Электрический конденсатор
– это устройство, обладающее относительно большой емкостью при малых размерах.
Он представляет собой два проводника находящихся вблизи и изолированных друг от друга диэлектриком.
Проводники в конденсаторе выполняются либо в виде металлических пластин, либо в виде обкладок из металлической фольги. Диэлектрики применяются различные: воздух, керамика, слюда, пластмассы, бумага и другие. Имеется большое количество типов конденсаторов, которые различаются между собой по конструкции и применяемым диэлектрикам. Емкость конденсатора определяется теми же факторами, которые влияют на емкость одиночных проводников: площадь поверхности пластин, расстояние между пластинами, диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами.Простейшим является плоский конденсатор, Он представляет собой две плоскопараллельные металлические пластины, разделенные диэлектриком. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле
где С – емкость конденсатора, ф;
εa – абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика конденсатора;
S – площадь одной стороны пластины конденсатора, м 2 ;
d – расстояние между пластинами конденсатора, м.
Из формулы следует, что емкость конденсатора прямо пропорциональна поверхности пластин, обратно пропорциональна расстоянию между пластинами и зависит от диэлектрика конденсатора.
Зависимость емкости конденсатора от площади пластин объясняется тем, что при большей поверхности пластин на них помещается больший по величине электрический заряд при данном напряжении. Зависимость емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости диэлектрика объясняется явлением поляризации диэлектрика: чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше связанных зарядов в диэлектрике и на обкладках конденсатора и, следовательно, меньше электрический потенциал пластин конденсатора и напряжение между ними. Зависимость емкости конденсатора от расстояния между пластинами объясняется взаимным влиянием между зарядами в результате электростатической индукции: чем меньше расстояние между пластинами, тем сильнее их взаимное влияние, больше связанных зарядов, меньше электрический потенциал пластин и напряжение между ними, больше емкость конденсатора.
Основными характеристиками конденсатора являются емкость и рабочее напряжение, Емкость конденсатора характеризует его способность накоплять электрические заряды. На основании формулы
Номинальным рабочим напряжением конденсатора называется наибольшее напряжение между его обкладками, при котором он может надежно и длительно работать, сохраняя свои основные рабочие характеристики при всех установленных для него рабочих температурах.
Если конденсатор работает под напряжением выше номинального, надежность его работы и срок службы сокращаются, Рабочее напряжение конденсатора должно быть значительно ниже его пробивного напряжения, т. е. напряжения при котором происходит разрушение его диэлектрика от действия электрического поля.
Электрический пробой конденсатора заключается в пробое его диэлектрика. При этом диэлектрик разрушается, обкладки частично расплавляются и электрически соединяются между собой.
Важным параметром конденсатора является сопротивление изоляции. Это одна из характеристик диэлектрика конденсатора. Так как нет абсолютных диэлектриков, то нет и конденсатора, сопротивление которого равно бесконечности. При включении конденсатора в электрическую цепь постоянного тока сила тока через конденсатор (ток утечки) зависит от сопротивления изоляции. Современные конденсаторы имеют сопротивление изоляции в несколько тысяч мегом.
Источник
Конденсатор
Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости. Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).
Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея. Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V). Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).
Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов. По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).
- 1µF = 0.000001 = 10 -6 F
- 1nF = 0.000000001 = 10 -9 F
- 1pF = 0.000000000001 = 10 -12 F
Плоский конденсатор
Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор. Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок), электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).
Заряд конденсатора. Ток
По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.
Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания, на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов, на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик, заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора. Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.
В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места. Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным. По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное место на обкладках и ток совсем не прекратится.
Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного» конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием), называют переходным периодом заряда конденсатора.
Заряд конденсатора. Напряжение
В самом начале переходного периода зарядки, напряжение между обкладками конденсатора равняется нулю. Как только на обкладках начинают появляться заряженные частицы, между разноименными зарядами возникает напряжение. Причиной этому является диэлектрик между пластинами, который «мешает» стремящимся друг к другу зарядам с противоположным знаком перейти на другую сторону конденсатора.
На начальном этапе зарядки, напряжение быстро растет, потому что большой ток очень быстро увеличивает количество заряженных частиц на обкладках. Чем больше заряжается конденсатор, тем меньше ток, и тeм медленнее растет напряжение. В конце переходного периода, напряжение на конденсаторе полностью прекратит рост, и будет равняться напряжению на источнике питания.
Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.
Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:
- Ic — ток конденсатора
- C — Емкость конденсатора
- ΔVc/Δt – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени
Разряд конденсатора
После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R. Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания. Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны, накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами, двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.
В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки. Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.
Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда, напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.
Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше времени потребует процесс зарядки/разрядки ( ток определяется как количество заряда, прошедшего по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.
Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу τ (тау). За один τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять τ конденсатор заряжается или разряжается полностью.
Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В. Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:
Устройство конденсатора. От чего зависит емкость?
Емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:
- Площадь пластин — A
- Расстояние между пластинами – d
- Относительная диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами — ɛ
Площадь пластин
Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше заряженых частиц могут на них разместится, и тем больше емкость.
Расстояние между пластинами
Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для того чтобы объяснить природу влияния этого фактора, необходимо вспомнить механику взаимодействия зарядов в пространстве (электростатику).
Если конденсатор не находится в электрической цепи, то на заряженные частицы, расположенные на его пластинах влияют две силы. Первая — это сила отталкивания между одноименными зарядами соседних частиц на одной пластине. Вторая – это сила притяжения разноименных зарядов между частицами, находящимися на противоположных пластинах. Получается, что чем ближе друг к другу находятся пластины, тем больше суммарная сила притяжения зарядов с противоположным знаком, и тем больше заряда может разместится на одной пластине.
Относительная диэлектрическая проницаемость
Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость ɛ. Это безразмерная физическая величина, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.
Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость. Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.
Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала (напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно, понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.
Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.
- Воздух – 1.0005
- Бумага – от 2.5 до 3.5
- Стекло – от 3 до 10
- Слюда – от 5 до 7
- Порошки оксидов металлов – от 6 до 20
Номинальное напряжение
Второй по значимости характеристикой после емкости является максимальное номинальное напряжение конденсатора. Данный параметр обозначает максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор. Превышение этого значения приводит к «пробиванию» изолятора между пластинами и короткому замыканию. Номинальное напряжение зависит от материала изолятора и его толщины (расстояния между обкладками).
Следует отметить, что при работе с переменным напряжением нужно учитывать именно пиковое значение (наибольшее мгновенное значение напряжения за период). Например, если эффективное напряжение источника питания будет 50В, то его пиковое значение будет свыше 70В. Соответственно необходимо использовать конденсатор с номинальным напряжением более 70В. Однако на практике, рекомендуется использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее в два раза превышающим максимально возможное напряжение, которое будет к нему приложено.
Ток утечки
Также при работе конденсатора учитывается такой параметр как ток утечки. Поскольку в реальной жизни диэлектрик между пластинами все же пропускает маленький ток, это приводит к потере со временем начального заряда конденсатора.
Источник