Конденсаторы это физика

Если вы рассмотрите печатную плату даже самого простого электронного устройства, то обязательно увидите конденсатор, а чаще всего встретите множество этих элементов. Присутствие этих изделий на различных электронных схемах объясняется свойствами данных радиоэлементов, широким диапазоном функций, которые они выполняют.

В настоящее время промышленность поставляет на рынок конденсаторную продукцию различных видов (рис. 1). Параметры изделий варьируются в широких пределах, что позволяет легко подобрать радиодеталь для конкретной цели.

Рис. 1. Распространённые типы конденсаторов

Рассмотрим более подробно конструкции и основные параметры этих вездесущих радиоэлементов.

Что такое конденсатор?

В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.

Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.

Конструкция и принцип работы

Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.

Рис. 2. Модель простейшего конденсаторного устройства

Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.

При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.

Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.

Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.

В качестве диэлектриков применяют:

  • бумагу;
  • полипропилен;
  • тефлон;
  • стекло;
  • полистирол;
  • органические синтетические плёнки;
  • эмаль;
  • титанит бария;
  • керамику и различные оксидные материалы.

Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.

Рис. 3. Конструкция радиального электролитического конденсатора

Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.

На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.

Рисунок 4. Обозначение полярности выводов

Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.

Свойства

Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.

В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.

Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.

Рис. 5. Пусковой конденсатор с проводами

Основные параметры и характеристики

Ёмкость.

Важным параметром конденсатора является его номинальная ёмкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:

С = (ε*ε0*S) / d,

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S – размеры обкладок (площадь пластин), d – расстояние между пластинами (обкладками).

Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию ёмкостью в несколько фарад, если параллельно соединить огромное число обкладок. В этом случае реальная ёмкость равняется сумме всех ёмкостей обкладок.

Максимальные емкости некоторых конденсаторов могут достигать нескольких фарад.

Удельная ёмкость.

Величина, характеризующая отношение ёмкости к объёму или к массе радиодетали. Данный параметр важен в микроэлектронике, где размеры деталей очень важны.

Номинальное напряжение.

Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение – значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других его параметров. При превышении критической величины равной напряжению пробоя происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение подбирают заведомо большее любых возможных максимальных амплитуд синусоидального тока в цепи конденсатора.

Существуют характеристики, такие как тангенс угла потерь, температурный коэффициент ёмкости, сопротивление утечки, диэлектрическая абсорбция и др., которые интересны только узким специалистам, а их параметры можно узнать из специальных справочников.

Классификация

Основные параметры конденсаторных изделий определяются типом диэлектрика. От материала зависит стабильность ёмкости, тангенс диэлектрических потерь, пьезоэффект и другие. Исходя из этого, классификацию моделей целесообразно осуществлять именно по виду диэлектрика.

По данному признаку различают следующие типы изделий:

  • вакуумные;
  • с воздушным диэлектриком;
  • радиоэлементы, в которых диэлектриком является жидкость;
  • с твёрдым неорганическим диэлектриком (стекло, слюда, керамика). Характеризуются малым током утечки;
  • модели с бумажным диэлектриком и комбинированные, бумажно-плёночные;
  • масляные конденсаторы постоянного тока;
  • электролитические;
  • категория оксидных конденсаторов, к которым относятся оксидно-полупроводниковые и танталовые конденсаторы;
  • твёрдотельные, у которых вместо жидкого электролита используется органический полимер или полимеризованный полупроводник.

В твёрдотельных моделях срок службы больший, чем у жидко-электролитических и составляет около 50 000 часов. У них меньшее внутренне сопротивление, то есть ЭПС почти не зависит от температуры, они не взрываются.

Классифицируют изделия и по другому важному параметру – изменению ёмкости. По данному признаку различают:

  • постоянные конденсаторы, то есть те, которые имеют постоянную емкость;
  • переменные, у которых можно управлять изменением ёмкости механическим способом либо с помощью приложенного напряжения (варикапы и вариконды), а также путём изменения температуры (термоконденсаторы);
  • класс подстроечных конденсаторов, которые используют для подстройки или выравнивания рабочих ёмкостей при настройке контуров, а также с целью периодической подстройки различных схем.

Все существующие конденсаторы можно условно разделить на общие и специальные. К изделиям общего назначения относятся самые распространённые низковольтные конденсаторы (см. рис. 6). К ним не предъявляют особых требований.

Рис. 6. Конденсаторы общего назначения

Все остальные ёмкостные радиоэлементы принадлежат к классу специального назначения:

  • импульсные;
  • пусковые;
  • высоковольтные (см. рис. 7);
  • помехоподавляющие,
  • дозиметрические и др.;

Рис. 7. Высоковольтные конденсаторы

Изображённые на фото устройства могут работать в высоковольтных цепях сравнительно низкой частоты.

Маркировка

Для маркировки отечественных изделий применялась буквенная система. Сегодня распространена цифровая маркировка. В буквенной системе применялись символы:

  • К – конденсатор;
  • Б, К, С, Э и т. д – тип диэлектрика, например: К – керамический, Э – электролитический;
  • На третьем месте стоял символ, обозначающий особенности исполнения.

В данной системе маркировки иногда первую букву опускали.

В новой системе маркировки на первом месте может стоять буква К, а после неё идёт буквенно-цифровой код. Для обозначения номинала, вида диэлектрика и номера разработки используют цифры. Пример такой маркировки показан на рисунке 8. Обратите внимание на то, что на корпусе электролитического конденсатора обозначена полярность включения.

Рис. 8. Маркировка конденсаторов

  • Ёмкость от 0 до 999 пФ указывают в пикофарадах, например: 250p:
  • от 1000 до 999999 пФ – в нанофарадах: n180;
  • от 1 до 999 мкФ – в микрофарадах: 2μ5;
  • от 1000 до 999999 мкФ – в миллифарадах: m150;
  • ёмкость, больше значения 999999 мкФ, указывают в фарадах.

Обозначение на схемах

Каждое семейство конденсаторов имеет своё обозначение, позволяющее визуально определить его тип (см. рис. 9).

Рис. 9. Обозначение на схемах

Соединение конденсаторов

Существует два способа соединения: параллельное и последовательное. При параллельном соединении общая ёмкость равна сумме ёмкостей отдельных элементов: Собщ. = С1 + С2 + … + Сn.

Для последовательного соединения расчёт ёмкости рассчитывается по формуле: Cобщ. = ( C1* C2 *…* Cm ) / ( C1 + C2+…+Cn )

Чтобы быстро посчитать общую емкость соединенных конденсаторов лучше воспользоваться нашими калькуляторами:

Применение

Конденсаторы применяются почти во всех областях электротехники. Перечислим лишь некоторые из них:

  • построение цепей обратной связи, фильтров, колебательных контуров;
  • использование в качестве элемента памяти;
  • для компенсации реактивной мощности;
  • для реализации логики в некоторых видах защит;
  • в качестве датчика для измерения уровня жидкости;
  • для запуска электродвигателей в однофазных сетях переменного тока.

С помощью этого радиоэлектронного элемента можно получать импульсы большой мощности, что используется, например, в фотовспышках, в системах зажигания карбюраторных двигателей.

Помогите проекту. Поделитесь с друзьями.

Конденсаторы выполняют множество полезных функций в схемах электронных устройств, несмотря на их простую конструкцию. Если разобрать до деталей несколько радиоэлектронных устройств, и сосчитать их, то окажется, что количество, рассматриваемых в данной статье элементов, превысит количество других отдельных радиоэлектронных приборов, в том числе и резисторов. Ввиду такого обстоятельства, нам следует уделить особое внимание конструкции, устройству и принципу работы конденсаторов.

Принцип работы конденсатора

Для большего понимания принципа работы конденсатора рассмотрим его конструкцию. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин, называемых обкладками. Между обкладками расположен диэлектрик, то есть веществом, которое практически не пропускает электрический ток. Обкладки, как правило, имеют одинаковые геометрические размеры (квадрат, прямоугольник, круг) и равны по площади. Пластинки выполняются из алюминия, меди или драгоценных металлов. Наличие в составе обкладок драгоценных металлов вызывает повышенную охоту на радиорынках за советскими образцами данного радиоэлектронного элемента.

В качестве диэлектрика, расположенного между пластинами, применяют сухую бумагу, керамику, фарфор, воздух и т.п.

Принцип работы конденсатора состоит в следующем. Если одну пластину подключить к плюсу источника электрического тока, а втору – к минусу, то обе пластины зарядятся разноименными зарядами. Заряды будут продолжать удерживаться на обкладках даже после отсоединения источника питания. Это поясняется тем, что заряды разных знаков («+» и «-«) стремятся притянуться друг к другу. Однако этому препятствует диэлектрик (материал, не проводящий заряды), расположенный на их пути. Поэтому заряды, распределенные по всей площади обкладок, остаются на своих местах и удерживаются силами взаимного притяжения.

Поляризация диэлектрика

Такое явление называется накоплением электрических зарядов. А конденсатор называют накопителем электрического поля, так как вокруг каждого заряд действует электрическое поле, под действием которого диэлектрик поляризуется, то есть молекулы его становятся полярными – имеют четко выраженные положительный и отрицательный полюса. Полюса молекул непроводящего вещества ориентированы вдоль линий электрического поля, созданного зарядами, расположенными на обкладках. Причем отрицательный полюс молекулы направлен к положительной пластинке, а положительный – к отрицательной.

Способность накапливать электрические заряды характеризуется емкостью конденсатора, отсюда происходит обозначение его на чертежах электрических схем C ( англ. capacitor – накопитель). Аналогично емкости сосуда – чем больше емкость сосуда, тем больше в нем помещается жидкости.

Емкость конденсатора относится к главному параметру и измеряется в фарадах , названная в честь выдающегося английского физика Майкла Фарадея.

Следует обратить внимание: правильно говорить не «один фарад», а «одна фарада».

Емкостью в одну фараду обладает конденсатор, который накапливает заряд, величиной в один кулон, если приложит к пластинкам напряжение один вольт.

Ранее часто можно было услышать такое утверждение, что емкость в 1 Ф – это очень много – почти емкость нашей планеты. Однако сейчас, с появлением суперконденсаторов так больше не говорят, поскольку емкость последних достигает сотни фарад. Тем не менее в большинстве электронных схем используют накопители меньшей C – пикофарады, нанофарады и микрофарады.

Расчет емкости конденсатора

Расчет емкости конденсаторов довольно прост. Она определяется тремя параметрами: площадью пластины S, расстоянием между пластинами d и типом диэлектрика ε:

Физический смысл данной формулы следующий: чем больше площадь обкладок, тем больше зарядов на ней может расположиться (накопиться); чем больше расстояние между пластинами и соответственно между зарядами, тем меньшая сила их взаимного притяжения – тем слабее они удерживаются на обкладках, поэтому зарядам легче покинуть обкладки, что приводит к снижению их числа, а следовательно и уменьшению емкости накопителя электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз заряд конденсатора с данным диэлектриком превосходит заряд аналогичного накопителя, если между его пластинками той же площади и находящихся на таком же расстоянии вакуум. Для воздуха ε равна единице, то есть практически ничем не отличается от вакуума. Сухая бумага обладает диэлектрической проницаемостью в два раза больше воздуха; фарфор – в четыре с половиной раза ε = 4,5. Конденсаторная керамика имеет ε = 10..200 единиц.

Отсюда вытекает важный вывод: чтобы получить максимальную емкость при сохранении прежних геометрических размеров, следует применять диэлектрик с максимальной диэлектрической проницаемостью. Поэтому в широко распространённых плоских конденсаторах используют керамику.

Конденсатор в цепи постоянного и переменного тока

Поскольку между обкладками конденсатора находится диэлектрик, то электрический ток от одной пластинки к другой протекать не может, следовательно, образуется разрыв электрической цепи для постоянного и для переменного тока. Поэтому уверенно можем сказать, что конденсатор не пропускает постоянный ток! Переменный ток он также не пропускает, однако переменный ток постоянно перезаряжает накопитель, что создает картину, будь-то переменный тока проходит сквозь обкладки конденсатора.

Если к обкладкам разряженного конденсатора приложить постоянное напряжение, то в цепи начнет протекать электрический ток. По мере его заряда ток будет снижаться и при равности напряжений на пластинках и источника питания, ток перестанет протекать – образуется как бы разрыв электрической цепи.

Конденсаторы постоянной емкости

Емкость таких конденсаторов не предусмотрено изменять в процессе эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры. Они отличаются широчайшим разнообразием и геометрическими размерами – от спичечной головки до огромных шкафов и находят наибольшее применение в печатных платах электронных устройств. Самые распространенные экземпляры показаны на фото.

Конденсаторы переменной емкости КПЕ

Для изменения емкости отдельного узла электрической цепи непосредственно в процессе эксплуатации электронного устройства применяют конденсаторы переменной емкости (КПЕ). Главным образом КПЕ использовались в приемниках старого образца для настройки колебательного контура на резонансную частоту радиостанции. Однако сейчас вместо КПЕ применяют варикапы – полупроводниковые диоды, емкость которых определяется величиной подведенного обратного напряжения. Теперь достаточно изменить напряжение, подаваемое на варикап, чтобы изменить емкость последнего, а результате и частоту колебательного контура.

Как правило, КПЕ состоит из ряда параллельно расположенных металлических пластин, разделенных воздухом, поэтому габариты их весьма значительны. Варикапы, напротив – имеют гораздо меньшие габариты, потому и заменили КПЕ.

Подстроечные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы используются в узлах окончательной настройки радиоэлектронной аппаратуры. Чаще всего они встречаются в различного рода колебательных контурах или в устройствах, связанных с формированием частоты; в измерительных приборах. Также можно найти их в щупах цифровых осциллографов. Там они используются для устранения собственной емкости измерительных щупов, что позволяет максимально исключить погрешности при выполнении измерений высокочастотных сигналов.

Электролитические конденсаторы

Главным отличием и преимуществом электролитических конденсаторов является большая емкость при малых габаритах. Благодаря такому свойству они широко используются в качестве электрических фильтров для сглаживания выпрямленного напряжения, что делает их неотъемлемой частью любого блока питания.

Конструктивно электролитический конденсатор из алюминиевой фольги, которая служит одной из обкладок. Фольга смотана в рулон в виде цилиндра, что позволяет увеличить активную площадь обкладки. На фольгу наносится оксидный слой, который является диэлектриком. Второй обкладкой служит электролит или слой полупроводника. По этой причине электролитические конденсаторы являются полярными (значительно реже применяются и неполярные), то есть необходимо соблюдать полярность при включении их в цепь. В противном случае он выйдет из строя, чаще всего – взорвется. Поэтому следует быть крайне внимательным при включении такого радиоэлектронного элемента в электрическую цепь, что часто забывают делать при замене данного компонента.

Отрицательный вывод нового электролитического конденсатора короче положительного, а на корпусе рядом с ним наносится соответствующий знак – минус. В советской маркировке напротив, маркируется положительный вывод, со стороны которого на корпус наносится знак «+».

Также на корпусах электролитических конденсаторов в обязательном порядке присутствуют значения трех основных параметров: номинальное значение емкости, максимальное допустимое напряжение и максимальная рабочая температура.

Если с емкостью и допустимой температурой все понятно, то особое внимание следует направить на напряжение.

На электролитический конденсатор нельзя подавать напряжение, величина которого больше, чем указано на корпусе. В противном случае он взорвется. Большинство разработчиков электронной аппаратуры советуют не превышать напряжение на пластинках больше 80 % от допустимого значения.

Обозначение конденсаторов в схемах

На чертежах электрических схем обозначение конденсаторов строго стандартизировано. Однако данный радиоэлектронный элемент можно всегда узнать в схеме по двум параллельным, рядом расположенным вертикальным черточкам. Две вертикальные лини обозначают две обкладки. Эти черточки подписываются латинской буквой C, рядом с которой указывается порядковый номер элемента в схеме, а ниже или сбоку указывается значение емкости в микрофарадах или пикофарадах.

Маркировка конденсаторов

По мере развития электроники развивается и элементная база. Поскольку многие страны производят собственные радиоэлектронные элементы, то и маркировка их отличается от маркировки радиоэлектронных элементов других стран. Поэтому на первых этапах промышленного производства электроники применялось много разнообразных типов маркировки, однако стремление к унификации привело к более-менее ее упорядочению. Это позволило привести и маркировку конденсаторов к общим правилам. А преимущество здесь очевидное – радиоэлектронному элементу, произведенному в одной стране теперь можно довольно просто подобрать аналог производства другой страны. Идеально было бы свести все типы обозначений и маркировки привести к единому типу, что практически полностью уже выполнено.

Однако до сих пор широкий оборот имеют советские конденсаторы, отличающиеся небольшим, но разнообразием маркировки. В советской маркировке было задействовано все – цифры, буквы и цвета. Причем на корпуса элементов наносились как цифры с буквами, так и цвета, цифры и буквы. Цифры обозначают значение, буквы – единицы измерения.

Более распространенный тип маркировки состоит из цифр, которые обозначают емкость в пикофарадах, не путать с фарадами! Всегда нужно помнить, что в отличие от резисторов, маркировка которых выполняется в омах, базовой величиной размерности независимо от способа маркировки являются пикофарады (если цифры отделяются запятой, — то микрофарады). В общем, отсчет емкости начинается с пикофарад.

Также, ранее применялась исключительно цветовая маркировка – сплошной цвет с цветной точкой. Определить параметры можно только, воспользовавшись справочником.

Рассмотренные выше типы маркировки постепенно выходят из обихода, однако о них всегда помнят специалисты, выполняющие ремонт советской аппаратуры, в которой радиоэлементы имеют «старое» обозначение.

Наиболее удачным и совершенным способом обозначения электронных элементов является цифровое кодирование. Цифровое кодирование конденсаторов, как и резисторов, предполагает использование всего трех цифр. Такой подход позволяет реализовать множество комбинаций. Две цифры, расположенные слева обозначают мантису, то есть значащее число, а последняя – третья цифра показывает, сколько нулей нужно прибавить к двум предыдущим цифрам. Например, если на корпусе накопителя указано 153, то емкость его равна 15×103 = 15000 пФ = 15 нФ = 0,015 мкФ.

Помимо емкости накопители характеризуются еще рядом основных параметров, которые рассмотрены далее.

Маркировка SMD конденсаторов

Маркировка SMD конденсаторов может наноситься на корпус в виде цифрового кодирования, но в преобладающем большинство – это несколько запутанная шифровка, состоящая из одной или двух букв латинского алфавита. Если букв две – то первая обозначает производителя, что нас интересует в меньшей степени. А вот вторая или единственная буква обозначает мантису, аналогично, как и при цифровом кодировании. Оставшаяся цифра показывает количество нулей после мантисы. Расшифровать цифровое значение буквы можно с помощью таблицы, приведенной ниже.

SMD накопители с аналогичными характеристиками также отличаются размерами. Ряд стандартных размеров приведен в таблице и на рисунке, приведенных ниже. Особенно важно учитывать размеры радиоэлектронных элементов при проектировании печатных плат.

Маркировка электролитических SMD конденсаторов практически ничем не отличается от выводных аналогов. Отрицательная контактная площадка обозначается черной меткой на плоской стороне корпуса со стороны соответствующей контактной площадки. Также указываются допустимое напряжение в вольтах и емкость в микрофарадах.

Довольно часто встречаются корпуса, на которых отсутствуют какие-либо обозначения. Здесь может выручить только измеритель емкости.

Последовательное соединение конденсаторов

Последовательно соединение конденсаторов позволяет подать на их обкладки большее напряжение, чем на отдельный накопитель. Напряжение на пластинках распределяется в зависимости от емкости элемента.

Если два накопителя обладают одинаковой емкостью, то подведенное напряжение распределяется поровну между ними. Однако суммарная емкость будет в два раза меньше отдельного накопителя.

В общем случае, следует помнить такое правило: при последовательном соединении конденсаторов вместе они способны выдержать большее напряжение, но за это приходится расплачиваться снижением емкости.

Параллельное соединение конденсаторов

Такой способ соединения наиболее распространен в практическом применении, поскольку не всегда хватает емкости одного накопителя особенно в электрических фильтрах качественных блоков питания. Параллельное соединение конденсаторов реализует суммирование емкостей отдельных накопителей. Это довольно просто запомнить, опираясь на приведенную выше формулу, из которой видно, что с увеличением площади пластин повышается емкость.

Поэтому при параллельном соединении конденсаторов происходит как бы увеличение площади обкладок, благодаря чему они способны накопить большее число электрических зарядов.

Основные параметры и номиналы конденсаторов рассмотрены .

Помогите проекту. Поделитесь с друзьями.

Формула расчёта ёмкости конденсатора в зависимости от площади пластин

Один из наиболее важных эффектов, используемых в электронике, — ёмкость конденсаторов. Способность накапливать и хранить электрический заряд нашла применение практически во всех аналоговых цепях и логических схемах. Пассивные устройства, запасающие энергию в виде электрического поля, называли конденсаторами уже в те времена, когда учёные ещё очень мало знали о природе электричества.

История накопителей заряда

Самое раннее письменное свидетельство получения зарядов с помощью трения принадлежит учёному Фалесу из Милета (635—543 гг. до н. э.), который описал трибоэлектрический эффект от взаимодействия янтаря и сухой шерсти. Для приблизительно 2300 последующих лет любое получение электричества заключалось в трении двух различных материалов друг о друга.

Качественный рывок в знаниях о зарядах произошёл в эпоху Просвещения — период революционного развития научной мысли в образованных кругах. В это время электричество становится популярной темой, а энтузиастами было произведено немало опытов и экспериментов с генераторами на основе трения.

Первое устройство для хранения полученных зарядов было создано в 1745 г. двумя электриками (так тогда называли людей, изучающих природу статического электричества), работающими независимо друг от друга: Эвальдом фон Клейстом, деканом собора в Пруссии, и Питером ван Мюссенбруком, профессором математики и физики в университете Лейдена.

Открытие явления произошло во время опытов у обоих экспериментаторов, но с той разницей, что Мюссенбрук, во-первых, сделал немало усовершенствований первоначально созданного оборудования, а во-вторых, письменно сообщил коллегам о своих достижениях. Прошло совсем немного времени и учёные мира стали создавать накопители зарядов собственных конструкций. Это были первые шаги в эволюции конденсаторов, продолжающейся и в наши дни. Основные даты хронологии появления устройств для хранения зарядов:

  • 1746 г. — изобретение лейденской банки в результате экспериментов по доработке устройства Клейста;
  • 1750 г. — опыты Бенджамина Франклина с батареями конденсаторов;
  • 1837 г. — публикация Майклом Фарадеем теории диэлектрической поляризации — научной основы работы накопителей;
  • конец XIX в. — начало практического применения лейденских банок вместе с первыми устройствами постоянного тока;
  • начало XX в. — изобретение слюдяных и керамических конденсаторов.

Физика ёмкостных характеристик

Устройства, обладающие способностью хранения энергии в форме электрического заряда и производящие при этом разность потенциалов, называют конденсаторами. В простейшем виде они состоят из двух или более параллельных проводящих пластин, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга, но электрически разделённых либо воздухом, либо каким-либо другим изоляционным материалом, например, вощёной бумагой, слюдой, керамикой, пластмассой или специальным гелем.

Если подключить к пластинам источник напряжения, то одна из них получит избыток электронов, а на другой сформируется их дефицит. Ионы и электроны на каждой из этих пластин притягиваются друг к другу, но благодаря диэлектрическому барьеру они не соединяются, а накапливаются на плоскостях проводников. В результате первая пластина (электрод) окажется заряженной отрицательно, а вторая — положительно. Неподвижные заряды создают постоянное электрическое поле, теоретически сохраняемое неограниченное количество времени в незамкнутой электрической цепи.

Поток электронов на пластины называется зарядным током, продолжающим присутствовать до тех пор, пока напряжение на пластинах не сравняется с приложенным. В этот момент конденсатор считается полностью заряженным, то есть зарядов на пластинах становится так много, что они отталкивают вновь поступающие. При подключении к заряженному устройству нагрузки электроны и ионы находят новый путь друг к другу. В этом случае конденсатор работает как источник тока до момента потери разности потенциалов на электродах.

Способность конденсатора хранить заряд Q (измеряется в кулонах) называют ёмкостью. Чем больше площадь пластин и меньше расстояние между ними (благодаря усилению эффекта притяжения зарядов между обкладками), тем большая ёмкость устройства. Степень приближения пластин ограничивается способностью диэлектрика сопротивляться разрядке пробоем между ними. Таким образом, три характеристики определяют производительность конденсатора:

  • геометрия пластин;
  • расстояние между ними;
  • диэлектрический материал между пластинами.

Единица и формулы расчёта

Ёмкость в виде электрического свойства, способного хранить заряды, измеряется в фарадах (Ф) и обозначается С. Величина названа в честь английского физика Майкла Фарадея. Конденсатор ёмкостью 1 фарад способен хранить заряд в 1 кулон на пластинах с напряжением 1 вольт. Значение С всегда положительно.

Математическое выражение фарада

Ёмкость конденсатора — постоянная величина, означающая потенциальную способность хранить энергию. Количество заряда, хранимое в отдельно взятый момент, определяется уравнением Q=CV, где V — приложенное напряжение. Таким образом, регулируя напряжение на пластинах, можно увеличивать или уменьшать заряд. Эта формула ёмкости в виде C=Q/V в единичных значениях определяет, в чём измеряется ёмкость конденсатора в СИ, и является математическим выражением фарада.

Специалисты по электронике единицу в один фарад считают не совсем практичной, поскольку она представляет собой огромное значение. Даже 1/1000 F — это очень большая ёмкость. Как правило, для реальных электрических компонентов применяют следующие величины:

  • пикофарад — 10—12 Ф;
  • нанофарад — 10—9 Ф;
  • микрофарад — 10—6 Ф.

Диэлектрическая проницаемость

Фактор, благодаря которому изолятор определяет ёмкость конденсатора, называется диэлектрической проницаемостью. Обобщённая формула расчёта ёмкости конденсатора с параллельными пластинами представлена выражением C= ε (A / d), где:

  • А — площадь меньшей пластины;
  • d — расстояние между ними;
  • ε — абсолютная проницаемость используемого диэлектрического материала.

Диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 является константой и имеет значение 8,84х10—12 фарад на метр. Как правило, проводящие пластины разделены слоем изоляционного материала, а не вакуума. Чтобы найти ёмкость конденсатора, пластины которого находятся в воздухе, можно воспользоваться значением ε0. Разницей диэлектрической проницаемости атмосферы и вакуума можно пренебречь, поскольку их значения очень близки.

На практике в формулах нахождения ёмкости конденсатора используется относительная диэлектрическая проницаемость в качестве коэффициента, означающая, насколько электрическое поле между зарядами уменьшается в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Некоторые значения этой величины для различных материалов:

  • 1,0006 — воздух;
  • 2,5—3,5 — бумага;
  • 3—10 — стекло;
  • 5—7 — слюда.

Поскольку эффективность конденсатора зависит от применяемого в нём изолятора, его качество как накопителя можно определить через удельную ёмкость — величину, равную отношению ёмкости к объёму диэлектрика.

Практические измерения

Значение ёмкости конденсатора обозначается на корпусе в дробных фарадах или с помощью цветового кода. Но со временем компоненты способны потерять свои качества, поэтому для некоторых критических случаев последствия могут быть неприемлемыми. Существуют и другие обстоятельства, требующие измерений. Например, необходимость знать общую ёмкость цепи или части электрооборудования. Приборов, осуществляющих непосредственное считывание ёмкости, не существует, но значение может быть вычислено вручную или интегрированными в измерительные устройства процессорами.

Для обнаружения фактической ёмкости нередко используют осциллограф как средство измерения постоянной времени (т). Эта величина обозначает время в секундах, за которое конденсатор заряжается на 63%, и равна произведению сопротивления цепи в омах на ёмкость цепи в фарадах: т=RC. Осциллограф позволяет легко определить постоянную времени и даёт возможность с помощью расчётов найти искомую ёмкость.

Существует также немало моделей любительского и профессионального электронного измерительного оборудования, оснащённого функциями для тестирования конденсаторов. Многие цифровые мультиметры обладают возможностью определять ёмкость. Эти устройства способны контролируемо заряжать и разряжать конденсатор известным током и, анализируя нарастание результирующего напряжения, выдавать довольно точный результат. Единственный недостаток большинства таких приборов — сравнительно узкий диапазон измеряемых величин.

Более сложные и специализированные инструменты — мостовые измерители, испытывающие конденсаторы в мостовой схеме. Этот метод косвенного измерения обеспечивает высокую точность. Современные устройства такого типа оснащены цифровыми дисплеями и возможностью автоматизированного использования в производственной среде, они могут быть сопряжены с компьютерами и экспортировать показания для внешнего контроля.

Идея суперконденсатора

Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, обладающий одним недостатком — его трудно саккумулировать быстро. Химические батареи способны сохранять большое количество энергии, но требуют нескольких часов для полной зарядки. Этого недостатка лишены конденсаторы — они могут заряжаться практически мгновенно. Но их ёмкость не позволяет хранить большое количество энергии, поэтому весьма заманчивой выглядит идея суперконденсатора, сочетающего лучшие качества химических и электростатических накопителей электричества.

Несмотря на функциональную схожесть, аккумуляторные батареи и конденсаторы устроены совершенно по-разному. Гальванические элементы работают на принципе высвобождения электрической энергии во время химической реакции веществ внутри них. При истощении запаса активных реагентов они прекращают генерировать разность потенциалов и для нового цикла требуют инициирования током обратных химических реакций для восстановления активных веществ. Основные недостатки аккумуляторов по сравнении и конденсаторами:

  • непродолжительный жизненный цикл;
  • невысокая удельная мощность;
  • узкий диапазон температур зарядки и разрядки;
  • неспособность быстро отдать весь запас энергии.

Тем не менее обычные конденсаторы не используются в качестве активных источников напряжения из-за низкой ёмкости. Теоретические и практические суперконденсаторы (ультраконденсаторы) отличаются от обычных крайне высокой ёмкостью при большой плотности хранимой энергии, что позволяет их рассматривать как альтернативу химическим элементам.

Крупнейшие коммерческие устройства обладают ёмкостью до нескольких тысяч фарад, но их возможности всё равно несопоставимы с аккумуляторами, поэтому подобные устройства используются для хранения зарядов в течение относительно короткого периода времени. Они нашли широкое применение в качестве электрических эквивалентов механических маховиков, чтобы сглаживать напряжение источников питания, например, в ветровых турбинах или рекуперативных тормозных системах электрических транспортных средств.

Первые ультраконденсаторы появились в середине прошлого века и обладали не очень впечатляющими ёмкостями. С тех пор прогресс в совершенствовании материалов привёл к утоньшению диэлектрического слоя до одной молекулы, что позволило создавать устройства с выдающимися характеристиками. Дальнейшее развитие наноиндустрии стало основой для фундаментальных перемен в накоплении электричества. Возможно, в скором времени экологически опасные и капризные химические аккумуляторы заменят суперконденсаторы на основе молекулярно структурированных пластин и диэлектрического слоя.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *