U svim radiotehničkim i elektronskim uređajima, osim u tranzistorima i mikro krugovima, koriste se kondenzatori. U nekim kolima ih je više, u drugima ih je manje, ali gotovo nijedno elektronsko kolo ne može postojati bez kondenzatora.
Istovremeno, kondenzatori mogu obavljati različite zadatke u uređajima. Prije svega, to su kapaciteti u filterima ispravljača i stabilizatora. Uz pomoć kondenzatora prenosi se signal između stepena za pojačavanje, grade se filteri niskih i visokih frekvencija, postavljaju vremenski intervali u vremenskim kašnjenjima i bira se frekvencija oscilacija u različitim generatorima.
Kondenzatori vuku svoje porijeklo od holandskog naučnika Petera van Muschenbrucka koji je koristio u svojim eksperimentima sredinom 18. stoljeća. Živio je u gradu Leidenu, pa nije teško pogoditi zašto se ova banka tako zvala.
Zapravo, to je bila obična staklena tegla, obložena iznutra i spolja limenom folijom - staniolom. Korišten je u iste svrhe kao i moderni aluminij, ali tada još nije otkriven.
Jedini izvor električne energije tih dana bila je elektroforska mašina, sposobna da razvije napon do nekoliko stotina kilovolti. Od nje su naplatili Leyden teglu. Udžbenici fizike opisuju slučaj kada je Mushenbrook ispraznio svoju konzervu kroz lanac od deset gardista koji se drže za ruke.
U to vrijeme niko nije znao da bi posljedice mogle biti tragične. Udarac se pokazao prilično osjetljivim, ali ne i smrtonosnim. Do toga nije došlo, jer je kapacitet Leyden tegle bio neznatan, impuls se pokazao vrlo kratkotrajnim, pa je snaga pražnjenja bila mala.
Kako kondenzator radi
Uređaj kondenzatora praktički se ne razlikuje od Leyden tegle: sve iste dvije ploče, odvojene dielektrikom. Ovako su kondenzatori prikazani na modernim električnim krugovima. Na slici 1 prikazan je šematski dizajn ravnog kondenzatora i formula za njegovo izračunavanje.
Slika 1. Uređaj ravnog kondenzatora
Ovdje je S površina ploča u kvadratnim metrima, d je udaljenost između ploča u metrima, C je kapacitet u faradima, ε je dielektrična konstanta medija. Sve količine uključene u formulu su naznačene u SI sistemu. Ova formula vrijedi za najjednostavniji ravni kondenzator: možete jednostavno postaviti dvije metalne ploče jednu pored druge, iz čega se izvlače zaključci. Zrak se može koristiti kao dielektrik.
Iz ove formule može se shvatiti da je kapacitet kondenzatora veći, što je veća površina ploča i što je razmak između njih manji. Za kondenzatore različite geometrije, formula može biti drugačija, na primjer, za kapacitet jednog vodiča ili. Ali ovisnost kapacitivnosti o površini ploča i udaljenosti između njih ista je kao i za ravni kondenzator: što je veća površina i manja udaljenost, veći je kapacitet.
U stvari, ploče nisu uvijek spljoštene. Za mnoge kondenzatore, na primjer, metalno-papirne, ploče su aluminijska folija umotana zajedno s papirnim dielektrikom u čvrstu kuglu, u obliku metalnog kućišta.
Za povećanje dielektrične čvrstoće tanki kondenzatorski papir impregnira se izolacijskim spojevima, najčešće transformatorskim uljem. Ovaj dizajn vam omogućava da napravite kondenzatore kapaciteta do nekoliko stotina mikrofarada. Kondenzatori sa drugim dielektricima su raspoređeni na približno isti način.
Formula ne sadrži nikakva ograničenja u pogledu površine ploča S i udaljenosti između ploča d. Ako pretpostavimo da se ploče mogu odvojiti vrlo daleko, a istovremeno je površina ploča prilično neznatna, tada će neki kapacitet, iako mali, ipak ostati. Takvo razmišljanje sugerira da čak i samo dva provodnika koja se nalaze u susjedstvu imaju električni kapacitet.
Ova se okolnost naširoko koristi u visokofrekventnoj tehnologiji: u nekim slučajevima kondenzatori se izrađuju jednostavno u obliku tiskanih staza ožičenja, ili čak samo dvije žice upletene zajedno u polietilensku izolaciju. Konvencionalna žica ili kabel za rezance također ima kapacitivnost i ona se povećava s dužinom.
Osim kapacitivnosti C, svaki kabel ima i otpor R. Obje ove fizičke osobine su raspoređene po dužini kabla, a pri prenosu impulsnih signala rade kao integrirajući RC-lanac, prikazan na slici 2.
Slika 2.
Na slici je sve jednostavno: ovdje je krug, ovdje je ulazni signal, a ovdje je na izlazu. Impuls je izobličen do neprepoznatljivosti, ali to je učinjeno namjerno, zbog čega je sklop sastavljen. U međuvremenu, govorimo o uticaju kapacitivnosti kabla na impulsni signal. Umjesto impulsa na drugom kraju kabela pojavit će se takvo "zvono", a ako je puls kratak, onda možda uopće neće doći do drugog kraja kabela, potpuno nestati.
Istorijska činjenica
Ovdje je sasvim prikladno podsjetiti se na priču o tome kako je transatlantski kabl položen. Prvi pokušaj 1857. nije uspio: telegrafske tačke - crtice (pravokutni impulsi) su izobličene tako da se ništa nije moglo razaznati na drugom kraju 4000 km dugačke linije.
Drugi pokušaj učinjen je 1865. Do tada je engleski fizičar W. Thompson razvio teoriju prijenosa podataka preko dugih linija. U svjetlu ove teorije, polaganje kablova se pokazalo uspješnijim, signali su primljeni.
Za ovaj naučni podvig, kraljica Viktorija je naučniku dodelila vitešku titulu i titulu Lorda Kelvina. Tako se zvao gradić na obali Irske, gdje je počelo polaganje kablova. Ali ovo je samo riječ, a sada se vratimo na posljednje slovo u formuli, naime, na dielektričnu konstantu medija ε.
Malo o dielektricima
Ovo ε je u nazivniku formule, pa će njegovo povećanje dovesti do povećanja kapaciteta. Za većinu korištenih dielektrika, kao što su zrak, lavsan, polietilen, fluoroplastika, ova konstanta je praktički ista kao i kod vakuuma. Ali u isto vrijeme, postoji mnogo tvari čija je dielektrična konstanta mnogo veća. Ako se zračni kondenzator prelije acetonom ili alkoholom, tada će se njegov kapacitet povećavati svakih 15 ... 20.
Ali takve tvari, osim visokog ε, imaju i prilično visoku vodljivost, stoga takav kondenzator neće biti dobro napunjen, brzo će se isprazniti kroz sebe. Ova štetna pojava naziva se struja curenja. Stoga se za dielektrike razvijaju posebni materijali koji omogućavaju, uz visoku specifičnu kapacitivnost kondenzatora, da obezbijede prihvatljive struje curenja. To objašnjava takvu raznolikost tipova i tipova kondenzatora, od kojih je svaki dizajniran za specifične uvjete.
Imaju najveći specifični kapacitet (omjer kapacitet/volumen). Kapacitet "elektrolita" dostiže i do 100.000 mikrofarada, radni napon do 600V. Takvi kondenzatori dobro rade samo na niskim frekvencijama, najčešće u filterima napajanja. Elektrolitički kondenzatori se uključuju s obzirom na polaritet.
Elektrode u takvim kondenzatorima su tanak sloj metalnog oksida; stoga se ovi kondenzatori često nazivaju oksidnim kondenzatorima. Tanak sloj zraka između takvih elektroda nije vrlo pouzdan izolator, stoga se između oksidnih ploča uvodi sloj elektrolita. Najčešće su to koncentrirani rastvori kiselina ili lužina.
Slika 3 prikazuje jedan takav kondenzator.
Slika 3. Elektrolitički kondenzator
Da bi se procijenila veličina kondenzatora, pored njega je fotografirana obična kutija šibica. Pored prilično velikog kapaciteta, brojka pokazuje i postotak tolerancije: ne manje od 70% nominalnog.
U ono doba, kada su računari bili veliki i zvali su se računari, takvi kondenzatori su bili u disk drajvovima (u modernom HDD-u). Informacijski kapacitet takvih diskova sada može izazvati samo osmijeh: 5 megabajta informacija pohranjeno je na dva diska promjera 350 mm, a sam uređaj težio je 54 kg.
Glavna svrha superkondenzatora prikazanih na slici bila je uklanjanje magnetnih glava iz radnog područja diska u slučaju iznenadnog nestanka struje. Takvi kondenzatori mogu pohraniti naboj nekoliko godina, što je dokazano u praksi.
U nastavku, sa elektrolitskim kondenzatorima, biće predloženo da se uradi nekoliko jednostavnih eksperimenata kako bi se razumelo šta kondenzator može da uradi.
Za rad u AC krugovima proizvode se nepolarni elektrolitski kondenzatori, ali ih je iz nekog razloga vrlo teško nabaviti. Da bi nekako zaobišli ovaj problem, konvencionalni polarni "elektroliti" uključuju kontrasekvencijalne: plus-minus-minus-plus.
Ako je polarni elektrolitički kondenzator uključen u krug izmjenične struje, tada će se prvo zagrijati, a zatim će se oglasiti eksplozija. Domaći stari kondenzatori su letjeli na sve strane, dok uvozni imaju poseban uređaj za izbjegavanje glasnih pucnjava. To je, u pravilu, ili poprečni zarez na dnu kondenzatora, ili rupa s gumenim čepom koji se nalazi na istom mjestu.
Zaista ne vole elektrolitičke kondenzatore s povećanim naponom, čak i ako se poštuje polaritet. Stoga nikada nije potrebno stavljati "elektrolite" u kolo gdje je očekivani napon blizu maksimuma za dati kondenzator.
Ponekad na nekim, čak i renomiranim forumima, početnici postavljaju pitanje: "Na dijagramu je prikazan kondenzator od 470µF * 16V, a ja imam 470µF * 50V, mogu li to staviti?" Da, naravno da možete, ali obrnuta zamjena je neprihvatljiva.
Kondenzator može skladištiti energiju
Jednostavan dijagram prikazan na slici 4 pomoći će u rješavanju ove izjave.
Slika 4. Kolo sa kondenzatorom
Glavni protagonist ovog kola je elektrolitički kondenzator C dovoljno velikog kapaciteta tako da se procesi punjenja i pražnjenja odvijaju sporo, pa čak i vrlo jasno. To omogućava vizualno promatranje rada kruga pomoću konvencionalne sijalice iz baterijske lampe. Ovi lampioni su odavno ustupili mjesto modernim LED lampama, ali sijalice za njih se još uvijek prodaju. Stoga je vrlo lako sastaviti krug i izvesti jednostavne eksperimente.
Možda će neko reći: „Zašto? Uostalom, i tako je sve očigledno, ali ako pročitate i opis ... ". Čini se da se tu nema o čemu raspravljati, ali bilo koja, čak i najjednostavnija stvar ostaje dugo u glavi, ako je njeno razumijevanje došlo kroz ruke.
Dakle, dijagram je sastavljen. Kako to radi?
U položaju SA prekidača prikazanom na dijagramu, kondenzator C se puni iz napajanja GB preko otpornika R duž kruga: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Struja punjenja na dijagramu je prikazana strelicom sa indeksom iz. Proces punjenja kondenzatora prikazan je na slici 5.
Slika 5. Proces punjenja kondenzatora
Slika pokazuje da napon na kondenzatoru raste duž zakrivljene linije, koja se u matematici naziva eksponencijalom. Struja punjenja direktno odražava napon punjenja. Kako napon na kondenzatoru raste, struja punjenja postaje sve manja. I samo u početnom trenutku odgovara formuli prikazanoj na slici.
Nakon nekog vremena, kondenzator će se napuniti od 0V do napona napajanja, u našem kolu do 4,5V. Cijelo je pitanje kako odrediti ovo vrijeme, koliko čekati, kada će se kondenzator napuniti?
Vremenska konstanta "tau" τ = R * C
Ova formula jednostavno umnožava otpor i kapacitivnost serijski povezanih otpornika i kondenzatora. Ako, ne zanemarujući SI sistem, zamijenite otpor u Ohmima, kapacitivnost u Faradima, tada će rezultat biti u sekundama. To je vrijeme koje je potrebno da se kondenzator napuni do 36,8% napona napajanja. U skladu s tim, trebat će 5 * τ vremena da se napuni do skoro 100%.
Često, zanemarujući SI sistem, u formulu zamjenjuju otpor u omima, a kapacitet u mikrofaradima, tada će vrijeme biti u mikrosekundama. U našem slučaju, zgodnije je dobiti rezultat u sekundama, za koje morate jednostavno pomnožiti mikrosekunde sa milion, ili, jednostavnije, pomaknuti zarez šest znakova ulijevo.
Za kolo prikazano na slici 4, sa kapacitetom kondenzatora od 2000μF i otporom otpornika od 500Ω, vremenska konstanta će se pokazati kao τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 mikrosekundi ili tačno jedna sekunda. Stoga ćete morati pričekati otprilike 5 sekundi da se kondenzator potpuno napuni.
Ako se nakon navedenog vremena prekidač SA pomakne u desnu poziciju, kondenzator C će se isprazniti kroz EL lampu. U ovom trenutku će se pojaviti kratak bljesak, kondenzator će se isprazniti i lampa će se ugasiti. Smjer pražnjenja kondenzatora prikazan je strelicom sa indeksom ip. Vrijeme pražnjenja je također određeno vremenskom konstantom τ. Grafikon pražnjenja prikazan je na slici 6.
Slika 6. Grafikon pražnjenja kondenzatora
Kondenzator ne propušta jednosmjernu struju
Još jednostavnije kolo, prikazano na slici 7, pomoći će da se potvrdi ova izjava.
Slika 7. Dijagram sa kondenzatorom u DC linku
Ako zatvorite SA prekidač, onda će uslijediti kratak bljesak svjetla, što ukazuje da je kondenzator C napunjen kroz svjetlo. Ovdje je također prikazan graf punjenja: u trenutku zatvaranja prekidača, struja je maksimalna, kako se kondenzator puni, ona se smanjuje i nakon nekog vremena potpuno prestaje.
Ako je kondenzator kvalitetan, tj. sa malom strujom curenja (samopražnjenje), ponovno zatvaranje prekidača neće rezultirati bljeskom. Da biste dobili još jedan bljesak, kondenzator će se morati isprazniti.
Kondenzator u filterima za napajanje
Kondenzator se obično postavlja iza ispravljača. Najčešće se ispravljači izrađuju punovalni. Najčešći ispravljački krugovi prikazani su na slici 8.
Slika 8. Ispravljačka kola
Polutalasni ispravljači se također često koriste, po pravilu, u slučajevima kada je snaga opterećenja neznatna. Najvredniji kvalitet takvih ispravljača je jednostavnost: samo jedna dioda i namotaj transformatora.
Za punovalni ispravljač, kapacitivnost filtarskog kondenzatora može se izračunati pomoću formule
C = 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, gdje je C kapacitivnost kondenzatora μF, Po je snaga opterećenja W, U je napon na izlazu ispravljača V, f je frekvencija naizmjeničnog napon Hz, dU je amplituda talasanja V.
Veliki broj u brojiocu 1.000.000 pretvara kapacitet kondenzatora iz sistemskih farada u mikrofarade. Dva u nazivniku predstavljaju broj poluperioda ispravljača: za poluperiod, jedan će se pojaviti na njegovom mjestu
C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,
a za trofazni ispravljač, formula će imati oblik C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.
Superkondenzator - superkondenzator
Nedavno se pojavila nova klasa elektrolitskih kondenzatora, tzv. Po svojim svojstvima sličan je bateriji, ali s nekoliko ograničenja.
Superkondenzator se puni do nazivnog napona u kratkom vremenu, doslovno za nekoliko minuta, pa ga je preporučljivo koristiti kao rezervni izvor napajanja. U stvari, superkondenzator je nepolarni uređaj, jedino što određuje njegov polaritet je punjenje u tvornici. Kako se ovaj polaritet u budućnosti ne bi zbunio, označen je znakom +.
Uslovi rada superkondenzatora igraju važnu ulogu. Pri temperaturi od 70˚C pri naponu od 0,8 od nominalnog, garantovani radni vek nije duži od 500 sati. Ako uređaj radi na naponu od 0,6 od nominalnog, a temperatura ne prelazi 40 stepeni, tada je ispravan rad moguć 40.000 sati ili više.
Najčešća primjena superkondenzatora je u rezervnim izvorima napajanja. To su uglavnom memorijski čipovi ili elektronski satovi. U ovom slučaju, glavni parametar superkondenzatora je niska struja curenja, njegovo samopražnjenje.
Upotreba superkondenzatora u kombinaciji sa solarnim baterijama je prilično obećavajuća. Na njega utiče i nekritičnost za stanje punjenja i praktično neograničen broj ciklusa punjenja-pražnjenja. Još jedno vrijedno svojstvo je da superkondenzator ne zahtijeva održavanje.
Do sada se pokazalo kako i gdje rade elektrolitski kondenzatori, i, štoviše, uglavnom u krugovima istosmjerne struje. Rad kondenzatora u AC krugovima bit će razmotren u drugom članku -.
Najjednostavniji kondenzator je sistem od dvije ravne provodne ploče koje se nalaze paralelno jedna s drugom na maloj udaljenosti u odnosu na dimenzije ploča i razdvojene dielektričnim slojem. Takav kondenzator se zove stan ... Električno polje ravnog kondenzatora je uglavnom lokalizovano između ploča (slika 1.6.1); međutim, relativno slabo električno polje nastaje i blizu ivica ploča i u okolnom prostoru, što se naziva polje raspršivanja ... U nizu problema može se približno zanemariti lutajuće polje i pretpostaviti da je električno polje ravnog kondenzatora u potpunosti koncentrisano između njegovih ploča (slika 1.6.2). Ali u drugim problemima, zanemarivanje polja raspršenja može dovesti do velikih grešaka, jer to narušava potencijalni karakter električnog polja ( videti § 1.4).
Svaka od nabijenih ploča ravnog kondenzatora stvara električno polje blizu površine, čiji se modul snage izražava omjerom
Prema principu superpozicije, jačina polja koju stvaraju obje ploče jednaka je zbroju snaga i polja svake od ploča:
Izvan ploča su vektori i usmjereni su u različitim smjerovima, i stoga E= 0. Površinska gustina σ naelektrisanja ploča je jednaka q / S, gdje q- punjenje, i S Je površina svake ploče. Razlika potencijala Δφ između ploča u jednoličnom električnom polju jednaka je Ed, gdje d Je razmak između ploča. Iz ovih omjera možete dobiti formulu za električni kapacitet ravnog kondenzatora:
Sferni i cilindrični kondenzator.
Primjeri kondenzatora s različitim konfiguracijama ploča su sferni i cilindrični kondenzatori. Sferni kondenzator To je sistem od dvije koncentrične provodne sfere polumjera R 1 i R 2 . Cilindrični kondenzator - sistem od dva koaksijalna provodna cilindra radijusa R 1 i R 2 i dužina L... Kapaciteti ovih kondenzatora, ispunjenih dielektrikom sa dielektričnom konstantom ε, izražavaju se formulama:
Paralelno i serijsko povezivanje kondenzatora.
Kondenzatori se mogu međusobno povezati kako bi formirali banke kondenzatora. At paralelna veza kondenzatora (slika 1.6.3) naponi na kondenzatorima su isti: U 1 = U 2 = U a optužbe su q 1 = C 1 U i q 2 = C 2 U... Takav sistem se može smatrati jednim kondenzatorom električnog kapaciteta C nabijen naplatom q = q 1 + q 2 kada je napon između ploča jednak U... ovo implicira
Kada su spojeni u seriju (slika 1.6.4), naboji oba kondenzatora su isti: q 1 = q 2 = q, a naponi na njima su jednaki i Takav sistem se može smatrati jednim kondenzatorom napunjenim naelektrisanjem q sa napetošću između ploča U = U 1 + U 2. dakle,
|
Kada su kondenzatori povezani u seriju, zbrajaju se recipročne vrijednosti kapacitivnosti.
Formule za paralelno i serijsko povezivanje ostaju važeće za bilo koji broj kondenzatora povezanih na bateriju.
Električni kapacitet
Kada se na provodnik prenese naboj, na njegovoj površini se pojavljuje potencijal φ, ali ako se isti naboj prenese na drugi vodič, tada će potencijal biti drugačiji. Zavisi od geometrijskih parametara provodnika. Ali u svakom slučaju, potencijal φ je proporcionalan naboju q.
SI jedinica kapacitivnosti je farad. 1 F = 1Cl / 1V.
Ako je potencijal površine lopte
 |
(5.4.3) |
 |
(5.4.4) |
U praksi se češće koriste manje jedinice kapacitivnosti: 1 nF (nanofarad) = 10 –9 F i 1pcF (pikofarad) = 10 –12 F.
Postoji potreba za uređajima koji skladište naboj, a usamljeni provodnici imaju mali kapacitet. Empirijski je utvrđeno da se električni kapacitet provodnika povećava ako se do njega dovede drugi provodnik - zbog fenomeni elektrostatičke indukcije.
Kondenzator Da li se zovu dva provodnika pokriva smještene blizu jedna drugoj .
Dizajn je takav da vanjska tijela koja okružuju kondenzator ne utiču na njegov električni kapacitet. To će biti učinjeno ako je elektrostatičko polje koncentrisano unutar kondenzatora, između ploča.
Kondenzatori su dostupni u ravnim, cilindričnim i sfernim kondenzatorima.
Pošto je elektrostatičko polje unutar kondenzatora, linije električnog pomaka počinju na pozitivnoj ploči, završavaju na negativnoj ploči i nigdje ne nestaju. Posljedično, naboji na pločama suprotan po predznaku, ali jednak po veličini.
Kapacitet kondenzatora jednak je omjeru naboja i potencijalne razlike između ploča kondenzatora:
 |
(5.4.5) |
Pored kapacitivnosti, svaki kondenzator karakteriše i U rob (ili U NS . ) Maksimalni je dozvoljeni napon iznad kojeg dolazi do proboja između ploča kondenzatora.
Povezivanje kondenzatora
Kapacitivne baterije- kombinacije paralelnih i serijskih veza kondenzatora.
1) Paralelno povezivanje kondenzatora (sl.5.9):
U ovom slučaju, zajednički napon je U:
Ukupna naplata:
Rezultirajući kapacitet:
Uporedite sa paralelnim povezivanjem otpora R:
Dakle, kada su kondenzatori povezani paralelno, ukupni kapacitet
Ukupni kapacitet je veći od najvećeg kapaciteta baterije.
2) Serijsko povezivanje kondenzatora (sl.5.10):
Zajedničko je naplata q.
Or 
, odavde
| (5.4.6) |
Uporedite sa serijskom vezom R:
Dakle, kada su kondenzatori povezani u seriju, ukupni kapacitet je manji od najmanjeg kapaciteta uključenog u bateriju:
Proračun kapaciteta raznih kondenzatora
1.Kapacitet ravnog kondenzatora
Jačina polja unutar kondenzatora (slika 5.11):
Napon između ploča:
gdje je razmak između ploča.
Od optužbe, dakle
 .
|
(5.4.7) |
Kao što možete vidjeti iz formule, dielektrična konstanta tvari ima vrlo snažan utjecaj na kapacitivnost kondenzatora. To se može vidjeti eksperimentalno: napunimo elektroskop, dovedemo metalnu ploču do njega - dobili smo kondenzator (zbog elektrostatičke indukcije potencijal se povećao). Ako se između ploča unese dielektrik s ε, veći od zraka, tada će se povećati kapacitet kondenzatora.
Iz (5.4.6) moguće je dobiti mjerne jedinice ε 0:
| (5.4.8) |
.
2. Kapacitet cilindričnog kondenzatora
Razlika potencijala između ploča cilindričnog kondenzatora prikazanog na slici 5.12 može se izračunati pomoću formule:
Jedna od najčešćih elektronskih komponenti je kondenzator. U razgovoru se takvi elementi nazivaju "kapacitet". Najjednostavniji dizajn za proizvodnju i proračune je ravni kondenzator.
Šta je ravni kondenzator
Ovaj koncept se odnosi na strukturu koja se sastoji od dvije ploče paralelne jedna s drugom. Udaljenost između njih trebala bi biti mnogo puta veća od dimenzija samih ploča. U ovom slučaju, rubni efekti se mogu zanemariti. U suprotnom, ovi efekti postaju veoma važni, a formule za izračunavanje kapaciteta postaju previše složene.
Bitan! Drugi naziv za ove ploče su ploče.
Svaka od elektroda stvara oko sebe električno polje iste veličine i suprotnog smjera: u pozitivno nabijenoj ploči, q+, iu negativnom - q-.
U ravnom kondenzatoru, električno polje je između ploča i jednoliko je. Njegov intenzitet se izračunava po formuli:
E∑ = qεε0 * S, gdje je:
- q je naelektrisanje elektroda;
- S je površina ploča;
- ε je dielektrična konstanta materijala između njih - parametar koji određuje koliko je puta učinak naboja jedan na drugi jači nego u vakuumu ;
- Fmε0 = 8,85 * 10−12 f/m - električna konstanta.
Šta određuje kapacitivnost kondenzatora
Za izračunavanje kapaciteta primjenjuje se formula:
C = ε * ε0 * Sd, gdje je:
- S je površina ploča;
- d je udaljenost između njih;
- Fmε0 = 8,85 * 10−12 f / m - električna konstanta;
- ε je dielektrična konstanta izolacionog materijala između elektroda.
Dakle, kapacitet ovisi o površini ploča, udaljenosti između njih i dielektričnoj konstanti izolacijskog materijala.
Da bi se smanjila veličina "sendviča" ravnih elektroda s izolatorom između njih smotani su. Pod uvjetom da je debljina izolatora mnogo puta manja od polumjera cilindra, potonji se može zanemariti.
Drugi način povećanja kapacitivnosti je smanjenje udaljenosti između ploča, dok se električna snaga smanjuje - napon pri kojem se kondenzator pokvari i pokvari.
Zanimljivo. U novom tipu kondenzatora - superkondenzatorima, aktivni ugljen ili grafen se koriste kao ploče, čija porozna struktura omogućava da se kapacitet elemenata višestruko poveća (do nekoliko farada).
Punjenje i pražnjenje kondenzatora
Slobodni elektroni su nosioci naboja u metalima. Kada je uređaj spojen na izvor napona: bateriju, akumulator ili mrežu, elektroni s ploče spojene na pozitivni pol baterije će juriti u izvor napajanja, a ploča će se pozitivno napuniti. Elektroni će početi teći u ploču spojenu na negativni pol. Ovaj proces je prikazan na donjoj slici.
Ovo povećava jačinu električnog polja u uređaju između elektroda i napon na uređaju. Ovaj proces će se završiti kada napon između terminala elementa postane jednak naponu mreže. U tom slučaju će se unutar njega pohraniti određena količina energije, koja se izračunava po formuli:
E = (U² * C) / 2, gdje je:
- E - energija (J);
- U - napon (V);
- C - kapacitivnost (μF).
Kada je uređaj spojen na strujni krug, višak elektrona s negativnog terminala kroz opterećenje će početi teći do pozitivnog terminala. Ovo kretanje će se završiti kada se izjednači potencijal između terminala.
Ovaj proces se ne može dogoditi trenutno, što omogućava korištenje kondenzatora kao filtera koji izglađuje talase napona u mreži.
Bitan! Nabijeni kondenzator ne propušta jednosmjernu struju, jer dielektrik između njegovih ploča otvara strujni krug.
Proračun kapaciteta ravnih kondenzatora
Kapacitet idealnog uređaja, u kojem postoji zrak između ploča, može se izračunati pomoću formule:
Co = Q / U, gdje je:
- Ko - kapacitet;
- Q je naboj na jednoj od ploča uređaja;
- U je razlika potencijala ili napon između terminala.
Ovaj parametar ovisi samo o naponu i akumuliranom naboju, ali se mijenjaju s promjenom udaljenosti između ploča i vrste dielektrika između njih. Ovo se uzima u obzir u formuli:
S = Co * ε, gdje je:
- S - stvarni kapacitet;
- Tako savršeno;
- ε je dielektrična konstanta izolacionog materijala.
Jedinica kapaciteta je 1 farad (1F, 1F). Postoje i manje vrijednosti:
- Mikrofaradi (1mkF, 1mkF). 1000000mkF = 1F;
- Pikofaradi (1pF, 1pF). 1000000pF = 1mkF.
Dozvoljeni napon
Pored kapaciteta, važan parametar koji utiče na upotrebu elementa i njegove dimenzije je i dozvoljeni napon. Ovo je vrijednost razlike potencijala na terminalima uređaja, ako se prekorači, doći će do električnog sloma dielektrika između ploča, kratkog spoja unutar strukture i njenog kvara.
U nedostatku elementa sa potrebnim parametrima, možete povezati postojeće uređaje zajedno.
Postoje tri vrste veza: serijski, paralelni i mješoviti, što je kombinacija paralelnog i serijskog.
Proračun serijske veze
Kod ove vrste veze, naplate na svim pločama su iste:
To je zato što se napon napajanja dovodi samo do vanjskih terminala najudaljenijih elemenata. U ovom slučaju dolazi do prijenosa naboja s jedne elektrode na drugu.
U ovom slučaju, napon se distribuira obrnuto proporcionalno kapacitetu:
U1 = Q / C1, U2 = Q / C2,…, Un = Q / Cn.
Konačni napon je jednak naponu mreže:
Uset = U1 + U2 +… + Un.
Ekvivalentni kapacitet je određen formulama:
- S = Q / U = Q / (U1 + U2 + ... + Un),
- S = 1 / S1 + 1 / S2 + ... + 1 / Cn,
- ili dodavanjem provodljivosti.
Referenca. Provodljivost je recipročna otpornost.
Proračun paralelne veze
Kada su spojene paralelno, ploče elemenata su povezane u parovima. Napon na svim uređajima je jednak jedni drugima, a naknade se razlikuju u zavisnosti od kapaciteta:
Q1 = C1U, Q2 = C2U,… Qn = CnU.
Ukupni naboj sistema jednak je ukupnom iznosu na svim elementima:
a ukupan kapacitet je jednak ukupnom za sve uređaje:
C = Q / U = (Q1 + Q2 +… + Qn) / U = C1 + C2 +… Cn.
Kako provjeriti kapacitivnost kondenzatora
U nedostatku oznaka na kućištu uređaja ili u sumnji u njegovu ispravnost, kapacitet kondenzatora se utvrđuje multimetrom koji ima odgovarajuće funkcije ili običnim voltmetrom i ampermetrom.
Provjera mjerenjem vremena punjenja
Kada je kapacitivni element povezan na DC mrežu preko otpora, napon na njegovim terminalima raste eksponencijalno i tokom vremenskog perioda 3R * C će postati jednako 95% U mreže.
U skladu s tim, znajući vrijednost otpornika, parametri kondenzatora se određuju formulom:
Vrijednost otpornika ovisi o očekivanim parametrima mjernog elementa i određuje se empirijski.
Bitan! Na ovaj način možete odrediti kapacitivnost kondenzatora od 0,25 μF i više.
Mjerenje kapacitivnosti
Osim određivanja vremena punjenja, možete saznati i kapacitivni otpor. Zavisi od frekvencije napona na terminalima uređaja:
Xc = 1/2 * π * f * C, gdje je:
- Xc - kapacitivni otpor;
- π - broj "pi" (3.14);
- f - frekvencija mreže (u utičnici od 50Hz);
- C je kapacitet kondenzatora.
Nakon spajanja kondenzatora na mrežu, Xc se može odrediti na dva načina:
- znajući napon mreže i struju koja teče u njoj prema Ohmovom zakonu:
- spojite otpornik od 10 kOhm u seriju s mjerenim elementom, izmjerite napon na svim dijelovima, a kapacitivni otpor se određuje po formuli Xc = (Ur * Uc) / R.
Provjera ispravnosti sa testerom
Ako je potrebno provjeriti ispravnost elektroničkog uređaja, ali nije moguće izvršiti dugoročna mjerenja, to se može učiniti testerom ili LED tonom za biranje. Da biste to učinili, trebate spojiti tester na terminale. Na radnom uređaju, tester će pokazati strujni krug tokom punjenja, a nakon njegovog završetka, otvoreni krug. Obrnuti polaritet udvostručuje vrijeme punjenja.
Poznavanje načina na koji se izračunava i provjerava kapacitet ravnog kondenzatora neophodno je pri projektovanju i popravci električnih uređaja i elektronske opreme.
Video
Kao što znate, oko nabijenih tijela postoji električno polje koje ima energiju.
Da li je moguće akumulirati naboje i energiju električnog polja? Uređaj koji omogućava akumulaciju naboja je kondenzator(od lat.condensare - kondenzacija). Najjednostavniji ravni kondenzator sastoji se od dvije identične metalne ploče - ploče, smještene na maloj udaljenosti jedna od druge i odvojene dielektričnim slojem, na primjer, zrakom (slika 83). Debljina dielektrika je mala u poređenju sa dimenzijama ploča.
Rice. 83. Najjednostavniji kondenzator i njegova oznaka na dijagramu
Pokažimo iskustvom sposobnost kondenzatora da pohrani naboje. Da biste to učinili, spojite dvije metalne ploče na različite polove elektroforetske mašine (Sl. 84). Ploče će dobiti naboje istog modula, ali različitog predznaka. Pojaviće se električno polje. Električno polje kondenzatora je praktično koncentrisano između ploča unutar kondenzatora.
Rice. 84. Punjenje kondenzatora iz električne mašine
Nakon isključivanja elektroforetske mašine, naboji na pločama i električno polje između njih će ostati.
Ako su ploče napunjenog kondenzatora spojene s vodičem, tada će struja teći kroz provodnik neko vrijeme. To znači da je napunjeni kondenzator izvor struje.
U zavisnosti od dielektrika, postoji nekoliko vrsta kondenzatora: sa čvrstim, tečnim i gasovitim dielektrikom. Također se razlikuju po obliku ploča: ravnim, cilindričnim, sfernim, itd. (Sl. 85).
Rice. 85. Različite vrste kondenzatora
Svojstvo kondenzatora da akumulira električne naboje karakterizira električni kapacitet, ili kapacitet. Da bismo shvatili od čega zavisi ova fizička veličina, okrenimo se iskustvu.
Elektrometrom spajamo dvije metalne ploče, pričvršćene na izolacijske nosače paralelno jedna s drugom. Jednu ploču spajamo na štap elektrometra, a drugu na masu tako što je povezujemo sa tijelom uređaja (Sl. 86, a). Dotaknimo vanjsku stranu ploče A naelektriziranom loptom, dajući joj na taj način pozitivan naboj + q. Pod dejstvom električnog polja ploče A doći će do preraspodele naelektrisanja u ploči B: negativni naboji će se nalaziti na unutrašnjoj strani ploče. Slobodni elektroni će doći iz zemlje kako bi neutralizirali pozitivne naboje na vanjskoj strani ploče B. Tako će se na ploči B pojaviti jednak negativni naboj -q.
Rice. 86. Zavisnost kapacitivnosti kondenzatora od površine, udaljenosti između ploča, dielektrika između ploča
Igla elektrometra će odstupiti od nulte pozicije. Uz pomoć jednako nabijenih kuglica nastavit ćemo prenositi naboje na kondenzator u uzastopnim jednakim dijelovima. Primijetit ćemo da će se s povećanjem naboja za 2, 3, 4 puta, očitanja elektrometra povećati za 2, 3, 4 puta, odnosno napon između ploča kondenzatora će se povećati. Štaviše, omjer punjenja i napona će ostati konstantan:
Vrijednost mjerena omjerom naboja jedne od ploča kondenzatora i napona između ploča naziva se kapacitivnost kondenzatora.
Kapacitet kondenzatora se izračunava po formuli:
Jedinica kapaciteta u SI je farad (F), ime je dato u čast engleskog fizičara Michaela Faradaya. Kapacitet kondenzatora jednak je jedinici ako se, kada mu se dodijeli naboj od 1 C, pojavi napon od 1 V.
1 F je vrlo veliki kapacitet, stoga se u praksi koriste mikrofarad (μF) i pikofarad (pF).
1 μF = 10 -6 F; 1 pF = 10 -12 F.
Hajde da saznamo šta određuje kapacitet kondenzatora. Da biste to učinili, uzmite kondenzator s pločama velike površine (slika 86, b). Ponovimo iskustvo. Odnos punjenja i napona ostaje konstantan u ovom slučaju.
ali je omjer naboja i napona sada veći nego u prvom eksperimentu, tj. C1> C. Što je veća površina ploča, veći je kapacitet kondenzatora..
Ponovo napravimo prvi eksperiment, ali sada ćemo promijeniti razmak između ploča (slika 86, c). Kako se udaljenost između ploča smanjuje, napon između njih se smanjuje. Sa smanjenjem udaljenosti između ploča kondenzatora sa stalnim punjenjem, kapacitet kondenzatora se povećava.
Uradimo još jedan eksperiment. Postavimo ploče kondenzatora A i B na određenoj udaljenosti jedna od druge. Punimo ploču A. Zabilježite očitanja elektrometra kada postoji zrak između ploča. Između ploča postavljamo list pleksiglasa ili drugog dielektrika (Sl. 86, d). Primijetit ćemo da će se napetost između ploča smanjiti. Posljedično, kapacitivnost kondenzatora ovisi o svojstvima unesenog dielektrika.
Kada se uvede dielektrik, kapacitivnost kondenzatora se povećava.
Kondenzator, kao i svako naelektrisano tijelo, ima energiju. Hajde da to proverimo iskustvom. Napunimo kondenzator i spojimo na njega sijalicu. Svjetlo će jako treptati. Ovo ukazuje da napunjeni kondenzator ima energiju. Energija iz kondenzatora se pretvara u unutrašnju energiju žarulje i žica. Da bi se kondenzator napunio, trebalo je obaviti rad na razdvajanju pozitivnih i negativnih naboja. U skladu sa zakonom održanja energije, izvršeni rad A jednak je energiji kondenzatora E, tj.
gdje je E energija kondenzatora.
Rad koji električno polje kondenzatora obavlja može se naći po formuli:
gdje je Uav prosječna vrijednost napona.
Kako napon ne ostaje konstantan tokom procesa pražnjenja, potrebno je pronaći prosječnu vrijednost napona:
Uav = U / 2; tada je A = qU cf = qU / 2,
pošto je q = CU, onda je A = CU 2/2.
To znači da će energija kondenzatora kapaciteta C biti jednaka:
Kondenzatori mogu dugo pohranjivati energiju, a kada se isprazne, gotovo trenutno je ispuštaju. Svojstvo kondenzatora da akumulira i brzo oslobađa električnu energiju široko se koristi u električnim i elektroničkim uređajima, u medicinskoj tehnici (rendgenska oprema, uređaji za elektroterapiju), u proizvodnji dozimetara i zračnoj fotografiji.
Pitanja
- Čemu služe kondenzatori?
- Šta karakteriše kapacitet kondenzatora?
- Koja je SI jedinica za električni kapacitet?
- Šta određuje kapacitet kondenzatora?
Vježba br. 38
- Ploče ravnog kondenzatora su povezane na izvor napona od 220 V. Kapacitet kondenzatora je 1,5 10 -4 μF. Koliko će biti jednak naboj kondenzatora?
- Napunjenost ravnog kondenzatora je 2,7 10 -2 C, njegov kapacitet je 0,01 μF. Pronađite napon između ploča kondenzatora.
Vježba
- Pomoću interneta saznajte kako je uređen prvi kondenzator - Leyden banka. Napravi to.
- Pripremite govor o istoriji kondenzatora.
