Плоский конденсатор. Заряд и емкость конденсатора.

Наряду с резисторами одними из наиболее часто используемых электронных компонентов являются конденсаторы. И в этой статье мы разберемся, из чего они состоят, как работают и для чего применяются! Давайте, в  первую очередь, рассмотрим устройство и принцип работы конденсаторов. А затем плавно перейдем к основным свойствам и характеристикам – заряду, энергии и, конечно же, емкости конденсатора. Как видите, нам сегодня предстоит изучить много интересных моментов 🙂

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. 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 схематическое изображение плоского конденсатора:

Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:

• положительно заряженная пластина (+q) создает поле, напряженность которого равна E_{+}
• отрицательно заряженная пластина (-q) создает поле, напряженность которого равна E_{-}

Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:

E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon}

Здесь \sigma– это поверхностная плотность заряда: \sigma = \frac{q}{S}, а \varepsilon – 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:

E_+ = E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

Но направления векторов разные – внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне – в противоположные. Таким образом, внутри обкладок результирующее поле определяется следующим образом:

E = E_+ + E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} + \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} = \frac{q}{\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

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. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:

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. Из-за этого 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.

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:

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.

Как видите, здесь нет ничего сложного 🙂

Емкость и энергия конденсатора.

Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора. Это физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора q одного из проводников к разности потенциалов между проводниками:

C = \frac{q}{\Delta\varphi} = \frac{q}{U}

Емкость конденсатора изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). 2}{2C}

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. Это такая величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.

Итак, мы сегодня рассмотрели основные свойства конденсаторов, их устройство и характеристики! Так что на этом заканчиваем статью, а в следующей мы будем обсуждать различные варианты соединений и маркировку. Не пропустите!

Электрическая емкость (страница 2)

1. К пластинам плоского конденсатора приложено напряжение U = 220 в.

Определить напряженность электрического поля Е между пластинами в средней его области, если расстояние между пластинами d=1 мм. Чему равна сила F, действующая в этой области поля на частицу с зарядом ?

Решение:
В средней области пространства между пластинами плоского конденсатора электрическое поле можно считать однородным. Линии напряженности электрического поля начинаются на поверхности положительно заряженной пластины и кончаются на поверхности отрицательно заряженной пластины. Эти линии перпендикулярны к пластинам. Поэтому расстояние между пластинами равно длине линии напряженности электрического поля. Следовательно, электрическое напряжение между пластинами, поделенное на расстояние между ними, равно напряженности электрического поля:

где расстояние d измерено в метрах. На частицу, обладающую электрическим зарядом , в этом поле действует сила

Единица измерения силы дж/м называется ньютоном (сокращенно н).

2. Напряжение между разомкнутыми зажимами генератора равно 115 в (рис. 1).
Определить потенциалы зажимов при: а) заземлении зажима «плюс»; б) заземлении зажима «минус».

Решение:
Электрическое напряжение U между зажимами «плюс» и «минус» генератора равно разности потенциалов этих зажимов: . В первом случае заземлен зажим «плюс», следовательно, . Подставив числовые значения, получим

откуда
Во втором случае заземлен зажим «минус», следовательно, . Подставив числовые значения, будем иметь

откуда

На основании решения задачи можно видеть, что определенной величиной является электрическое напряжение. Оно не изменяется при изменении потенциалов всех точек поля на одну и ту же величину одновременно. В то же время потенциалы в отдельных точках электрического поля могут изменяться в зависимости от заземления той или иной точки.

3. Определить необходимую толщину слоя слюды между пластинами плоского конденсатора, если его номинальное напряжение должно быть в 4 раза меньше пробивного напряжения . Пробивная напряженность слюды . Какой толщины потребуется электрокартон (для него ), если его применить вместо слюды?

Решение:
Пробивное напряжение

Принимая электрическое поле плоского конденсатора однородным, получим искомую толщину слоя слюды:

Так как пробивное напряжение равно 24 кв, то искомая толщина электрокартона

Отношение толщин связано с отношением напряженности следующим образом:

Следовательно, необходимые толщины диэлектрика обратно пропорциональны пробивным напряженностям.

4. Конденсатор емкостью С=1 мкф присоединен к сети с постоянным напряжением U=220 в.
Определить электрический заряд пластины, соединенной с положительным полюсом сети. Каким был бы электрический заряд, если бы напряжение сети было вдвое меньше?

Решение:
Электрический заряд

где вследствие подстановки емкости С, измеренной в микрофарадах, электрический заряд измерен в микрокулонах.
Емкость С конденсатора — постоянная величина, если диэлектрические свойства изолятора между пластинами не зависят от напряжения U, приложенного к пластинам конденсатора. Такая электрическая емкость называется линейной.
Когда конденсатор с линейной емкостью присоединяется к сети, имеющей вдвое меньшее напряжение, электрический заряд будет также вдвое меньше:

Поэтому правильный выбор емкости конденсатора обеспечивает необходимой величины заряд в случае включения конденсатора на номинальное напряжение.

5. Плоский конденсатор имеет емкость С = 20 пф.
Какими следует выбрать толщину диэлектрика из стекла и площадь пластин, если конденсатор должен работать при номинальном напряжении , имея четырехкратный запас прочности?

Решение:
Пробивное напряжение при четырехкратном запасе прочности в 4 раза больше номинального напряжения:

Искомая толщина стекла

Из формулы емкости плоского конденсатора

определяем площадь пластины. В этой формуле величины измерены:

Подставим в нее числовые значения:

При меньших значениях и больших значениях d площадь пластины конденсатора должна быть больше.

6. Емкость конденсатора переменной емкости можно плавно изменять от 10 до 200 пф.
Какие границы изменения емкости можно получить, если присоединить к этому конденсатору такой же второй конденсатор?

Решение:
Присоединение второго конденсатора может быть последовательным и параллельным. Если второй конденсатор присоединен параллельно первому, то их эквивалентная емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.
Наибольшая емкость составит:

Если второй конденсатор присоединить последовательно к первому, то обратная величина эквивалентной емкости будет равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов. Поэтому наименьшая емкость определится так:

откуда

Таким образом, емкость изменяется от 5 до 400 пф.
Последовательное присоединение второго конденсатора уменьшило минимальную емкость, а параллельное присоединение второго конденсатора увеличило максимальную емкость.
При последовательном соединении двух одинаковых конденсаторов схему можно включать на напряжение в два раза большее, чем при параллельном соединении.

Электроемкость. Энергия электрического поля | Физика

1. Электроемкость

В курсе физики основной школы вы уже познакомились с конденсатором – устройством, предназначенным для накопления электрических зарядов.

Например, плоский конденсатор (рис. 54.1) состоит из двух параллельных пластин, расстояние между которыми намного меньше их размеров. Эти пластины называют обкладками конденсатора.

Между обкладками конденсатора находится диэлектрик. Им может быть, например, воздух. Но чаще пространство межу обкладками заполняют жидким или твердым диэлектриком.

Если сообщить обкладкам конденсатора равные по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды, то поле, созданное этими зарядами, будет сосредоточено практически полностью между обкладками (см. рис. 51.6).

Зарядом конденсатора называют модуль заряда любой из го обкладок (напомним, что разноименные заряды на обкладках конденсатора равны по модулю).

Если увеличить заряды обкладок конденсатора, скажем, 3 раза, то при этом напряженность поля между обкладками увеличится также в 3 раза. Значит, в 3 раза увеличится и работа поля по перемещению заряда с одной обкладки на другую. Следовательно, напряжение между обкладками увеличится тоже в 3 раза.

Это рассуждение показывает, что напряжение между обкладками конденсатора прямо пропорционально заряду конденсатора. Поэтому отношение заряда q конденсатора к напряжению U между его обкладками не зависит ни от заряда, и от напряжения. Следовательно, это отношение является характеристикой самого конденсатора.

Отношение заряда конденсатора к напряжению между его обкладками называют электроемкостью:

C = q/U. (1)

Единица электроемкости. Единицей электроемкости является 1 фарад (Ф). Эта единица названа в честь английского ученого Майкла Фарадея.

1Ф = 1 Кл / 1 В.

Если конденсатор имеет электроемкость 1 Ф, то при заряде 1 Кл напряжение между его обкладками равно 1 В. Это очень большая электроемкость, поэтому для практических целей используют такие единицы электроемкости как микрофарад (10^-6 Ф) и пикофарад (1 пФ = 10^-12 Ф).

? 1. Чему равен заряд конденсатора, если его электроемкость равна 5 мкФ, а напряжение между его обкладками 200 В?

? 2. Как изменится электроемкость конденсатора, если:
а) заряд конденсатора увеличить в 2 раза?
б) напряжение между обкладками конденсатора уменьшить в 3 раза?

От чего зависит электроемкость плоского конденсатора?

Поставим опыт
Соединим одну из обкладок школьного демонстрационного конденсатора с корпусом электрометра, а другую – с его стержнем (рис. 54.2, а).

Зарядим конденсатор и начнем сближать обкладки. Мы увидим, что показания электрометра уменьшаются (рис. 54.2, б). Это означает, что разность потенциалов (напряжение) между обкладками уменьшается.

Поскольку заряд обкладок остается при этом неизменным, из формулы C = q/U следует, что при уменьшении расстояния между обкладками электроемкость конденсатора увеличивается.

Если при неизменном расстоянии между пластинами конденсатора внести между ними диэлектрик (например, лист органического стекла), то разность потенциалов между пластинами уменьшится. Это указывает на то, что емкость конденсатора увеличилась.

Изменяя площадь пластин конденсатора, мы увидим, что при увеличении площади пластин емкость конденсатора увеличивается.

Более точные опыты и расчеты показывают, что электроемкость плоского конденсатора выражается формулой

C = (εε₀S)/d, (2)

где S – площадь одной из обкладок, d – расстояние между ими, ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между ними, ε₀ = 8,85 * 10^-12 Кл² / (Н * м²) (так называемая электрическая постоянная).

? 3. Как изменится электроемкость конденсатора, если:
а) площадь его обкладок увеличить в 3 раза?
б) расстояние между обкладками уменьшить в 2 раза?
в) заполнить пространство между обкладками диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε = 4?

Соотношение между напряжением на конденсаторе и напряженностью поля между его обкладками. В пространстве между обкладками плоского конденсатора электрическое поле можно считать практически однородным. Поэтому если расстояние между ними обозначить d, получим следующее соотношение (см. § 53):

E = U/d.

? 4. Чему равен заряд плоского конденсатора, если его электроемкость 20 пФ, напряженность поля между обкладками 50 кВ/м, а расстояние между обкладками равно 5 мм?

? 5. Расстояние между обкладками плоского конденсатора увеличили в 3 раза при неизменном заряде. Как изменились напряжение между обкладками и напряженность поля?

2. Энергия заряженного конденсатора

Поставим опыт
Замкнем обкладки заряженного конденсатора через лампочку накаливания. Мы увидим, что при разрядке конденсатора лампочка вспыхнет. Это означает, что заряженный конденсатор обладает энергией.

Предположим, что мы раздвигаем обкладки заряженного конденсатора, начальное расстояние между которыми практически равно нулю. Раздвигая пластины, мы совершаем положительную работу, потому что разноименно заряженные обкладки притягиваются. При этом согласно закону сохранения энергии потенциальная энергия конденсатора возрастает. Расчет показывает, что она увеличивается на

W_p = qU/2, (3)

где q – модуль заряда обкладки (заряд конденсатора), U – напряжение между его пластинами. Это и есть энергия заряженного конденсатора.

Множитель ½ в формуле (3) обусловлен тем, что, раздвигая пластины конденсатора, мы перемещаем каждую из них в поле, созданном зарядом одной (другой) пластины. А напряженность поля, создаваемого одной обкладкой, в 2 раза меньше модуля напряженности поля между обкладками.

? 6. Докажите, что энергия заряженного конденсатора выражается также формулами

Wp = q²/2C, (4)
Wp = CU²/2. (5)

Подсказка. Воспользуйтесь формулой C = q/U.

Из формулы (4) следует, что энергия заряженного конденсатора обратно пропорциональна его электроемкости, а из формулы (5) следует, что она, наоборот, прямо пропорциональна электроемкости. Не противоречат ли эти формулы одна другой?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, как изменяется энергия конденсатора при изменении его электроемкости. Конденсаторы, электроемкость которых можно изменять, широко используются, особенно в радиотехнике: например, с их помощью настраивают радиоприемник на волну той или иной радиостанции (подробнее мы расскажем об этом в курсе физики 11-го класса). Такие конденсаторы называют конденсаторами переменной емкости.

Например, в описанном выше опыте (см. рис. 54.2) электроемкость конденсатора увеличивалась при сближении его пластин.

Исследуя зависимость энергии конденсатора от его электроемкости, очень важно учитывать, какая величина остается неизменной при изменении электроемкости: заряд конденсатора или напряжение между его пластинами.

? 7. Электроемкость конденсатора увеличивают в 3 раза при неизменном заряде.
а) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (4).
б) Как изменилось напряжение между обкладками конденсатора?
в) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (5).

? 8. Электроемкость конденсатора увеличивают в 3 раза при неизменном напряжении между обкладками.
а) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (5).
б) Как изменился заряд конденсатора?
в) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (4).

Таким образом, мы видим, что противоречия между формулами (4) и (5) нет: обе эти формулы дают одинаковое значение энергии конденсатора, если принять во внимание, что заряд конденсатора и напряжение между его обкладками связаны соотношением C = q/U.

3. Энергия электрического поля

Потенциальную энергию зарядов в электрическом поле важно рассматривать также как энергию электрического поля. При перемещении зарядов друг относительно друга энергия созданного этими зарядами электрического поля изменяется.

Например, раздвигая заряженные обкладки конденсатора, мы совершаем положительную работу, потому что обкладки притягиваются друг к другу. Согласно закону сохранения энергии совершенная работа равна увеличению энергии электрического поля. Увеличивая расстояние между пластинами, мы увеличиваем объем пространства, занятый электрическим полем: на рисунке 54. 3, а, б занятая электрическим поем область пространства для наглядности выделена светлым.

Расчеты показывают, что для однородного поля энергия электрического поля в заданной области пространства пропорциональна объему этой области и квадрату напряженности поля.

Дополнительные вопросы и задания

9. Все размеры воздушного конденсатора уменьшили в 2 раза и затем заполнили пространство между его обкладками диэлектриком.
а) Как изменилась электроемкость конденсатора вследствие уменьшения его размеров?
б) Чему равна диэлектрическая проницаемость диэлектрика, если после заполнения им пространства между обкладками значение электроемкости конденсатора стало равно первоначальному?

10. Маленький заряженный шарик подвешен на нити между вертикально расположенными пластинами воздушного конденсатора. Масса шарика 0,2 г, заряд 30 нКл, расстояние между пластинами 5 см. Нить отклонена на угол 30º от вертикали.
а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на шарик.
б) Чему равна сила, действующая на шарик в электростатическом поле?
в) Чему равна напряженность поля между пластинами конденсатора?
г) Чему равна разность потенциалов между пластинами конденсатора?

11. Пространство между пластинами плоского конденсатора заполнено диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого равна 7. Заряды пластин конденсатора остаются неизменными. Как изменится при удалении диэлектрика:
а) электроемкость конденсатора?
б) разность потенциалов между его пластинами?
в) энергия конденсатора?

12. Пространство между пластинами воздушного конденсатора заполняют диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε и уменьшают расстояние между пластинами в 2 раза. При этом разность потенциалов между пластинами поддерживают неизменной.
а) Как изменяется электроемкость конденсатора?
б) Как изменяется заряд конденсатора?
в) Как изменяется энергия конденсатора?

Емкость конденсаторов: определение, формулы, примеры.

Определение 1

Конденсатор – это совокупность двух любых проводников, заряды которых одинаковы по значению и противоположны по знаку.

Его конфигурация говорит о том, что поле, созданное зарядами, локализовано между обкладками. Тогда можно записать формулу электроемкости конденсатора:

C=qφ1-φ2=qU.

Значением φ1-φ2=U обозначают разность потенциалов, называемую напряжением, то есть U. По определению емкость положительна. Она зависит только от размерностей обкладок конденсатора их взаиморасположения и диэлектрика. Ее форма и место должны минимизировать воздействие внешнего поля на внутреннее. Силовые линии конденсатора начинаются на проводнике с положительным зарядом, а заканчиваются с отрицательным. Конденсатор может являться проводником, помещенным в полость, окруженным замкнутой оболочкой.

Выделяют три большие группы: плоские, сферические, цилиндрические. Чтобы найти емкость, необходимо обратиться к определению напряжения конденсатора с известными значениями зарядов на обкладках.

Плоский конденсатор

Определение 2

Плоский конденсатор – это две противоположно заряженные пластины, которые разделены тонким слоем диэлектрика, как показано на рисунке 1.

Формула для расчета электроемкости записывается как

C=εε0Sd, где S является площадью обкладки, d – расстоянием между ними, ε — диэлектрической проницаемостью вещества. Меньшее значение d способствует большему совпадению расчетной емкости конденсатора с реальной.

Рисунок 1

При известной электроемкости конденсатора, заполненного N слоями диэлектрика, толщина слоя с номером i равняется di, вычисление диэлектрической проницаемости этого слоя εi выполняется, исходя из формулы:

C=ε0Sd1ε1+d2ε2+…+dNεN.

Сферический конденсатор

Определение 3

Когда проводник имеет форму шара или сферы, тогда внешняя замкнутая оболочка является концентрической сферой, это означает, что конденсатор сферический.

Он состоит из двух концентрических проводящих сферических поверхностей с пространством между обкладками, заполненным диэлектриком, как показано на рисунке 2. Емкость рассчитывается по формуле:

C=4πεε0R1R2R2-R1, где R1 и R2 являются радиусами обкладок.

Рисунок 2

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Цилиндрический конденсатор

Емкость цилиндрического конденсатора равняется:

C=2πεε0llnR2R1, где l — высота цилиндров, R1 и R2 — радиусы обкладок. Данный вид конденсатора имеет две соосные поверхности проводящих цилиндрических поверхности, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3

Определение 4

Важной характеристикой конденсаторов считается пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит электрический разряд через слой диэлектрика.

Umax находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора. Формулы

Кроме отдельных конденсаторов используются их соединения. Наличие параллельного соединения конденсаторов применяют для увеличения его емкости. Тогда поиск результирующей емкости соединения сводится к записи суммы Ci, где Ci- это емкость конденсатора с номером i:

C=∑i=1NCi.

При последовательном соединении конденсаторов суммарная емкость соединения всегда будет по значению меньше, чем минимальная любого конденсатора, входящего в систему. Для расчета результирующей емкости следует сложить величины, обратные к емкостям отдельных конденсаторов:

Пример 1

Произвести вычисление емкости плоского конденсатора при известной площади обкладок
1 см2 с расстоянием между ними 1 мм. Пространство между обкладками находится в вакууме.

Решение

Чтобы рассчитать электроемкость конденсатора, применяется формула:

C=εε0Sd.

Значения:

ε=1, ε0=8,85·10-12 Фм;S=1 см2=10-4 м2;d=1 мм=10-3 м.

Подставим числовые выражения и вычислим:

C=8,85·10-12·10-410-3=8,85·10-13 (Ф).

Ответ: C≈0,9 пФ.

Пример 2

Найти напряженность электростатического поля у сферического конденсатора на расстоянии x=1 см=10-2 м от поверхности внутренней обкладки при внутреннем радиусе обкладки, равном R1=1 см=10-2 м, внешнем – R2=3 см=3·10-2 м. Значение напряжения — 103 В.

Решение

Производящая заряженная сфера создает напряженность поля. Его значение вычисляется по формуле:

E=14πεε0qr2, где q обозначают заряд внутренней сферы, r=R1+x — расстояние от центра сферы.

Нахождение заряда предполагает применение определения емкости конденсатора С:

q=CU.

Для сферического конденсатора предусмотрена формула вида

C=4πεε0R1R2R2-R1 с радиусами обкладок R1 и R2.

Производим подстановку выражений для получения искомой напряженности:

E=14πεε0U(x+R1)24πεε0R1R2R2-R1=U(x+R1)2R1R2R2-R1.

Данные представлены в системе СИ, поэтому достаточно заменить буквы числовыми выражениями:

E=103(1+1)2·10-4·10-2·3·10-23·10-2-10-2=3·10-18·10-6=3,45·104 Вм.

Ответ: E=3,45·104 Вм.

Задача В13. Напряжение на обкладках конденсатора

Задача В13. Напряжение на обкладках конденсатора 200 В, расстояние между обкладками 0,2 мм. Конденсатор отключили от источника зарядов, после чего увеличили расстояние между обкладками до 0,7 мм. Определить новое напряжение на обкладках конденсатора.

Обозначим

емкость конденсатора до изменения расстояния между обкладками, — первоначальное расстояние между обкладками, — конечное расстояние между обкладками, — емкость после изменения расстояния, q — заряд, — новое напряжение на обкладках.

Решение:

Если конденсатор сначала отключить от источника тока, а затем изменить расстояние между его пластинами, то заряд на них останется неизменным, а изменится его емкость и напряжение.

Поэтому мы можем записать формулу емкости конденсатора до и после отключения следующим образом:

Емкость плоского конденсатора до и после отключения от источника зарядов:

Сравнивая эти равенства с предыдущими, мы придем к выводу, что

Если теперь разделить левые и правые части этих равенств друг на друга, то неизвестные величины сократятся и из полученной формулы мы найдем искомое напряжение:

откуда

Произведем вычисления:

Ответ:

В.

Эта задача взята со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:

Задачи по физике с решением

Возможно вам будут полезны эти задачи:

Задача В11. Отношение заряда электрона к его массе (удельный заряд электрона) м/с, его начальная скорость в электрическом поле равна м/с, а конечная м/с. Электрон перемещается по силовой линии поля. Определить разность потенциалов между начальной и конечной точками перемещения электрона.

Задача В12. К конденсатору емкостью 10 пФ последовательно подключили два параллельных конденсатора емкостями 4 пФ и 6 пФ. Общий заряд этих конденсаторов 1 нКл. Чему равно общее напряжение на конденсаторах? Обозначим емкость первого конденсатора, — емкость второго конденсатора, — емкость третьего конденсатора, — общую емкость второго и третьего конденсаторов, С — общую емкость всей батареи конденсаторов, U — общее напряжение на батарее, q — общий заряд.

Задача В14. Между обкладками плоского конденсатора находится слюдяная пластинка с диэлектрической проницаемостью 6. Емкость конденсатора 10 мкФ, напряжение на его обкладках 1 кВ. Какую работу надо совершить, чтобы вынуть пластинку из конденсатора, не отключая его от источника напряжения?

Задача В15. Плоский конденсатор состоит из двух обкладок площадью 40 каждая. Между ними находится стекло с диэлектрической проницаемостью 7. Какой заряд находится на обкладках этого конденсатора, если напряженность электрического поля между ними 8 МВ/м?

Все о конденсаторах

Конденсатор — двухполюсник с постоянным или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой – станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S – площадь пластин в квадратных метрах, d – расстояние между пластинами в метрах, C — емкость в фарадах, ε – диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или электрического кабеля. Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод–лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC – цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки – тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Электролитический конденсатор

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают электролитические конденсаторы. Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда – разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор – ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый ионистор. По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе – изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока.

Ранее ЭлектроВести писали, что в новом исследовании ученые создали микропленочный ультратонкий конденсатор для накопления энергии, который может приклеиваться к поверхности как стикер. Батарея прикрепляется с помощью ультракоротких лазерных импульсов, которые частично расплавляют ее, позволяя удерживаться почти на любой поверхности.

По материалам: electrik.info.

Как изменяется электроемкость плоского конденсатора. Что такое электроемкость конденсатора? Электрическая емкость цилиндрического конденсатора

Одним их важнейших параметров, при помощи которого характеризуют конденсатор, является его электроёмкость (C). Физическая величина C, равная:

называется емкостью конденсатора. Где q — величина заряда одной из обкладок конденсатора, а — разность потенциалов между его обкладками. Электроемкость конденсатора — это величина, которая зависит то размеров и устройства конденсатора.

Для конденсаторов с одинаковым устройством и при равных зарядах на его обкладках разность потенциалов воздушного конденсатора будет в раз меньше, чем разность потенциалов между обкладками конденсатора, пространство которого между обкладками заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью . Значит емкость конденсатора с диэлектриком (C) в раз больше, чем электроемкость воздушного конденсатора ():

где — диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Единицей емкости конденсатора считают емкость такого конденсатора, который единичным зарядом (1 Кл) заряжается до разности потенциалов, равной одному вольту (в СИ). Единицей емкости конденсатора (как и любой эклектической емкости) в международной системе единиц (СИ) является фарад (Ф).

Электроемкость плоского конденсатора

Поле между обкладками плоского конденсатора в большинстве случаев считают однородным. Однородность нарушается только около краев. При расчете емкости плоского конденсатора данными краевыми эффектами обычно пренебрегают. Это возможно, если расстояние между пластинами мало в сравнении с их линейными размерами. В таком случае емкость плоского конденсатора вычисляют как:

где — электрическая постоянная; S — площадь каждой (или наименьшей) пластины; d — расстояние между пластинами.

Электрическая емкость плоского конденсатора, который содержит N слоев диэлектрика толщина каждого , соответствующая диэлектрическая проницаемость i-го слоя , равна:

Электрическая емкость цилиндрического конденсатора

Конструкция цилиндрического конденсатора включает две соосных (коаксиальных) цилиндрические проводящие поверхности, разного радиуса, пространство между которыми заполняет диэлектрик. Электрическая емкость такого конденсатора находят как:

где l — высота цилиндров; — радиус внешней обкладки; — радиус внутренней обкладки.

Емкости сферического конденсатора

Сферическим конденсатором называют конденсатор, обкладками которого являются две концентрические сферические проводящие поверхности, пространство между ними заполнено диэлектриком. Емкость такого конденсатора находят как:

где — радиусы обкладок конденсатора.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Пластины плоского воздушного конденсатора несут заряд, который равномерно распределен с поверхностной плотностью . При этом расстояние между его обкладками, равно . На какую величину изменится разность потенциалов на обкладках этого конденсатора, если его пластины раздвинуть до расстояния ?
Решение	Сделаем рисунок. В задаче при изменении расстояния между пластинами конденсатора заряд на его обкладках не изменяется, изменяются емкость и разность потенциалов на обкладках. Емкость плоского воздушного конденсатора равна: где . Емкость этого же конденсатора можно определить как: где U — разность потенциалов на обкладках конденсатора. Для конденсатора в первом случае имеем: Для того же конденсатора, но после того как пластины раздвинули, имеем: Используя формулу (1.3) и применяя соотношение: выразим разность потенциалов Следовательно, для конденсатора во втором состоянии получим: Найдем изменение разности потенциалов:
Ответ

Рассмотрим два заряженных проводника. Предположим, что все силовые линии, начинающиеся на одном из них, заканчиваются на другом. Для этого, разумеется, они должны иметь равные и противоположные по знаку заряды. Такая система двух проводящих тел называется конденсатором.

Примеры конденсаторов. Примерами конденсаторов могут служить две концентрические проводящие сферы (сферический, или шаровой, конденсатор), две параллельные плоские проводящие пластины при условии, что расстояние между ними мало по сравнению с размерами пластин (плоский конденсатор), два коаксиальных проводящих цилиндра при условии, что их длина велика по сравнению с зазором между цилиндрами (цилиндрический конденсатор).

Два проводника, образующие конденсатор, называются его обкладками.

Рис. 41. Электрическое поле в сферическом, плоском и цилиндрическом конденсаторах

Во всех таких системах при сообщении обкладкам равных по модулю и противоположных по знаку зарядов электрическое поле практически целиком заключено в пространстве между обкладками (рис. 41). Внешний вид некоторых используемых в технике конденсаторов показан на рис. 42.

Основная характеристика конденсатора — электроемкость или просто емкость С, определяемая как отношение заряда одной из

обкладок к разности потенциалов т. е. к напряжению, между ними:

Распределение зарядов на обкладках будет одинаковым независимо от того, большой или малый заряд им сообщен. Это значит, что напряженность поля, а следовательно, и разность потенциалов между обкладками, пропорциональны сообщенному конденсатору заряду. Поэтому емкость конденсатора не зависит от его заряда.

Рис. 42. Устройство, внешний вид и условные обозначения на электрических схемах некоторых конденсаторов

В вакууме емкость определяется исключительно геометрическими характеристиками конденсатора, т. е. формой, размерами и взаимным расположением обкладок.

Единицы емкости. В СИ за единицу электроемкости принят фарад Емкостью 1 Ф обладает конденсатор, между обкладками которого устанавливается напряжение 1 В при сообщении заряда 1 Кл:

В абсолютной электростатической системе единиц СГСЭ электроемкость имеет размерность длины и измеряется в сантиметрах:

На практике обычно приходится иметь дело с конденсаторами, емкость которых значительно меньше 1 Ф. Поэтому используются доли этой единицы — микрофарад (мкФ) и пикофарад . Соотношение между фарадом и сантиметром легко установить, учитывая, что

Электроемкость и геометрия конденсатора. Зависимость емкости конденсатора от его геометрических характеристик легко проиллюстрировать простыми опытами. Воспользуемся для этого электрометром, подключенным к двум плоским пластинам, расстояние между которыми можно изменять (рис. 43). Чтобы заряды пластин были одинаковы и все поле было сосредоточено только между ними, следует заземлить вторую пластину и корпус электрометра. Отклонение стрелки электрометра пропорционально напряжению между обкладками. Если сдвигать или раздвигать пластины конденсатора, то при неизменном заряде напряжение будет соответственно уменьшаться или увеличиваться: емкость тем больше, чем меньше расстояние между пластинами. Аналогично можно убедиться в том, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его пластин. Для этого можно просто сдвигать пластины при неизменном зазоре между ними.

Рис. 43. Емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинами

Емкость плоского конденсатора. Получим формулу для емкости плоского конденсатора. Поле между его обкладками однородно за исключением небольшой области вблизи краев пластин. Поэтому напряжение между обкладками равно произведению напряженности поля Е на расстоянии между ними: Для нахождения напряженности поля Е можно воспользоваться формулой (1) § 6, которая связывает Е вблизи поверхности проводника с поверхностной плотностью зарядов с: Выразим а через заряд конденсатора и площадь пластины, считая распределение заряда равномерным, что согласуется с используемым предположением об однородности поля: Подставляя приведенные соотношения в общее определение емкости (1), находим

В СИ, где емкость плоского конденсатора имеет вид

В системе единиц СГСЭ k = 1 и

Емкость сферического конденсатора. Совершенно аналогично можно вывести формулу для емкости сферического конденсатора, рассматривая электрическое поле в промежутке между двумя заряженными концентрическими сферами радиусов Напряженность поля там такая же, как в случае уединенного заряженного шара радиуса Поэтому для напряжения между обкладками радиусов справедливо

Выражение для емкости получаем, подставляя в формулу (1):

Емкость уединенного проводника. Иногда вводят понятие емкости уединенного проводника, рассматривая предельный случай конденсатора, одна из обкладок которого удалена на бесконечность. В частности, емкость уединенного проводящего шара получается из (5) в результате предельного перехода что соответствует неограниченному увеличению радиуса внешней обкладки при неизменном радиусе внутренней

В системе единиц СГСЭ, где емкость уединенного шара равна его радиусу. Если проводник имеет несферическую форму, его емкость по порядку величины равна характерному линейному размеру, хотя, конечно же, зависит и от его формы. В отличие от уединенного проводника, емкость конденсатора гораздо больше его линейных размеров. Например, у плоского конденсатора характерный линейный размер равен причем Как видно из формулы (4), при этом

Конденсатор с диэлектриком. В рассмотренных выше примерах конденсаторов пространство между обкладками считалось пустым. Тем не менее полученные выражения для емкости справедливы и тогда, когда это пространство заполнено воздухом, как это было в описанных простых опытах. Если пространство между обкладками заполнить каким-либо диэлектриком, емкость конденсатора увеличивается. В этом легко убедиться на опыте, вдвигая диэлектрическую пластину в промежуток между обкладками заряженного конденсатора, подключенного к электрометру (рис. 43). При неизменном заряде конденсатора напряжение между обкладками уменьшается, что свидетельствует о возрастании емкости.

Уменьшение разности потенциалов между обкладками при внесении туда диэлектрической пластины свидетельствует о том, что напряженность электрического поля в зазоре становится меньше. Это уменьшение зависит от того, какой именно диэлектрик используется в опыте.

Диэлектрическая проницаемость. Для характеристики электрических свойств диэлектрика вводят физическую величину, называемую диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость — это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в заполненном диэлектриком конденсаторе (или напряжение между его обкладками) меньше, чем в отсутствие диэлектрика при том же заряде конденсатора. Другими словами, диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при заполнении его диэлектриком. Например, емкость плоского конденсатора, заполненного диэлектриком с проницаемостью равна

Приведенное здесь определение диэлектрической проницаемости соответствует феноменологическому подходу, при котором рассматриваются только макроскопические свойства вещества в электрическом поле. Микроскопический подход, основанный на рассмотрении поляризации атомов или молекул, из которых состоит вещество, предполагает исследование какой-либо конкретной модели и позволяет не только подробно описывать электрические и магнитные поля внутри вещества, но и понять, как протекают макроскопические электрические и магнитные явления в веществе. На этом этапе мы ограничиваемся только феноменологическим подходом.

Рис. 44. Параллельное соединение конденсаторов

У твердых диэлектриков значение лежит в пределах от 4 до 7, а у жидких — от 2 до 81. Такой аномально большой диэлектрической проницаемостью обладает обыкновенная чистая вода. Кроме воздушного конденсатора переменной емкости (см. рис. 42), используемого для настройки радиоприемников, все другие применяемые в технике конденсаторы заполнены диэлектриком.

Батареи конденсаторов. При использовании конденсаторов их иногда соединяют в батареи. При параллельном соединении (рис. 44) напряжения на конденсаторах одинаковы, а полный заряд батареи равен сумме зарядов конденсаторов для каждого из которых, очевидно, справедливо Рассматривая батарею как один

конденсатор, имеем

С другой стороны,

Сравнивая (8) и (9), получаем, что емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей:

Рис. 45. Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении предварительно незаряженных конденсаторов (рис. 45) заряды на всех конденсаторах одинаковы, а полное напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах:

С другой стороны, рассматривая батарею как один конденсатор, имеем

Сравнивая (11) и (12), видим, что при последовательном соединении конденсаторов складываются обратные емкостям величины:

При последовательном соединении емкость батареи меньше самой малой из емкостей соединенных конденсаторов.

В каком случае два проводящих тела образуют конденсатор?

Что называется зарядом конденсатора?

Как установить связь между единицами емкости СИ и СГСЭ?

Объясните качественно, почему емкость конденсатора увеличивается при уменьшении зазора между обкладками.

Получите формулу для емкости плоского конденсатора, рассматривая электрическое поле в нем как суперпозицию полей, создаваемых двумя плоскостями, заряженными разноименно.

Получите формулу для емкости плоского конденсатора, рассматривая его как предельный случай сферического конденсатора, у которого стремятся к бесконечности так, что разность остается постоянной.

Почему нельзя говорить о емкости уединенной бесконечной плоской пластины или отдельного бесконечно длинного цилиндра?

Охарактеризуйте кратко различие между феноменологическим и микроскопическим подходами при исследовании свойств вещества в электрическом поле.

Каков смысл диэлектрической проницаемости вещества?

Почему при расчете емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов оговаривалось условие, чтобы они предварительно не были заряжены?

В чем смысл последовательного соединения конденсаторов, если оно приводит лишь к уменьшению емкости?

Поле внутри и вне конденсатора. Чтобы подчеркнуть различие между тем, что называют зарядом конденсатора, и полным зарядом обкладок, рассмотрим следующий пример. Пусть наружная обкладка сферического конденсатора заземлена, а внутренней сообщен заряд д. Весь этот заряд равномерно распределится по внешней поверхности внутренней обкладки. Тогда на внутренней поверхности наружной сферы индуцируется заряд , следовательно, заряд конденсатора равен . А что будет на внешней поверхности наружной сферы? Это зависит от того, что окружает конденсатор. Пусть, например, на расстоянии от поверхности внешней сферы находится точечный заряд (рис. 46). Этот заряд никак не повлияет на электрическое состояние внутреннего пространства конденсатора, т. е. на поле между его обкладками. В самом деле, внутреннее и внешнее пространства разделены толщей металла наружной обкладки, в которой электрическое поле равно нулю.

Рис. 46. Сферический конденсатор во внешнем электрическом поле

Заряд на внешней поверхности обкладки. Но характер поля во внешнем пространстве и заряд, индуцированный на наружной поверхности внешней сферы, зависят от величины и положения заряда Это поле будет точно таким же, как и в случае, коща заряд находится на расстоянии от поверхности сплошного заземленного металлического шара, радиус которого равен радиусу внешней сферы конденсатора (рис. 47). Таким же будет и индуцированный заряд.

Для нахождения величины индуцированного заряда будем рассуждать следующим образом. Электрическое поле в любой точке пространства создается зарядом и зарядом, индуцированным

на поверхности шара, который распределен там, разумеется, неравномерно — как раз так, чтобы обратилась в нуль результирующая напряженность поля внутри шара. Согласно принципу суперпозиции потенциал в любой точке можно искать в виде суммы потенциалов полей, создаваемых точечным зарядом и точечными зарядами, на которые можно разбить распределенный по поверхности шара индуцированный заряд. Поскольку все элементарные заряды на которые разбит индуцированный на поверхности шара заряд находятся на одинаковом расстоянии от центра шара, то потенциал создаваемого им поля в центре шара будет равен

Рис. 47. Поле точечного заряда вблизи заземленного проводящего шара

Тогда полный потенциал в центре заземленного шара равен

Знак минус отражает тот факт, что индуцированный заряд всегда противоположного знака.

Итак, мы видим, что заряд на наружной поверхности внешней сферы конденсатора определяется тем окружением, в котором находится конденсатор, и не имеет никакого отношения к заряду конденсатора д. Полный заряд внешней обкладки конденсатора, разумеется, равен сумме зарядов ее внешней и внутренней поверхностей, однако заряд конденсатора определяется только зарядом внутренней поверхности этой обкладки, который связан силовыми линиями поля с зарядом внутренней обкладки.

В разобранном примере независимость электрического поля в пространстве между обкладками конденсатора и, следовательно, его емкости от внешних тел (как заряженных, так и незаряженных) обусловлена электростатической защитой, т. е. толщей металла внешней обкладки. К чему может привести отсутствие такой защиты, можно увидеть на следующем примере.

Плоский конденсатор с экраном. Рассмотрим плоский конденсатор в виде двух параллельных металлических пластин, электрическое поле которого практически целиком сосредоточено в пространстве между пластинами. Заключим конденсатор в незаряженную плоскую металлическую коробку, как показано на рис. 48. На первый взгляд может показаться, что картина поля между обкладками конденсатора не изменится, так как все поле сосредоточено между пластинами, а краевым эффектом мы пренебрегаем. Однако легко видеть, что это не так. Снаружи конденсатора напряженность поля равна нулю, поэтому во всех точках слева от конденсатора потенциал одинаков и совпадает с потенциалом левой пластины. Точно так же потенциал любой точки справа от конденсатора совпадает с потенциалом правой пластины (рис. 49). Поэтому, заключая конденсатор в металлическую коробку, мы соединяем проводником точки, имеющие разный потенциал.

В результате в металлической коробке будет происходить перераспределение зарядов до тех пор, пока не выравняются потенциалы всех ее точек. На внутренней поверхности коробки индуцируются заряды, и появится электрическое поле внутри коробки, т. е. снаружи конденсатора (рис. 50).

Рис. 48. Конденсатор в металлической коробке

Рис. 49. Электрическое поле заряженного плоского конденсатора

Рис. 50. Электрическое поле заряженного конденсатора, помещенного в металлическую коробку

Но это означает, что на внешних поверхностях пластин конденсатора тоже появятся заряды. Так как при этом полный заряд изолированной пластины не меняется, то заряд на ее внешней поверхности может возникнуть только за счет перетекания заряда с внутренней поверхности. Но при изменении заряда на внутренних поверхностях обкладок изменится напряженность поля между пластинами конденсатора.

Таким образом, заключение рассмотренного конденсатора в металлическую коробку приводит к изменению электрического состояния внутреннего пространства.

Изменение зарядов пластин и электрического поля в этом примере может быть легко рассчитано. Обозначим заряд изолированного конденсатора через Заряд, перетекающий на наружные поверхности пластин при надевании коробки, обозначим через Такой же заряд противоположного знака будет индуцирован на внутренних поверхностях коробки. На внутренних поверхностях пластин конденсатора останется заряд Тогда в пространстве между пластинами напряженность однородного поля будет равна в единицах СИ, а вне конденсатора поле направлено в противоположную сторону и его напряженность равна где — площадь пластины. Требуя, чтобы разность потенциалов между противоположными стенками металлической коробки была равна нулю, и считая для простоты расстояния между всеми пластинами одинаковыми и равными то

Этот результат легко понять, если учесть, что после надевания коробки поле существует во всех трех промежутках между пластинами, т. е. фактически имеются три одинаковых конденсатора, эквивалентная схема включения которых показана на рис. 51. Вычисляя емкость получившейся системы конденсаторов, получаем .

Надетая на конденсатор металлическая коробка осуществляет электростатическую защиту системы. Теперь мы можем подносить снаружи к коробке любые заряженные или незаряженные тела и при этом электрическое поле внутри коробки не изменится. Значит, не изменится и емкость системы.

Обратим внимание на то, что в разобранном примере, выяснив все, что нас интересовало, мы тем не менее обошли стороной вопрос о том, какие же силы осуществили перераспределение зарядов. Какое электрическое поле вызвало движение электронов в материале проводящей коробки?

Очевидно, что это может быть только то неоднородное поле, которое выходит за пределы конденсатора вблизи краев пластины (см. рис. 39). Хотя напряженность этого поля мала и не принимается во внимание при расчете изменения емкости, именно она определяет суть рассматриваемого явления — перемещает заряды и этим вызывает изменение напряженности электрического поля внутри коробки.

Почему под зарядом конденсатора следует понимать не полный заряд обкладки, а только ту его часть, что находится на ее внутренней стороне. обращенной к другой обкладке?

В чем проявляется роль краевых эффектов при рассмотрении электростатических явлений в конденсаторе?

Как изменится емкость батареи конденсаторов, если замкнуть между собой обкладки одного из них?

Формула электроемкости следующая.

Измеряется эта величина в фарадах. Как правило, емкость элемента очень мала и измеряется в пикофарадах.

В задачах часто спрашивается, как изменится электроемкость конденсатора, если увеличить заряд или напряжение. Это вопрос с подвохом. Проведем другую аналогию.

Представьте, что речь идет про обычную банку, а не конденсатор. Например, у вас она трехлитровая. Аналогичный вопрос: что произойдет со вместимостью банки, если туда налить 4 литра воды? Разумеется, вода просто выльется, но при этом размеры банки никак не изменятся.

То же самое с конденсаторами. Заряд и напряжение никак не влияют на емкость. Этот параметр зависит только от реальных физических размеров.

Формула будет следующей

Только эти параметры влияют на реальную электроемкость конденсатора.

На любом конденсаторе есть маркировка с техническими параметрами.

Разобраться несложно. Достаточно минимальных знаний по электричеству.

Соединение конденсаторов

Конденсаторы, так же как и сопротивления, можно подключать последовательно и параллельно. Кроме этого, в схемах бывают и смешанные соединения.

Как видите, электроемкость конденсатора в обоих случаях считается по-разному. Это также относится к напряжению и заряду. По формулам видно, что электроемкость конденсатора, вернее, их совокупности в схеме, будет наибольшей при параллельном соединении. При последовательном общая емкость значительно уменьшается.

При подключении последовательно заряд размещается равномерно. Он будет везде одинаков — как суммарный, так и на каждом конденсаторе. А когда соединение параллельное, суммарный заряд складывается. Это важно помнить при решении задач.

Напряжение считается наоборот. При последовательном соединении складываем, а при параллельном оно равно везде.

Здесь приходится выбирать: если вам нужно больше напряжения, тогда жертвуем емкостью. Если емкость, то огромного напряжения не будет.

Виды конденсаторов

Существует огромное количество конденсаторов. Они отличаются как по размеру, так и по форме.

Разумеется, емкость вычисляется у всех по-разному.

Электроемкость плоского конденсатора

Электроемкость плоского конденсатора определяется проще всего. Эту формулу в основном все и помнят, в отличии от других.

Здесь всё зависит от физических параметров и среды между пластинами.

Здесь также большое значение имеет, какой диэлектрик или материал помещен внутрь. Так как деталь имеет размер сферы, ее емкость зависит от радиуса.

В случае с цилиндрической формой, кроме среды внутри, значение имеют радиусы и длина цилиндра.

Подумайте, как изменится электроемкость плоского конденсатора, если на нем будут повреждения? Существуют различные сбои, которые могут повлиять на работоспособность конденсаторов.

Например, они рассыхаются или вздуваются. После этого они становятся непригодными для нормальной работы устройства, куда установлены.

Рассмотрим примеры повреждений и выхода из строя конденсаторов. Вздуться могут все сразу.

Иногда из строя выходят только несколько. Такое бывает, когда конденсаторы разных параметров или качества.

Наглядный пример порчи (вздутие, разрыв и выход наружу содержимого).

Если вы увидите вот такие ленты, это крайняя степень повреждения. Хуже и быть не может.

Если вы заметите на устройстве (например на видеокарте в компьютере) такие вздутые конденсаторы, это повод задуматься о замене детали.

Подобные проблемы можно устранить только заменой на аналогичную деталь. У вас должны совпадать все параметры один в один. Иначе работа может быть некорректной или очень кратковременной.

Менять конденсаторы нужно аккуратно, не повредив платы. Выпаивать нужно быстро, не допуская перегрева. Если вы не умеете этого делать, лучше отнесите деталь в ремонт.

Основной причиной разрушения является перегрев, который возникает в случае старения или большого сопротивления в цепи.

Рекомендуется не затягивать с ремонтом. Поскольку у поврежденных конденсаторов изменяется емкость, устройство, где они расположены, будет работать с отклонением от нормы. И со временем это может стать причиной выхода из строя.

Если у вас на видеокарте вздулись конденсаторы, то их своевременная замена может исправить ситуацию. В противном случае может сгореть микросхема или что-то еще. В таком случае ремонт будет стоить очень дорого или вовсе окажется невозможным.

Меры предосторожности

Выше был приведен пример с банкой воды. Там говорилось, что если воды налить больше, то воды выльется. А теперь подумайте, куда могут «вылиться» электроны в конденсаторе? Ведь он запечатан полностью!

Если вы подадите в цепи больше тока, чем тот, на который рассчитан конденсатор, то как только он зарядится, его излишек попытается выйти куда-то. А пространства свободного нет. Результатом будет взрыв. В случае незначительного превышения заряда хлопок будет небольшой. Но если подать колоссальное количество электронов на конденсатор, его просто разорвет, и диэлектрик вытечет.

Будьте аккуратны!

Плоским конденсатором обычно называ-ют систему плоских проводящих пластин — обкладок, разделенных диэлектриком. Про-стота конструкции такого конденсатора по-зволяет сравнительно просто рассчитывать его электроемкость и получать значения, совпадающие с результатами эксперимента.

Укрепим две металлические пластины на изоляционных подставках и соединим с электрометром так, что одна из пластин будет присоединена к стержню электромет-ра, а вторая — к его металлическому кор-пусу (рис. 4.71). При таком соединении электрометр будет измерять разность по-тенциалов между пластинами, которые об-разуют плоский конденсатор из двух пла-стин. Проводя исследования, необходимо пом-нить, что

при постоянном значении заряда пластин уменьшение разности потенциалов свидетельствует об увеличении электроем-кости конденсатора, и наоборот.

Сообщим пластинам разноименные заря-ды и отметим отклонение стрелки электро-метра. Приближая пластины друг к другу (уменьшая расстояние между ними), заме-тим уменьшение разности потенциалов. Та-ким образом, при уменьшении расстояния между пластинами конденсатора его элект-роемкость увеличивается. При увеличении расстояния показания стрелки электрометра увеличиваются, что является свидетельст-вом уменьшения электроемкости.

об-ратно пропорциональна расстоянию между его обкладками.

C ~ 1 / d ,

где d — расстояние между обкладками.

Эту зависимость можно изобразить гра-фиком обратной пропорциональной зависи-мости (рис. 4.72).

Будем смещать пластины одну относи-тельно 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 умень-шении электроемкости.

Увеличение площади перекрытия пластан приведет к увеличению емкости.

Электроемкость плоского конденсатора про-порциональна площади пластин, которые пере-крываются.

C ~ S,

где S — площадь пластин.

Эту зависимость можно представить гра-фиком прямой пропорциональной зависи-мости (рис. 4.74).

Возвратив пластины в начальное поло-жение, внесем в пространство между ними плоский диэлектрик. Электрометр отметит уменьшение разности потенциалов между пластинами, что свидетельствует об увели-чении электроемкости конденсатора. Если между пластинами поместить другой диэлек-трик, то изменение электроемкости будет иным.

Электроемкость плоского конденсатора за-висит от диэлектрической проницаемости ди-электрика.

C ~ ε ,

где ε — диэлектрическая проницаемость ди-электрика. Материал с сайта

Такая зависимость показана на графике рис. 4.75.

Результаты опытов можно обобщить в ви-де формулы ёмкости плоского конденсатора :

C = εε 0 S / d,

где S — площадь пластины; d — расстояние между ними; ε — диэлектрическая прони-цаемость диэлектрика; ε 0 — 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:

• Решение задач по теме электроемкость плоского конденсатора

• Как влияет диэлектрик на электроёмкость?

• Теория плоских конденсаторов

• График электроемкости плоского конденсатора от площади его пластин

• Заключение по электроемкости

Вопросы по этому материалу:

• Какое строение плоского конденсатора?

• По изменению какой величины в опыте можно делать заключение об изменении электроемкости?

Изменится ли емкость при подаче постоянного напряжения на керамические конденсаторы? Есть ли какие-то моменты, которые следует учитывать при изменении емкости?

Фарад (Ф) — это единица измерения емкости керамических конденсаторов.
Он показывает, сколько заряда хранится в конденсаторе. Емкость часто описывается в описании продукта как «номинальное значение».

Обратите внимание, что емкость керамических конденсаторов, особенно конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью (характеристика B / X5R, R / X7R), может отличаться от номинального значения при подаче напряжения постоянного тока.

Например, как показано на диаграмме, чем больше напряжение постоянного тока, приложенное к конденсаторам с высокой диэлектрической проницаемостью, тем больше уменьшается эффективная емкость.

На следующей диаграмме горизонтальная ось показывает напряжение постоянного тока, приложенное к конденсатору (В), а вертикальная ось показывает отношение изменения емкости к начальному значению. *

Таким образом, характеристика изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения называется «характеристикой смещения постоянного тока».»

Исходя из вышесказанного, при использовании конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью следует учитывать характеристики. Кроме того, следует подтверждать целесообразность использования на основании 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.можно подтвердить с помощью этого программного обеспечения. (SimSurfing)
SimSurfing
Как использовать

Механизм характеристики смещения постоянного тока

В конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью керамических конденсаторов в настоящее время в основном используется BaTiO3 (титанат бария) в качестве основного компонента высокого диэлектрика.
Как показано ниже, BaTiO3 имеет кристаллическую структуру в форме перовскита, а выше температуры Кюри он приобретает кубическую форму с ионами Ba2 + по вершинам, ионами O2- по направлению к центру и ионами Ti4 + в центрированном положении.

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) растягивается, а другие оси сжимаются и превращаются в тетрагональный кристалл. структура.

В этом случае поляризация возникает в результате сдвига единицы вытянутого в осевом направлении кристалла иона Ti4 +. Эта поляризация возникает 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 определяется как емкость.
Без постоянного напряжения спонтанная поляризация может происходить свободно. Однако, когда напряжение постоянного тока прикладывается извне, спонтанная поляризация связана с направлением электрического поля в диэлектрике, и независимое изменение спонтанной поляризации на обратное препятствует.В результате емкость становится ниже, чем до подачи смещения.

Это механизм уменьшения емкости после подачи постоянного напряжения.

К вашему сведению, в конденсаторах с температурной компенсацией (характеристики CH, C0G и т. Д.) Емкость не изменяется, поскольку в качестве основного материала используется параэлектрическая керамика, которая придает конденсаторам характеристики постоянного напряжения.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• Образование
• Исследовательская работа
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О Массачусетском технологическом институте
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О Массачусетском технологическом институте

Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

Типы конденсаторов: работа и их применение

В любой электронной или электрической цепи конденсатор играет ключевую роль.Таким образом, каждый день может производиться от тысяч до миллионов конденсаторов различных типов. У каждого типа конденсатора есть свои преимущества, недостатки, функции и области применения. Таким образом, очень важно знать о каждом типе конденсатора при выборе для любого приложения. Эти конденсаторы варьируются от маленьких до больших, включая различные характеристики в зависимости от типа, что делает их уникальными. Маленькие и слабые конденсаторы можно найти в радиосхемах, тогда как большие конденсаторы используются в сглаживающих цепях.Конструирование небольших конденсаторов может быть выполнено с использованием керамических материалов, запечатанных эпоксидной смолой, тогда как конденсаторы промышленного назначения спроектированы с металлической фольгой с использованием тонких листов майлара, иначе пропитанных парафином бумаги.

Типы конденсаторов и их использование

Конденсатор является одним из наиболее часто используемых компонентов в проектировании электронных схем. Он играет важную роль во многих встроенных приложениях. Он доступен с разными рейтингами. Он состоит из двух металлических пластин , разделенных непроводящим веществом, или диэлектриком .Часто это хранилища аналоговых сигналов и цифровых данных.

Сравнение между различными типами конденсаторов обычно проводится в отношении диэлектрика, используемого между пластинами. Некоторые конденсаторы выглядят как трубки, небольшие конденсаторы часто изготавливаются из керамических материалов, а затем погружаются в эпоксидную смолу для их герметизации. Итак, вот несколько наиболее распространенных типов доступных конденсаторов. Посмотрим на них.

Диэлектрический конденсатор

Как правило, эти типы конденсаторов являются переменным типом, который требует непрерывного изменения емкости для передатчиков, приемников и транзисторных радиоприемников для настройки.Различные типы диэлектрика могут быть изготовлены из нескольких пластин и с воздушным зазором. Эти конденсаторы имеют набор фиксированных и подвижных пластин для перемещения между фиксированными пластинами.

Положение подвижной пластины по сравнению с неподвижными пластинами определяет приблизительное значение емкости. Как правило, емкость максимальна, когда два набора пластин полностью соединены. Настроечный конденсатор с высокой емкостью имеет довольно большие промежутки, в противном случае между двумя пластинами есть воздушные зазоры, в которых напряжение пробоя достигает нескольких тысяч вольт.

Слюдяной конденсатор

Конденсатор, в котором в качестве диэлектрического материала используется слюда, известен как слюдяной конденсатор. Эти конденсаторы доступны в двух типах: зажимные и серебряные. Зажимной тип сейчас считается устаревшим из-за его более низких характеристик, но вместо него используется серебряный тип.

Эти конденсаторы изготавливаются путем размещения листов слюды с металлическим покрытием на обеих сторонах. После этого эта конструкция покрывается эпоксидной смолой для защиты от окружающей среды.Как правило, эти конденсаторы используются всякий раз, когда требуются стабильные конденсаторы с относительно небольшими номиналами.

Минералы слюды чрезвычайно постоянны химически, механически и электрически из-за ее точной кристаллической структуры, которая включает типичные слои. Таким образом, возможно изготовление тонких листов толщиной от 0,025 до 0,125 мм.

Наиболее часто используемые слюда — флогопит и мусковит. В этом мусковит обладает хорошими электрическими свойствами, а второй — жаростойкостью.Слюда исследуется в Индии, Южной Америке и Центральной Африке. Большая разница в составе сырья приводит к высокой стоимости экспертизы и категоризации. Слюда не реагирует на кислоты, воду и масляные растворители.
Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о слюдяном конденсаторе

Поляризованный конденсатор

Конденсатор с определенной полярностью, такой как положительная и отрицательная, называется поляризованным конденсатором. Всякий раз, когда эти конденсаторы используются в схемах, мы должны проверять, что они соединены с идеальной полярностью.Эти конденсаторы делятся на два типа: электролитические и суперконденсаторы.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы

являются наиболее часто готовыми из множества типов конденсаторов, состоящих из, как правило, обширной группы конденсаторов, отличающихся своими диэлектрическими свойствами. Они доступны практически любого номинала и напряжения до 1500 вольт. Они бывают с любым допуском от 10% до 0,01%. Пленочные конденсаторы также бывают разных форм и стилей корпуса.

Существует два типа пленочных конденсаторов: с радиальными выводами и с осевыми выводами. Электроды пленочных конденсаторов могут быть из металлизированного алюминия или цинка, нанесенного на одну или обе стороны пластиковой пленки, в результате чего получаются металлизированные пленочные конденсаторы, называемые пленочными конденсаторами. Пленочный конденсатор показан на рисунке ниже: Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы

иногда называют пластиковыми конденсаторами, поскольку в качестве диэлектриков они используют полистирол, поликарбонат или тефлон. Этим типам пленок требуется намного более толстая диэлектрическая пленка, чтобы уменьшить опасность разрывов или проколов пленки, и поэтому они больше подходят для более низких значений емкости и больших размеров корпуса.

Пленочные конденсаторы физически больше и дороже, они не поляризованы, поэтому их можно использовать в приложениях с переменным напряжением, и они имеют гораздо более стабильные электрические параметры. Зависимость емкости от коэффициента рассеяния, может применяться в устройствах класса 1 со стабильной частотой, заменяя керамические конденсаторы класса 1.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы используются в высокочастотных цепях, таких как аудио для RF. Они также являются лучшим выбором для компенсации высоких частот в аудиосхемах.Эти конденсаторы также называют дисковыми конденсаторами. Керамические конденсаторы изготавливаются путем покрытия двух сторон небольшого фарфорового или керамического диска серебром, а затем складываются вместе, образуя конденсатор. В керамических конденсаторах можно добиться как низкой, так и высокой емкости, изменяя толщину используемого керамического диска. Керамический конденсатор показан на рисунке ниже:

Керамические конденсаторы

Имеются значения от нескольких пикофарад до 1 микрофарада. Диапазон напряжения составляет от нескольких вольт до многих тысяч вольт.Керамика недорогая в производстве и бывает нескольких типов диэлектрика. Переносимость керамики невысока, но для той роли, которую она играет в жизни, они прекрасно работают.

Электролитические конденсаторы

Это наиболее часто используемые конденсаторы с большой допустимой емкостью. Электролитические конденсаторы доступны с рабочим напряжением примерно до 500 В, хотя самые высокие значения емкости недоступны при высоком напряжении, а устройства с более высокой температурой доступны, но редко.Обычно существует два типа электролитических конденсаторов: танталовые и алюминиевые.

Танталовые конденсаторы обычно лучше выставляются, имеют более высокую стоимость и готовы только к более ограниченным параметрам. Диэлектрические свойства оксида тантала намного превосходят свойства оксида алюминия, что обеспечивает более легкий ток утечки и лучшую емкость емкости, что делает их пригодными для создания препятствий, развязки и фильтрации.

Толщина пленки оксида алюминия и повышенное напряжение пробоя дают конденсаторам исключительно высокие значения емкости для их размера.В конденсаторе фольговые пластины анодированы постоянным током, таким образом устанавливая край материала пластины и подтверждая полярность его стороны.

Танталовые и алюминиевые конденсаторы показаны на рисунке ниже:

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы делятся на два типа

• Алюминиевые электролитические конденсаторы
• Танталовые электролитические конденсаторы
• Ниобиевые электролитические конденсаторы

См. Ссылку на эту ссылку узнать больше об электролитических конденсаторах

Суперконденсаторы

Конденсаторы, которые имеют электрохимическую емкость с высокими значениями емкости по сравнению с другими конденсаторами, известны как суперконденсаторы.Их можно разделить на группы, состоящие из электролитических конденсаторов, а также аккумуляторных батарей, известных как ультраконденсаторы.

Использование этих конденсаторов дает несколько преимуществ, например, следующие:

• Значение емкости этого конденсатора высокое
• Заряд может сохраняться, а также доставляться очень быстро
• Эти конденсаторы могут выдерживать дополнительный заряд с циклами разрядки.
• Применения суперконденсаторов включают следующее.
• Эти конденсаторы используются в автобусах, автомобилях, поездах, кранах и лифтах.
• Они используются для рекуперативного торможения и для резервного копирования памяти.
• Эти конденсаторы доступны в различных типах, таких как двухслойные, псевдо и гибридные.

Неполяризованный конденсатор

Конденсаторы не имеют полярности, как положительную, иначе отрицательную. Электроды неполяризованных конденсаторов можно произвольно вставлять в цепь для обратной связи, связи, развязки, колебаний и компенсации.Эти конденсаторы имеют небольшую емкость, поэтому используются в чистых цепях переменного тока, а также используются в высокочастотной фильтрации. Выбор этих конденсаторов может быть сделан очень удобно с аналогичными моделями и спецификациями. Типы неполяризованных конденсаторов:

Керамические конденсаторы

Пожалуйста, обратитесь по этой ссылке, чтобы узнать больше о керамических конденсаторах

Серебряные слюдяные конденсаторы

Пожалуйста, обратитесь по этой ссылке, чтобы узнать больше о слюдяных конденсаторах

Полиэфирные конденсаторы

Полиэфирные или майларовые конденсаторы дешев, точен и имеет небольшую утечку.Эти конденсаторы работают в диапазоне от 0,001 до 50 мкФ. Эти конденсаторы применимы там, где стабильность и точность не так важны.

Конденсаторы из полистирола

Эти конденсаторы чрезвычайно точны, имеют меньшую утечку. Они используются в фильтрах, а также там, где важны точность и стабильность. Они довольно дороги и работают в диапазоне от 10 пФ до 1 мФ.

Конденсаторы из поликарбоната

Эти конденсаторы дорогие и доступны очень хорошего качества, с высокой точностью и очень низкой утечкой.К сожалению, они были сняты с производства, и сейчас их трудно найти. Они хорошо работают в суровых и высокотемпературных условиях в диапазоне от 100 пФ до 20 мФ.

Полипропиленовые конденсаторы

Эти конденсаторы дорогие, и диапазон их рабочих характеристик может находиться в диапазоне от 100 пФ до 50 мФ. Они очень постоянны, точны во времени и имеют очень небольшую утечку.

Тефлоновые конденсаторы

Эти конденсаторы являются наиболее стабильными, точными и почти не имеют утечки.Они считаются лучшими конденсаторами. В широком диапазоне частотных вариаций образ поведения совершенно одинаков. Они работают в диапазоне от 100 пФ до 1 мФ.

Стеклянные конденсаторы

Эти конденсаторы очень прочные, стабильные и работают в диапазоне от 10 пФ до 1000 пФ. Но это тоже очень дорогие компоненты.

Полимерный конденсатор

Полимерный конденсатор — это электролитический конденсатор (e-cap), в котором вместо геля или жидких электролитов используется твердый электролит из проводящего полимера, такого как электролит.

Высыхания электролита легко избежать с помощью твердого электролита. Такая сушка является одним из факторов, ограничивающих срок службы обычных электролитических конденсаторов. Эти конденсаторы подразделяются на различные типы, такие как полимерный танталовый конденсатор, полимерный алюминиевый конденсатор, гибридный полимерный алюминиевый конденсатор и полимерный ниобий.

В большинстве случаев в этих конденсаторах используется альтернатива электролитическим конденсаторам, только если не повышается максимальное номинальное напряжение.Максимальное номинальное напряжение твердотельных полимерных конденсаторов меньше по сравнению с самым высоким напряжением конденсаторов классического электролитического типа, например, до 35 вольт, хотя некоторые конденсаторы полимерного типа рассчитаны на максимальное рабочее напряжение, например 100 вольт постоянного тока.

Эти конденсаторы обладают другими и лучшими качествами по сравнению с более длительным сроком службы, высокой рабочей температурой, хорошей стабильностью, более низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением) и гораздо более безопасным режимом отказа.

Конденсаторы с выводами и для поверхностного монтажа

Доступны конденсаторы, такие как конденсаторы с выводами и конденсаторы для поверхностного монтажа.Доступны почти все типы конденсаторов, такие как свинцовые версии, такие как керамические, электролитические, суперконденсаторы, серебряная слюда, пластиковая пленка, стекло и т. Д. Возможности поверхностного монтажа или поверхностного монтажа ограничены, но они должны выдерживать температуры, которые используются в процессе пайки. .

Если у конденсатора нет выводов, а также в результате использования метода пайки, то конденсаторы SMD подвергаются полному повышению температуры самого припоя. В результате не все варианты доступны в качестве конденсаторов SMD.

К основным типам конденсаторов для поверхностного монтажа относятся керамические, танталовые и электролитические. Все они были разработаны, чтобы выдерживать очень высокие температуры пайки.

Конденсаторы специального назначения

Конденсаторы специального назначения используются в системах переменного тока, таких как ИБП и CVT до 660 В переменного тока. Выбор подходящих конденсаторов в основном играет важную роль в ожидаемом сроке службы конденсаторов. Следовательно, совершенно необходимо использовать конденсатор надлежащей емкости через номинальное напряжение-ток, чтобы соответствовать точному применению.Эти конденсаторы отличаются прочностью, долговечностью, ударопрочностью, точностью размеров и чрезвычайно прочностью.

Типы конденсаторов в цепях переменного тока

Когда конденсаторы используются в цепях переменного тока, тогда конденсаторы действуют иначе, чем резисторы, поскольку резисторы позволяют электронам проходить через них, что прямо пропорционально падению напряжения, тогда как конденсаторы сопротивляются изменениям в пределах напряжение через подачу или потребление тока, потому что они заряжаются, иначе разряжаются до нового уровня напряжения.

Конденсаторы превращаются в заряженные по направлению к приложенному значению напряжения, которое действует как запоминающее устройство для поддержания заряда до тех пор, пока напряжение питания не будет присутствовать во всем соединении постоянного тока. В конденсатор будет подаваться зарядный ток, препятствующий любым изменениям напряжения.

Например, рассмотрим схему, которая разработана с конденсатором, а также с источником питания переменного тока. Таким образом, между напряжением и током существует разность фаз в 90 градусов, при этом ток достигает своего пика в 90 градусов до того, как напряжение достигает своего пика.

Источник питания переменного тока генерирует колебательное напряжение. Когда емкость высока, тогда должен течь огромный источник питания, чтобы создать определенное напряжение на пластинах, и ток будет выше.
Чем выше частота напряжения, тем меньше доступное время для регулировки напряжения, поэтому ток будет большим при увеличении частоты и емкости.

Переменные конденсаторы

Переменные конденсаторы — это конденсаторы, емкость которых может намеренно и многократно изменяться механически.Этот тип конденсатора используется для установки частоты резонанса в LC-цепях, например, для настройки радио для согласования импеданса в устройствах антенного тюнера. Конденсаторы переменной емкости

Применение конденсаторов

Конденсаторы

находят применение как в электротехнике, так и в электронике. Они используются в фильтрах, системах накопления энергии, пускателях двигателей и устройствах обработки сигналов.

Как узнать стоимость конденсаторов?

Конденсаторы — это важные компоненты электронной схемы, без которых схема не может быть завершена.Использование конденсаторов включает в себя сглаживание пульсаций переменного тока в источнике питания, соединение и развязку сигналов в качестве буферов и т. Д. В схемах используются различные типы конденсаторов, такие как электролитический конденсатор, дисковый конденсатор, танталовый конденсатор и т. Д. Электролитические конденсаторы имеют номинал, напечатанный на корпусе, чтобы его контакты можно было легко идентифицировать.

Обычно большой штифт положительный. Черная полоса возле отрицательного вывода указывает на полярность. Но в дисковых конденсаторах на корпусе напечатан только номер, поэтому очень сложно определить его значение в PF, KPF, uF, n и т. Д.Для некоторых конденсаторов значение печатается в мкФ, а для других используется код EIA. 104. Давайте посмотрим, как идентифицировать конденсатор и рассчитать его значение.

Число на конденсаторе представляет значение емкости в пикофарадах. Например, 8 = 8PF

Если третье число равно нулю, то значение находится в P, например. 100 = 100PF

Для трехзначного числа третье число представляет количество нулей после второй цифры, например, 104 = 10 — 0000 PF

Если значение получено в PF, его легко преобразовать в KPF или мкФ

PF / 1000 = KPF или n, PF / 10, 00000 = мкФ.Для значения емкости 104 или 100000 в пФ это будет 100 кпФ или н или 0,1 мкФ.

Формула преобразования

nx 1000 = PF PF / 1000 = n PF / 1000000 = мкФ мкФ x 1000000 = PF мкФ x 1000000/1000 = nn = 1 / 1000000000F мкФ = 1/1000000 F

Буква ниже значение емкости определяет значение допуска.

473 = 473 K

Для четырехзначного числа, если 4 ^{-я цифра} является нулем, то значение емкости выражается в пФ.

Например, 1500 = 1500PF

Если число представляет собой десятичное число с плавающей запятой, значение емкости выражается в мкФ.

Например, 0,1 = 0,1 мкФ

Если под цифрами указан алфавит, он представляет собой десятичную дробь и значение в KPF или n

Например. 2K2 = 2,2 KPF

Если значения указаны с косой чертой, первая цифра представляет значение в UF, вторая — допуск, а третья — максимальное номинальное напряжение

Например. 0,1 / 5/800 = 0,01 мкФ / 5% / 800 Вольт.

Некоторые общие дисковые конденсаторы

Без конденсатора проектирование схемы будет неполным, поскольку он играет активную роль в функционировании схемы.Конденсатор имеет две электродные пластины внутри, разделенные диэлектрическим материалом, таким как бумага, слюда и т. Д. Что происходит, когда электроды конденсатора подключены к источнику питания? Конденсатор заряжается до полного напряжения и сохраняет заряд. Конденсатор может хранить ток, который измеряется в фарадах.

DISC-CAPS

Емкость конденсатора зависит от площади его электродных пластин и расстояния между ними. Дисковые конденсаторы не имеют полярности, поэтому их можно подключать любым способом.Дисковые конденсаторы в основном используются для развязки / развязки сигналов. Электролитические конденсаторы, с другой стороны, имеют полярность, поэтому, если полярность конденсатора изменится, он взорвется. Электролитические конденсаторы в основном используются в качестве фильтров, буферов и т. Д.

Каждый конденсатор имеет свою собственную емкость, которая выражается как заряд в конденсаторе, деленный на напряжение. Таким образом, Q / V. При использовании конденсатора в цепи следует учитывать некоторые важные параметры. Во-первых, его ценность.Выберите подходящее значение, низкое или высокое значение, в зависимости от схемы.

Значение напечатано на корпусе большинства конденсаторов в мкФ или в виде кода EIA. В конденсаторах с цветовой кодировкой значения представлены в виде цветных полос и с помощью таблицы цветового кода конденсатора; конденсатор легко идентифицировать. Ниже приведена цветовая диаграмма для обозначения конденсатора с цветовой кодировкой.

Видите, как и у резисторов, каждая полоса на конденсаторе имеет значение. Значение первой полосы — это первое число на цветовой диаграмме.Точно так же значение Второй полосы — это Второе число на цветовой диаграмме. Третья полоса — это умножитель, как в случае резистора. Четвертая полоса — это допуск конденсатора. Пятая полоса — это корпус конденсатора, который представляет рабочее напряжение конденсатора. Красный цвет представляет 250 вольт, а желтый — 400 вольт.

Допуск и рабочее напряжение — два важных фактора, которые необходимо учитывать. Ни один из конденсаторов не имеет номинальной емкости и может отличаться.

Поэтому используйте конденсатор хорошего качества, например танталовый, в чувствительных схемах, таких как схемы генератора. Если конденсатор используется в цепях переменного тока, он должен иметь рабочее напряжение 400 вольт. Рабочее напряжение электролитического конденсатора указано на его корпусе. Подбирайте конденсатор с рабочим напряжением в три раза превышающим напряжение блока питания.

Например, если напряжение питания 12 вольт, используйте конденсатор на 25 или 40 вольт. Для сглаживания лучше взять конденсатор большой емкости, например, 1000 мкФ, чтобы почти полностью убрать пульсации переменного тока.В источнике питания аудиосхем лучше использовать конденсатор емкостью 2200 мкФ или 4700 мкФ, поскольку пульсации могут создавать шум в цепи.

Ток утечки — еще одна проблема конденсаторов. Некоторые заряды будут протекать, даже если конденсатор заряжается. Это стих из схем таймера, так как временной цикл зависит от времени заряда / разряда конденсатора. Доступны танталовые конденсаторы с малой утечкой, которые используются в схемах таймера.

Описание функции конденсатора сброса в микроконтроллере

Сброс используется для запуска или перезапуска функций микроконтроллера AT80C51.Вывод сброса следует двум условиям для запуска микроконтроллера. Это

1. Электропитание должно быть в указанном диапазоне.
2. Длительность импульса сброса должна быть не менее двух машинных циклов.

Сброс должен оставаться активным до тех пор, пока не будут соблюдены все два условия.

В схеме этого типа конденсатор и резистор от источника питания подключены к контакту сброса №. 9. Пока переключатель питания находится в положении ON, конденсатор начинает заряжаться.В это время конденсатор вначале действует как короткое замыкание. Когда вывод сброса установлен на ВЫСОКИЙ, микроконтроллер переходит в состояние включения, и через некоторое время зарядка прекращается.

Когда зарядка прекращается, вывод сброса идет на землю из-за резистора. Штифт сброса должен быть слишком высоким, затем слишком низким, тогда программа начнется с попрошайничества. Если в этом устройстве нет конденсатора сброса или он оставался бы неподключенным, программа запускается с любого места на микроконтроллере.

Итак, это обзор различных типов конденсаторов и их применения. Теперь у вас есть представление о концепции типов конденсаторов и их применении. Если у вас есть вопросы по этой теме или по электрическим и электронным проектам, оставьте комментарии ниже.

Фото:

Пленочные конденсаторы от en.busytrade
Керамические конденсаторы от made-in-china
Электролитические конденсаторы от solarbotics

Типы конденсаторов | Типы конденсаторов по функциям и применению

Существует множество типов конденсаторов с различными функциями и приложениями.Конденсаторы варьируются от маленьких до больших, и каждый имеет характеристики, которые делают их уникальными. Например, некоторые конденсаторы маленькие и хрупкие, такие как те, что используются в радиосхемах. С другой стороны, конденсаторы могут быть довольно большими, например, в сглаживающих схемах.

При сравнении конденсаторов различных типов обычно принимается во внимание диэлектрик, используемый между пластинами.

Ассортимент конденсаторов многочислен. Возьмем, например, конденсаторы переменного типа, которые дают пользователю возможность изменять значение их емкости для использования в схемах типа «подстройка частоты».Некоторые конденсаторы выглядят трубчатыми из-за пластин из металлической фольги, которые свернуты в цилиндр. Диэлектрический материал обычно находится между пластинами из металлической фольги и цилиндром.

Кроме того, существуют конденсаторы, используемые в коммерческих целях, которые сделаны из металлической фольги, переплетенной с тонкими листами майлара или пропитанной парафином бумаги.

Малогабаритные конденсаторы обычно изготавливаются из керамических материалов, а затем заделываются эпоксидной смолой. Независимо от того, какой тип конденсатора используется, все они играют важную роль в электронных схемах.Давайте более подробно рассмотрим многие из наиболее распространенных типов конденсаторов, доступных в настоящее время.

Пленочный конденсатор Тип

A Mallory 150 100 нФ 630 В постоянного тока полиэфирный пленочный конденсатор

Это наиболее распространенный тип конденсатора (с точки зрения доступности), который принадлежит к относительно большому семейству конденсаторов. Основное различие между пленочными конденсаторами и другими формами конденсаторов — их диэлектрические свойства. К ним относятся поликарбонат, полипропилен, полиэстер (майлар), полистирол, тефлон и металлизированная бумага.Что касается диапазона емкости, конденсаторы пленочного типа доступны в диапазоне от 5 пФ до 100 мкФ.

Пленочные конденсаторы бывают разных стилей и форм, включая:

• Эпоксидный корпус (прямоугольный и круглый) — конденсатор заключен в формованный пластиковый корпус, который затем заполняется эпоксидной смолой.
• Wrap and Fill (Oval and Round) — используется пластиковая лента, чтобы плотно обернуть конденсатор, а концы заделаны эпоксидной смолой.
• Металлический герметичный (прямоугольный и круглый) — конденсатор заключен в металлический корпус или трубку и залит эпоксидной смолой.

Пленочные конденсаторы с диэлектриками, состоящими из тефлона, полистирола и поликарбоната, иногда называют «пластиковыми конденсаторами». Конденсаторы с пластиковой пленкой имеют такую ​​же конструкцию, что и конденсаторы с бумажной пленкой. Основное различие между ними заключается в том, что в одном используется бумага, а в другом — пластик.

Конденсаторы с пластиковой пленкой имеют преимущество перед типами с пропитанной бумагой в том, что они имеют меньшие допуски, высокую надежность, длительный срок службы и могут продолжать работать в достаточной степени даже при высоких температурах.

Диэлектрические конденсаторы

Конденсатор с диэлектриком

Диэлектрические конденсаторы, относящиеся к «переменному типу» конденсаторов, в которых для настройки транзисторных радиоприемников, передатчиков и приемников требуется непрерывное изменение емкости. Конденсаторы с переменной диэлектрической проницаемостью уникальны тем, что представляют собой многопластинчатые конденсаторы с воздушным разнесением, которые имеют лопатки статора (неподвижные пластины) и лопатки ротора (подвижные пластины), которые перемещаются между неподвижными пластинами.

Значение емкости в конечном итоге определяется положением подвижных пластин по отношению к неподвижным пластинам.Обычно, когда два набора пластин полностью соединяются вместе, значение емкости будет максимальным. Конденсаторы с высоким напряжением имеют относительно большие воздушные зазоры или промежутки между пластинами.

Помимо конденсаторов переменного типа, существуют также переменные конденсаторы предварительно заданного типа, называемые подстроечными резисторами. Триммеры, как правило, небольшие, и их можно предварительно настроить или отрегулировать на определенное значение емкости с помощью отвертки. Большинство триммеров имеют небольшую емкость 500 пФ (или меньше) и не имеют поляризации.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы обычно называют «дисковыми конденсаторами». Для их изготовления нужно взять небольшой керамический или фарфоровый диск и покрыть его серебром с обеих сторон перед тем, как сложить их вместе, чтобы получился работающий конденсатор.

Одиночные керамические диски размером примерно 3–6 мм используются, когда требуются низкие значения емкости. Керамические конденсаторы имеют высокую диэлектрическую проницаемость (High-K) и обычно доступны, поэтому высокая емкость может быть достигнута с помощью объекта меньшего размера.

Керамические конденсаторы имеют тенденцию к существенным нелинейным изменениям емкости в зависимости от температуры. В результате керамические конденсаторы часто используются как шунтирующие или развязывающие конденсаторы. Что касается значений, керамические конденсаторы варьируются от пары пикофарад до нескольких микрофарад (мкФ). Однако обычно керамические конденсаторы имеют низкое напряжение.

Трехзначный код обычно печатается на корпусе конденсаторов керамического типа для определения их емкости в пикофарадах.Вычисление относительно простое после того, как оно было рассчитано — первые две цифры представляют собой номинал конденсаторов, а третья цифра представляет количество нулей, которые необходимо добавить.

Электролитические конденсаторы

Электролитический конденсатор

Электролитические конденсаторы обычно резервируются для ситуаций, когда требуются более высокие значения емкости. Электролитические конденсаторы отличаются тем, что вместо использования тонкопленочного (металлического) слоя в качестве одного из электродов вместо этого в качестве второго электрода используется раствор электролита в виде полужидкого желе или пасты.

Большинство электролитических типов конденсаторов поляризованы, что означает, что для напряжения постоянного тока, подаваемого на конденсатор, необходимо использовать правильную полярность. Другими словами, положительная полярность должна соединяться с положительной клеммой, а отрицательная полярность — с отрицательной клеммой. В случае неправильной поляризации оксидный слой, действующий как изоляция, может выйти из строя и в результате может быть необратимо поврежден.

Из-за большой емкости и небольшого размера электролитические конденсаторы используются в цепях питания постоянного тока.Это сделано для приложений связи и развязки, а также для уменьшения пульсаций напряжения. Электролитические конденсаторы имеют относительно низкое напряжение (один из основных недостатков). Поскольку электролитические конденсаторы поляризованы, они не могут (и не должны) использоваться с источниками переменного тока.

Вам следует знать две формы электролитов — танталовые электролитические конденсаторы и алюминиевые электролитические конденсаторы.

1) Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые электролитические конденсаторы и танталовые шарики бывают двух видов — с сухим (твердым) и мокрым (фольга) электролитическим типом.Сухие танталовые конденсаторы физически меньше алюминиевых, и в качестве второго вывода используется диоксид марганца.

2) Алюминиевые электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы бывают двух типов — с фольгой и с протравленной фольгой. Из-за высокого напряжения пробоя и пленки оксида алюминия алюминиевые электролитические конденсаторы имеют высокие значения емкости по сравнению с их размером.

Конденсатор имеет пластины из фольги, анодированные постоянным током.Во время этого процесса устанавливается полярность материала пластины, и создаются положительные и отрицательные стороны.

Протравленные типы фольги отличаются от обычных типов фольги в одном основном — оксид алюминия на катоде и аноде подвергается химическому травлению для увеличения диэлектрической проницаемости и площади поверхности.

Когда дело доходит до электролитов с протравленной фольгой, их лучше всего использовать для блокировки постоянного тока, байпасных цепей и связи. С другой стороны, простые типы фольги больше предназначены для сглаживания конденсаторов в источниках питания.Имейте в виду, что алюмоэлектролитики считаются поляризованными устройствами. Таким образом, могут возникнуть катастрофические последствия, когда приложенное напряжение на выводах изменится на противоположное, поскольку изолирующий слой, расположенный внутри конденсатора (а также сам конденсатор), будет разрушен. К счастью, если повреждение минимально, электролит, который используется внутри конденсатора, может помочь устранить повреждение.

Электролиты способны не только на самовосстановление поврежденных пластин. Они также могут повторно анодировать пластину из фольги.Поскольку процесс анодирования можно обратить вспять, электролит может удалить оксидное покрытие с фольги (что также произошло бы, если бы конденсатор был подключен с обратной полярностью). Помните, что, поскольку электролит может проводить электричество, могут возникнуть катастрофические проблемы, если слой оксида алюминия будет удален из уравнения или полностью разрушен.

Что касается диэлектрических свойств, оксид тантала считается лучше оксида алюминия, поскольку он обеспечивает лучшую стабильность емкости и снижает токи утечки, что в конечном итоге делает их идеальными для фильтрации, обхода, применения, блокировки и развязки.

Имейте в виду, что танталовые конденсаторы могут выдерживать обратное напряжение намного лучше, чем алюминиевые (потому что они поляризованы), но на самом деле они рассчитаны на более низкие рабочие напряжения. Обычно сухие танталовые конденсаторы используются в цепях, где напряжение постоянного тока больше по сравнению с напряжением переменного тока.

Существуют «неполяризованные» конденсаторы, в которых в некоторых танталовых типах используются два конденсатора в одном. В такой ситуации соединение является отрицательным (создает неполяризованный конденсатор), что часто используется в цепях переменного тока с низким напряжением в качестве неполяризованного устройства.

Изображение предоставлено: Clker-Free-Vector-Images / Pixabay

Конденсаторы и емкость — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните понятие конденсатора и его емкости
• Опишите, как оценить емкость системы проводов

Конденсатор — это устройство, используемое для хранения электрического заряда и электрической энергии.Он состоит как минимум из двух электрических проводников, разделенных расстоянием. (Обратите внимание, что такие электрические проводники иногда называют «электродами», но, точнее, они «обкладки конденсатора».) Пространство между конденсаторами может быть просто вакуумом, и в этом случае конденсатор будет известен как «Вакуумный конденсатор». Однако пространство обычно заполняется изолирующим материалом, известным как диэлектрик. (Вы узнаете больше о диэлектриках в разделах, посвященных диэлектрикам, далее в этой главе.) Объем накопителя в конденсаторе определяется свойством, называемым емкостью , , о котором вы узнаете больше чуть позже в этом разделе.

Конденсаторы

имеют различные применения: от фильтрации статического электричества, радиоприема до накопления энергии в дефибрилляторах сердца. Обычно в промышленных конденсаторах две проводящие части расположены близко друг к другу, но не соприкасаются, как показано на (Рисунок). В большинстве случаев между двумя пластинами используется диэлектрик. Когда клеммы батареи подключены к первоначально незаряженному конденсатору, потенциал батареи перемещает небольшой заряд величиной Q с положительной пластины на отрицательную.Конденсатор в целом остается нейтральным, но заряжается и находится на противоположных пластинах.

Оба конденсатора, показанные здесь, были изначально разряжены перед подключением к батарее. Теперь у них есть заряды и (соответственно) на своих тарелках. (a) Конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух пластин противоположного заряда с площадью A , разделенных расстоянием d . (b) Катаный конденсатор имеет диэлектрический материал между двумя проводящими листами (пластинами).

Система, состоящая из двух идентичных параллельно проводящих пластин, разделенных расстоянием, называется конденсатором с параллельными пластинами ((Рисунок)).Величина электрического поля в пространстве между параллельными пластинами равна, где обозначает поверхностную плотность заряда на одной пластине (напомним, что это заряд Q на площадь поверхности A, ). Таким образом, величина поля прямо пропорциональна Q .

Разделение зарядов в конденсаторе показывает, что заряды остаются на поверхности обкладок конденсатора. Линии электрического поля в конденсаторе с параллельными пластинами начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами.Величина электрического поля в пространстве между пластинами прямо пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Конденсаторы с разными физическими характеристиками (такими как форма и размер пластин) накапливают разное количество заряда для одного и того же приложенного напряжения В на своих пластинах. Емкость C конденсатора определяется как отношение максимального заряда Q , который может храниться в конденсаторе, к приложенному напряжению В на его пластинах.Другими словами, емкость — это наибольшая величина заряда на вольт, которая может храниться на устройстве:

Единица измерения емкости в системе СИ — фарад (Ф), названная в честь Майкла Фарадея (1791–1867). Поскольку емкость — это заряд на единицу напряжения, один фарад равен одному кулону на один вольт, или

.

По определению, конденсатор емкостью 1,0 мкФ может сохранять заряд 1,0 К (очень большой заряд), когда разность потенциалов между его пластинами составляет всего 1,0 В. Следовательно, один фарад является очень большой емкостью.Типичные значения емкости варьируются от пикофарад до миллифарад, включая микрофарады (). Конденсаторы могут быть изготовлены различных форм и размеров ((рисунок)).

Это некоторые типичные конденсаторы, используемые в электронных устройствах. Размер конденсатора не обязательно зависит от его емкости. (Источник: Windell Oskay)

Расчет емкости

Мы можем рассчитать емкость пары проводов с помощью следующего стандартного подхода.

Стратегия решения проблем: расчет емкости

1. Предположим, что конденсатор имеет заряд Ом .
2. Определите электрическое поле между проводниками. Если в расположении проводников присутствует симметрия, вы можете использовать закон Гаусса для этого расчета.
3. Найдите разность потенциалов между проводниками из
   

   
   , где путь интеграции ведет от одного проводника к другому. Тогда величина разности потенциалов равна.

4. При известном В емкость можно получить непосредственно из (Рисунок).

Чтобы показать, как работает эта процедура, мы теперь вычисляем емкости параллельных пластин, сферических и цилиндрических конденсаторов. Во всех случаях мы предполагаем вакуумные конденсаторы (пустые конденсаторы) без диэлектрического вещества в пространстве между проводниками.

Конденсатор с параллельными пластинами

Конденсатор с параллельными пластинами ((Рисунок)) имеет две идентичные проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поверхности A , разделенных расстоянием d .Когда на конденсатор подается напряжение В , он сохраняет заряд Q , как показано. Мы можем увидеть, как его емкость может зависеть от A и d , рассматривая характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что сила между зарядами увеличивается с увеличением заряда и уменьшается с расстоянием между ними. Следует ожидать, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить. Таким образом, C должно быть больше для большего значения A .Точно так же, чем ближе пластины друг к другу, тем сильнее на них притяжение противоположных зарядов. Следовательно, C должно быть больше для меньшего d .

В конденсаторе с параллельными пластинами с пластинами, разнесенными на расстояние d , каждая пластина имеет одинаковую площадь поверхности A .

Определим поверхностную плотность заряда на пластинах как

Из предыдущих глав мы знаем, что, когда d мало, электрическое поле между пластинами довольно однородно (без учета краевых эффектов) и что его величина определяется как

, где константа — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, единица измерения Ф / м в системе СИ эквивалентна так как электрическое поле между пластинами однородно, разность потенциалов между пластинами равна

.

Следовательно (рисунок) дает емкость конденсатора с параллельными пластинами как

Обратите внимание на это уравнение, что емкость является функцией только геометрии и того, какой материал заполняет пространство между пластинами (в данном случае вакуум) этого конденсатора.Фактически, это верно не только для конденсатора с параллельными пластинами, но и для всех конденсаторов: емкость не зависит от Q или В . При изменении заряда соответственно изменяется и потенциал, так что Q / V остается постоянным.

Емкость и заряд, накопленный в конденсаторе с параллельными пластинами (a) Какова емкость пустого конденсатора с параллельными пластинами с металлическими пластинами, каждая из которых имеет площадь, разделенную на 1,00 мм? (б) Сколько заряда хранится в этом конденсаторе, если к нему приложено напряжение?

Стратегия

Определение емкости C представляет собой простое приложение (рисунок).Найдя C , мы сможем найти накопленный заряд, используя (Рисунок).

Решение

1. Ввод данных значений в (рисунок) дает
   

   
   Это небольшое значение емкости указывает на то, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью.

2. Инвертирование (рисунок) и ввод известных значений в это уравнение дает
   

Значение Этот заряд лишь немного больше, чем в типичных приложениях статического электричества.Поскольку воздух разрушается (становится проводящим) при напряженности электрического поля около 3,0 МВ / м, на этом конденсаторе больше не может храниться заряд при увеличении напряжения.

A 1-F конденсатор с параллельными пластинами. Предположим, вы хотите сконструировать конденсатор с параллельными пластинами емкостью 1,0 F. Какую площадь необходимо использовать для каждой пластины, если пластины разделены на 1,0 мм?

Переставляя решение (рисунок), получаем

Каждая квадратная пластина должна быть 10 км в поперечнике. Раньше было обычным розыгрышем — попросить студента пойти в склад лаборатории и попросить конденсатор с параллельными пластинами 1F, пока обслуживающий персонал не устанет от шуток.

Проверьте свое понимание Емкость конденсатора с параллельными пластинами составляет 2,0 пФ. Если площадь каждой пластины равна, каково расстояние между пластинами?

Проверьте свое понимание Убедитесь, что и у вас одинаковые физические единицы.

Цилиндрический конденсатор

Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров ((Рисунок)). Внутренний цилиндр радиуса может быть либо оболочкой, либо полностью твердым.Внешний цилиндр представляет собой оболочку внутреннего радиуса. Мы предполагаем, что длина каждого цилиндра составляет х и что избыточные заряды и находятся на внутреннем и внешнем цилиндрах, соответственно.

Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров. Здесь заряд на внешней поверхности внутреннего цилиндра положительный (обозначен), а заряд на внутренней поверхности внешнего цилиндра отрицательный (обозначен).

Без учета краевых эффектов электрическое поле между проводниками направлено радиально наружу от общей оси цилиндров.Используя гауссову поверхность, показанную на (Рисунок), мы имеем

Следовательно, электрическое поле между цилиндрами равно

Здесь — единичный радиальный вектор по радиусу цилиндра. Можно подставить в (рисунок) и найти разность потенциалов между цилиндрами:

Таким образом, емкость цилиндрического конденсатора

Как и в других случаях, эта емкость зависит только от геометрии расположения проводников. Важным применением (рисунок) является определение емкости на единицу длины коаксиального кабеля , который обычно используется для передачи изменяющихся во времени электрических сигналов.Коаксиальный кабель состоит из двух концентрических цилиндрических проводников, разделенных изоляционным материалом. (Здесь мы предполагаем наличие вакуума между проводниками, но физика качественно почти такая же, когда пространство между проводниками заполнено диэлектриком.) Эта конфигурация экранирует электрический сигнал, распространяющийся по внутреннему проводнику, от паразитных электрических полей, внешних по отношению к проводнику. кабель. Ток течет в противоположных направлениях во внутреннем и внешнем проводниках, при этом внешний провод обычно заземлен.Теперь, как показано на рисунке, емкость коаксиального кабеля на единицу длины равна

.

В практических приложениях важно выбирать конкретные значения C / l . Это может быть достигнуто за счет соответствующего выбора радиусов проводников и изоляционного материала между ними.

Проверьте свое понимание Когда цилиндрический конденсатор получает заряд 0,500 нКл, между цилиндрами измеряется разность потенциалов 20,0 В.а) Какова емкость этой системы? (b) Если длина цилиндров составляет 1,0 м, каково соотношение их радиусов?

Несколько типов практических конденсаторов показаны на (Рисунок). Обычные конденсаторы часто состоят из двух небольших кусочков металлической фольги, разделенных двумя небольшими кусочками изоляции (см. (Рисунок) (b)). Металлическая фольга и изоляция покрыты защитным покрытием, а два металлических вывода используются для подключения фольги к внешней цепи. Некоторые распространенные изоляционные материалы — это слюда, керамика, бумага и антипригарное покрытие Teflon ™.

Другой популярный тип конденсатора — электролитический конденсатор. Он состоит из окисленного металла в проводящей пасте. Основным преимуществом электролитического конденсатора является его высокая емкость по сравнению с другими распространенными типами конденсаторов. Например, емкость одного типа алюминиевого электролитического конденсатора может достигать 1,0 F. Однако вы должны быть осторожны при использовании электролитического конденсатора в цепи, потому что он работает правильно только тогда, когда металлическая фольга находится под более высоким потенциалом, чем проводящая паста.Когда возникает обратная поляризация, электролитическое действие разрушает оксидную пленку. Этот тип конденсатора не может быть подключен к источнику переменного тока, потому что в половине случаев переменное напряжение будет иметь неправильную полярность, поскольку переменный ток меняет свою полярность (см. Схемы переменного тока в цепях переменного тока).

Конденсатор переменного тока ((Рисунок)) имеет два набора параллельных пластин. Один набор пластин закреплен (обозначен как «статор»), а другой набор пластин прикреплен к валу, который может вращаться (обозначается как «ротор»).Поворачивая вал, можно изменять площадь поперечного сечения в перекрытии пластин; следовательно, емкость этой системы может быть настроена на желаемое значение. Настройка конденсатора находит применение в любом типе радиопередачи и при приеме радиосигналов от электронных устройств. Каждый раз, когда вы настраиваете автомобильное радио на любимую станцию, думайте о емкости.

В переменном воздушном конденсаторе емкость можно регулировать, изменяя эффективную площадь пластин. (кредит: модификация работы Робби Спроул)

Символы, показанные на (Рисунок), представляют собой схемные изображения различных типов конденсаторов.Обычно мы используем символ, показанный на (Рисунок) (а). Символ на (Рисунок) (c) представляет конденсатор переменной емкости. Обратите внимание на сходство этих символов с симметрией конденсатора с параллельными пластинами. Электролитический конденсатор частично представлен символом (Рисунок) (b), где изогнутая пластина обозначает отрицательный вывод.

Здесь показаны три различных схемных представления конденсаторов. Символ в (а) является наиболее часто используемым. Символ в (b) представляет собой электролитический конденсатор.Символ в (c) представляет конденсатор переменной емкости.

Интересный прикладной пример модели конденсатора взят из клеточной биологии и имеет дело с электрическим потенциалом в плазматической мембране живой клетки ((рисунок)). Клеточные мембраны отделяют клетки от их окружения, но позволяют некоторым отобранным ионам проходить внутрь или из клетки. Разность потенциалов на мембране составляет около 70 мВ. Клеточная мембрана может иметь толщину от 7 до 10 нм. Рассматривая клеточную мембрану как наноразмерный конденсатор, оценка наименьшей напряженности электрического поля на его «пластинах» дает значение.

Этой величины электрического поля достаточно, чтобы вызвать электрическую искру в воздухе.

Полупроницаемая мембрана биологической клетки имеет разные концентрации ионов на внутренней поверхности, чем на внешней. Диффузия перемещает ионы (калия) и (хлорида) в показанных направлениях, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос. Таким образом, внешняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд, а ее внутренняя поверхность приобретает отрицательный заряд, создавая разность потенциалов на мембране.Мембрана обычно непроницаема для Na + (ионов натрия).

Сводка

• Конденсатор — это устройство, которое накапливает электрический заряд и электрическую энергию. Количество заряда, которое может хранить вакуумный конденсатор, зависит от двух основных факторов: приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер и геометрия.
• Емкость конденсатора — это параметр, который говорит нам, сколько заряда может храниться в конденсаторе на единицу разности потенциалов между его пластинами.Емкость системы проводников зависит только от геометрии их расположения и физических свойств изоляционного материала, заполняющего пространство между проводниками. Единицей измерения емкости является фарад, где

Концептуальные вопросы

Зависит ли емкость устройства от приложенного напряжения? Зависит ли емкость устройства от заряда, находящегося на нем?

Не могли бы вы разместить пластины конденсатора с параллельными пластинами ближе друг к другу или дальше друг от друга, чтобы увеличить их емкость?

Значение емкости равно нулю, если пластины не заряжены.Правда или ложь?

Если пластины конденсатора имеют разные площади, будут ли они заряжаться одинаково, когда конденсатор подключен к батарее?

Зависит ли емкость сферического конденсатора от того, какая сфера заряжена положительно или отрицательно?

Проблемы

Какой заряд накапливается в конденсаторе при подаче на него 120,0 В?

Найдите заряд, накопленный при подаче 5,50 В на конденсатор емкостью 8,00 пФ.

Рассчитайте напряжение, приложенное к конденсатору, когда он сохраняет заряд.

Какое напряжение необходимо подать на конденсатор емкостью 8,00 нФ для накопления заряда 0,160 мкКл?

Какая емкость необходима для хранения заряда при напряжении 120 В?

Какова емкость вывода большого генератора Ван-де-Граафа, учитывая, что он хранит 8,00 мКл заряда при напряжении 12,0 МВ?

Пластины пустого плоского конденсатора емкостью 5,0 пФ находятся на расстоянии 2,0 мм друг от друга. Какова площадь каждой пластины?

А 60.Вакуумный конденсатор 0 пФ имеет плоскую обкладку. Какое расстояние между его пластинами?

Набор параллельных пластин имеет емкость. Какой заряд нужно добавить к пластинам, чтобы разность потенциалов между ними увеличилась на 100 В?

Считайте Землю сферическим проводником радиусом 6400 км и рассчитайте ее емкость.

Если емкость цилиндрического конденсатора на единицу длины составляет 20 пФ / м, каково отношение радиусов двух цилиндров?

Пустой конденсатор с параллельными пластинами имеет емкость.Сколько заряда должно стечь с пластин, прежде чем напряжение на них снизится на 100 В?

Глоссарий

емкость

количество заряда на единицу вольт

конденсатор

Устройство, накапливающее электрический заряд и электрическую энергию

диэлектрик

изоляционный материал, используемый для заполнения пространства между двумя пластинами

конденсатор с параллельными пластинами

Система двух одинаковых параллельных проводящих пластин, разделенных расстоянием

Высоковольтные керамические конденсаторы (серия HVC)

	Высоковольтные керамические конденсаторы	0.5пФ	C0G	200 В	0603	± 0,25 пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	10 пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	100 пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	12 пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	120 пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	15 пФ	C0G	200 В	0603	± 1%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	15 пФ	C0G	200 В	0603	± 2%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	15 пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	150 пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	18пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	180пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	1пФ	C0G	200 В	0603	± 0.25пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	да
	Высоковольтные керамические конденсаторы	1.2пФ	C0G	200 В	0603	± 0,25 пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	1.5пФ	C0G	200 В	0603	± 0,25 пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	да
	Высоковольтные керамические конденсаторы	1.8пФ	C0G	200 В	0603	± 0,25 пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	да
	Высоковольтные керамические конденсаторы	22pF	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	22pF	C0G	200 В	0603	± 10%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	220 пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	27pF	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	270пФ	C0G	200 В	0603	± 5%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000		Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	270пФ	C0G	200 В	0603	± 10%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	270пФ	C0G	200 В	0603	± 10%		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	Вызов
	Высоковольтные керамические конденсаторы	2пФ	C0G	200 В	0603	± 0.25пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	да
	Высоковольтные керамические конденсаторы	2.2пФ	C0G	200 В	0603	± 0,25 пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	да
	Высоковольтные керамические конденсаторы	2.7пФ	C0G	200 В	0603	± 0,25 пФ		N — 100% матовое олово поверх никеля	4000	Высокое напряжение	да

Керамика конденсатора — обзор

КЕРАМИКА И MICAS

Названия, используемые для типов конденсаторов, являются названиями диэлектрических материалов, поскольку характеристики конденсатора так тесно связаны с типом используемого материала для его диэлектрика.Керамика покрывает любые материалы, состоящие в основном из оксидов металлов, сплавленных при очень высоких температурах; типичное сырье — оксид алюминия (оксид алюминия) и оксид титана. Слюда — это натуральный материал, который распадается на пластины, которые могут быть очень тонкими; его основная форма — минерал мусковит или рубиновая слюда. Когда этот материал разделен на пластины, пластины часто имеют серебристый вид (из-за воздушной пленки между оставшимися пластинами), поэтому их называют серебристо-слюдой . Это вызвало значительную путаницу, поскольку покрытие листов слюды серебром создает композит, называемый посеребренной слюдой .

Из-за естественной формы сырья слюда используется для изготовления конденсаторов пластинчатой ​​формы, круглой или прямоугольной. Керамике можно придать любую подходящую форму, включая пластины и трубки, так что диапазон форм конденсаторов больше для керамики, чем для слюды. Какой бы из этих двух типов изолятора не использовался, способ формирования конденсатора заключается в нанесении металлического слоя на каждую сторону диэлектрика.Это проще всего, когда материал имеет форму пластины, а осаждение металла может быть выполнено химическими методами (традиционный метод, который особенно легко осаждать серебро) или путем испарения или распыления. Металлический слой не должен касаться краев или протираться с краев, чтобы избежать коротких замыканий или потенциальных точек искрения. Затем соединительные провода можно припаять к металлическому слою, а весь конденсатор покрыть изолятором, который может быть из пластика или другого керамического материала.

Трубчатая керамика формируется так же, как и пластины, но процесс металлизации значительно сложнее, и для нанесения покрытия внутри трубки можно использовать только химический метод. Подключение к этому покрытию также является более сложным, но небольшой объем трубчатого типа иногда может быть преимуществом, так что этот тип конденсатора используется в течение многих десятилетий, хотя теперь он исчез из многих каталогов, потому что он может быть изготовлен только в наименьшие размеры емкости, для которых существует множество других вариантов.Пластинчатая форма конденсатора имеет значительное преимущество, заключающееся в том, что металлизированные пластины можно складывать вместе, чтобы увеличить емкость (рис. 4.4), при очень небольшом увеличении объема.

Слюдяные конденсаторы могут быть выполнены в виде однопластинчатых или уложенных друг на друга пластин. Раньше конденсаторы с слюдяными пластинами изготавливались из фольги, проложенной между слюдяными пластинами, или с пластинами, скрепленными вместе с помощью металлических люверсов. Эти старые формы в настоящее время являются устаревшими, и единственным оставшимся типом является конструкция из посеребренной слюды, которая имеет слои серебра, нанесенные на слюду, независимо от того, использует ли конденсатор одну пластину или несколько пластин.Конденсатор из посеребренной слюды обладает наилучшим сочетанием электрических, тепловых и механических свойств, которое можно найти у конденсатора низкой стоимости.

Натуральная слюда имеет значение относительной диэлектрической проницаемости около 5,4, и это значение сохраняется до очень высоких рабочих частот, особенно до 1 ГГц. Коэффициент рассеяния очень низок на частотах от 1 кГц и выше, порядка 0,0003, хотя при 50 Гц коэффициент рассеяния составляет около 0,005 из-за присутствия ионов в материале (что вызывает рубиновый цвет природного минерала).Диэлектрическая прочность удивительно высока, порядка 150–180 кВ / мм, и это связано с пластинчатой ​​формой материала. Структура слюды состоит из плоских молекул силиката алюминия-калия, которые соединяются вместе в листы, которые в конечном итоге имеют толщину в одну молекулу. Через эти листы нет естественного пути проводимости, потому что расстояние между листами намного больше, чем расстояние между молекулами вдоль листа, так что любая проводимость должна быть вдоль листа, а не от листа к листу.Даже самые тонкие кусочки слюды, которые мы можем разрезать, состоят из множества листов, так что изоляция и электрическая прочность не имеют себе равных среди любого материала, в котором молекулы расположены в трехмерной структуре.

Объемное сопротивление природной слюды составляет 5 × 10 ¹⁵ Ом · м, что не является самым высоким значением, но представляет собой среднее значение, не учитывающее огромных различий, вызванных разными направлениями измерения. Значение удельного сопротивления, измеренное в направлении листа слюды, будет намного меньше, чем значение, измеренное между листами, и указанное значение является средним.Слюда является примером анизотропного материала, физические свойства которого будут варьироваться в зависимости от направления измерения длины. Все кристаллические материалы анизотропны, и материалы, которые образуют плоские листы, такие как слюда, очень заметно. Это свойство не ограничивается минералами и кристаллами — дерево является примером очень известного анизотропного материала, прочность которого зависит от направления волокон.

Температурный коэффициент посеребренного слюдяного конденсатора положительный и находится в диапазоне +50 ± 50 ppm / ° C, что не так низко, как у типичной керамики.Чем больше емкость, тем меньше температурный коэффициент. Производимые посеребренные слюды доступны в диапазоне от 2,2 пФ до 100 пФ (10 нФ), а обычная инкапсуляция — это воск, покрытый керамическим цементом. Нормальный рабочий диапазон температур составляет от –40 ° C до + 80 ° C (в некоторых случаях до + 150 ° C и более), с коэффициентом мощности 0,002 и сопротивлением изоляции около 10 ¹⁰ Ом. Рабочее напряжение обычно составляет максимум 350 В, и это значение включает импульсный режим.

Посеребренные слюды сейчас дороги в Великобритании по сравнению с конденсаторами других типов (в США это не так), но их комбинация параметров не имеет себе равных ни у одного другого типа, поэтому приложения, требующие максимально возможной стабильности, должны указывать эти конденсаторы.Типичные применения — это настроенные схемы и фильтры, для которых важна стабильность частоты. Из-за своей физической формы слюды имеют очень низкую самоиндукцию, так что их резонансная частота очень высока, а низкие потери (очень низкое эквивалентное последовательное сопротивление) делают эффективное значение добротности (отношение реактивного сопротивления к сопротивлению) очень большим. высокая.

Все конденсаторы имеют значение собственной индуктивности, которое низкое для значений низкой емкости, но довольно высокое для некоторых типов намотанной фольги.В результате для каждого значения емкости конденсатора будет резонансная частота, когда собственная индуктивность находится в последовательном резонансе с емкостью. На этой частоте конденсатор имеет минимальный импеданс, а выше этой частоты импеданс будет в большей степени индуктивным. Коэффициент добротности конденсатора также будет минимальным на резонансной частоте. Физическая форма посеребренных слюдяных конденсаторов делает их самоиндуктивность очень низкой, особенно когда конденсаторы изготовлены в форме, пригодной для поверхностного монтажа (см. Главу 8).Керамические конденсаторы большой емкости и типы фольги (кроме типов с расширенной фольгой) имеют сравнительно низкие значения собственного резонанса.

Керамические конденсаторы, напротив, очень часто используются в ситуациях, когда потери не имеют большого значения. В отличие от слюды, керамика, которая используется для конденсаторов, изготавливается искусственно, хотя и из натуральных материалов. Традиционные материалы, такие как силикат магния и оксид алюминия, были дополнены другими материалами, такими как титанат бария и диоксид титана, и производители склонны использовать смеси, состав и обработка которых не раскрываются.Большинство производителей теперь указывают буквы / цифры стандартных спецификаций, а не точные материалы.

Из этих стандартов, старый установленный N750T96 имеет номер 750, потому что это его температурный коэффициент при преобразовании в конденсатор, а N означает, что коэффициент отрицательный. Также доступен соответствующий материал N150, но наиболее стабильные конденсаторы изготавливаются из материалов COG (ранее известных как NPO) с нулевым температурным коэффициентом и низкой пропиткой.Все эти типы имеют низкие характеристики потерь и заменили посеребренную слюду для критических применений.

•

Керамические конденсаторы емкостью 120 пФ и ниже практически не изменяются, относящиеся к типу COG (NPO).

Многие другие типы керамики, особенно с высоким содержанием титана, имеют очень высокие значения диэлектрической проницаемости, в некоторых примерах доходящие до 6000. К сожалению, многие из этих керамических материалов также являются сильно анизотропными, что очень нежелательно — значение относительной диэлектрической проницаемости изменяется при изменении приложенного электрического поля, так что значение емкости изменяется по напряжению.Такие материалы, как титанат бария, по сути, являются пьезоэлектрическими, а это означает, что размеры всего кристалла будут изменяться при изменении напряжения на материале. Некоторые материалы обладают высокой относительной диэлектрической проницаемостью, которая сочетается с разумной стабильностью, и одна из спецификаций таких конденсаторов — X7R / 2C1. Для менее требовательных приложений, где допускается изменение значения емкости в зависимости от приложенного напряжения или температуры, можно использовать спецификацию Z5U / 2F4.

Для некоторых типов керамических конденсаторов коэффициент рассеяния может быть значительным, порядка 0.15% (0,0015) для типа C0G / NP0, возрастает до 3% (0,03) для типа Z5U, так что эквивалентное последовательное сопротивление этих типов сравнительно велико. Тип C0G / NP0 с номинальным нулевым температурным коэффициентом может иметь значения ± 30 ppm / ° C, что является приемлемо низким значением. Другие типы имеют гораздо более высокие температурные коэффициенты, которые могут изменяться, так что значение температурного коэффициента само будет изменяться при изменении температуры. Для этих конденсаторов обычно заменяют температурный коэффициент на процент максимального изменения.Например, если для керамического конденсатора вместо температурного коэффициента указаны цифры + 56%, –35%, это означает, что максимальное изменение, которое можно ожидать при крайних значениях температурного диапазона, будет составлять эти проценты. Номинальный диапазон температур для материала X7R составляет от –55 ° C до + 125 ° C, а для Z5U — от –10 ° C до + 85 ° C. Типичные максимальные изменения в этих диапазонах температур составляют от + 15% до –25% для X7R и от + 56% до –20% для Z5U.

Поэтому области применения керамических конденсаторов должны соответствовать типу используемого диэлектрика.Конденсаторы, в основном в диапазоне 10–100 пФ, в которых используется диэлектрик NPO, подходят для общих (обычно низковольтных) целей, включая схемы настройки генератора, схемы синхронизации и фильтры, характеристики которых не требуют использования посеребренных слюд. Более стабильный из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, X7R, указан для значений примерно до 0,1 мкФ, и эти конденсаторы используются в приложениях байпаса и развязки, менее требовательных схемах фильтрации, синхронизации и для приложений связи, в которых температурная стабильность ниже. важный.Диэлектрик Z5U имеет самый высокий диапазон значений относительной диэлектрической проницаемости и используется для получения очень высоких значений емкости в диапазоне от 0,22 мкФ до 1 мкФ. Эти конденсаторы используются в основном для развязки и байпаса, хотя их также можно использовать для связи в цепях, постоянная времени которых не обязательно должна быть стабильной. Сопротивление изоляции меньшего значения емкости составляет порядка 10 ¹¹ Ом, но для больших значений используется формула 10 ⁹ / C Ом, с C в микрофарадах, чтобы указать сопротивление.

•

Из всех керамических конденсаторов только типы C0G / NP0 подходят для схем выборки и хранения. Эта керамика доступна в размерах до 0,01 мкФ.

Дисковая керамика с высокой относительной диэлектрической проницаемостью изготавливается специально для развязки аналоговых и цифровых схем. Большинство цифровых схем генерируют очень резкие импульсы при включении и выключении устройств, и эти импульсы могут распространяться по линиям электропитания постоянного тока или линиям шины, если их не подавить.В большинстве примеров необходимо разместить развязывающий конденсатор на каждой ИС, подключенный между положительной линией питания и землей, но в некоторых схемах, использующих низкие тактовые частоты, это может быть уменьшено до одного конденсатора на каждые пять ИС. Стабильность значения не важна в таком приложении, где важными характеристиками являются высокая емкость в небольшом объеме и низкая индуктивность.

Современная дисковая керамика хорошо подходит для этой цели с диапазоном емкости от 1 нФ до 100 нФ (0,1 мкФ). Они могут быть низковольтными, подходящими для цифровых схем, и высоковольтными, которые используются в схемах телевизоров и радаров.Допустимое отклонение значения велико, в диапазоне от + 80% до –200%, и редко указывается изменение в зависимости от температуры. Типичное сопротивление изоляции 10 ¹⁰ Ом. Более специализированная форма для цифрового использования — это низкопрофильный тип DIL, который имеет форму и размер ИС, но плоский, с четырьмя контактами, расположенными так, что два контакта подходят к положительным и отрицательным положениям питания типичных ИС и две другие булавки — пустышки. Эти конденсаторы DIL могут быть установлены в монтажное положение ИС под ИС, таким образом сводя к минимуму индуктивность выводов, и, при необходимости, могут быть установлены поверх существующих ИС, если существующая развязка неадекватна.Диапазон выводов — для 14-, 16-, 20-, 24-, 28- и 40-выводных ИС.

•

Обратите внимание, что старый тип дисковой керамики имел сравнительно высокую самоиндукцию, что делало их непригодными для развязки в критических приложениях. Более современные многослойные диски намного превосходят их.

Конденсаторы с керамической пластиной также используются для проходных (проходных) конденсаторов, используемых для фильтрации нижних частот, когда кабель питания проходит через металлическую панель. Значения варьируются от 100 пФ до 10 нФ, и комбинация последовательной индуктивности и параллельной емкости может быть указана в децибелах затухания для высокочастотных сигналов при стандартном сопротивлении линии 50 Ом.Проходные типы неэффективны для синусоидальных сигналов с частотой менее 10 МГц, но очень полезны для фильтрации цифровых цепей линий питания, особенно сейчас, когда в компьютерных схемах используются высокие тактовые частоты 800 МГц и выше. Значения затухания варьируются от 1 дБ для 10 МГц / 100 пФ до 63 дБ для 1 ГГц / 10 нФ.

Также существует линейка конденсаторов с низкой диэлектрической проницаемостью и отрицательными температурными коэффициентами, предназначенных для температурной компенсации. Принцип заключается в том, что, комбинируя основной конденсатор с положительным температурным коэффициентом в настроенной цепи с меньшим значением с отрицательным температурным коэффициентом, можно полностью устранить влияние температуры в разумном диапазоне частот.Поскольку основной конденсатор может быть слюдяного типа с очень низким положительным значением температурного коэффициента, необходимо параллельно подключить только небольшой конденсатор с отрицательным температурным коэффициентом; в качестве альтернативы можно использовать большое значение емкости, подключенное последовательно. Используются диэлектрики от N150 до N750, и даже можно использовать тип C0G / NP0, поскольку его температурный коэффициент может находиться в диапазоне от +30 до 30 ppm / ° C.

No related posts.