În toate dispozitivele de inginerie radio și electronice, cu excepția tranzistoarelor și microcircuitelor, sunt utilizați condensatori. În unele circuite sunt mai multe, în altele sunt mai puține, dar aproape niciun circuit electronic nu poate exista fără condensatori.
În același timp, condensatoarele pot îndeplini o varietate de sarcini în dispozitive. În primul rând, acestea sunt capacități în filtrele redresoarelor și stabilizatorilor. Cu ajutorul condensatoarelor se transmite un semnal între treptele de amplificare, se construiesc filtre de joasă și înaltă frecvență, se stabilesc intervale de timp în întârzieri și se selectează frecvența oscilațiilor în diverse generatoare.
Condensatorii își au originea până la omul de știință olandez Peter van Muschenbruck, folosit în experimentele sale de la mijlocul secolului al XVIII-lea. A locuit în orașul Leiden, așa că nu este greu de ghicit de ce această bancă a fost numită așa.
De fapt, era un borcan de sticlă obișnuit, căptușit în interior și în exterior cu folie de staniol - staniol. A fost folosit în aceleași scopuri ca aluminiul modern, dar apoi aluminiul nu a fost încă descoperit.
Singura sursă de electricitate în acele vremuri era un electrofor, capabil să dezvolte tensiuni de până la câteva sute de kilovolți. De la ea au încărcat borcanul din Leyden. Manualele de fizică descriu cazul în care Mushenbrook și-a descărcat cutia printr-un lanț de zece paznici care se țineau de mână.
La acea vreme, nimeni nu știa că consecințele ar putea fi tragice. Lovitura s-a dovedit a fi destul de sensibilă, dar nu fatală. Nu s-a ajuns la asta, deoarece capacitatea borcanului Leyden era nesemnificativă, impulsul s-a dovedit a fi foarte scurt, astfel încât puterea de descărcare a fost scăzută.
Cum funcționează un condensator
Dispozitivul condensatorului nu este practic diferit de borcanul Leyden: toate aceleași două plăci, separate de un dielectric. Așa sunt reprezentați condensatorii pe circuitele electrice moderne. Figura 1 prezintă un proiect schematic al unui condensator plat și formula de calcul.
Figura 1. Dispozitivul unui condensator plat
Aici S este aria plăcilor în metri pătrați, d este distanța dintre plăci în metri, C este capacitatea în farazi, ε este constanta dielectrică a mediului. Toate cantitățile incluse în formulă sunt indicate în sistemul SI. Această formulă este valabilă pentru cel mai simplu condensator plat: pur și simplu puteți așeza două plăci metalice una lângă alta, din care se trag concluzii. Aerul poate fi folosit ca dielectric.
Din această formulă, se poate înțelege că capacitatea condensatorului este cu atât mai mare, cu cât aria plăcilor este mai mare și distanța dintre ele este mai mică. Pentru condensatoarele cu o geometrie diferită, formula poate fi diferită, de exemplu, pentru capacitatea unui singur conductor sau. Dar dependența capacității de suprafața plăcilor și distanța dintre ele este aceeași ca și pentru un condensator plat: cu cât aria este mai mare și cu cât distanța este mai mică, cu atât capacitatea este mai mare.
De fapt, plăcile nu sunt întotdeauna turtite. Pentru mulți condensatori, de exemplu, cei din metal-hârtie, plăcile sunt folii de aluminiu laminate împreună cu un dielectric de hârtie într-o bilă strânsă, sub forma unei carcase metalice.
Pentru a crește rezistența dielectrică, hârtia subțire a condensatorului este impregnată cu compuși izolatori, cel mai adesea ulei de transformator. Acest design vă permite să faceți condensatori cu o capacitate de până la câteva sute de microfaradi. Condensatorii cu alți dielectrici sunt aranjați aproximativ în același mod.
Formula nu conține nicio restricție privind aria plăcilor S și distanța dintre plăci d. Dacă presupunem că plăcile pot fi separate foarte departe și, în același timp, zona plăcilor este destul de nesemnificativă, atunci o oarecare capacitate, deși mică, va rămâne în continuare. Un astfel de raționament sugerează că chiar și doar doi conductori situati în vecinătate au capacitate electrică.
Această împrejurare este utilizată pe scară largă în tehnologia de înaltă frecvență: în unele cazuri, condensatorii sunt fabricați pur și simplu sub formă de piste de cablare imprimate sau chiar doar două fire răsucite împreună în izolație din polietilenă. Un fir sau un cablu convențional pentru tăiței are și capacitate și crește cu lungimea.
Pe lângă capacitatea C, orice cablu are și o rezistență R. Ambele proprietăți fizice sunt distribuite de-a lungul lungimii cablului și, atunci când transmit semnale pulsate, funcționează ca un lanț RC integrator, prezentat în Figura 2.
Figura 2.
În figură, totul este simplu: aici este circuitul, aici este semnalul de intrare și aici este la ieșire. Impulsul este distorsionat dincolo de recunoaștere, dar acest lucru a fost făcut intenționat, pentru care a fost asamblat circuitul. Între timp, vorbim despre influența capacității cablului asupra semnalului de impuls. În loc de un puls la celălalt capăt al cablului, va apărea un astfel de „clopot”, iar dacă pulsul este scurt, atunci este posibil să nu ajungă deloc la celălalt capăt al cablului, să dispară complet.
Fapt istoric
Este destul de potrivit să ne amintim aici povestea modului în care a fost așezat cablul transatlantic. Prima încercare din 1857 a eșuat: punctele telegrafice - liniuțe (impulsuri dreptunghiulare) au fost distorsionate, astfel încât să nu se poată desluși nimic la celălalt capăt al liniei lungi de 4000 km.
A doua încercare a fost făcută în 1865. Până atunci, fizicianul englez W. Thompson a dezvoltat o teorie a transmiterii datelor pe linii lungi. În lumina acestei teorii, așezarea cablurilor s-a dovedit a fi mai reușită, semnalele au fost recepționate.
Pentru această ispravă științifică, regina Victoria i-a conferit cărturarului calitatea de cavaler și titlul de Lord Kelvin. Acesta a fost numele micului oraș de pe coasta Irlandei, unde a început instalarea cablurilor. Dar acesta este doar un cuvânt și acum să revenim la ultima literă din formulă, și anume, la constanta dielectrică a mediului ε.
Un pic despre dielectrici
Acest ε se află în numitorul formulei, prin urmare, creșterea sa va atrage după sine o creștere a capacității. Pentru majoritatea dielectricilor utilizați, precum aer, lavsan, polietilenă, fluoroplastic, această constantă este practic aceeași cu cea a vidului. Dar, în același timp, există multe substanțe, a căror constantă dielectrică este mult mai mare. Dacă condensatorul de aer este turnat cu acetonă sau alcool, atunci capacitatea acestuia va crește la fiecare 15 ... 20.
Dar astfel de substanțe, pe lângă ε ridicat, au și o conductivitate destul de mare, prin urmare un astfel de condensator nu va fi încărcat bine, se va descărca rapid prin el însuși. Acest fenomen dăunător se numește curent de scurgere. Prin urmare, pentru dielectrici se dezvoltă materiale speciale care permit, la o capacitate specifică mare a condensatoarelor, să furnizeze curenți de scurgere acceptabili. Acesta este ceea ce explică o astfel de varietate de tipuri și tipuri de condensatoare, fiecare dintre acestea fiind proiectat pentru condiții specifice.
Au cea mai mare capacitate specifică (raport capacitate/volum). Capacitatea „electroliților” ajunge până la 100.000 microfarad, tensiune de funcționare până la 600V. Astfel de condensatoare funcționează bine doar la frecvențe joase, cel mai adesea în filtrele de alimentare. Condensatorii electrolitici sunt porniți în funcție de polaritate.
Electrozii din astfel de condensatoare sunt o peliculă subțire de oxid metalic; prin urmare, acești condensatori sunt adesea numiți condensatori de oxid. Un strat subțire de aer între astfel de electrozi nu este un izolator foarte fiabil; prin urmare, se introduce un strat de electrolit între plăcile de oxid. Cel mai adesea acestea sunt soluții concentrate de acizi sau alcaline.
Figura 3 prezintă un astfel de condensator.
Figura 3. Condensator electrolitic
Pentru a estima dimensiunea condensatorului, lângă el a fost fotografiată o simplă cutie de chibrituri. Pe lângă o capacitate destul de mare, figura arată și o toleranță procentuală: nu mai puțin de 70% din nominal.
În acele vremuri, când computerele erau mari și erau numite computere, astfel de condensatori se aflau în unități de disc (în HDD-ul modern). Capacitatea de informare a unor astfel de unități nu poate provoca decât un zâmbet: 5 megaocteți de informații au fost stocați pe două discuri cu un diametru de 350 mm, iar dispozitivul în sine cântărea 54 kg.
Scopul principal al supercondensatorilor afișați în figură a fost acela de a îndepărta capetele magnetice din zona de lucru a discului în cazul unei întreruperi bruște de curent. Astfel de condensatoare ar putea stoca o încărcare timp de câțiva ani, ceea ce a fost dovedit în practică.
Mai jos, cu condensatoare electrolitice, se va sugera să se facă câteva experimente simple pentru a înțelege ce poate face un condensator.
Pentru lucrul în circuite de curent alternativ, sunt produse condensatoare electrolitice nepolare, dar din anumite motive este foarte dificil să le obțineți. Pentru a ocoli cumva această problemă, „electroliții” polari convenționali includ contra-secvențiali: plus-minus-minus-plus.
Dacă un condensator electrolitic polar este inclus în circuitul de curent alternativ, atunci mai întâi se va încălzi, apoi va suna o explozie. Condensatoarele vechi interne au zburat în toate direcțiile, în timp ce cele importate au un dispozitiv special pentru a evita loviturile puternice. Aceasta, de regulă, este fie o crestătură în cruce pe partea inferioară a condensatorului, fie o gaură cu un dop de cauciuc situat în același loc.
Chiar nu le plac condensatoarele electrolitice cu tensiune crescută, chiar dacă se respectă polaritatea. Prin urmare, nu este niciodată necesar să puneți „electroliți” într-un circuit în care tensiunea așteptată este aproape de maximul pentru un anumit condensator.
Uneori, în unele forumuri, chiar de renume, începătorii pun întrebarea: „Diagrama arată un condensator de 470µF * 16V, iar eu am 470µF * 50V, pot să-l pun?” Da, desigur că puteți, dar înlocuirea inversă este inacceptabilă.
Un condensator poate stoca energie
O diagramă simplă prezentată în Figura 4 va ajuta la rezolvarea acestei afirmații.
Figura 4. Circuit cu condensator
Principalul protagonist al acestui circuit este un condensator electrolitic C de o capacitate suficient de mare, astfel încât procesele de încărcare și descărcare să decurgă lent și chiar foarte clar. Acest lucru face posibilă observarea vizuală a funcționării circuitului folosind un bec convențional de la o lanternă. Aceste felinare au făcut loc de mult timp lămpilor LED moderne, dar becuri pentru ele încă se vând. Prin urmare, este foarte ușor să asamblați un circuit și să efectuați experimente simple.
Poate cineva va spune: „De ce? La urma urmei, și așa totul este evident, dar dacă citești și descrierea...”. Se pare că nu există nimic de argumentat aici, dar orice, chiar și cel mai simplu lucru rămâne mult timp în cap, dacă înțelegerea lui a venit prin mâini.
Deci, diagrama este asamblată. Cum functioneazã?
În poziția comutatorului SA prezentată în diagramă, condensatorul C este încărcat de la sursa de alimentare GB prin rezistorul R de-a lungul circuitului: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Curentul de încărcare din diagramă este indicat de o săgeată cu indicele iз. Procesul de încărcare a unui condensator este prezentat în Figura 5.
Figura 5. Procesul de încărcare a condensatorului
Figura arată că tensiunea pe condensator crește de-a lungul unei linii curbe, numită în matematică exponențial. Curentul de încărcare reflectă direct tensiunea de încărcare. Pe măsură ce tensiunea pe condensator crește, curentul de încărcare devine din ce în ce mai mic. Și numai în momentul inițial corespunde formulei prezentate în figură.
După un timp, condensatorul se va încărca de la 0V la tensiunea de alimentare, în circuitul nostru până la 4,5V. Întrebarea este cum să determinați acest timp, cât să așteptați, când condensatorul va fi încărcat?
Constanta de timp "tau" τ = R * C
Această formulă înmulțește pur și simplu rezistența și capacitatea rezistenței și condensatorului conectate în serie. Dacă, fără a neglija sistemul SI, înlocuiți rezistența în Ohmi, capacitatea în Farads, atunci rezultatul va fi în secunde. Acesta este timpul necesar pentru ca condensatorul să încarce până la 36,8% din tensiunea de alimentare. În consecință, va fi nevoie de 5 * τ pentru a încărca până la aproape 100%.
Adesea, neglijând sistemul SI, ei înlocuiesc rezistența în ohmi în formulă și capacitatea în microfarad, apoi timpul se va dovedi în microsecunde. În cazul nostru, este mai convenabil să obțineți rezultatul în secunde, pentru care trebuie pur și simplu să înmulțiți microsecundele cu un milion sau, mai simplu, să mutați virgula șase caractere la stânga.
Pentru circuitul prezentat în figura 4, cu o capacitate a condensatorului de 2000μF și o rezistență a rezistenței de 500Ω, constanta de timp se va dovedi a fi τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 de microsecunde sau exact o secundă. Astfel, va trebui să așteptați aproximativ 5 secunde pentru ca condensatorul să fie complet încărcat.
Dacă după timpul specificat comutatorul SA este mutat în poziția corectă, condensatorul C se va descărca prin lampa EL. În acest moment, va apărea un fulger scurt, condensatorul se va descărca și lampa se va stinge. Direcția de descărcare a condensatorului este indicată de o săgeată cu indicele ip. Timpul de descărcare este determinat și de constanta de timp τ. Graficul de descărcare este prezentat în Figura 6.
Figura 6. Graficul de descărcare a condensatorului
Condensatorul nu trece curent continuu
Un circuit și mai simplu, prezentat în Figura 7, va ajuta la verificarea acestei afirmații.
Figura 7. Diagrama cu un condensator într-o legătură DC
Dacă închideți comutatorul SA, va urma o scurtă clipire a luminii, ceea ce indică faptul că condensatorul C a fost încărcat prin lumină. Graficul de încărcare este prezentat și aici: în momentul în care comutatorul se închide, curentul este maxim, pe măsură ce condensatorul este încărcat, acesta scade și după un timp se oprește complet.
Dacă condensatorul este de bună calitate, de ex. cu un curent de scurgere scăzut (auto-descărcare), reînchiderea comutatorului nu va duce la fulgerare. Pentru a obține un alt blitz, condensatorul va trebui să fie descărcat.
Condensator în filtrele de putere
Condensatorul este de obicei plasat după redresor. Cel mai adesea, redresoarele sunt realizate cu undă completă. Cele mai comune circuite redresoare sunt prezentate în Figura 8.
Figura 8. Circuite redresoare
Redresoarele cu jumătate de undă sunt, de asemenea, folosite destul de des, de regulă, în cazurile în care puterea de sarcină este nesemnificativă. Cea mai valoroasă calitate a unor astfel de redresoare este simplitatea: o singură diodă și o înfășurare a transformatorului.
Pentru un redresor cu undă completă, capacitatea condensatorului filtrului poate fi calculată folosind formula
C = 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, unde C este capacitatea condensatorului μF, Po este puterea de sarcină W, U este tensiunea la ieșirea redresorului V, f este frecvența alternantei tensiunea Hz, dU este amplitudinea ondulației V.
Un număr mare în numărătorul 1.000.000 convertește capacitatea condensatorului din faradi de sistem în microfaradi. Cele două din numitor reprezintă numărul de semicicluri ale redresorului: pentru un semiciclu, va apărea unul în locul său
C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,
iar pentru un redresor trifazat, formula va lua forma C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.
Supercapacitor - supercondensator
Recent, a apărut o nouă clasă de condensatoare electrolitice, așa-numita. În ceea ce privește proprietățile sale, este similar cu o baterie, deși cu mai multe restricții.
Supercondensatorul este încărcat la tensiunea nominală într-un timp scurt, literalmente în câteva minute, așa că este recomandabil să îl utilizați ca sursă de alimentare de rezervă. De fapt, un supercondensator este un dispozitiv nepolar, singurul lucru care îi determină polaritatea este încărcarea din fabrică. Pentru a nu confunda această polaritate în viitor, este indicată prin semnul +.
Condițiile de funcționare ale supercondensatorilor joacă un rol important. La o temperatură de 70˚C la o tensiune de 0,8 din valoarea nominală, durata de viață garantată nu este mai mare de 500 de ore. Dacă dispozitivul funcționează la o tensiune de 0,6 din valoarea nominală, iar temperatura nu depășește 40 de grade, atunci funcționarea corectă este posibilă timp de 40.000 de ore sau mai mult.
Cea mai comună aplicație a unui supercondensator este în sursele de alimentare de rezervă. Acestea sunt în principal cipuri de memorie sau ceasuri electronice. În acest caz, parametrul principal al supercondensatorului este un curent de scurgere scăzut, autodescărcarea acestuia.
Utilizarea supercondensatorilor împreună cu bateriile solare este destul de promițătoare. Este, de asemenea, afectată de non-criticitatea la starea de încărcare și de numărul practic nelimitat de cicluri de încărcare-descărcare. O altă proprietate valoroasă este că supercondensatorul nu necesită întreținere.
Până acum s-a dovedit a spune cum și unde funcționează condensatorii electrolitici și, în plus, în principal în circuitele de curent continuu. Lucrarea condensatoarelor în circuitele de curent alternativ va fi discutată într-un alt articol -.
Cel mai simplu condensator este un sistem de două plăci conductoare plate situate paralele între ele la o distanță mică în comparație cu dimensiunile plăcilor și separate printr-un strat dielectric. Un astfel de condensator se numește apartament ... Câmpul electric al unui condensator plat este localizat în principal între plăci (Fig. 1.6.1); cu toate acestea, un câmp electric relativ slab apare și în apropierea marginilor plăcilor și în spațiul înconjurător, care se numește câmp de împrăștiere ... Într-o serie de probleme, se poate neglija aproximativ câmpul parazit și presupune că câmpul electric al unui condensator plat este în întregime concentrat între plăcile sale (Fig. 1.6.2). Dar în alte probleme, neglijarea câmpului de împrăștiere poate duce la erori grave, deoarece acest lucru încalcă caracterul potențial al câmpului electric ( vezi § 1.4).
Fiecare dintre plăcile încărcate ale unui condensator plat creează un câmp electric lângă suprafață, al cărui modul de rezistență este exprimat prin raportul
Conform principiului suprapunerii, intensitatea câmpului creat de ambele plăci este egală cu suma intensităților și câmpurilor fiecăreia dintre plăci:
În afara plăcilor sunt vectori și sunt direcționați în direcții diferite și, prin urmare E= 0. Densitatea de suprafață σ a sarcinii plăcilor este egală cu q / S, Unde q- taxa, și S Este aria fiecărei plăci. Diferența de potențial Δφ dintre plăci într-un câmp electric uniform este egală cu Ed, Unde d Este distanța dintre plăci. Din aceste rapoarte, puteți obține formula pentru capacitatea electrică a unui condensator plat:
Condensator sferic si cilindric.
Exemple de condensatoare cu diferite configurații de placă sunt condensatoarele sferice și cilindrice. Condensator sferic Este un sistem de două sfere conductoare concentrice de raze R 1 și R 2 . Condensator cilindric - un sistem de doi cilindri conductori coaxiali de raze R 1 și R 2 și lungime L... Capacitatele acestor condensatoare, umplute cu un dielectric cu o constantă dielectrică ε, sunt exprimate prin formulele:
Conectarea în paralel și în serie a condensatoarelor.
Condensatorii pot fi interconectați pentru a forma bănci de condensatoare. La conexiune paralelă condensatoare (Fig. 1.6.3) tensiunile pe condensatoare sunt aceleași: U 1 = U 2 = U iar acuzațiile sunt q 1 = C 1 Uși q 2 = C 2 U... Un astfel de sistem poate fi considerat ca un singur condensator de capacitate electrică C incarcat cu taxa q = q 1 + q 2 când tensiunea dintre plăci este egală cu U... asta implică
Când sunt conectate în serie (Fig. 1.6.4), încărcările ambelor condensatoare sunt aceleași: q 1 = q 2 = q, iar tensiunile pe ele sunt egale și Un astfel de sistem poate fi considerat ca un singur condensator încărcat cu o sarcină q cu tensiune între plăci U = U 1 + U 2. Prin urmare,
|
Când condensatoarele sunt conectate în serie, se adaugă valorile reciproce ale capacităților.
Formulele pentru conectarea în paralel și în serie rămân valabile pentru orice număr de condensatori conectați la baterie.
Capacitate electrică
Când o sarcină este transmisă unui conductor, pe suprafața lui apare un potențial φ, dar dacă aceeași sarcină este comunicată unui alt conductor, atunci potențialul va fi diferit. Depinde de parametrii geometrici ai conductorului. Dar, în orice caz, potențialul φ este proporțional cu sarcina q.
Unitatea SI de capacitate este farad. 1 F = 1Cl / 1V.
Dacă potențialul suprafeței mingii
 |
(5.4.3) |
 |
(5.4.4) |
Mai des, în practică, se folosesc unități mai mici de capacitate: 1 nF (nanofarad) = 10 –9 F și 1pcF (picofarad) = 10 –12 F.
Este nevoie de dispozitive care stochează încărcătura, iar conductorii solitar au o capacitate mică. Din punct de vedere empiric, s-a constatat că capacitatea electrică a unui conductor crește dacă i se aduce un alt conductor – datorită fenomene de inducție electrostatică.
Condensator Sunt numiti doi conductori acoperă situate aproape una de alta .
Designul este astfel încât corpurile externe din jurul condensatorului să nu afecteze capacitatea electrică a acestuia. Acest lucru se va face dacă câmpul electrostatic este concentrat în interiorul condensatorului, între plăci.
Condensatorii sunt disponibili în condensatoare plate, cilindrice și sferice.
Deoarece câmpul electrostatic se află în interiorul condensatorului, liniile de deplasare electrică încep de la placa pozitivă, se termină la placa negativă și nu dispar nicăieri. În consecință, taxele de pe plăci opus ca semn, dar egal ca marime.
Capacitatea unui condensator este egală cu raportul dintre sarcină și diferența de potențial dintre plăcile condensatorului:
 |
(5.4.5) |
Pe lângă capacitatea, fiecare condensator este caracterizat de U sclav (sau U NS . ) Este tensiunea maximă admisă, peste care are loc o defecțiune între plăcile condensatorului.
Conectarea condensatoarelor
Baterii capacitive- combinatii de conexiuni in paralel si in serie ale condensatoarelor.
1) Conectarea în paralel a condensatoarelor (fig.5.9):
În acest caz, tensiunea comună este U:
Taxa totala:
Capacitate rezultată:
Comparați cu conectarea paralelă a rezistențelor R:
Astfel, atunci când condensatoarele sunt conectate în paralel, capacitatea totală
Capacitatea totală este mai mare decât cea mai mare capacitate a bateriei.
2) Conectarea în serie a condensatoarelor (fig.5.10):
Obișnuit este taxa q.
Sau 
, de aici
| (5.4.6) |
Comparați cu conexiunea serială R:
Astfel, atunci când condensatoarele sunt conectate în serie, capacitatea totală este mai mică decât cea mai mică capacitate inclusă în baterie:
Calculul capacităților diferitelor condensatoare
1.Capacitatea unui condensator plat
Intensitatea câmpului în interiorul condensatorului (Figura 5.11):
Tensiune între plăci:
unde este distanța dintre plăci.
De la acuzare, atunci
 .
|
(5.4.7) |
După cum puteți vedea din formulă, constanta dielectrică a unei substanțe are un efect foarte puternic asupra capacității unui condensator. Acest lucru poate fi văzut experimental: încărcăm electroscopul, aducem o placă metalică pe el - avem un condensator (datorită inducției electrostatice, potențialul a crescut). Dacă între plăci se introduce un dielectric cu ε, mai mult decât cel al aerului, atunci capacitatea condensatorului va crește.
Din (5.4.6) se pot obține unitățile de măsură ε 0:
| (5.4.8) |
.
2. Capacitatea condensatorului cilindric
Diferența de potențial dintre plăcile condensatorului cilindric prezentat în figura 5.12 poate fi calculată folosind formula:
Una dintre cele mai comune componente electronice este un condensator. În conversație, astfel de elemente sunt numite „capacitate”. Cel mai simplu design pentru fabricație și calcule este un condensator plat.
Ce este un condensator plat
Acest concept se referă la o structură formată din două plăci paralele una cu cealaltă. Distanța dintre ele ar trebui să fie de multe ori mai mare decât dimensiunile plăcilor în sine. În acest caz, efectele de margine pot fi neglijate. În caz contrar, aceste efecte devin foarte importante, iar formulele de calcul a capacității devin prea complexe.
Important! Un alt nume pentru aceste plăci este plăci.
Fiecare dintre electrozi creează în jurul său un câmp electric de aceeași mărime și direcție opusă: în placa încărcată pozitiv, q + și în negativ - q-.
Într-un condensator plat, câmpul electric este între plăci și este uniform. Intensitatea sa este calculată prin formula:
E∑ = qεε0 * S, unde:
- q este sarcina electrozilor;
- S este aria plăcilor;
- ε este constanta dielectrică a materialului dintre ele - un parametru care determină de câte ori efectul sarcinilor unul asupra celuilalt este mai puternic decât în vid ;
- Fmε0 = 8,85 * 10−12 f / m - constantă electrică.
Ce determină capacitatea unui condensator
Pentru a calcula capacitatea, se aplică formula:
C = ε * ε0 * Sd, unde:
- S este aria plăcilor;
- d este distanța dintre ele;
- Fmε0 = 8,85 * 10−12 f / m - constantă electrică;
- ε este constanta dielectrică a materialului izolator dintre electrozi.
Astfel, capacitatea depinde de aria plăcilor, distanța dintre ele și constanta dielectrică a materialului izolator.
Pentru a reduce dimensiunea „sandvișului” de electrozi plat cu un izolator între ei este rulat. Cu condiția ca grosimea izolatorului să fie de multe ori mai mică decât raza cilindrului, acesta din urmă poate fi neglijat.
O altă modalitate de a crește capacitatea este de a reduce distanța dintre plăci, în timp ce puterea electrică scade - tensiunea la care condensatorul se defectează și se defectează.
Interesant.Într-un nou tip de condensatoare - supercondensatori, cărbunele activ sau grafenul sunt utilizați ca plăci, a căror structură poroasă face posibilă multiplicarea capacității elementelor (până la câțiva farazi).
Încărcarea și descărcarea condensatoarelor
Electronii liberi sunt purtători de sarcină în metale. Când dispozitivul este conectat la o sursă de tensiune: o baterie, un acumulator sau o rețea, electronii de pe placa conectată la polul pozitiv al bateriei se vor repezi în sursa de alimentare, iar placa va fi încărcată pozitiv. Electronii vor începe să curgă în placa conectată la polul negativ. Acest proces este prezentat în figura de mai jos.
Aceasta crește puterea câmpului electric din dispozitivul dintre electrozi și tensiunea pe dispozitiv. Acest proces se va încheia când tensiunea dintre bornele elementului devine egală cu tensiunea rețelei. În acest caz, în interiorul acestuia va fi stocată o anumită cantitate de energie, care este calculată prin formula:
E = (U² * C) / 2, unde:
- E - energie (J);
- U - tensiune (V);
- C - capacitate (μF).
Când dispozitivul este conectat la circuitul de sarcină, electronii în exces de la terminalul negativ prin sarcină vor începe să curgă către terminalul pozitiv. Această mișcare se va termina când potențialul este egalizat între terminale.
Acest proces nu poate avea loc instantaneu, ceea ce permite utilizarea condensatoarelor ca filtru care netezește ondulațiile de tensiune din rețea.
Important! Un condensator încărcat nu trece curentul continuu, deoarece dielectricul dintre plăcile sale deschide circuitul.
Calculul capacității condensatoarelor plate
Capacitatea unui dispozitiv ideal, în care există aer între plăci, poate fi calculată folosind formula:
Co = Q / U, unde:
- Co - capacitate;
- Q este sarcina de pe una dintre plăcile dispozitivului;
- U este diferența de potențial sau tensiunea dintre borne.
Acest parametru depinde numai de tensiune și de sarcina acumulată, dar se modifică odată cu modificările distanței dintre plăci și ale tipului de dielectric dintre ele. Acest lucru este luat în considerare în formula:
С = Co * ε, unde:
- С - capacitatea reală;
- Atât de perfect;
- ε este constanta dielectrică a materialului izolator.
Unitatea de capacitate este 1 farad (1F, 1F). Există și valori mai mici:
- Microfarads (1mkF, 1mkF). 1000000mkF = 1F;
- Picofarads (1pF, 1pF). 1000000pF = 1mkF.
Tensiune admisibilă
Pe lângă capacitate, un parametru important care afectează utilizarea unui element și dimensiunile acestuia este tensiunea admisă. Aceasta este valoarea diferenței de potențial la bornele dispozitivului, dacă este depășită, va exista o defecțiune electrică a dielectricului între plăci, un scurtcircuit în interiorul structurii și defecțiunea acesteia.
În absența unui element cu parametrii necesari, puteți conecta dispozitivele existente împreună.
Există trei tipuri de conexiuni: seriale, paralele și mixte, care este o combinație de paralele și seriale.
Calcul conexiunii seriale
Cu acest tip de conexiune, taxele de pe toate plăcile sunt aceleași:
Acest lucru se datorează faptului că tensiunea de alimentare este furnizată numai la bornele exterioare ale elementelor cele mai exterioare. În acest caz, există un transfer de sarcină de la un electrod la altul.
În acest caz, tensiunea este distribuită invers proporțional cu capacitatea:
U1 = Q / C1, U2 = Q / C2,…, Un = Q / Cn.
Tensiunea finală este egală cu tensiunea rețelei:
Uset = U1 + U2 +… + Un.
Capacitatea echivalentă este determinată de formulele:
- С = Q / U = Q / (U1 + U2 + ... + Un),
- С = 1 / С1 + 1 / С2 + ... + 1 / Cn,
- sau adăugarea de conductivitati.
Referinţă. Conductibilitatea este reciproca rezistenței.
Calcul conexiunii paralele
Când sunt conectate în paralel, plăcile elementelor sunt conectate în perechi. Tensiunea de pe toate dispozitivele este egală între ele, iar taxele diferă în funcție de capacitate:
Q1 = C1U, Q2 = C2U,… Qn = CnU.
Încărcarea totală a sistemului este egală cu suma totală pentru toate elementele:
A capacitatea totală este egală cu totalul pentru toate dispozitivele:
C = Q / U = (Q1 + Q2 +… + Qn) / U = C1 + C2 +… Cn.
Cum se verifică capacitatea unui condensator
În absența marcajelor pe carcasa dispozitivului sau în îndoieli cu privire la funcționalitatea acestuia, capacitatea condensatorului este determinată cu un multimetru, care are funcțiile corespunzătoare, sau cu un voltmetru și ampermetru obișnuit.
Verificare prin măsurarea timpului de încărcare
Când un element capacitiv este conectat la o rețea de curent continuu printr-o rezistență, tensiunea la bornele sale crește exponențial și pe o perioadă de timp 3R * C va deveni egal cu 95% din U din rețea.
În consecință, cunoscând valoarea rezistorului, parametrii condensatorului sunt determinați prin formula:
Valoarea rezistenței depinde de parametrii așteptați ai elementului măsurat și este determinată empiric.
Important!În acest fel, puteți determina capacitatea condensatorului de la 0,25 μF și mai sus.
Măsurarea capacității
Pe lângă determinarea timpului de încărcare, puteți afla și rezistența capacitivă. Depinde de frecvența tensiunii la bornele dispozitivului:
Xc = 1/2 * π * f * C, unde:
- Xc - rezistenta capacitiva;
- π - numărul „pi” (3,14);
- f - frecventa retelei (in priza 50Hz);
- C este capacitatea condensatorului.
După conectarea condensatorului la rețea, Xc poate fi determinat în două moduri:
- cunoscând tensiunea rețelei și curentul care circulă în ea conform legii lui Ohm:
- conectați un rezistor de 10 kOhm în serie cu elementul măsurat, măsurați tensiunea pe toate părțile, iar rezistența capacitivă este determinată de formula Xc = (Ur * Uc) / R.
Verificați funcționalitatea cu un tester
Dacă este necesar să se verifice funcționalitatea unui dispozitiv electronic, dar nu este posibil să se facă măsurători pe termen lung, atunci acest lucru se poate face cu un tester sau un ton de apel LED. Pentru a face acest lucru, trebuie să conectați testerul la terminale. Pe un dispozitiv care funcționează, testerul va afișa un circuit în timpul încărcării și, după finalizarea acestuia, un circuit deschis. Inversarea polarității dublează timpul de încărcare.
Cunoașterea modului în care se calculează și se verifică capacitatea unui condensator plat este necesară în proiectarea și repararea aparatelor electrice și echipamentelor electronice.
Video
După cum știți, există un câmp electric în jurul corpurilor încărcate care are energie.
Este posibil să acumulați sarcini și energie dintr-un câmp electric? Dispozitivul care permite acumularea sarcinilor este condensator(din Lat.condensare - condensare). Cel mai simplu condensator plat este format din două plăci metalice identice - plăci, situate la o distanță mică una de cealaltă și separate printr-un strat dielectric, de exemplu, aer (Fig. 83). Grosimea dielectricului este mică în comparație cu dimensiunile plăcilor.
Orez. 83. Cel mai simplu condensator și denumirea lui în diagramă
Să demonstrăm prin experiență capacitatea unui condensator de a stoca sarcini. Pentru a face acest lucru, conectați două plăci metalice la poli diferiți ai mașinii electroforetice (Fig. 84). Plăcile vor primi încărcături de același modul, dar diferite ca semn. Va apărea un câmp electric. Câmpul electric al condensatorului este practic concentrat între plăcile din interiorul condensatorului.
Orez. 84. Încărcarea unui condensator de la o mașină electrică
După oprirea mașinii electroforetice, sarcinile de pe plăci și câmpul electric dintre ele vor rămâne.
Dacă plăcile unui condensator încărcat sunt conectate cu un conductor, atunci un curent va curge prin conductor pentru o perioadă de timp. Aceasta înseamnă că un condensator încărcat este o sursă de curent.
În funcție de dielectric, există mai multe tipuri de condensatoare: cu dielectric solid, lichid și gazos. De asemenea, se disting prin forma plăcilor: plate, cilindrice, sferice etc. (Fig. 85).
Orez. 85. Diferite tipuri de condensatoare
Proprietatea unui condensator de a acumula sarcini electrice se caracterizează prin capacitate electrică, sau capacitate. Pentru a înțelege de ce depinde această cantitate fizică, să ne întoarcem la experiență.
Legăm două plăci metalice, fixate pe suporturi izolatoare paralele între ele, cu un electrometru. Conectăm una dintre plăci la tija electrometrului, iar cealaltă la masă conectând-o la corpul dispozitivului (Fig. 86, a). Să atingem partea exterioară a plăcii A cu o bilă electrificată, conferindu-i astfel o sarcină pozitivă + q. Sub acțiunea câmpului electric al plăcii A se va produce o redistribuire a sarcinilor în placa B: sarcinile negative vor fi situate pe partea interioară a plăcii. Electronii liberi vor veni din sol pentru a neutraliza sarcinile pozitive din exteriorul plăcii B. Astfel, pe placa B va apărea o sarcină negativă egală -q.
Orez. 86. Dependența capacității condensatorului de zonă, distanța dintre plăci, dielectricul dintre plăci
Acul electrometrului se va abate de la poziția zero. Cu ajutorul bilelor încărcate egal, vom continua să transferăm încărcăturile condensatorului în porțiuni egale succesive. Vom observa că cu o creștere a încărcăturii de 2, 3, 4 ori, respectiv, de 2, 3, 4 ori, citirile electrometrului vor crește, adică tensiunea dintre plăcile condensatorului va crește. În plus, raportul dintre sarcină și tensiune va rămâne constant:
Valoarea măsurată prin raportul dintre sarcina uneia dintre plăcile condensatorului și tensiunea dintre plăci se numește capacitatea condensatorului.
Capacitatea condensatorului se calculează prin formula:
Unitatea de măsură a capacității în SI este faradul (F), numele fiind dat în onoarea fizicianului englez Michael Faraday. Capacitatea unui condensator este egală cu unitatea dacă, atunci când îi este transmisă o sarcină de 1 C, apare o tensiune de 1 V.
1 F este o capacitate foarte mare, prin urmare, în practică, se utilizează microfarad (μF) și picofarad (pF).
1 μF = 10 -6 F; 1 pF = 10 -12 F.
Să aflăm ce determină capacitatea condensatorului. Pentru a face acest lucru, luați un condensator cu plăci cu o suprafață mare (Fig. 86, b). Să repetăm experiența. Raportul încărcare-tensiune rămâne constant în acest caz.
dar raportul dintre sarcină și tensiune este acum mai mare decât în primul experiment, adică C1> C. Cu cât suprafața plăcilor este mai mare, cu atât capacitatea condensatorului este mai mare..
Să facem din nou primul experiment, dar acum vom schimba distanța dintre plăci (Fig. 86, c). Pe măsură ce distanța dintre plăci scade, stresul dintre ele scade. Cu o scădere a distanței dintre plăcile condensatorului cu o sarcină constantă, capacitatea condensatorului crește.
Să mai facem un experiment. Să instalăm plăcile condensatorului A și B la o anumită distanță una de alta. Încărcăm placa A. Observați citirile electrometrului atunci când există aer între plăci. Așezăm o foaie de plexiglas sau un alt dielectric între plăci (Fig. 86, d). Vom observa că tensiunea dintre plăci va scădea. În consecință, capacitatea condensatorului depinde de proprietățile dielectricului introdus.
Când se introduce un dielectric, capacitatea condensatorului crește.
Un condensator, ca orice corp încărcat, are energie. Să verificăm după experiență. Să încărcăm condensatorul și să conectăm un bec la el. Lumina va clipi puternic. Aceasta indică faptul că condensatorul încărcat are energie. Energia de la condensator este convertită în energie internă din filamentul și firele lămpii. Pentru a încărca condensatorul, a trebuit să se lucreze pentru a separa sarcinile pozitive și negative. În conformitate cu legea conservării energiei, munca efectuată A este egală cu energia condensatorului E, adică.
unde E este energia condensatorului.
Lucrul pe care îl face câmpul electric al unui condensator poate fi găsit prin formula:
unde Uav este valoarea medie a tensiunii.
Deoarece tensiunea nu rămâne constantă în timpul procesului de descărcare, este necesar să se găsească valoarea medie a tensiunii:
Uav = U / 2; atunci A = qU cf = qU / 2,
deoarece q = CU, atunci A = CU 2/2.
Aceasta înseamnă că energia unui condensator cu o capacitate de C va fi egală cu:
Condensatorii pot stoca energie pentru o perioadă lungă de timp, iar atunci când sunt descărcați, renunță la ea aproape instantaneu. Proprietatea unui condensator de a acumula și elibera rapid energie electrică este utilizată pe scară largă în dispozitivele electrice și electronice, în tehnologia medicală (echipamente cu raze X, dispozitive de electroterapie), în fabricarea dozimetrelor și în fotografia aeriană.
Întrebări
- Pentru ce sunt condensatoarele?
- Ce caracterizează capacitatea unui condensator?
- Care este unitatea SI a capacității electrice?
- Ce determină capacitatea unui condensator?
Exercițiul #38
- Plăcile unui condensator plat sunt conectate la o sursă de tensiune de 220 V. Capacitatea condensatorului este de 1,5 10 -4 μF. Cu ce va fi sarcina condensatorului?
- Sarcina unui condensator plat este de 2,7 10 -2 C, capacitatea sa este de 0,01 μF. Aflați tensiunea dintre plăcile condensatorului.
Exercițiu
- Folosind internetul, aflați cum a fost aranjat primul condensator - banca Leyden. Fă-o.
- Pregătiți o discuție despre istoria condensatorului.
