fon1

Конденсаторы и способы их соединений

kondencator

Конденсатор - это конструкция, состоящая из двух электродов в форме пластин, разделенных диэлектриком. Основным свойством конденсатора является накопление электрических зарядов (энергии) на его металлических обкладках.
Когда к электродам конденсатора не приложено напряжение они электрически нейтральны и количество положительных и отрицательных частиц на них одинаково.

kondencator2 kondencator1

Если на конденсатор подать напряжение, то на положительной обкладке станет недостаток свободных электронов, а в отрицательной будет их избыток. Конденсатор зарядится определенным напряжением и в нем через диэлектрик появится ток. Это напряжение зависит не только от количества электричества, но так же и от его емкости

emkocti

Если, к примеру, взять два конденсатора разной емкости и зарядить их одинаковым количеством электричества, то на меньшем конденсаторе напряжение будет больше чем на большем конденсаторе.
Чтобы понять этот факт, представим себе, что конденсаторы - это два разных по емкости сосуды в которые налито одинаковое количество воды (количество энергии), а уровень воды - напряжением. Будет очевидно, что в меньшем сосуде уровень воды будет выше, чем в большем.

Английский физик Майкл Фарада ввел единицу измерения электрической емкости в честь которого и назвали ее фарада.
Конденсатор имеет емкость 1 фараду, если при зарядке его одним кулоном электричества получаем между обкладками напряжение один вольт.
Следовательно, можно записать:

1фарада=1кулон/1вольт.

Поскольку емкость обозначается буквой С, количество электричества - Q, а напряжение U, получим такую формулу:

C=Q/U

Отсюда следует, что емкость конденсатора (С) прямо пропорциональна количеству электричества (Q), которым заряжен конденсатор, и обратно пропорциональна напряжению (U), возникающим между его электродами.

На практике применяют более меньшие единицы емкости чем фарада, т.к. такой емкости конденсатор будет очень большого размера. Это микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ):

1мкФ=10-6Ф
1нФ=10-9Ф
1пФ=10-12Ф

Отсюда следует, что 1мкФ=1000нФ1нФ=1000пФ.

Увеличение площади обкладок и уменьшение расстояния между ними увеличивает емкость конденсатора. На большей площади накапливается большее количество зарядов, а чем ближе обкладки, тем интенсивнее становится электрическое поле и значить притяжение между зарядами увеличивается. Поэтому на обкладках заряды скапливаются более густо и освобождают место для других зарядов, т.е. емкость увеличивается. Но уменьшать расстояние между обкладками можно до разумных пределов, т.к. при уменьшении есть вероятность пробоя конденсатора.

Роль диэлектрика в конденсаторе

Для увеличения емкости конденсатора между обкладками помещают диэлектрик.
В нормальном состоянии в диэлектрике электроны вращаются по круговым орбитам. Если диэлектрик поместить в электрическое поле,то орбиты электронов вытягиваются в направлении полюсов поля и молекулы становятся диполями, т.е. частицами, которые на концах заряжаются противоположными зарядами.

kondencator4 kondencator3

Диполи, которые находятся внутри диэлектрика, нейтрализуются между собой, а заряды возле края остаются нескомпенсированными, т.е. не нейтрализованные, но не свободные, как в металле, и связанные с веществом. Их называют фиктивными зарядами. Это явление называется поляризацией диэлектрика.

Посмотрим, что происходит в заряженном конденсаторе без диэлектрика и с диэлектриком.

kondencator7 kondencator6

Без диэлектрика на обкладках заряды расположены не особенно плотно относительно друг к другу, т.к. расстояние между обкладками большое и силы притяжения зарядов мало.

Когда поместим в конденсатор диэлектрик в нем произойдет поляризация и фиктивные заряды окажутся на очень близком расстоянии от зарядов на обкладках, а значит и силы притяжения увеличится. Диполи диэлектрика как бы "подтягивают" заряды на край обкладок и уплотняют их, освобождая место для других зарядов, т.е. увеличивая емкость конденсатора.
Можно сделать вывод: чем больше поляризация диэлектрика,тем больше увеличивается емкость конденсатора.

Степень поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью (ε), показывающая во сколько раз увеличивается емкость плоского конденсатора, если применить данный диэлектрик вместо вакуума. Эта величина у разных диэлектриков различна. Для стекла она равна 3-12, слюды - 6-8, воздуха - 1, и т.д. Но есть вещества сегнетоэлектрики, у которых диэлектрическая проницаемость составляет величину от 50 до 100000. Они применяются в конденсаторах малых габаритов, но большой емкости.

Диэлектрики для изготовления конденсаторов должны иметь не только большую проницаемость, но и иметь большую электрическую прочность, т.е. не допустить пробоя при значительных напряжениях. Так же при использовании конденсаторов в высокочастотных цепях они должны иметь небольшие потери от переориентации молекул диэлектрика, что приводит к его нагреву и потери энергии.

Емкость плоского конденсатора равна:

C=8,85·10¹²·ε·S/d,

где: ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь одной из обкладок в квадратных метрах; d – расстояние между обкладками в метрах.

Конденсатор в цепи постоянного тока

kondencator9

Если собрать цепь как на рисунке и включить выключатель, то увидим, что лампочка загорится на короткое время, а затем погаснет. Это доказывает, что конденсатор не проводит постоянный ток, а лампочка светится вначале потому, что некоторое время через него течет ток зарядки. Как только конденсатор зарядится, ток падает почти до нуля, т.е. происходит, так называемый, переходной процесс.

Заменим лампочку сопротивлением, тогда время переходного процесса будет равно:

t=3RC,

где t - время в секундах, С - емкость в фарадах, R - сопротивление в омах всей цепи, включая и сопротивление источника тока.
Из формулы видно, что время заряда больше при большом сопротивлении и большой емкости, а при малых емкостях и сопротивлениях конденсатор заряжается быстрее.

kondencator8 grafik1

Для примера рассчитаем время заряда в секундах конденсатора емкостью С=100 мкФ через R=10 Ом.

t=3RC=3•10•100•10-6=0,003

Если этот конденсатор заряжать через R=1 мОм, то он зарядится через 300 секунд.

grafik2

Разряжается конденсатор не мгновенно, а тоже через определенное время, которое рассчитывается по этой же формуле. Линия разряда на графике называется экспонента.

Конденсатор в цепи переменного тока

Переменный ток представляет собой колебательное движение электронов в металле. При подключении конденсатора к источнику переменного тока его обкладки будут периодически заряжаться и разряжаться электронами, т.е. в цепи будет протекать переменный ток.

Сам конденсатор имеет емкостное сопротивление переменному току Xc:

Xc=1/2πfC,

где f - частота переменного тока. Т.е. чем больше частота тока и емкость конденсатора тем меньше емкостное сопротивление.
Пример: есть С=0,22 мкф, f=50 Гц; найти сопротивление конденсатора Xc:

formula3

Tеперь можно сформулировать закон Ома для переменного тока проходящяго через конденсатор:

Xc=U/I, U=XcI, I=U/Xc.

Сопротивление конденсаторов переменному току называют реактивным. Это потому, что в конденсаторе максимум напряжения и тока наступает не одновременно, а сдвинуты относительно друг друга.
Когда рассматривали заряд конденсатора постоянным током, было видно на графике, что в момент включения источника тока напряжение на конденсаторе равно нулю, а ток максимальный. В процессе заряда конденсатора напряжение увеличивается , а ток падает до нуля, т.е. ток опережает напряжение на 90 градусов.

grafik3

На графике видно, что на участке 1-2 ток и напряжение положительные и мощность P=UI тоже положительная. В этот момент заряжается конденсатор и принимает энергию от сети.
Но во второй четверти периода (участок 2-3) напряжение еще положительное, а ток уже отрицательный, т.е. со знаком минус. Мощность становится отрицательной P=U(-I)=-UI, а это значит, что конденсатор разряжается и отдает свою энергию в сеть.
В начале второго полупериода (3-4) напряжение и ток отрицательные, но мощность положительная P=(-U)(-I)=UI (конденсатор заряжается).
На участке 4-5 напряжение отрицательное, а ток положительный. Мощность отрицательная P=(-U)I=-UI, т.е. конденсатор разряжается.

Из этого следует, что в реактивных сопротивлениях происходит постоянный обмен энергией между генератором и конденсатором, а средняя мощность равна нулю.

Если подключить конденсатор вместо понижающего сопротивления, то в отличие от активного сопротивления, он не будет нагреваться.
Cвойство реактивного сопротивления конденсатора применяют для понижения напряжения в различных устройствах вместо трансформаторов.Это блоки питания, зарядные устройства и т.п. Конденсатор,во-первых, не греется, во-вторых, имеет меньшие размеры, чем трансформатор.

Соединение конденсаторов

Способы соединения конденсаторов, как и у сопротивлений, бывают параллельные и последовательные. Только формулы общей емкости будут, как бы "наоборот", чем у общего сопротивления резисторов.

kondencator10

При параллельном соединении общая емкость конденсаторов будем равна сумме емкостей:

Соб=С1+С2+С3+...

Например, С1=3300 пФ и С2=2200 пФ.Тогда:

Соб=3300+2200=5500 пФ

kondencator11

При последовательном соединении двух конденсаторов общую емкость находим по формуле:

Соб=С1С2/(С1+С2)

К примеру, С1=470 пФ, а С2=10 пФ.

Соб=С1С2/(С1+С2)= 470·10/(470+10) ≈ 9,8 пФ.

Отсюда следует, что общая емкость при последовательном соединении конденсаторов будет меньше значения наименьшего конденсатора.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet