к выходу конденсатора из строя, поэтому при построении реальных схем принято применять конденсаторы с удвоенным значением рабочего напряжения.
Для увеличения значений ёмкости или рабочего напряжения используют приём объединения конденсаторов в батареи. При последовательном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение удваивается, а суммарная ёмкость уменьшается в два раза. При параллельном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается в два раза.
Третьим по важности параметром конденсаторов является температурный коэффициент изменения ёмкости (ТКЕ).
Он даёт представление об изменении ёмкости в условиях изменения температур.
В зависимости от назначения использования, конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, требования к параметрам которых некритичны, и на конденсаторы специального назначения (высоковольтные, прецизионные и с различными ТКЕ).
Маркировка конденсаторов
Подобно резисторам, в зависимости от габаритов изделия, может применяться полная маркировка с указанием номинальной ёмкости, класса отклонения от номинала и рабочего напряжения. Для малогабаритных исполнений конденсаторов применяют кодовую маркировку из трёх или четырёх цифр, смешанную цифро-буквенную маркировку и цветовую маркировку.
Соответствующие таблицы пересчёта маркировок по номиналу, рабочему напряжению и ТКЕ можно найти в Интернете, но самым действенным и практичным методом проверки номинала и исправности элемента реальной схемы остаётся непосредственное измерение параметров выпаянного конденсатора с помощью мультиметра.
Оксидный конденсатор собран из двух алюминиевых лент и бумажной прокладки с электролитом. Одна из алюминиевых лент покрыта слоем оксида алюминия и служит анодом. Катодом служит вторая алюминиевая лента и бумажная лента с электролитом. На алюминиевых лентах видны следы электрохимического травления, позволяющего увеличить их площадь поверхности, а значит и емкость конденсатора.
Предупреждение: поскольку конденсаторы могут накапливать большой заряд при весьма высоком напряжении, во избежание поражения электрическим током необходимо перед измерением параметров конденсатора разряжать его, закоротив его выводы проводом с высоким сопротивлением внешней изоляции. Лучше всего для этого подходят штатные провода измерительного прибора.
Оксидные конденсаторы: данный тип конденсатора обладает большой удельной емкостью, то есть, емкостью на единицу веса конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторов представляет собой обычно алюминиевую ленту, покрытую слоем оксида алюминия.
Второй обкладкой служит электролит. Так как оксидные конденсаторы имеют полярность, то принципиально важно включать такой конденсатор в схему строго в соответствии с полярностью напряжения.
Твердотельные конденсаторы: в них вместо традиционного электролита в качестве обкладки используется органический полимер, проводящий ток, или полупроводник.
Трехсекционный воздушный конденсатор переменной емкости
Переменные конденсаторы: емкость может меняться механическим способом, электрическим напряжением или с помощью температуры.
Пленочные конденсаторы: диапазон емкости данного типа конденсаторов составляет примерно от 5 пФ до 100 мкФ.
Имеются и другие типы конденсаторов.
Ионисторы
В наши дни популярность набирают ионисторы.
Ионистор (суперконденсатор) — это гибрид конденсатора и химического источника тока, заряд которого накапливается на границе раздела двух сред — электрода и электролита. Начало созданию ионисторов было положено в 1957 году, когда был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем на пористых угольных электродах.
Двойной слой, а также пористый материал помогли увеличить емкость такого конденсатора за счет увеличения площади поверхности. В дальнейшем эта технология дополнялась и улучшалась. На рынок ионисторы вышли в начале восьмидесятых годов прошлого века.
С появлением ионисторов появилась возможность использовать их в электрических цепях в качестве источников напряжения. Такие суперконденсаторы имеют долгий срок службы, малый вес, высокие скорости зарядки-разрядки. В перспективе данный вид конденсаторов может заменить обычные аккумуляторы. Основными недостатками ионисторов является меньшая, чем у электрохимических аккумуляторов удельная энергия (энергия на единицу веса), низкое рабочее напряжение и значительный саморазряд.
Ионисторы применяются в автомобилях Формулы-1. В системах рекуперации энергии, при торможении вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в маховике, аккумуляторах или ионисторах для дальнейшего использования.
Электромобиль А2В Университета Торонто.
Общий вид
В бытовой электронике ионисторы применяются для стабилизации основного питания и в качестве резервного источника питания таких приборов как плееры, фонари, в автоматических коммунальных счетчиках и в других устройствах с батарейным питанием и изменяющейся нагрузкой, обеспечивая питание при повышенной нагрузке.
В общественном транспорте применение ионисторов особенно перспективно для троллейбусов, так как становится возможна реализация автономного хода и увеличения маневренности; также ионисторы используются в некоторых автобусах и электромобилях.
Электромобиль А2В Университета Торонто. Под капотом
Электрические автомобили в настоящем времени выпускают многие компании, например: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Университет Торонто совместно с компанией Toronto Electric разработали полностью канадский электромобиль A2B. В нем используются ионисторы вместе с химическими источниками питания, так называемое гибридное электрическое хранение энергии.
Двигатели данного автомобиля питаются от аккумуляторов весом 380 килограмм. Также для подзарядки используются солнечные батареи, установленные на крыше электромобиля.
Емкостные сенсорные экраны
В современных устройствах все чаще применяются сенсорные экраны, которые позволяют управлять устройствами путем прикосновения к панелям с индикаторами или экранам. Сенсорные экраны бывают разных типов: резистивные, емкостные и другие. Они могут реагировать на одно или несколько одновременных касаний. Принцип работы емкостных экранов основывается на том, что предмет большой емкости проводит переменный ток. В данном случае этим предметом является тело человека.
Поверхностно-емкостные экраны
Cенсорный экран iPhone выполнен по проекционно-емкостной технологии.
Таким образом, поверхностно-емкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом. В качестве резистивного материала обычно применяется имеющий высокую прозрачность и малое поверхностное сопротивление сплав оксида индия и оксида олова.
Электроды, подающие на проводящий слой небольшое переменное напряжение, располагаются по углам экрана. При касании к такому экрану пальцем появляется утечка тока, которая регистрируется в четырех углах датчиками и передается в контроллер, который определяет координаты точки касания.
Преимущество таких экранов заключается в долговечности (около 6,5 лет нажатий с промежутком в одну секунду или порядка 200 млн. нажатий). Они обладают высокой прозрачностью (примерно 90%). Благодаря этим преимуществам, емкостные экраны уже с 2009 года активно начали вытеснять резистивные экраны.
Недостаток емкостных экранов заключается в том, что они плохо работают при отрицательных температурах, есть трудности с использованием таких экранов в перчатках. Если проводящее покрытие расположено на внешней поверхности, то экран является достаточно уязвимым, поэтому емкостные экраны применяются лишь в тех устройствах, которые защищены от непогоды.
Проекционно-емкостные экраны
Помимо поверхностно-емкостных экранов, существуют проекционно-емкостные экраны.
Их отличие заключается в том, что на внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод, к которому прикасаются, вместе с телом человека образует конденсатор. Благодаря сетке, можно получить точные координаты касания. Проекционно-емкостный экран реагирует на касания в тонких перчатках.
Проекционно-емкостные экраны также обладают высокой прозрачностью (около 90%). Они долговечны и достаточно прочные, поэтому их широко применяют не только в персональной электронике, но и в автоматах, в том числе установленных на улице.
Автор статьи: Sergey Akishkin, Tatiana Kondratieva
Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.
В чем измеряется энергия электрического поля конденсатора
Электроемкостью
(емкостью) C уединенного изолированного
проводника называется физическая
величина, равная отношению изменения
заряда проводника q к изменению
его потенциала f:
C = Dq/Df.
Электроемкость уединенного проводника зависит только от его формы и размеров, а также от окружающей его диэлектрической среды (e). Единица измерения емкости в системе СИ называется Фарадой. Фарада (Ф) — это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого повышается на 1 Вольт при сообщении ему заряда в 1 Кулон. 1 Ф = 1 Кл/1 В.
Конденсатором называют систему двух разноименно заряженных проводников, разделенных диэлектриком (например, воздухом). Свойство конденсаторов накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с ними электрическое поле характеризуется величиной, называемой электроемкостью конденсатора. Электроемкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин Q к напряжению между ними U: C = Q/U.
В зависимости от формы обкладок, конденсаторы бывают плоскими, сферическими и цилиндрическими. Формулы для расчета емкостей этих конденсаторов приведены в таблице.
Соединение
конденсаторов в батареи.
На практике
конденсаторы часто соединяют в батареи —
последовательно или параллельно.
При параллельном соединении напряжение на всех обкладках одинаковое U1 = U2 = U3 = U = e, а емкость батареи равняется сумме емкостей отдельных конденсаторов C = C1 + C2 + C3.
При последовательном соединении заряд на обкладках всех конденсаторов одинаков Q1 = Q2 = Q3, а напряжение батареи равняется сумме напряжений отдельных конденсаторов U = U1 + U2 + U3.
Емкость всей системы последовательно соединенных конденсаторов рассчитывается из соотношения: 1/C = U/Q = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3.
Емкость
батареи последовательно соединенных
конденсаторов всегда меньше, чем емкость
каждого из этих конденсаторов
в отдельности.
Энергия электростатического
поля.
Энергия заряженного плоского
конденсатора Eк равна работе A, которая
была затрачена при его зарядке, или
совершается при его разрядке.
A =
CU2/2 = Q2/2С = QU/2 = Eк.
Поскольку
напряжение на конденсаторе может
быть рассчитано из соотношения:
U =
E*d,
где E — напряженность поля между
обкладками конденсатора,
d —
расстояние между пластинами
конденсатора,
то энергия заряженного
конденсатора равна:
Eк = CU2/2 =
ee0S/2d*E2*d2 = ee0S*d*E2/2 = ee0V*E2/2,
где V —
объем пространства между обкладками
конденсатора.
Энергия заряженного
конденсатора сосредоточена в его
электрическом поле.
Тип конденсатора |
Формула для расчета емкости |
Примечания |
Схематическое изображение |
|
Плоский конденсатор |
S — площадь пластины; d — расстояние между пластинами. | ||
|
Сферический конденсатор |
C = 4pee0R1R2/(R2 — R1) |
R2 и R1 — радиусы внешней и внутренней обкладок. | |
|
Цилиндрический конденсатор |
C = 2pee0h/ln(R2/R1) |
h — высота цилиндров. |
Как
и любая система заряженных
тел, конденсатор
обладает
энергией. Вычислить энергию заряженного
плоского конденсатора с однородным
полем внутри него несложно.
Энергия
заряженного конденсатора.
Для
того чтобы зарядить конденсатор, нужно
совершить работу по разделению
положительных и отрицательных зарядов.
Выведем формулу для энергии плоского конденсатора. Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна Е/2 , где Е -напряженность поля в конденсаторе. В однородном поле одной пластины находится заряд q , распределенный по поверхности другой пластины (рис.14.38 ). Согласно формуле (14.14) для потенциальной энергии заряда в однородном поле энергия конденсатора равна:
где q — заряд конденсатора, а d — расстояние между пластинами. Так как Ed=U , где U — разность потенциалов между обкладками конденсатора, то его энергия равна:
Эта
энергия равна работе, которую совершит
электрическое поле при сближении пластин
вплотную.
2.
Применение
конденсаторов
.
Зависимость электроемкости конденсатора
от расстояния между его пластинами
используется при создании одного из
типов клавиатур компьютера. На тыльной
стороне каждой клавиши располагается
одна пластина конденсатора, а на плате,
расположенной под клавишами, — другая.
Нажатие клавиши изменяет емкость
конденсатора. Электронная схема,
подключенная к этому конденсатору,
преобразует сигнал в соответствующий
код, передаваемый в компьютер.
Энергия конденсатора обычно не очень
велика — не более сотен джоулей. К тому
же она не сохраняется долго из-за
неизбежной утечки заряда. Поэтому
заряженные конденсаторы не могут
заменить, например, аккумуляторы в
качестве источников электрической
Именно
это свойство широко используют на
практике.
Лампа-вспышка, применяемая в фотографии
,
питается электрическим током разряда
конденсатора, заряжаемого предварительно
специальной батареей. Возбуждение
квантовых источников света — лазеров
осуществляется с помощью газоразрядной
трубки, вспышка которой происходит при
разрядке батареи конденсаторов большой
электроемкости.
Однако основное применение конденсаторы
находят в радиотехнике.
Энергия конденсатора пропорциональна
его электроемкости и квадрату напряжения
между пластинами. Вся эта энергия
сосредоточена в электрическом поле.
Энергия поля пропорциональна квадрату
напряженности поля.Пусть потенциал обкладки конденсатора, на которой находится заряд равен а потенциал обкладки, на которой находится заряд , равен Тогда каждый из элементарных зарядов на которые можно разделить заряд находится в точке с потенциалом а каждый из зарядов, на которые можно разделить заряд , в точке с потенциалом .
Согласно формуле (28.1) энергия такой системы зарядов равна
Воспользовавшись соотношением (27.
2), можно написать три выражения для энергии заряженного конденсатора:
Формулы (29.2) отличаются от формул (28.3) только заменой на
С помощью выражения для потенциальной энергии можно найти силу, с которой пластины плоского конденсатора притягивают друг друга. Допустим, что расстояние между пластинами может меняться. Свяжем начало оси х с левой пластиной (рис. 29.1). Тогда координата х второй пластины будет определять зазор d между обкладками. Согласно формулам (27.3) и (29.2)
Продифференцируем это выражение по х, полагая заряд на обкладках неизменным (конденсатор отключен от источника напряжения). В результате получим проекцию на ось х силы, действующей на правую пластину:
Модуль этого выражения дает величину силы, с которой обкладки притягивают друг друга:
Теперь попытаемся вычислить силу притяжения между обкладками плоского конденсатора как произведение напряженности поля, создаваемого одной из обкладок, на заряд, сосредоточенный на другой.
Согласно формуле (14.3) напряженность поля, создаваемого одной обкладкой, равна
Диэлектрик ослабляет поле в зазоре в раз, но это имеет место только внутри диэлектрика (см. формулу (20.2) и связанный с нею текст). Заряды на обкладках располагаются вне диэлектрика и поэтому находятся под действием поля напряженности (29.4).
Умножив заряд обкладки q на эту напряженность, получим для силы выражение
Формулы (29.3) и (29.5) не совпадают. С опытом согласуется значение силы (29.3), получающееся из выражения для энергии. Это объясняется тем, что, кроме «электрической» силы (29.5), на обкладки действуют со стороны диэлектрика механические силы, стремящиеся их раздвинуть (см. § 22; отметим, что мы имеем в виду жидкий или газообразный диэлектрик). У края обкладок имеется рассеянное поле, убывающее по величине при удалении от краев (рис. 29.2). Молекулы диэлектрика, обладая дипольным моментом, испытывают дйствие силы, втягивающей их в область более сильного поля (см. формулу (9.
16)). В результате давление между обкладками повышается и появляется сила, ослабляющая действие силы (29.5) в раз.
Если заряженный конденсатор с воздушным зазором частично погрузить в жидкий диэлектрик, наблюдается втягивание диэлектрика в пространство между пластинами (рис. 29.3). Это явление объясняется следующим образом. -Диэлектрическая проницаемость воздуха практически равна единице. Поэтому до погружения пластин в диэлектрик емкость конденсатора можно считать равной а энергию равной При частичном заполнении зазора диэлектриком конденсатор можно рассматривать как два параллельно включенных конденсатора, один из которых имеет площадь обкладки, равную — относительная часть зазора, заполненная жидкостью), и заполнен диэлектриком с второй с воздушным зазором имеет площадь обкладки, равную При параллельном включении конденсаторов емкости складываются:
Поскольку энергия будет меньше, чем (заряд q предполагается неизменным — перед погружением в жидкость конденсатор был отключен от источника напряжения).
Следовательно, заполнение зазора диэлектриком оказывается энергетически выгодным. Поэтому диэлектрик втягивается в конденсатор и уровень его в зазоре поднимается. Это в свою очередь приводит к возрастанию потенциальной энергии диэлектрика в поле сил тяжести. В конечном итоге уровень диэлектрика в зазоре установится на некоторой высоте, соответствующей минимуму суммарной энергии (электрической и гравитационной). Рассмотренное явление сходно с капиллярным поднятием жидкости в узком зазоре между пластинками (см. § 119 1-го тома).
Втягивание диэлектрика в зазор между обкладками можно яснить также и с микроскопической точки зрения. У краев пластин конденсатора имеется неоднородное поле. Молекулы диэлектрика обладают собственным дипольным моментом либо приобретают его под действием поля; поэтому на них действуют силы, стремящиеся переместить их в область сильного поля, т. е. внутрь конденсатора. Под действием этих сил жидкость втягивается в зазор до тех пор, пока электрические силы, действующие на жидкость у края пластин, не будут уравновешены весом столба жидкости.
В заряженном конденсаторе обкладки име-ют разноименные заряды и взаимодейст-вуют между собой благодаря электричес-кому полю, которое сосредоточено в прост-ранстве между обкладками. О телах, между которыми существует взаимодействие, гово-рят, что они имеют потенциальную энер-гию. Следовательно, можно говорить и об энергии заряженного конденсатора .
Обкладки заряженного конден-сатора взаимодействуют между собой.
Наличие энергии у заряженного конден-сатора можно подтвердить опытами.
Возьмем конденсатор достаточно боль-шой емкости, источник тока, лампочку на-кала и составим электрическую цепь, схема которой изображена на рис. 4.82. Переведем переключатель S
в положение 1 и зарядим конденсатор до определенной разности по-тенциалов от источника GB.
Если после этого перевести переключатель в положение 2, то можно наблюдать кратковременную вспышку света вследствие накала нити лам-почки. Наблюдаемое явление можно объяс-нить тем, что заряженный конденсатор имел энергию
, за счет которой была выполнена работа по накалу спирали лампочки.
В соответствии с законом сохранения энер-гии работа, выполненная при разрядке кон-денсатора, равняется работе, выполненной при его зарядке. Расчет этой работы и, соответственно, потенциальной энергии кон-денсатора осложнен особенностями процес-са зарядки конденсатора. Пластины его за-ряжаются и разряжаются постепенно. Зави-симость заряда Q конденсатора от времени при зарядке показана на графике (рис. 4.83). Заряд не только увеличивается постепенно, но и скорость его изменения не остается постоянной. Итак, вести расчеты на осно-вании формулы A = qEd нельзя, поскольку напряженность электрического поля не остается постоянной. Разность потенциалов также изменяется от нуля до максимально-го значения. На рис. 4.84 показано, что разность потенциалов изменяется про-порционально заряду конденсатора. Такая зависимость характерна для силы упругос-ти, которая зависит от удлинения пружины (рис. 4.85).
Воспользовавшись таким подобием, мож-но сделать вывод, что энергия заряженного конденсатора будет равна
W =
Q
Δφ / 2.
Материал с сайта
Эта энергия равна работе по зарядке конденсатора, которая численно равна пло-щади заштрихованного треугольника на гра-фике рис. 4.84.
Учитывая, что Q = C Δφ , получим
W = C(Δφ) 2 / 2.
А если учесть связь разности потенциалов с зарядом Δφ = Q / C , то потенциальная энер-гия конденсатора может быть вычислена по формуле
W = (Q / 2) . (Q / C) = Q 2 / 2 C.
На этой странице материал по темам:
-
Энергия заряженного конденсатора шпора
Энергия заряженного конденсатора
Какие физические величины определяют энергию конденсатора
Самостоятельная работа по теме электроемкость плоского конденсатора
Як визначити енергію конденсатора за допомогою графіка
Вопросы по этому материалу:
Ридли Инжиниринг | — Измерения конденсаторов
В нескольких прошлых статьях мы рассмотрели некоторые сложные характеристики силовых магнитных характеристик импульсного источника питания.
В этой статье мы рассмотрим еще один важный пассивный компонент источника питания — конденсатор. Часто это компонент, который рассматривается как простая часть, не требующая слишком много внимания.
Конденсаторы источника питания
На рис. 1 показан простой понижающий преобразователь. Учитывая современные интегрированные контроллеры, задача инженера, по-видимому, очень проста — все, что нам нужно сделать, это выбрать катушку индуктивности и два конденсатора, и работа сделана. Выбор катушек индуктивности может стать очень сложным, и теперь мы увидим, насколько проблемными могут быть и конденсаторы.
Рис. 1: Понижающий преобразователь с важными компонентами конденсатора. Полное сопротивление выходного конденсатора определяет средне- и высокочастотную характеристику преобразователя при использовании режима напряжения, режима тока или любой другой формы управления, включая цифровую.
Меня часто просят провести для компаний анализ наихудших сценариев таких импульсных источников питания.
Первый этап этого процесса обычно состоит из того, что компания отправляет мне схемы, списки деталей и спецификации компонентов. Прежде чем двигаться дальше, мне всегда приходится запрашивать рабочие физические образцы блоков питания для тестирования на стенде. К тревоге людей, не знакомых с блоками питания, большая часть анализа наихудшего случая зависит от измерения существующих конструкций в сочетании с задокументированными вариантами технических данных, которые изменят конструкцию.
Спецификации компонентов редко бывают адекватными для правильной характеристики деталей, а для всестороннего анализа требуется информация, которую производители не всегда могут получить. Необходимы дополнительные измерения для магнетиков, а также дополнительные измерения для конденсаторов.
Измерение конденсаторов с низким импедансом
Простой тестер RLC с фиксированной частотой с одной частотой измерения не подходит для определения характеристик конденсаторов для использования в современных импульсных источниках питания.
Конденсаторы необходимо измерять в широком диапазоне частот, чтобы полностью охарактеризовать их поведение.
Рис. 2: Установка для измерения низкоомных конденсаторов
На рис. 2 показано, как проводить измерения низкоомных конденсаторов с помощью анализатора частотной характеристики [1]. Правильный выбор чувствительного резистора и правильная компоновка ВЧ тестовых цепей позволит вам измерять импедансы до 1 мОм с помощью этой тестовой схемы. Хотя многие тестеры компонентов рассматривают только одну частоту или узкий диапазон частот, рекомендуется провести свипирование по частоте, чтобы увидеть импеданс тестируемого компонента в диапазоне от 10 Гц до как минимум 10 МГц.
Измерение электролитических конденсаторов
Электролитические конденсаторы по-прежнему используются в большинстве коммерческих недорогих источников питания. Они также широко используются в автомобильной промышленности, где температуры могут быть экстремальными.
Электролиты относительно легко измерить, поскольку они имеют относительно высокие эквивалентные последовательные сопротивления.
Но важно варьировать температуру конденсатора, чтобы увидеть ее влияние на характеристики.
Рис. 3. Измерение импеданса электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ при двух различных температурах
На рис. 3 показано изменение импеданса электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ. Показаны две кривые: красная — для конденсатора при температуре 25 градусов, а синяя — для -55 градусов Цельсия. Обратите внимание на большое разделение кривых. Это связано с известным эффектом замерзания электролита в конденсаторе. При самостоятельном измерении вы обнаружите, что СОЭ продолжает расти по мере того, как температура все больше и больше падает ниже нуля градусов. Вряд ли вы найдете полный набор данных, которые вам нужны для конкретной детали.
Рис. 4: Емкость электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ при двух разных температурах
На рис. 4 показана мнимая составляющая импеданса, извлеченная для отображения эквивалентного значения конденсатора.
Видны две вариации емкости: одна — слабая зависимость от частоты, вторая — зависимость от температуры.
или холодный конденсатор на синей кривой, очевидное существенное падение емкости за пределами нескольких кГц не имеет большого значения, поскольку на этих частотах импеданс устройства определяется эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).
Рисунок 5: Эквивалентное последовательное сопротивление электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ при двух различных температурах измерения сопротивления высоки, но это всегда сомнительное измерение — мы пытаемся извлечь очень маленькую действительную составляющую из вектора импеданса, который в основном является реактивным.
За пределами нескольких кГц ESR, который нас интересует, зависит как от частоты, так и от температуры. Обратите внимание, что ESR холодного конденсатора составляет около 12 Ом, а теплого конденсатора — около 0,5 Ом. Это более чем 20:1 разница!
Многие конструкторы, работающие в широком диапазоне температур, будут держаться подальше от электролитов по этой и другим причинам.
Однако в некоторых случаях они необходимы с экономической точки зрения, и контур управления должен учитывать изменения, возникающие при изменении температуры. Это может представлять серьезную проблему при проектировании контура управления. Это, безусловно, можно сделать, особенно при использовании управления текущим режимом, но полоса пропускания контура часто сильно страдает.
Электролиты также будут существенно меняться со старением, особенно при повышенной температуре. Это еще одна важная тема, которая выходит за рамки этой статьи, но вы должны проверить срок службы и рабочую температуру вашего источника питания, чтобы убедиться, что электролиты не выйдут из строя.
Измерение многослойных керамических конденсаторов
Источники питания в точке нагрузки и материнские платы широко используют многослойные керамические конденсаторы в качестве альтернативы электролитическим. Достижения в технологии изготовления сделали доступными конденсаторы очень большой емкости с чрезвычайно низким ESR в очень маленьких корпусах.
Это важно для преобразователей в точке нагрузки, где пространство на плате имеет большое значение.
Я редко встречаю должную осмотрительность при рассмотрении характеристик выходных конденсаторов MLC. Несмотря на то, что они не страдают от резких температурных сдвигов ESR электролитов, MLC столь же сложны по своим характеристикам.
Рисунок 6: Измерение многослойного керамического конденсатора емкостью 10 мкФ при различных уровнях тестового сигнала и с переменным смещением постоянного тока
На рисунке 6 показано значение емкости небольшого 0805 MLC с номинальным напряжением 6,3 В и номинальным значением. 10 мкФ. Красная верхняя кривая показывает, что емкость конденсатора составляет 10,7 мкФ при частоте 100 Гц. Обратите внимание на значительную частотную зависимость от 10 Гц до 10 кГц.
Это изменение частоты связано с тем, что емкость MLC является функцией приложенного переменного напряжения [2]. В испытательной установке, показанной на рис. 2, источник постоянного напряжения 1 В подается от анализатора частотной характеристики.
На низких частотах все напряжение появляется на конденсаторе, но по мере увеличения частоты нагрузка на конденсатор уменьшается. MLC показывают увеличение емкости с уровнем возбуждения.
Зеленая кривая показывает, как эта частотная зависимость устраняется при малом управляющем сигнале всего 50 мВ. Обратите внимание, что емкость номинального конденсатора 10 мкФ теперь составляет всего 7,9 мкФ.
MLC также сильно зависят от приложенного постоянного напряжения. Синяя кривая на рисунке 6 показывает, как значение емкости падает до 3,5 мкФ при смещении постоянного тока 5 В и до 2,5 мкФ при смещении постоянного тока 6,3 В. Если вы подтолкнете конденсатор близко к его номинальному напряжению, в этом конкретном примере у вас не останется большой емкости. Мой опыт работы с MLC показывает, что в любом случае нехорошо приближать их к их рейтингу из соображений надежности.
Все различные диэлектрики, используемые для MLC, имеют разные характеристики. На веб-сайте AVX есть много полезной информации, и вам рекомендуется прочитать как можно больше, чтобы глубже понять эту тему.
MLC имеют дополнительную зависимость от температуры и срока службы, которую мы не будем здесь рассматривать.
Хотя вы не можете найти много информации, всегда полезно провести измерения самостоятельно на стенде. Варианты MLC настолько запутаны, что часто трудно точно сказать, как будет вести себя ваш компонент, если вы не измерите его самостоятельно. Кроме того, большинство представленных кривых являются типичными характеристиками, а многие характеристики для наихудшего случая настолько экстремальны, что вы не сможете учесть их все в практичном проекте.
Резюме
Конденсаторы часто упускают из виду как источник нестабильности в источниках питания, но не попадайтесь в эту ловушку. Все типы конденсаторов источника питания имеют свои особенности, которые вы должны хорошо понимать, если собираетесь создавать предлагаемые преобразователи.
Всегда проводите измерения силовых конденсаторов на этапе разработки. И, как катушки индуктивности и сердечники для магнетиков, не делайте слепых замен от одного поставщика или диэлектрика к другому без надлежащей характеристики новой детали.
Не все поставщики умеют предоставлять полные данные — будьте готовы сделать это самостоятельно.
Как проверить конденсатор.
Опубликовано Gerd F. Bauer II 26 января 2022 г.
Конденсаторы помогают при запуске и/или работе электродвигателей переменного тока, со временем они изнашиваются и требуют замены. В этой статье мы покажем вам, как проверить конденсатор с помощью мультиметра. Мультиметры — очень полезный инструмент для измерения напряжение, ток, сопротивление и, конечно же, емкость.
- Сначала мы должны понять, что делает конденсатор, конденсатор удерживает электрическую энергию.
- Пусковой конденсатор способствует запуску двигателя за счет кратковременного увеличения пусковой момент.
- Рабочий конденсатор используется для подачи питания на вспомогательную катушку. создавать магнитное поле во время работы двигателя.
Некоторые двигатели имеют только пусковой конденсатор, некоторые двигатели имеют пусковой и рабочий конденсаторы.
Точилка MAG-9000 имеет пусковой конденсатор, а MAG-8000 — рабочий и пусковой конденсатор. Емкость измеряется в микрофарадах (греческий символ мкФ). Например один из конденсаторов МАГ-8000 на 40 мкФ. Для измерения емкости возьмите мультиметр и поверните
диск к символу, показанному ниже.
| Микрофарада символ | Символ емкости |
|
|
|
. нажмите «функциональную кнопку», чтобы сделать параметр емкости активным. У некоторых есть желтые символы, тогда вы должны нажмите желтую кнопку, чтобы активировать функцию, на которую повернут диск.
Поместите красный щуп мультиметра на один из выводов конденсатора.
и черный щуп на другом столбе. Неважно, какой зонд вы используете на
посты — они просто должны быть на противоположных постах. На дисплее мультиметра вы увидите количество микрофарад. На этикетке конденсатора будет микрофарад.
Спецификация и допуск. Например один из конденсаторов МАГ-8000 на 40 мкФ
с +/- 6%.
