U svim radiotehničkim i elektroničkim uređajima, osim u tranzistorima i mikrosklopovima, koriste se kondenzatori. U nekim sklopovima ih je više, u drugima ih je manje, ali gotovo nijedan elektronički sklop ne može postojati bez kondenzatora.
Istodobno, kondenzatori mogu obavljati razne zadatke u uređajima. Prije svega, to su kapaciteti u filterima ispravljača i stabilizatora. Uz pomoć kondenzatora prenosi se signal između stupnja za pojačanje, grade se nisko- i visokofrekventni filtri, postavljaju vremenski intervali u vremenskim kašnjenjima, odabire se frekvencija oscilacija u različitim generatorima.
Kondenzatori vuku svoje porijeklo od nizozemskog znanstvenika 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, bila je to obična staklena posuda, iznutra i izvana obložena limenom folijom - staniolom. Koristio se u iste svrhe kao i moderni aluminij, ali tada aluminij još nije otkriven.
Jedini izvor električne energije tih dana bio je elektroforski stroj, sposoban razviti napon do nekoliko stotina kilovolti. Od nje su naplatili Leydensku staklenku. Udžbenici fizike opisuju slučaj kada je Mushenbrook ispraznio svoju limenku kroz lanac od deset gardista koji se drže za ruke.
Tada nitko nije znao da bi posljedice mogle biti tragične. Udarac se pokazao prilično osjetljivim, ali ne i smrtonosnim. Do toga nije došlo, jer je kapacitet Leydenske posude bio neznatan, impuls se pokazao vrlo kratkotrajnim, pa je snaga pražnjenja bila mala.
Kako radi kondenzator
Uređaj kondenzatora praktički se ne razlikuje od Leydenske posude: sve iste dvije ploče, odvojene dielektrikom. Ovako su kondenzatori prikazani na modernim električnim krugovima. Slika 1 prikazuje shematski dizajn ravnog kondenzatora i formulu za njegov izračun.
Slika 1. Uređaj ravnog kondenzatora
Ovdje je S površina ploča u četvornim metrima, d je udaljenost između ploča u metrima, C je kapacitet u faradima, ε je dielektrična konstanta medija. Sve količine uključene u formulu navedene su u SI sustavu. Ova formula vrijedi za najjednostavniji ravni kondenzator: možete jednostavno postaviti dvije metalne ploče jednu do druge, iz kojih se izvlače zaključci. Zrak se može koristiti kao dielektrik.
Iz ove formule može se razumjeti 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.
Zapravo, ploče nisu uvijek spljoštene. Za mnoge kondenzatore, na primjer metalno-papirnate, ploče su aluminijska folija smotane zajedno s papirnatim dielektrikom u čvrstu kuglu, u obliku metalnog kućišta.
Za povećanje dielektrične čvrstoće tanki kondenzatorski papir impregnira se izolacijskim spojevima, najčešće transformatorskim uljem. Ovaj dizajn omogućuje izradu kondenzatora kapaciteta do nekoliko stotina mikrofarada. Približno na isti način su raspoređeni kondenzatori s drugim dielektricima.
Formula ne sadrži nikakva ograničenja za površinu ploča S i razmak između ploča d. Ako pretpostavimo da se ploče mogu odvojiti vrlo daleko, a da je istovremeno površina ploča prilično neznatna, tada će neki kapacitet, iako mali, ipak ostati. Takvo razmišljanje sugerira da čak i samo dva vodiča koja se nalaze u susjedstvu imaju električni kapacitet.
Ova se okolnost naširoko koristi u visokofrekventnoj tehnologiji: u nekim se slučajevima kondenzatori izrađuju jednostavno u obliku tiskanih staza ožičenja, ili čak samo dvije žice upletene zajedno u polietilensku izolaciju. Konvencionalna žica ili kabel s rezancima također ima kapacitet, koji se povećava s duljinom.
Osim kapacitivnosti C, svaki kabel ima i otpor R. Oba ova fizička svojstva raspoređena su duž duljine kabela, a pri prijenosu 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, za što je sklop sastavljen. U međuvremenu govorimo o utjecaju kapacitivnosti kabela 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.
Povijesna činjenica
Ovdje je sasvim prikladno prisjetiti se priče o tome kako je položen transatlantski kabel. Prvi pokušaj 1857. nije uspio: telegrafske točke - crtice (pravokutni impulsi) su izobličene tako da se na drugom kraju 4000 km duge linije ništa nije moglo razaznati.
Drugi pokušaj učinjen je 1865. godine. Do tada je engleski fizičar W. Thompson razvio teoriju prijenosa podataka preko dugih linija. U svjetlu ove teorije, polaganje kabela pokazalo se uspješnijim, signali su primljeni.
Za ovaj znanstveni podvig, kraljica Viktorija dodijelila je znanstveniku vitešku titulu i titulu Lorda Kelvina. Tako se zvao gradić na obali Irske, gdje je počelo polaganje kabela. 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, stoga će njegovo povećanje za posljedicu imati povećanje 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 izlije 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 omogućuju, uz visoku specifičnu kapacitivnost kondenzatora, da osiguraju prihvatljive struje curenja. To je ono što objašnjava takvu raznolikost vrsta i tipova kondenzatora, od kojih je svaki dizajniran za specifične uvjete.
Imaju najveći specifični kapacitet (omjer kapacitet/volumen). Kapacitet "elektrolita" doseže 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 tanki sloj metalnog oksida, stoga se ovi kondenzatori često nazivaju oksidnim kondenzatorima. Tanak sloj zraka između takvih elektroda nije baš pouzdan izolator, stoga se između oksidnih ploča uvodi sloj elektrolita. Najčešće su to koncentrirane otopine kiselina ili lužina.
Na slici 3 prikazan je jedan takav kondenzator.
Slika 3. Elektrolitički kondenzator
Kako bi se procijenila veličina kondenzatora, pored njega je fotografirana jednostavna kutija šibica. Osim prilično velikog kapaciteta, brojka pokazuje i postotak tolerancije: ne manje od 70% nominalnog.
U ono vrijeme, kada su računala bila velika i zvala su se računala, takvi su kondenzatori bili u diskovnim pogonima (u modernom HDD-u). Informacijski kapacitet takvih pogona sada može izazvati samo osmijeh: 5 megabajta informacija pohranjeno je na dva diska promjera 350 mm, a sam uređaj težio je 54 kg.
Glavna namjena superkondenzatora prikazanih na slici bila je uklanjanje magnetskih glava iz radnog područja diska u slučaju iznenadnog nestanka struje. Takvi kondenzatori mogu pohraniti naboj nekoliko godina, što je dokazano u praksi.
U nastavku, s elektrolitskim kondenzatorima, bit će predloženo napraviti nekoliko jednostavnih pokusa kako bi se razumjelo što kondenzator može učiniti.
Za rad u krugovima izmjenične struje proizvode se nepolarni elektrolitski kondenzatori, ali ih je iz nekog razloga vrlo teško dobiti. Kako bi nekako zaobišli ovaj problem, konvencionalni polarni "elektroliti" uključuju protusekvencijalne: 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 letjeli su na sve strane, dok uvozni imaju poseban uređaj za izbjegavanje glasnih pucnjeva. To je u pravilu ili križni urez na dnu kondenzatora ili rupa s gumenim čepom koji se nalazi na istom mjestu.
Oni stvarno ne vole elektrolitičke kondenzatore s povećanim naponom, čak i ako se poštuje polaritet. Stoga nikada nije potrebno stavljati "elektrolite" u krug u kojem 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 ga staviti?" Da, naravno da možete, ali obrnuta zamjena je neprihvatljiva.
Kondenzator može pohraniti energiju
Jednostavan dijagram prikazan na slici 4 pomoći će u rješavanju ove izjave.
Slika 4. Krug s kondenzatorom
Glavni protagonist ovog sklopa je elektrolitički kondenzator C dovoljno velikog kapaciteta tako da se procesi punjenja i pražnjenja odvijaju sporo, pa čak i vrlo jasno. To omogućuje vizualno promatranje rada kruga pomoću konvencionalne žarulje iz svjetiljke. Ovi su lampioni odavno ustupili mjesto modernim LED svjetiljkama, ali žarulje za njih se još uvijek prodaju. Stoga je vrlo lako sastaviti krug i izvesti jednostavne eksperimente.
Možda će netko reći: „Zašto? Uostalom, i tako je sve očito, 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 njezino razumijevanje došlo kroz ruke.
Dakle, dijagram je sastavljen. Kako radi?
U položaju SA sklopke 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 s indeksom iz. Proces punjenja kondenzatora prikazan je na slici 5.
Slika 5. Proces punjenja kondenzatora
Slika pokazuje da napon na kondenzatoru raste duž krivulje, u matematici se naziva eksponencijalom. Struja punjenja izravno zrcali 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 krugu 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 kapacitet serijski spojenih otpornika i kondenzatora. Ako, ne zanemarujući SI sustav, zamijenite otpor u Ohmima, kapacitet u Faradima, tada će rezultat biti u sekundama. To je vrijeme koje je potrebno da se kondenzator napuni do 36,8% napona napajanja. Sukladno tome, trebat će 5 * τ vremena za punjenje do gotovo 100%.
Često, zanemarujući SI sustav, u formulu zamjenjuju otpor u omima, a kapacitet u mikrofaradima, tada će se vrijeme pokazati u mikrosekundama. U našem slučaju, prikladnije je dobiti rezultat u sekundama, za što morate jednostavno pomnožiti mikrosekunde s milijun, ili, jednostavnije, pomaknuti zarez šest znakova ulijevo.
Za krug prikazan na slici 4, s kapacitetom kondenzatora od 2000 μF i otporom otpornika od 500 Ω, ispostavit će se da je vremenska konstanta τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 mikrosekundi ili točno jedna sekunda. Stoga ćete morati pričekati otprilike 5 sekundi da se kondenzator potpuno napuni.
Ako se nakon navedenog vremena prekidač SA pomakne u desni položaj, kondenzator C će se isprazniti kroz EL lampu. U ovom trenutku će se pojaviti kratki bljesak, kondenzator će se isprazniti i lampa će se ugasiti. Smjer pražnjenja kondenzatora prikazan je strelicom s indeksom ip. Vrijeme pražnjenja također je određeno vremenskom konstantom τ. Grafikon pražnjenja prikazan je na slici 6.
Slika 6. Grafikon pražnjenja kondenzatora
Kondenzator ne propušta istosmjernu struju
Još jednostavniji sklop, prikazan na slici 7, pomoći će provjeriti ovu tvrdnju.
Slika 7. Dijagram s kondenzatorom u istosmjernoj spojnici
Ako zatvorite SA prekidač, uslijedit će kratki bljesak svjetla, što ukazuje da je kondenzator C napunjen kroz svjetlo. Ovdje je također prikazan graf punjenja: u trenutku zatvaranja sklopke, struja je maksimalna, kako se kondenzator puni, ona se smanjuje i nakon nekog vremena potpuno prestaje.
Ako je kondenzator kvalitetan, t.j. s 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 s punim valom. Najčešći ispravljački krugovi prikazani su na slici 8.
Slika 8. Ispravljački krugovi
Poluvalni ispravljači također se koriste prilično često, u pravilu, u slučajevima kada je snaga opterećenja beznačajna. Najvrjednija kvaliteta takvih ispravljača je jednostavnost: samo jedna dioda i namot transformatora.
Za punovalni ispravljač, kapacitet filtarskog kondenzatora može se izračunati pomoću formule
C = 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, gdje je C kapacitet kondenzatora μF, Po je snaga opterećenja W, U je napon na izlazu ispravljača V, f je frekvencija izmjeničnog napon Hz, dU je amplituda mreškanja V.
Veliki broj u brojniku 1 000 000 pretvara kapacitet kondenzatora iz sistemskih farada u mikrofarade. Dva u nazivniku predstavljaju broj poluciklusa ispravljača: za poluciklus 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 na nazivni napon u kratkom vremenu, doslovno za nekoliko minuta, pa ga je poželjno koristiti kao rezervni izvor napajanja. Zapravo, 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 +.
Uvjeti rada superkondenzatora igraju važnu ulogu. Pri temperaturi od 70˚C pri naponu od 0,8 od nominalnog, zajamčeni vijek trajanja nije veći od 500 sati. Ako uređaj radi na naponu od 0,6 od nominalnog, a temperatura ne prelazi 40 stupnjeva, tada je ispravan rad moguć 40.000 sati ili više.
Najčešća primjena superkondenzatora je u rezervnim izvorima napajanja. To su uglavnom memorijski čipovi ili elektronički satovi. U ovom slučaju, glavni parametar superkondenzatora je niska struja curenja, njegovo samopražnjenje.
Korištenje superkondenzatora u kombinaciji sa solarnim baterijama prilično je obećavajuće. Na njega utječe i nekritičnost za stanje punjenja i praktički neograničen broj ciklusa punjenja-pražnjenja. Još jedno vrijedno svojstvo je da se superkondenzator ne održava.
Do sada se pokazalo kako i gdje rade elektrolitski kondenzatori, i, štoviše, uglavnom u krugovima istosmjerne struje. O radu kondenzatora u krugovima izmjenične struje raspravljat će se u drugom članku -.
Najjednostavniji kondenzator je sustav od dvije ravne vodljive ploče koje se nalaze paralelno jedna s drugom na maloj udaljenosti u usporedbi s dimenzijama ploča i odvojene su dielektričnim slojem. Takav kondenzator se zove ravan ... Električno polje ravnog kondenzatora uglavnom je lokalizirano između ploča (slika 1.6.1); međutim, u blizini rubova ploča i u okolnom prostoru također nastaje relativno slabo električno polje, koje se naziva polje raspršivanja ... U nizu problema može se približno zanemariti lutajuće polje i pretpostaviti da je električno polje ravnog kondenzatora u potpunosti koncentrirano između njegovih ploča (slika 1.6.2). Ali u drugim problemima, zanemarivanje polja raspršenja može dovesti do velikih pogrešaka, jer to narušava potencijalni karakter električnog polja ( vidjeti § 1.4).
Svaka od nabijenih ploča ravnog kondenzatora stvara električno polje blizu površine čiji se modul jakosti izražava omjerom
Prema principu superpozicije, jakost polja koju stvaraju obje ploče jednaka je zbroju jakosti i polja svake od ploča:
Izvan ploča su vektori i usmjereni su u različitim smjerovima, i stoga E= 0. Površinska gustoća σ naboja ploča jednaka je q / S, gdje q- naboj, 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:
Kuglasti i cilindrični kondenzator.
Primjeri kondenzatora s različitim konfiguracijama ploča su sferni i cilindrični kondenzatori. Sferni kondenzator Sustav je od dvije koncentrične vodljive sfere polumjera R 1 i R 2 . Cilindrični kondenzator - sustav od dva koaksijalna vodljiva cilindra radijusa R 1 i R 2 i dužina L... Kapaciteti ovih kondenzatora, napunjenih dielektrikom s dielektričkom konstantom ε, izražavaju se formulama:
Paralelno i serijsko spajanje kondenzatora.
Kondenzatori se mogu međusobno povezati u kondenzatorske banke. Na paralelna veza kondenzatori (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 se sustav može smatrati jednim kondenzatorom električnog kapaciteta C nabijen nabojom q = q 1 + q 2 kada je napon između ploča jednak U... iz čega slijedi
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 se sustav može smatrati jednim kondenzatorom nabijenim nabojem q uz napetost između ploča U = U 1 + U 2. Stoga,
|
Kada su kondenzatori spojeni u seriju, zbrajaju se recipročne vrijednosti kapacitivnosti.
Formule za paralelno i serijsko povezivanje ostaju važeće za bilo koji broj kondenzatora spojenih na bateriju.
Električni kapacitet
Kada se vodiču prenese naboj, na njegovoj površini se pojavljuje potencijal φ, ali ako se isti naboj prenese na drugi vodič, tada će potencijal biti drugačiji. Ovisi o geometrijskim parametrima vodiča. Ali u svakom slučaju, potencijal φ je proporcionalan naboju q.
SI jedinica za kapacitet 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 pohranjuju naboj, a usamljeni vodiči imaju mali kapacitet. Empirijski je utvrđeno da se električni kapacitet vodiča povećava ako se do njega dovede drugi vodič - zbog fenomeni elektrostatičke indukcije.
Kondenzator Zovu li se dva konduktera korice smještene blizu jedna drugoj .
Dizajn je takav da vanjska tijela koja okružuju kondenzator ne utječu na njegov električni kapacitet. To će biti učinjeno ako je elektrostatičko polje koncentrirano unutar kondenzatora, između ploča.
Kondenzatori su dostupni u ravnim, cilindričnim i sfernim kondenzatorima.
Budući da 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 razlike potencijala između ploča kondenzatora:
 |
(5.4.5) |
Osim kapacitivnosti, svaki kondenzator karakterizira U rob (ili U NS . ) Je li najveći dopušteni napon, iznad kojeg dolazi do sloma između ploča kondenzatora.
Spajanje kondenzatora
Kapacitivne baterije- kombinacije paralelnih i serijskih spojeva kondenzatora.
1) Paralelno spajanje kondenzatora (sl.5.9):
U ovom slučaju, zajednički napon je U:
Ukupna naplata:
Rezultirajući kapacitet:
Usporedi s paralelnim spajanjem otpora R:
Dakle, kada su kondenzatori spojeni paralelno, ukupni kapacitet
Ukupni kapacitet je veći od najvećeg kapaciteta baterije.
2) Serijski spoj kondenzatora (sl.5.10):
Zajedničko je naplata q.
Ili 
, odavde
| (5.4.6) |
Usporedi sa serijskom vezom R:
Dakle, kada su kondenzatori spojeni 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 kapacitet kondenzatora. To se može vidjeti eksperimentalno: napunimo elektroskop, dovedemo do njega metalnu ploču - 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 elektroničkih komponenti je kondenzator. U razgovoru se takvi elementi nazivaju "kapacitet". Najjednostavniji dizajn za proizvodnju i izračune je ravni kondenzator.
Što 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 se rubni učinci mogu zanemariti. Inače, ti učinci postaju vrlo važni, a formule za izračun kapaciteta postaju previše složene.
Važno! 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 +, a u 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 naboj elektroda;
- S je površina ploča;
- ε je dielektrična konstanta materijala između njih - parametar koji određuje koliko je puta učinak naboja jedan na drugog jači nego u vakuumu ;
- Fmε0 = 8,85 * 10−12 f / m - električna konstanta.
Što određuje kapacitet 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 izolacijskog materijala između elektroda.
Dakle, kapacitet ovisi o površini ploča, udaljenosti između njih i dielektričnoj konstanti izolacijskog materijala.
Kako 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 razmaka između ploča, dok se električna snaga smanjuje – napon pri kojem se kondenzator pokvari i otkaže.
Zanimljiv. U novoj vrsti kondenzatora - superkondenzatorima, aktivni ugljen ili grafen koriste se kao ploče, čija porozna struktura omogućuje umnožavanje kapaciteta elemenata (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 pojurit će u izvor napajanja, a ploča će se pozitivno napuniti. Elektroni će početi strujati u ploču spojenu na negativni pol. Ovaj proces je prikazan na donjoj slici.
Time se povećava jačina električnog polja u uređaju između elektroda i napon na uređaju. Ovaj proces će završiti kada napon između terminala elementa postane jednak naponu mreže. U tom će se slučaju unutar njega pohraniti određena količina energije, koja se izračunava po formuli:
E = (U² * C) / 2, gdje je:
- E - energija (J);
- U - napon (V);
- C - kapacitet (μF).
Kada je uređaj spojen na strujni krug, višak elektrona s negativnog terminala kroz opterećenje počet će teći do pozitivnog terminala. Ovo kretanje će završiti kada se izjednači potencijal između stezaljki.
Ovaj se proces ne može dogoditi odmah, što omogućuje korištenje kondenzatora kao filtera koji izglađuje mreškanje napona u mreži.
Važno! Nabijeni kondenzator ne propušta istosmjernu struju, jer dielektrik između njegovih ploča otvara krug.
Proračun kapaciteta ravnih kondenzatora
Kapacitet idealnog uređaja, u kojem postoji zrak između ploča, može se izračunati pomoću formule:
Co = Q / U, gdje je:
- Co - kapacitet;
- Q je naboj na jednoj od ploča uređaja;
- U je razlika potencijala ili napon između stezaljki.
Ovaj parametar ovisi samo o naponu i akumuliranom naboju, ali se mijenjaju s promjenom udaljenosti između ploča i vrste dielektrika između njih. To se uzima u obzir u formuli:
S = Co * ε, gdje je:
- S - stvarni kapacitet;
- Tako savršeno;
- ε je dielektrična konstanta izolacijskog materijala.
Jedinica kapaciteta je 1 farad (1F, 1F). Postoje i manje vrijednosti:
- Mikrofaradi (1mkF, 1mkF). 1000000mkF = 1F;
- Pikofaradi (1pF, 1pF). 1000000pF = 1mkF.
Dopušteni napon
Osim kapaciteta, važan parametar koji utječe na korištenje elementa i njegove dimenzije je dopušteni napon. Ovo je vrijednost razlike potencijala na priključcima uređaja, ako je prekoračena, doći će do električnog sloma dielektrika između ploča, kratkog spoja unutar strukture i njenog kvara.
U nedostatku elementa s potrebnim parametrima, postojeći uređaji se mogu međusobno povezati.
Postoje tri vrste veza: serijski, paralelni i mješoviti, što je kombinacija paralelnog i serijskog.
Proračun serijske veze
Kod ove vrste veze, naboji na svim pločama su isti:
To je zato što se napon napajanja dovodi samo do vanjskih terminala najudaljenijih elemenata. U tom slučaju dolazi do prijenosa naboja s jedne elektrode na drugu.
U ovom slučaju, napon je raspoređen obrnuto proporcionalno kapacitetu:
U1 = Q / C1, U2 = Q / C2,…, Un = Q / Cn.
Konačni napon jednak je naponu mreže:
Upotrijebljen = U1 + U2 +… + Un.
Ekvivalentni kapacitet određuje se formulama:
- S = Q / U = Q / (U1 + U2 + ... + Un),
- S = 1 / S1 + 1 / S2 + ... + 1 / Cn,
- ili dodavanjem vodljivosti.
Referenca. Vodljivost je recipročna otpornost.
Proračun paralelne veze
Kada su spojene paralelno, ploče elemenata su spojene u paru. Napon na svim uređajima je međusobno jednak, a naknade se razlikuju ovisno o kapacitetu:
Q1 = C1U, Q2 = C2U,… Qn = CnU.
Ukupni naboj sustava jednak je ukupnom iznosu na svim elementima:
a ukupni kapacitet jednak je ukupnom za sve uređaje:
C = Q / U = (Q1 + Q2 +… + Qn) / U = C1 + C2 +… Cn.
Kako provjeriti kapacitet kondenzatora
U nedostatku oznaka na kućištu uređaja ili u sumnji u njegovu ispravnost, kapacitet kondenzatora određuje se multimetrom, koji ima odgovarajuće funkcije, ili običnim voltmetrom i ampermetrom.
Provjera mjerenjem vremena punjenja
Kada je kapacitivni element spojen na istosmjernu mrežu preko otpora, napon na njegovim terminalima raste eksponencijalno i tijekom vremenskog razdoblja 3R * C će postati jednak 95% U mreže.
Prema tome, znajući vrijednost otpornika, parametri kondenzatora određuju se formulom:
Vrijednost otpornika ovisi o očekivanim parametrima mjernog elementa i određuje se empirijski.
Važno! Na taj način možete odrediti kapacitet kondenzatora od 0,25 μF i više.
Mjerenje kapacitivnosti
Osim određivanja vremena punjenja, možete saznati i kapacitivni otpor. Ovisi o frekvenciji 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:
- poznavajući napon mreže i struju koja u njoj teče prema Ohmovom zakonu:
- spojite otpornik od 10 kOhm u seriju s mjerenim elementom, izmjerite napon na svim dijelovima, a kapacitivni otpor određuje se formulom Xc = (Ur * Uc) / R.
Provjerite ispravnost testerom
Ako je potrebno provjeriti ispravnost elektroničkog uređaja, ali nije moguće napraviti dugotrajna 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 krug tijekom punjenja, a nakon njegovog završetka, otvoreni krug. Obrnuti polaritet udvostručuje vrijeme punjenja.
Znanje o tome kako se izračunava i provjerava kapacitet ravnog kondenzatora potrebno je u projektiranju i popravku električnih uređaja i elektroničke opreme.
Video
Kao što znate, oko nabijenih tijela postoji električno polje koje ima energiju.
Je li moguće akumulirati naboje i energiju električnog polja? Uređaj koji omogućuje nakupljanje 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 usporedbi s dimenzijama ploča.
Riža. 83. Najjednostavniji kondenzator i njegova oznaka u dijagramu
Pokažimo iskustvom sposobnost kondenzatora da pohranjuje naboje. Da biste to učinili, spojite dvije metalne ploče na različite polove elektroforetskog stroja (slika 84). Ploče će dobiti naboje istog modula, ali različitog predznaka. Pojavit će se električno polje. Električno polje kondenzatora praktički je koncentrirano između ploča unutar kondenzatora.
Riža. 84. Punjenje kondenzatora iz električnog stroja
Nakon isključivanja elektroforetskog stroja ostat će naboji na pločama i električno polje između njih.
Ako su ploče nabijenog kondenzatora spojene s vodičem, tada će kroz vodič neko vrijeme teći struja. To znači da je nabijeni kondenzator izvor struje.
Ovisno o dielektriku, postoji nekoliko vrsta kondenzatora: s čvrstim, tekućim i plinovitim dielektrikom. Razlikuju se i po obliku ploča: ravnim, cilindričnim, sfernim itd. (Sl. 85).
Riža. 85. Različite vrste kondenzatora
Svojstvo kondenzatora da akumulira električne naboje karakterizira električni kapacitet, odnosno kapacitet. Kako bismo razumjeli o čemu ovisi ova fizička veličina, okrenimo se iskustvu.
Elektrometrom spajamo dvije metalne ploče, pričvršćene na izolacijske nosače paralelno jedna s drugom. Jednu ploču spojimo na šipku elektrometra, a drugu na masu tako što je spojimo na tijelo uređaja (slika 86, a). Dotaknimo vanjsku stranu ploče A s naelektriziranom kuglom, dajući joj na taj način pozitivan naboj + q. Pod djelovanjem električnog polja ploče A doći će do preraspodjele naboja u ploči B: negativni naboji će se nalaziti na unutarnjoj strani ploče. Slobodni elektroni će doći iz zemlje kako bi neutralizirali pozitivne naboje s vanjske strane ploče B. Tako će se na ploči B pojaviti jednak negativni naboj -q.
Riža. 86. Ovisnost kapacitivnosti kondenzatora o površini, udaljenosti između ploča, dielektriku 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 povećanjem naboja za 2, 3, 4 puta, odnosno 2, 3, 4 puta, očitanja elektrometra povećati, tj. povećati napon između ploča kondenzatora. Štoviše, omjer naboja i napona ostat će konstantan:
Vrijednost izmjerena omjerom naboja jedne od ploča kondenzatora i napona između ploča naziva se kapacitetom kondenzatora.
Kapacitet kondenzatora izračunava se po formuli:
Jedinica kapaciteta u SI je farad (F), ime je dano u čast engleskog fizičara Michaela Faradayja. Kapacitet kondenzatora jednak je jedinici ako se, kada mu se dodijeli naboj od 1 C, pojavi napon od 1 V.
1 F je vrlo velik kapacitet, stoga se u praksi koriste mikrofarad (μF) i pikofarad (pF).
1 μF = 10 -6 F; 1 pF = 10 -12 F.
Otkrijmo što određuje kapacitet kondenzatora. Da biste to učinili, uzmite kondenzator s pločama velike površine (slika 86, b). Ponovimo iskustvo. Omjer punjenja i napona u ovom slučaju ostaje konstantan.
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 pokus, ali sada ćemo promijeniti razmak između ploča (slika 86, c). Kako se udaljenost između ploča smanjuje, naprezanje između njih se smanjuje. Sa smanjenjem udaljenosti između ploča kondenzatora s konstantnim nabojem, kapacitet kondenzatora raste.
Napravimo 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 (slika 86, d). Primijetit ćemo da će se napetost između ploča smanjiti. Posljedično, kapacitet kondenzatora ovisi o svojstvima unesenog dielektrika.
Kada se uvede dielektrik, kapacitivnost kondenzatora se povećava.
Kondenzator, kao i svako nabijeno tijelo, ima energiju. Provjerimo iskustvom. Napunimo kondenzator i spojimo na njega žarulju. Svjetlo će jako treptati. To znači da napunjeni kondenzator ima energiju. Energija iz kondenzatora pretvara se u unutarnju energiju žarulje 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, t.j.
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 tijekom procesa pražnjenja, potrebno je pronaći prosječnu vrijednost napona:
Uav = U / 2; tada je A = qU cf = qU / 2,
budući da 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, odustaju od nje gotovo trenutno. 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?
- Što karakterizira kapacitet kondenzatora?
- Koja je SI jedinica za električni kapacitet?
- Što određuje kapacitet kondenzatora?
Vježba br. 38
- Ploče ravnog kondenzatora spojene su na izvor napona od 220 V. Kapacitet kondenzatora je 1,5 10 -4 μF. Koliko će biti jednak naboj kondenzatora?
- Naboj ravnog kondenzatora je 2,7 10 -2 C, njegov kapacitet je 0,01 μF. Pronađite napon između ploča kondenzatora.
Vježbajte
- Pomoću interneta saznajte kako je uređen prvi kondenzator - banka Leyden. Napraviti.
- Pripremite govor o povijesti kondenzatora.
