Kondensatori ka dy pllaka të sheshta. Kondensatorët: qëllimi, pajisja, parimi i funksionimit

Në të gjitha pajisjet radio-inxhinierike dhe elektronike, përveç transistorëve dhe mikroqarqeve, përdoren kondensatorë. Në disa qarqe ka më shumë prej tyre, në të tjera ka më pak, por pothuajse asnjë qark elektronik nuk mund të ekzistojë fare pa kondensatorë.

Në të njëjtën kohë, kondensatorët mund të kryejnë një sërë detyrash në pajisje. Para së gjithash, këto janë kapacitete në filtrat e ndreqësve dhe stabilizuesve. Me ndihmën e kondensatorëve, një sinjal transmetohet midis fazave amplifikuese, ndërtohen filtra me frekuencë të ulët dhe të lartë, vendosen intervalet kohore në vonesat kohore dhe zgjidhet frekuenca e lëkundjeve në gjeneratorë të ndryshëm.

Kondensatorët e gjurmojnë prejardhjen e tyre që nga shkencëtari holandez Peter van Muschenbruck i përdorur në eksperimentet e tij në mesin e shekullit të 18-të. Ai jetonte në qytetin e Leiden, kështu që nuk është e vështirë të merret me mend pse kjo bankë u quajt kështu.

Në fakt, ishte një kavanoz qelqi i zakonshëm, i veshur brenda dhe jashtë me letër kallaji - staniol. Ai u përdor për të njëjtat qëllime si alumini modern, por më pas alumini nuk u zbulua ende.

I vetmi burim i energjisë elektrike në ato ditë ishte një makinë elektrofore, e aftë për të zhvilluar tensione deri në disa qindra kilovolt. Ishte prej saj që ata ngarkuan kavanozin Leyden. Tekstet e fizikës përshkruajnë rastin kur Mushenbrook shkarkoi kanaçen e tij përmes një zinxhiri prej dhjetë rojesh të kapur për dore.

Në atë kohë, askush nuk e dinte se pasojat mund të ishin tragjike. Goditja ka rezultuar mjaft e ndjeshme, por jo fatale. Nuk erdhi deri këtu, sepse kapaciteti i kavanozit Leyden ishte i parëndësishëm, impulsi doli të ishte shumë jetëshkurtër, kështu që fuqia e shkarkimit ishte e ulët.

Si funksionon një kondensator

Pajisja e kondensatorit praktikisht nuk ndryshon nga kavanoza Leyden: të gjitha të njëjtat dy pllaka, të ndara nga një dielektrik. Kështu përshkruhen kondensatorët në qarqet elektrike moderne. Figura 1 tregon një dizajn skematik të një kondensatori të sheshtë dhe formulën për llogaritjen e tij.

Figura 1. Pajisja e një kondensatori të sheshtë

Këtu S është sipërfaqja e pllakave në metra katrorë, d është distanca midis pllakave në metra, C është kapaciteti në farad, ε është konstanta dielektrike e mediumit. Të gjitha sasitë e përfshira në formulë tregohen në sistemin SI. Kjo formulë vlen për kondensatorin më të thjeshtë të sheshtë: thjesht mund të vendosni dy pllaka metalike krah për krah, nga të cilat nxirren përfundime. Ajri mund të përdoret si dielektrik.

Nga kjo formulë, mund të kuptohet se kapaciteti i kondensatorit është sa më i madh, aq më i madh është sipërfaqja e pllakave dhe aq më e vogël është distanca midis tyre. Për kondensatorët me një gjeometri të ndryshme, formula mund të jetë e ndryshme, për shembull, për kapacitetin e një përcjellësi të vetëm ose. Por varësia e kapacitetit nga zona e pllakave dhe distanca midis tyre është e njëjtë si për një kondensator të sheshtë: sa më e madhe të jetë zona dhe sa më e vogël të jetë distanca, aq më e madhe është kapaciteti.

Në fakt, pllakat nuk janë gjithmonë të rrafshuara. Për shumë kondensatorë, për shembull, ato prej letre metalike, pllakat janë letër alumini të mbështjellë së bashku me një dielektrik letre në një top të ngushtë, në formën e një kuti metalike.

Për të rritur forcën dielektrike, letra e hollë e kondensatorit është e ngopur me komponime izoluese, më shpesh vaj transformatori. Ky dizajn ju lejon të bëni kondensatorë me një kapacitet deri në disa qindra mikrofarad. Kondensatorët me dielektrikë të tjerë janë rregulluar afërsisht në të njëjtën mënyrë.

Formula nuk përmban asnjë kufizim në zonën e pllakave S dhe distancën midis pllakave d. Nëse supozojmë se pllakat mund të ndahen shumë larg, dhe në të njëjtën kohë sipërfaqja e pllakave bëhet mjaft e parëndësishme, atëherë njëfarë kapaciteti, megjithëse i vogël, do të mbetet akoma. Një arsyetim i tillë sugjeron se edhe vetëm dy përçues të vendosur në lagje kanë kapacitet elektrik.

Kjo rrethanë përdoret gjerësisht në teknologjinë me frekuencë të lartë: në disa raste, kondensatorët bëhen thjesht në formën e gjurmëve të instalimeve elektrike të printuara, ose edhe vetëm dy tela të përdredhur së bashku në izolim polietileni. Një tel ose kabllo konvencionale petë gjithashtu ka kapacitet, dhe rritet me gjatësinë.

Përveç kapacitetit C, çdo kabllo ka edhe një rezistencë R. Të dyja këto veti fizike shpërndahen përgjatë gjatësisë së kabllit dhe kur transmetojnë sinjale pulsuese, ato funksionojnë si një zinxhir integrues RC, i paraqitur në figurën 2.

Figura 2.

Në figurë, gjithçka është e thjeshtë: këtu është qarku, këtu është sinjali i hyrjes dhe këtu është në dalje. Impulsi është i shtrembëruar përtej njohjes, por kjo është bërë me qëllim, për të cilin qarku është mbledhur. Ndërkohë, ne po flasim për ndikimin e kapacitetit të kabllit në sinjalin e pulsit. Në vend të një pulsi në skajin tjetër të kabllit, do të shfaqet një "këmbanë" e tillë, dhe nëse pulsi është i shkurtër, atëherë mund të mos arrijë fare skajin tjetër të kabllit, të zhduket plotësisht.

Fakt historik

Është mjaft e përshtatshme këtu të kujtojmë historinë se si u vendos kablloja transatlantike. Përpjekja e parë në vitin 1857 dështoi: pikat telegrafike - vizat (pulset drejtkëndore) u shtrembëruan në mënyrë që asgjë të mos dallohej në skajin tjetër të vijës së gjatë 4000 km.

Përpjekja e dytë u bë në 1865. Në këtë kohë, fizikani anglez W. Thompson kishte zhvilluar një teori të transmetimit të të dhënave në vija të gjata. Në dritën e kësaj teorie, shtrimi i kabllove doli të ishte më i suksesshëm, sinjalet u morën.

Për këtë arritje shkencore, Mbretëresha Viktoria i dha studiuesit titullin kalorës dhe titullin e Lord Kelvin. Ky ishte emri i qytetit të vogël në bregdetin e Irlandës, ku filloi shtrimi i kabllove. Por kjo është vetëm një fjalë, dhe tani le të kthehemi te shkronja e fundit në formulë, domethënë, te konstanta dielektrike e mediumit ε.

Pak për dielektrikët

Kjo ε është në emëruesin e formulës, prandaj, rritja e saj do të sjellë një rritje të kapacitetit. Për shumicën e dielektrikëve të përdorur, si ajri, lavsan, polietileni, fluoroplastik, kjo konstante është praktikisht e njëjtë me atë të vakumit. Por në të njëjtën kohë, ka shumë substanca, konstanta dielektrike e të cilave është shumë më e lartë. Nëse kondensuesi i ajrit derdhet me aceton ose alkool, atëherë kapaciteti i tij do të rritet çdo 15 ... 20.

Por substanca të tilla, përveç ε-së së lartë, kanë gjithashtu një përçueshmëri mjaft të lartë, prandaj një kondensator i tillë nuk do të ngarkohet mirë, do të shkarkohet shpejt përmes vetvetes. Ky fenomen i dëmshëm quhet rrymë rrjedhjeje. Prandaj, për dielektrikët, po zhvillohen materiale speciale që lejojnë, në një kapacitet të lartë specifik të kondensatorëve, të sigurojnë rryma rrjedhjeje të pranueshme. Kjo është ajo që shpjegon një shumëllojshmëri të tillë të llojeve dhe llojeve të kondensatorëve, secila prej të cilave është krijuar për kushte specifike.

Ata kanë kapacitetin më të lartë specifik (raporti kapacitet / vëllim). Kapaciteti i "elektroliteve" arrin deri në 100,000 mikrofarad, tension operativ deri në 600 V. Kondensatorë të tillë funksionojnë mirë vetëm në frekuenca të ulëta, më shpesh në filtrat e furnizimit me energji elektrike. Kondensatorët elektrolitikë janë të ndezur në lidhje me polaritetin.

Elektrodat në kondensatorë të tillë janë një shtresë e hollë e oksidit metalik; prandaj, këta kondensatorë shpesh quhen kondensatorë oksid. Një shtresë e hollë ajri midis elektrodave të tilla nuk është një izolant shumë i besueshëm, prandaj, një shtresë elektrolite futet midis pllakave të oksidit. Më shpesh këto janë zgjidhje të përqendruara të acideve ose alkaleve.

Figura 3 tregon një kondensator të tillë.

Figura 3. Kondensator elektrolitik

Për të vlerësuar madhësinë e kondensatorit, pranë tij u fotografua një kuti e thjeshtë ndeshjesh. Përveç një kapaciteti mjaft të madh, shifra tregon edhe një tolerancë në përqindje: jo më pak se 70% e nominales.

Në ato ditë, kur kompjuterët ishin të mëdhenj dhe quheshin kompjuterë, kondensatorë të tillë ishin në disqet e diskut (në HDD-në moderne). Kapaciteti i informacionit të disqeve të tillë tani mund të shkaktojë vetëm një buzëqeshje: 5 megabajt informacion u ruajtën në dy disqe me një diametër prej 350 mm, dhe vetë pajisja peshonte 54 kg.

Qëllimi kryesor i superkondensatorëve të paraqitur në figurë ishte heqja e kokave magnetike nga zona e punës e diskut në rast të një ndërprerjeje të papritur të energjisë. Kondensatorë të tillë mund të ruajnë një ngarkesë për disa vjet, gjë që është vërtetuar në praktikë.

Më poshtë, me kondensatorët elektrolitikë, do të sugjerohet të bëhen disa eksperimente të thjeshta për të kuptuar se çfarë mund të bëjë një kondensator.

Për punën në qarqet AC, prodhohen kondensatorë elektrolitikë jopolarë, por për disa arsye është shumë e vështirë t'i marrësh. Për të shmangur disi këtë problem, "elektrolitët" polare konvencionale përfshijnë kundër-sekuenciale: plus-minus-minus-plus.

Nëse një kondensator elektrolitik polar përfshihet në qarkun e rrymës alternative, atëherë së pari do të ngrohet, dhe më pas do të tingëllojë një shpërthim. Kondensatorët e vjetër vendas fluturonin në të gjitha drejtimet, ndërsa ata të importuar kanë një pajisje të veçantë për të shmangur të shtënat me zë të lartë. Kjo, si rregull, është ose një nivel kryq në pjesën e poshtme të kondensatorit, ose një vrimë me një tapë gome të vendosur në të njëjtin vend.

Ata me të vërtetë nuk i pëlqejnë kondensatorët elektrolitikë me tension të rritur, edhe nëse vërehet polariteti. Prandaj, nuk është kurrë e nevojshme të vendosen "elektrolite" në një qark ku tensioni i pritur është afër maksimumit për një kondensator të caktuar.

Ndonjëherë në disa, madje edhe forume me reputacion, fillestarët bëjnë pyetjen: "Diagrami tregon një kondensator 470µF * 16V, dhe unë kam 470µF * 50V, a mund ta vendos?" Po, sigurisht që mundeni, por zëvendësimi i kundërt është i papranueshëm.

Një kondensator mund të ruajë energji

Një diagram i thjeshtë i paraqitur në Figurën 4 do të ndihmojë për të trajtuar këtë deklaratë.

Figura 4. Qarku me kondensator

Protagonisti kryesor i këtij qarku është një kondensator elektrolitik C me një kapacitet mjaft të madh, në mënyrë që proceset e karikimit dhe shkarkimit të ecin ngadalë dhe madje shumë qartë. Kjo bën të mundur vëzhgimin vizual të funksionimit të qarkut duke përdorur një llambë konvencionale nga një elektrik dore. Këta fenerë kanë kohë që i kanë lënë vendin llambave moderne LED, por llambat për ta ende shiten. Prandaj, është shumë e lehtë të montoni një qark dhe të kryeni eksperimente të thjeshta.

Ndoshta dikush do të thotë: “Pse? Në fund të fundit, dhe kështu gjithçka është e qartë, por nëse lexoni edhe përshkrimin ... ". Duket se nuk ka asgjë për të diskutuar këtu, por çdo gjë, madje edhe më e thjeshta, mbetet në kokë për një kohë të gjatë, nëse kuptimi i saj vinte përmes duarve.

Pra, diagrami është mbledhur. Si punon?

Në pozicionin e ndërprerësit SA të treguar në diagram, kondensatori C ngarkohet nga furnizimi me energji GB përmes rezistorit R përgjatë qarkut: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Rryma e karikimit në diagram tregohet me një shigjetë me indeksin iз. Procesi i karikimit të një kondensatori është paraqitur në Figurën 5.

Figura 5. Procesi i karikimit të kondensatorit

Figura tregon se voltazhi në të gjithë kondensatorin rritet përgjatë një linje të lakuar, në matematikë të quajtur eksponencial. Rryma e ngarkimit pasqyron drejtpërdrejt tensionin e ngarkimit. Ndërsa tensioni në kondensator rritet, rryma e ngarkesës bëhet gjithnjë e më pak. Dhe vetëm në momentin fillestar korrespondon me formulën e treguar në figurë.

Pas një kohe, kondensatori do të ngarkojë nga 0V në tensionin e furnizimit me energji elektrike, në qarkun tonë deri në 4.5V. E gjithë pyetja është se si të përcaktohet kjo kohë, sa kohë duhet pritur, kur do të ngarkohet kondensatori?

Konstanta e kohës "tau" τ = R * C

Kjo formulë thjesht shumëzon rezistencën dhe kapacitetin e rezistencës dhe kondensatorit të lidhur në seri. Nëse, pa neglizhuar sistemin SI, zëvendësoni rezistencën në Ohms, kapacitetin në Farads, atëherë rezultati do të jetë në sekonda. Është kjo kohë që kërkohet që kondensatori të ngarkojë deri në 36.8% të tensionit të furnizimit me energji elektrike. Prandaj, do të duhen 5 * τ për t'u ngarkuar deri në pothuajse 100%.

Shpesh, duke neglizhuar sistemin SI, ata zëvendësojnë rezistencën në ohmë në formulë, dhe kapacitetin në mikrofarad, atëherë koha do të dalë në mikrosekonda. Në rastin tonë, është më i përshtatshëm për të marrë rezultatin në sekonda, për të cilin thjesht duhet të shumëzoni mikrosekondat me një milion, ose, më thjesht, të zhvendosni presjen gjashtë karaktere në të majtë.

Për qarkun e paraqitur në figurën 4, me një kapacitet kondensator prej 2000μF dhe një rezistencë rezistence prej 500Ω, konstanta e kohës do të rezultojë të jetë τ = R * C = 500 * 2000 = 1,000,000 mikrosekonda ose saktësisht një sekondë. Kështu, do të duhet të prisni afërsisht 5 sekonda që kondensatori të ngarkohet plotësisht.

Nëse pas kohës së caktuar, çelësi SA zhvendoset në pozicionin e duhur, kondensatori C do të shkarkohet përmes llambës EL. Në këtë moment, do të ndizet një ndezje e shkurtër, kondensatori do të shkarkohet dhe llamba do të fiket. Drejtimi i shkarkimit të kondensatorit tregohet nga një shigjetë me indeksin ip. Koha e shkarkimit përcaktohet gjithashtu nga konstanta kohore τ. Grafiku i shkarkimit është paraqitur në figurën 6.

Figura 6. Grafiku i shkarkimit të kondensatorit

Kondensatori nuk kalon rrymë direkte

Një qark edhe më i thjeshtë, i paraqitur në Figurën 7, do të ndihmojë për të verifikuar këtë deklaratë.

Figura 7. Diagrami me një kondensator në një lidhje DC

Nëse mbyllni çelësin SA, atëherë do të pasojë një ndezje e shkurtër e dritës, e cila tregon se kondensatori C është ngarkuar përmes dritës. Grafiku i ngarkimit tregohet gjithashtu këtu: në momentin që kaloni mbyllet, rryma është maksimale, ndërsa kondensatori ngarkohet, zvogëlohet dhe pas një kohe ndalon plotësisht.

Nëse kondensatori është i cilësisë së mirë, d.m.th. me një rrymë të ulët rrjedhjeje (vetë-shkarkimi), rimbyllja e çelësit nuk do të rezultojë në ndezje. Për të marrë një ndezje tjetër, kondensatori do të duhet të shkarkohet.

Kondensator në filtrat e fuqisë

Kondensatori zakonisht vendoset pas ndreqësit. Më shpesh, ndreqësit bëhen me valë të plotë. Qarqet më të zakonshme të ndreqësve janë paraqitur në Figurën 8.

Figura 8. Qarqet ndreqëse

Ndreqësit me gjysmëvalë përdoren gjithashtu mjaft shpesh, si rregull, në rastet kur fuqia e ngarkesës është e parëndësishme. Cilësia më e vlefshme e ndreqësve të tillë është thjeshtësia: vetëm një diodë dhe një mbështjellje transformatori.

Për një ndreqës me valë të plotë, kapaciteti i kondensatorit të filtrit mund të llogaritet duke përdorur formulën

C = 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, ku C është kapaciteti i kondensatorit μF, Po është fuqia e ngarkesës W, U është voltazhi në daljen e ndreqësit V, f është frekuenca e alternimit voltazhi Hz, dU është amplituda e valëzimit V.

Një numër i madh në numëruesin 1,000,000 konverton kapacitetin e kondensatorit nga farada të sistemit në mikrofarad. Dy në emërues përfaqësojnë numrin e gjysmë cikleve të ndreqësit: për një gjysmë cikli, një do të shfaqet në vend të tij.

C = 1,000,000 * Po / U * f * dU,

dhe për një ndreqës trefazor, formula do të marrë formën C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkondensator - superkondensator

Kohët e fundit, është shfaqur një klasë e re e kondensatorëve elektrolitikë, të ashtuquajturat. Për sa i përket vetive të tij, ajo është e ngjashme me një bateri, megjithëse me disa kufizime.

Superkondensatori ngarkohet në tensionin nominal brenda një kohe të shkurtër, fjalë për fjalë në disa minuta, kështu që këshillohet ta përdorni atë si një burim energjie rezervë. Në fakt, një superkondensator është një pajisje jo polare, e vetmja gjë që përcakton polaritetin e tij është karikimi në fabrikë. Për të mos ngatërruar këtë polaritet në të ardhmen, ai tregohet me një shenjë +.

Kushtet e funksionimit të superkondensatorëve luajnë një rol të rëndësishëm. Në një temperaturë prej 70˚C me një tension prej 0.8 të nominalit, jeta e garantuar e shërbimit nuk është më shumë se 500 orë. Nëse pajisja funksionon me një tension prej 0.6 të nominalit, dhe temperatura nuk i kalon 40 gradë, atëherë funksionimi i saktë është i mundur për 40,000 orë ose më shumë.

Aplikimi më i zakonshëm i një superkondensatori është në furnizimin me energji rezervë. Këto janë kryesisht çipa memorie ose orë elektronike. Në këtë rast, parametri kryesor i superkondensatorit është një rrymë e ulët rrjedhjeje, vetë-shkarkimi i saj.

Përdorimi i superkondensatorëve në lidhje me bateritë diellore është mjaft premtues. Ai ndikohet gjithashtu nga jokriticiteti ndaj gjendjes së karikimit dhe numri praktikisht i pakufizuar i cikleve të ngarkimit-shkarkimit. Një pronë tjetër e vlefshme është se superkondensatori nuk kërkon mirëmbajtje.

Deri më tani ka rezultuar të tregojë se si dhe ku funksionojnë kondensatorët elektrolitikë, dhe, për më tepër, kryesisht në qarqet e rrymës së drejtpërdrejtë. Puna e kondensatorëve në qarqet AC do të diskutohet në një artikull tjetër -.

Kondensatori më i thjeshtë është një sistem i dy pllakave përcjellëse të sheshta të vendosura paralelisht me njëra-tjetrën në një distancë të vogël në krahasim me dimensionet e pllakave dhe të ndara nga një shtresë dielektrike. Një kondensator i tillë quhet banesë ... Fusha elektrike e një kondensatori të sheshtë është kryesisht e lokalizuar ndërmjet pllakave (Fig. 1.6.1); megjithatë, një fushë elektrike relativisht e dobët lind edhe pranë skajeve të pllakave dhe në hapësirën përreth, e cila quhet fushë shpërndarjeje ... Në një numër problemesh, mund të neglizhohet përafërsisht fusha e humbur dhe të supozohet se fusha elektrike e një kondensatori të sheshtë është tërësisht e përqendruar midis pllakave të tij (Fig. 1.6.2). Por në probleme të tjera, neglizhimi i fushës së shpërndarjes mund të çojë në gabime të mëdha, pasi kjo cenon karakterin e mundshëm të fushës elektrike ( shih § 1.4).

Secila prej pllakave të ngarkuara të një kondensatori të sheshtë krijon një fushë elektrike pranë sipërfaqes, moduli i forcës së së cilës shprehet me raportin

Sipas parimit të mbivendosjes, forca e fushës e krijuar nga të dy pllakat është e barabartë me shumën e fuqive dhe fushave të secilës prej pllakave:

Jashtë pllakave janë vektorë dhe janë të drejtuar në drejtime të ndryshme, dhe për këtë arsye E= 0. Dendësia sipërfaqësore σ e ngarkesës së pllakave është e barabartë me q / S, ku q- ngarkuar, dhe SËshtë sipërfaqja e secilës pjatë. Diferenca potenciale Δφ ndërmjet pllakave në një fushë elektrike uniforme është e barabartë me Ed, ku dËshtë distanca midis pllakave. Nga këto raporte, mund të merrni formulën për kapacitetin elektrik të një kondensatori të sheshtë:

Kondensator sferik dhe cilindrik.

Shembuj të kondensatorëve me konfigurime të ndryshme të pllakave janë kondensatorët sferikë dhe cilindrikë. Kondensator sferik Është një sistem i dy sferave përcjellëse koncentrike të rrezeve R 1 dhe R 2 . Kondensator cilindrik - një sistem prej dy cilindrash përcjellës koaksial me rreze R 1 dhe R 2 dhe gjatësia L... Kapacitetet e këtyre kondensatorëve, të mbushur me një dielektrik me një konstante dielektrike ε, shprehen me formulat:

Lidhja paralele dhe serike e kondensatorëve.

Kondensatorët mund të ndërlidhen për të formuar banka kondensatorësh. Në lidhje paralele kondensatorët (Fig. 1.6.3) tensionet nëpër kondensatorë janë të njëjta: U 1 = U 2 = U dhe akuzat janë q 1 = C 1 U dhe q 2 = C 2 U... Një sistem i tillë mund të konsiderohet si një kondensator i vetëm i kapacitetit elektrik C i ngarkuar me akuzë q = q 1 + q 2 kur voltazhi ndërmjet pllakave është i barabartë me U... kjo nënkupton

Kur lidhen në seri (Fig. 1.6.4), ngarkesat e të dy kondensatorëve janë të njëjta: q 1 = q 2 = q, dhe tensionet në to janë të barabarta dhe një sistem i tillë mund të konsiderohet si një kondensator i vetëm i ngarkuar me një ngarkesë q me tension midis pllakave U = U 1 + U 2. Prandaj,

Kur kondensatorët lidhen në seri, shtohen vlerat reciproke të kapaciteteve.

Formulat për lidhjen paralele dhe serike mbeten të vlefshme për çdo numër kondensatorësh të lidhur me baterinë.

Kapaciteti elektrik

Kur një ngarkesë i jepet një përcjellësi, një potencial φ shfaqet në sipërfaqen e tij, por nëse e njëjta ngarkesë i komunikohet një përcjellësi tjetër, atëherë potenciali do të jetë i ndryshëm. Varet nga parametrat gjeometrikë të përcjellësit. Por në çdo rast, potenciali φ është proporcional me ngarkesën q.

Njësia SI e kapacitetit është farad. 1 F = 1Cl / 1V.

Nëse potenciali i sipërfaqes së topit

(5.4.3)

(5.4.4)

Më shpesh në praktikë, përdoren njësi më të vogla të kapacitetit: 1 nF (nanofarad) = 10 -9 F dhe 1 pcF (picofarad) = 10 -12 F.

Ekziston nevoja për pajisje që ruajnë ngarkesën dhe përçuesit e vetmuar kanë një kapacitet të vogël. Në mënyrë empirike, u zbulua se kapaciteti elektrik i një përcjellësi rritet nëse i sillet një përcjellës tjetër - për shkak të dukuritë e induksionit elektrostatik.

Kondensator A quhen dy përçues mbulesa të vendosura afër njëri-tjetrit .

Dizajni është i tillë që trupat e jashtëm që rrethojnë kondensatorin nuk ndikojnë në kapacitetin e tij elektrik. Kjo do të bëhet nëse fusha elektrostatike është e përqendruar brenda kondensatorit, midis pllakave.

Kondensatorët janë të disponueshëm në kondensatorë të sheshtë, cilindrikë dhe sferikë.

Meqenëse fusha elektrostatike është brenda kondensatorit, linjat e zhvendosjes elektrike fillojnë në pllakën pozitive, përfundojnë në pllakën negative dhe nuk zhduken askund. Rrjedhimisht, akuzat në targa e kundërta në shenjë, por e barabartë në madhësi.

Kapaciteti i një kondensatori është i barabartë me raportin e ngarkesës me diferencën e mundshme midis pllakave të kondensatorit:

(5.4.5)

Përveç kapacitetit, çdo kondensator karakterizohet nga U skllav (ose U etj . ) Është tensioni maksimal i lejuar, mbi të cilin ndodh prishja ndërmjet pllakave të kondensatorit.

Lidhja e kondensatorëve

Bateritë kapacitive- kombinime të lidhjeve paralele dhe serike të kondensatorëve.

1) Lidhja paralele e kondensatorëve (fig.5.9):

Në këtë rast, tensioni i përbashkët është U:

Tarifa totale:

Kapaciteti që rezulton:

Krahaso me lidhjen paralele të rezistencave R:

Kështu, kur kondensatorët janë të lidhur paralelisht, kapaciteti total

Kapaciteti total është më i madh se kapaciteti më i madh i baterisë.

2) Lidhja serike e kondensatorëve (fig.5.10):

E zakonshme është tarifa q.

Ose , nga këtu

(5.4.6)

Krahasoni me lidhjen serike R:

Kështu, kur kondensatorët janë të lidhur në seri, kapaciteti total është më i vogël se kapaciteti më i vogël i përfshirë në bateri:

Llogaritja e kapaciteteve të kondensatorëve të ndryshëm

1.Kapaciteti i një kondensatori të sheshtë

Forca e fushës brenda kondensatorit (Figura 5.11):

Tensioni midis pllakave:

ku është distanca midis pllakave.

Që nga akuza, atëherë

.

(5.4.7)

Siç mund ta shihni nga formula, konstanta dielektrike e një substance ka një efekt shumë të fortë në kapacitetin e një kondensatori. Kjo mund të shihet në mënyrë eksperimentale: ne ngarkojmë elektroskopin, sjellim një pllakë metalike në të - morëm një kondensator (për shkak të induksionit elektrostatik, potenciali është rritur). Nëse midis pllakave futet një dielektrik me ε, më shumë se ai i ajrit, atëherë kapaciteti i kondensatorit do të rritet.

Nga (5.4.6) është e mundur të merren njësitë matëse ε 0:

(5.4.8)

.

2. Kapaciteti cilindrik i kondensatorit

Diferenca potenciale midis pllakave të kondensatorit cilindrik të paraqitur në figurën 5.12 mund të llogaritet duke përdorur formulën:

Një nga komponentët elektronikë më të zakonshëm është një kondensator. Në bisedë, elementë të tillë quhen "kapacitet". Dizajni më i thjeshtë për prodhim dhe llogaritje është një kondensator i sheshtë.

Çfarë është një kondensator i sheshtë

Ky koncept i referohet një strukture të përbërë nga dy pllaka paralele me njëra-tjetrën. Distanca midis tyre duhet të jetë shumë herë më e madhe se dimensionet e vetë pllakave. Në këtë rast, efektet e skajit mund të neglizhohen. Përndryshe, këto efekte bëhen shumë të rëndësishme, dhe formulat për llogaritjen e kapacitetit bëhen shumë komplekse.

E rëndësishme! Një emër tjetër për këto pllaka është pllaka.

Secila prej elektrodave krijon rreth vetes një fushë elektrike me të njëjtën madhësi dhe drejtim të kundërt: në pllakën e ngarkuar pozitivisht, q +, dhe në negative - q-.

Në një kondensator të sheshtë, fusha elektrike është midis pllakave dhe është uniforme. Intensiteti i tij llogaritet me formulën:

E∑ = qεε0 * S, ku:

• q është ngarkesa e elektrodave;
• S është zona e pllakave;
• ε është konstanta dielektrike e materialit midis tyre - një parametër që përcakton se sa herë efekti i ngarkesave mbi njëri-tjetrin është më i fortë se sa në vakum ;
• Fmε0 = 8,85 * 10−12 f / m - konstante elektrike.

Çfarë përcakton kapacitetin e një kondensatori

Për të llogaritur kapacitetin, zbatohet formula:

C = ε * ε0 * Sd, ku:

• S është zona e pllakave;
• d është distanca ndërmjet tyre;
• Fmε0 = 8,85 * 10−12 f / m - konstante elektrike;
• ε është konstanta dielektrike e materialit izolues ndërmjet elektrodave.

Kështu, kapaciteti varet nga zona e pllakave, distanca midis tyre dhe konstanta dielektrike e materialit izolues.

Për të zvogëluar madhësinë e "sanduiçit" të elektrodave të sheshta me një izolant midis tyre është mbështjellë. Me kusht që trashësia e izolatorit të jetë shumë herë më e vogël se rrezja e cilindrit, kjo e fundit mund të neglizhohet.

Një mënyrë tjetër për të rritur kapacitetin është zvogëlimi i distancës midis pllakave, ndërsa forca elektrike zvogëlohet - voltazhi në të cilin kondensatori prishet dhe dështon.

Interesante. Në një lloj të ri kondensatorësh - superkondensatorë, karboni i aktivizuar ose grafeni përdoren si pllaka, struktura poroze e të cilave bën të mundur shumëfishimin e kapacitetit të elementeve (deri në disa farad).

Ngarkimi dhe shkarkimi i kondensatorëve

Elektronet e lira janë bartës të ngarkesës në metale. Kur pajisja lidhet me një burim tensioni: një bateri, akumulator ose rrjet, elektronet nga pllaka e lidhur me polin pozitiv të baterisë do të nxitojnë në burimin e energjisë dhe pllaka do të ngarkohet pozitivisht. Elektronet do të fillojnë të rrjedhin në pllakën e lidhur me polin negativ. Ky proces është paraqitur në figurën më poshtë.

Kjo rrit fuqinë e fushës elektrike në pajisje midis elektrodave dhe tensionit në të gjithë pajisjen. Ky proces do të përfundojë kur tensioni ndërmjet terminaleve të elementit të bëhet i barabartë me tensionin e rrjetit. Në këtë rast, një sasi e caktuar energjie do të ruhet brenda saj, e cila llogaritet me formulën:

E = (U² * C) / 2, ku:

• E - energjia (J);
• U - tension (V);
• C - kapaciteti (μF).

Kur pajisja lidhet me qarkun e ngarkesës, elektronet e tepërta nga terminali negativ përmes ngarkesës do të fillojnë të rrjedhin në terminalin pozitiv. Kjo lëvizje do të përfundojë kur potenciali të barazohet midis terminaleve.

Ky proces nuk mund të ndodhë menjëherë, gjë që lejon përdorimin e kondensatorëve si një filtër që zbut valët e tensionit në rrjet.

E rëndësishme! Një kondensator i ngarkuar nuk kalon rrymë direkte, pasi dielektriku midis pllakave të tij hap qarkun.

Llogaritja e kapacitetit të kondensatorëve të sheshtë

Kapaciteti i një pajisjeje ideale, në të cilën ka ajër midis pllakave, mund të llogaritet duke përdorur formulën:

Co = Q / U, ku:

• Bashkë-kapaciteti;
• Q është ngarkesa në njërën nga pllakat e pajisjes;
• U është diferenca potenciale ose tensioni ndërmjet terminaleve.

Ky parametër varet vetëm nga voltazhi dhe ngarkesa e akumuluar, por ato ndryshojnë me ndryshimet në distancën midis pllakave dhe llojin e dielektrikut midis tyre. Kjo merret parasysh në formulën:

С = Co * ε, ku:

• С - kapaciteti real;
• Pra - perfekt;
• ε është konstanta dielektrike e materialit izolues.

Njësia e kapacitetit është 1 farad (1F, 1F). Ka edhe vlera më të vogla:

• Mikrofaradat (1mkF, 1mkF). 1000000mkF = 1F;
• Picofarads (1pF, 1pF). 1000000pF = 1mkF.

Tensioni i lejuar

Përveç kapacitetit, një parametër i rëndësishëm që ndikon në përdorimin e një elementi dhe dimensionet e tij është voltazhi i lejuar. Kjo është vlera e diferencës së mundshme në terminalet e pajisjes, nëse tejkalohet, do të ketë një prishje elektrike të dielektrikut midis pllakave, një qark të shkurtër brenda strukturës dhe dështimin e tij.

Në mungesë të një elementi me parametrat e kërkuar, mund të lidhni së bashku pajisjet ekzistuese.

Ekzistojnë tre lloje të lidhjeve: serike, paralele dhe e përzier, e cila është një kombinim i paraleles dhe serisë.

Llogaritja e lidhjes serike

Me këtë lloj lidhjeje, tarifat në të gjitha pllakat janë të njëjta:

Kjo është për shkak se voltazhi i furnizimit me energji furnizohet vetëm në terminalet e jashtme të elementëve më të jashtëm. Në këtë rast, ka një transferim të ngarkesës nga një elektrodë në tjetrën.

Në këtë rast, voltazhi shpërndahet në përpjesëtim të zhdrejtë me kapacitetin:

U1 = Q / C1, U2 = Q / C2,…, Un = Q / Cn.

Tensioni përfundimtar është i barabartë me tensionin e rrjetit:

Përdorimi = U1 + U2 +… + Un.

Kapaciteti ekuivalent përcaktohet nga formula:

• С = Q / U = Q / (U1 + U2 + ... + Un),
• С = 1 / С1 + 1 / С2 + ... + 1 / Cn,
• ose shtimi i përcjellshmërive.

Referenca. Përçueshmëria është reciproke e rezistencës.

Llogaritja e lidhjes paralele

Kur lidhen paralelisht, pllakat e elementeve lidhen në çifte. Tensioni në të gjitha pajisjet është i barabartë me njëri-tjetrin, dhe tarifat ndryshojnë në varësi të kapacitetit:

Q1 = C1U, Q2 = C2U,… Qn = CnU.

Ngarkesa totale e sistemit është e barabartë me shumën totale për të gjithë elementët:

a kapaciteti total është i barabartë me totalin për të gjitha pajisjet:

C = Q / U = (Q1 + Q2 +… + Qn) / U = C1 + C2 +… Cn.

Si të kontrolloni kapacitetin e një kondensatori

Në mungesë të shenjave në kutinë e pajisjes ose në dyshime për shërbimin e saj, kapaciteti i kondensatorit përcaktohet me një multimetër, i cili ka funksionet e duhura, ose me një voltmetër dhe ampermetër të zakonshëm.

Kontrolloni duke matur kohën e karikimit

Kur një element kapacitiv lidhet me një rrjet DC përmes një rezistence, voltazhi në terminalet e tij rritet në mënyrë eksponenciale dhe gjatë një periudhe kohore 3R * C do të bëhet e barabartë me 95% të U të rrjetit.

Prandaj, duke ditur vlerën e rezistencës, parametrat e kondensatorit përcaktohen nga formula:

Vlera e rezistencës varet nga parametrat e pritshëm të elementit të matur dhe përcaktohet në mënyrë empirike.

E rëndësishme! Në këtë mënyrë, ju mund të përcaktoni kapacitetin e kondensatorit nga 0,25 μF dhe më lart.

Matja e kapacitetit

Përveç përcaktimit të kohës së karikimit, mund të zbuloni rezistencën kondensative. Varet nga frekuenca e tensionit në terminalet e pajisjes:

Xc = 1/2 * π * f * C, ku:

• Xc - rezistenca kapacitive;
• π - numri "pi" (3.14);
• f - frekuenca e rrjetit (në prizë 50 Hz);
• C është kapaciteti i kondensatorit.

Pasi të keni lidhur kondensatorin në rrjet, Xc mund të përcaktohet në dy mënyra:

• duke ditur tensionin e rrjetit dhe rrymën që rrjedh në të sipas ligjit të Ohm-it:

• lidhni një rezistencë 10 kOhm në seri me elementin e matur, matni tensionin në të gjitha pjesët dhe rezistenca kondensative përcaktohet me formulën Xc = (Ur * Uc) / R.

Kontrolli i shërbimit me një testues

Nëse është e nevojshme të kontrolloni shërbimin e një pajisjeje elektronike, por nuk është e mundur të bëhen matje afatgjata, atëherë kjo mund të bëhet me një testues ose ton të numrit LED. Për ta bërë këtë, duhet të lidhni testuesin me terminalet. Në një pajisje pune, testuesi do të tregojë një qark gjatë karikimit, dhe pas përfundimit të tij, një qark të hapur. Kthimi i polaritetit dyfishon kohën e karikimit.

Njohuritë se si llogaritet dhe kontrollohet kapaciteti i një kondensatori të sheshtë është i nevojshëm në projektimin dhe riparimin e pajisjeve elektrike dhe pajisjeve elektronike.

Video

Siç e dini, ekziston një fushë elektrike rreth trupave të ngarkuar që ka energji.

A është e mundur të grumbullohen ngarkesa dhe energji të një fushe elektrike? Pajisja që lejon grumbullimin e ngarkesave është kondensator(nga lat.condensare - kondensim). Kondensatori më i thjeshtë i sheshtë përbëhet nga dy pllaka identike metalike - pllaka, të vendosura në një distancë të vogël nga njëra-tjetra dhe të ndara nga një shtresë dielektrike, për shembull, ajri (Fig. 83). Trashësia dielektrike është e vogël në krahasim me dimensionet e pllakave.

Oriz. 83. Kondensatori më i thjeshtë dhe emërtimi i tij në diagram

Le të demonstrojmë me përvojë aftësinë e një kondensatori për të ruajtur ngarkesat. Për ta bërë këtë, lidhni dy pllaka metalike në pole të ndryshme të makinës elektroforetike (Fig. 84). Pllakat do të marrin ngarkesa të të njëjtit modul, por të ndryshëm në shenjë. Do të shfaqet një fushë elektrike. Fusha elektrike e kondensatorit është praktikisht e përqendruar midis pllakave brenda kondensatorit.

Oriz. 84. Ngarkimi i një kondensatori nga një makinë elektrike

Pas fikjes së makinës elektroforetike, ngarkesat në pllaka dhe fusha elektrike midis tyre do të mbeten.

Nëse pllakat e një kondensatori të ngarkuar janë të lidhura me një përcjellës, atëherë një rrymë do të rrjedhë nëpër përcjellës për ca kohë. Kjo do të thotë që një kondensator i ngarkuar është një burim aktual.

Në varësi të dielektrikut, ekzistojnë disa lloje kondensatorësh: me dielektrikë të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë. Ato dallohen edhe nga forma e pllakave: të sheshta, cilindrike, sferike etj (Fig. 85).

Oriz. 85. Lloje të ndryshme kondensatorësh

Vetia e një kondensatori për të grumbulluar ngarkesa elektrike karakterizohet nga kapaciteti elektrik, ose kapacitet. Për të kuptuar se nga varet kjo sasi fizike, le t'i drejtohemi përvojës.

Ne lidhim dy pllaka metalike, të fiksuara në mbështetëse izoluese paralelisht me njëra-tjetrën, me një elektrometër. Njërën prej pllakave e lidhim me shufrën e elektrometrit, dhe tjetrën me tokëzimin duke e lidhur me trupin e pajisjes (Fig. 86, a). Le të prekim anën e jashtme të pllakës A me një top të elektrizuar, duke i dhënë asaj një ngarkesë pozitive + q. Nën veprimin e fushës elektrike të pllakës A, një rishpërndarje e ngarkesave do të ndodhë në pllakën B: ngarkesat negative do të vendosen në anën e brendshme të pllakës. Elektrone të lira do të vijnë nga toka për të neutralizuar ngarkesat pozitive në pjesën e jashtme të pllakës B. Kështu, një ngarkesë e barabartë negative -q do të shfaqet në pllakën B.

Oriz. 86. Varësia e kapacitetit të kondensatorit nga zona, distanca midis pllakave, dielektriku midis pllakave

Gjilpëra e elektrometrit do të devijojë nga pozicioni zero. Me ndihmën e topave të ngarkuar njësoj, ne do të vazhdojmë të transferojmë ngarkesat në kondensator në pjesë të barabarta të njëpasnjëshme. Do të vërejmë se me një rritje të ngarkesës me 2, 3, 4 herë, përkatësisht, me 2, 3, 4 herë, leximet e elektrometrit do të rriten, d.m.th., do të rritet tensioni midis pllakave të kondensatorit. Për më tepër, raporti i ngarkesës ndaj tensionit do të mbetet konstant:

Vlera e matur nga raporti i ngarkesës së njërës prej pllakave të kondensatorit me tensionin midis pllakave quhet kapaciteti i kondensatorit.

Kapaciteti i kondensatorit llogaritet me formulën:

Njësia e kapacitetit në SI është farad (F), emri është dhënë për nder të fizikantit anglez Michael Faraday. Kapaciteti i një kondensatori është i barabartë me njësinë nëse, kur i jepet një ngarkesë prej 1 C, ndodh një tension prej 1V.

1 F është një kapacitet shumë i madh, prandaj, në praktikë, përdoren mikrofarad (μF) dhe picofarad (pF).

1 μF = 10 -6 F; 1 pF = 10 -12 F.

Le të zbulojmë se çfarë përcakton kapacitetin e kondensatorit. Për ta bërë këtë, merrni një kondensator me pllaka që kanë një sipërfaqe të madhe (Fig. 86, b). Le të përsërisim përvojën. Raporti i ngarkesës ndaj tensionit mbetet konstant në këtë rast.

por raporti i ngarkesës me tensionin tani është më i madh se në eksperimentin e parë, d.m.th. C1> C. Sa më e madhe të jetë zona e pllakave, aq më i madh është kapaciteti i kondensatorit..

Le të bëjmë përsëri eksperimentin e parë, por tani do të ndryshojmë distancën midis pllakave (Fig. 86, c). Ndërsa distanca midis pllakave zvogëlohet, stresi midis tyre zvogëlohet. Me një ulje të distancës midis pllakave të kondensatorit me një ngarkesë konstante, kapaciteti i kondensatorit rritet.

Le të bëjmë edhe një eksperiment. Le të instalojmë pllakat e kondensatorit A dhe B në një distancë nga njëri-tjetri. Ne ngarkojmë pllakën A. Vini re leximet e elektrometrit kur ka ajër midis pllakave. Ne vendosim një fletë pleksiglasi ose një dielektrik tjetër midis pllakave (Fig. 86, d). Do të vërejmë se tensioni ndërmjet pllakave do të ulet. Rrjedhimisht, kapaciteti i kondensatorit varet nga vetitë e dielektrikut të futur.

Kur futet një dielektrik, kapaciteti i kondensatorit rritet.

Një kondensator, si çdo trup i ngarkuar, ka energji. Le ta kontrollojmë nga përvoja. Le të ngarkojmë kondensatorin dhe të lidhim një llambë me të. Drita do të pulsojë me shkëlqim. Kjo tregon që kondensatori i ngarkuar ka energji. Energjia nga kondensatori shndërrohet në energji të brendshme nga filamenti dhe telat e llambës. Për të ngarkuar kondensatorin, duhej punuar për të ndarë ngarkesat pozitive dhe negative. Në përputhje me ligjin e ruajtjes së energjisë, puna e bërë A është e barabartë me energjinë e kondensatorit E, d.m.th.

ku E është energjia e kondensatorit.

Puna që bën fusha elektrike e një kondensatori mund të gjendet me formulën:

ku Uav është vlera mesatare e tensionit.

Meqenëse voltazhi nuk mbetet konstant gjatë procesit të shkarkimit, është e nevojshme të gjendet vlera mesatare e tensionit:

Uav = U / 2; atëherë A = qU cf = qU / 2,
meqenëse q = CU, atëherë A = CU 2/2.

Kjo do të thotë që energjia e një kondensatori me kapacitet C do të jetë e barabartë me:

Kondensatorët mund të ruajnë energji për një kohë të gjatë, dhe kur shkarkohen, ata e heqin atë pothuajse menjëherë. Vetia e një kondensatori për të grumbulluar dhe lëshuar shpejt energji elektrike përdoret gjerësisht në pajisjet elektrike dhe elektronike, në teknologjinë mjekësore (pajisje me rreze X, pajisje elektroterapie), në prodhimin e dozimetrave dhe fotografimin ajror.

Pyetje

1. Për çfarë janë kondensatorët?
2. Çfarë e karakterizon kapacitetin e një kondensatori?
3. Cila është njësia SI e kapacitetit elektrik?
4. Çfarë përcakton kapacitetin e një kondensatori?

Ushtrimi numër 38

1. Pllakat e një kondensatori të sheshtë janë të lidhura me një burim tensioni prej 220 V. Kapaciteti i kondensatorit është 1.5 10 -4 μF. Me çfarë do të jetë e barabartë ngarkesa e kondensatorit?
2. Ngarkesa e një kondensatori të sheshtë është 2.7 10 -2 C, kapaciteti i tij është 0.01 μF. Gjeni tensionin midis pllakave të kondensatorit.

Ushtrimi

1. Duke përdorur internetin, zbuloni se si është rregulluar kondensatori i parë - banka Leyden. Bëje.
2. Përgatitni një bisedë për historinë e kondensatorit.