При последовательном соединении конденсаторов обратное значение электроемкости цепочки равно сумме обратных значений электроемкостей каждого из конденсаторов.
Что такое электрическая ёмкость?
Одним из ключевых параметров, учитываемых в электрических цепях, является электроемкость, т.е. способность проводника сохранять нагрузку. Понятие емкости применимо как к трубопроводам, так и к системам, состоящим из двух или более проводников. В частности, емкостью обладают конденсаторы, которые состоят из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком или электролитом.
Аккумуляторы широко используются для хранения нагрузки и в качестве постоянного источника энергии для питания различных устройств. Количественной характеристикой, определяющей время работы аккумулятора, является его энергоемкость.
Определение
Когда диэлектрик, такой как эбонитовая палочка или наэлектризованный фрикцион, находится в контакте с электрическим материалом, электрическая нагрузка концентрируется. В то же время другой конец палки может быть насыщен нагрузками с противоположными показаниями, и это электричество поддерживается.
Проводники, помещенные в электрическое поле, работают совсем по-другому. Нагрузка распределяется по поверхности, образуя своего рода потенциал. Если поверхность плоская, например, палка, то нагрузка распределяется равномерно. Внешнее электрическое поле на проводнике распределяет электроны таким образом, чтобы поддерживать взаимно компенсирующий баланс между отрицательными и положительными нагрузками в трубопроводе.
Внешнее электрическое поле притягивает электроны к поверхности проводника, компенсируя положительную ионную нагрузку. Электростатическая индукция возникает по отношению к трубопроводу, а нагрузка на его поверхность называется индуцированной нагрузкой. На концах трубопровода грузы немного более плотные.
В металлических сферах нагрузка равномерно распределяется по всей поверхности. Наличие полостей в конфигурации абсолютно не влияет на процесс распределения.
Однако, если трубопровод удалить из поля, его нагрузки перераспределяются, и он снова становится электрически нейтральным.
На рисунке 1 схематически показаны заряженный биполярный диэлектрик и проводник, удаленный от электростатического поля. Благодаря тому, что диэлектрик содержит нагрузку, которую он получает, изолированный проводник восстановил свою нейтральность.
Рисунок 1.Распределение нагрузки
Интересное явление наблюдается в двух проводниках, разделенных диэлектриком. Если одному из них придать положительный заряд, а другому — отрицательный, то после удаления источника энергии заряд на поверхности трубы останется. В проводниках, заряженных таким образом, существует разность потенциалов.
Нагрузки, которые накапливаются на диэлектрике, компенсируют внутреннее взаимодействие отдельных проводников и препятствуют их разрядке. Величина нагрузки зависит от поверхности параллельной трубки и свойств диэлектрика.
Свойство хранимого груза называется электрической емкостью. В частности, это характеристика проводника, естественный размер которого определяет меру его способности накапливать заряд.
Накопленная электроэнергия может быть удалена из трубопровода в результате короткого замыкания или нагрузки. Для увеличения емкости диэлектрическими материалами служат длинные полосы параллельных пластин или тонкие листы. Полоски заключены в плотные цилиндры для уменьшения объема. Такие конструкции называются конденсаторами.
На рисунке 2 показана схема простейшего конденсатора с плоской катушкой.
Рисунок 2.Схема простого конденсатора
Имеются и другие типы конденсаторов.
- переменные;
- электролитические;
- оксидные;
- бумажные;
- комбинированные и другие.
Важной функцией конденсаторов и других систем хранения является их энергоемкость.
Формулы
На рисунке 3 показано уравнение для определения емкости, включая сферы.
Рисунок 3: Емкость проводника
Что касается конденсаторов, то для определения их емкости применяется тип: c = q/u. Цена прямо пропорциональна нагрузке на одну из плоскостей и обратно пропорциональна разности потенциалов между плоскостями (см. рисунок 4).
Другие методы определения емкости конденсатора см. на сайте https: //www.asutpp.ru/kak-opredelit-emkost-kondensatora.htmlを参照してください.
Емкость конденсатора — это отношение нагрузки конденсатора к разности потенциалов между электродами. Основные элементы емкости показаны на рисунках ниже.
Физика ёмкостных характеристик
Устройства, которые накапливают энергию в виде электрического заряда и могут создавать таким образом разность потенциалов, называются конденсаторами. В своей простейшей форме они состоят из двух или более параллельных проводящих плит, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, но электрически изолированных либо от воздуха, либо от других изоляционных материалов, таких как желейная бумага, мрамор, керамика, пластик или специальные гели.
Когда к пластинам подключен один источник напряжения, одна пластина получает избыток электронов, а на другой образуется дефицит электронов. Ионы и электроны на каждой пластине притягиваются друг к другу, но не соединяются диэлектрическим барьером, а скапливаются на уровне проводника. В результате первая пластина (электрод) заряжается отрицательно, а вторая — положительно. Свойство нагрузок создавать стабильное электрическое поле. Теоретически, в разомкнутой цепи это состояние сохраняется бесконечно долго.
Поток электронов на пластинах называется зарядовым током и продолжает существовать до тех пор, пока напряжение на пластинах не станет равным приложенному напряжению. В этот момент конденсатор считается полностью заряженным. Это означает, что нагрузка на пластину настолько велика, что она отталкивает новые поступления. Когда электроны и ионы находят новые пути между собой, когда заряженное устройство подключается к нагрузке. В этом случае конденсатор действует как источник энергии до тех пор, пока не исчезнет разница в мощности между электродами.
Способность конденсатора накапливать заряд Q (измеряется в кулонах) называется его емкостью. Чем больше поверхность пластин и меньше расстояние между ними (из-за повышенного притяжения нагрузки между электродами), тем больше емкость макета. Степень близости пластин ограничивается способностью диэлектрика сопротивляться выделениям из пробоя между ними. Таким образом, емкость конденсатора определяется тремя характеристиками
- геометрия пластин;
- расстояние между ними;
- диэлектрический материал между пластинами.
Единица и формулы расчёта
Емкость как электрическая емкость, способная хранить нагрузку, измеряется в фарадах (F) и обозначается C. Цена названа в честь английского естествоиспытателя Майкла Фарадея. Один конденсатор Фарад может хранить заряд в один кулон на пластине напряжением в один вольт. Цена C всегда положительна.
Математическое выражение фарада
Емкость конденсатора постоянна, т.е. потенциальная емкость накопления энергии. Количество заряда, накопленного в определенный момент времени, определяется уравнением q = CV где v — приложенное напряжение. Поэтому регулировка напряжения на пластине может увеличить или уменьшить нагрузку. Этот вид емкости в форме C = Q/V при цене единицы определяет емкость конденсатора, измеряемую в СИ, и является математическим выражением Фарад.
Специалисты по электронике считают единицы Фарад непрактичными, поскольку они представляют собой большую ценность. 1/1000 F — это также очень большая емкость. Для реальных электрических компонентов обычно используются следующие значения
Диэлектрическая проницаемость
Фактор, по которому изоляция определяет способность конденсатора, называется диэлектрической проницаемостью. Распространенный вид расчета емкости конденсатора с параллельными пластинами выражается формулой c = e(a/d).
- А — площадь меньшей пластины;
- d — расстояние между ними;
- ε — абсолютная проницаемость используемого диэлектрического материала.
Проницаемость вакуума E0 стабильна и составляет 8,84×10-12 фарад на метр. Как правило, проводящая пластина отделяется от слоя изоляционного материала, а не от вакуума. Чтобы найти емкость конденсатора, пластины которого находятся в воздухе, можно использовать значение E0. Разницей между диэлектрической проницаемостью атмосферы и вакуума можно пренебречь, поскольку цены очень близки.
На практике, для определения типа емкости конденсатора, соответствующая диэлектрическая проницаемость используется как коэффициент, показывающий, насколько уменьшается электрическое поле между диэлектрическими нагрузками по сравнению с вакуумом. Некоторые значения этой цены для различных материалов:.
Поскольку производительность конденсатора зависит от используемого на нем изолятора, величина, равная отношению емкости к объему диэлектрика, может определить его качество как накопителя через его удельную емкость.
Практические измерения
Значение конденсатора указывается на долях фарада или на цветовой маркировке корпуса. Однако в некоторых критических областях применения результаты могут оказаться неприемлемыми, так как компонент может потерять свои свойства с течением времени. Существуют и другие ситуации, когда требуются измерения. Например, необходимо знать общую мощность цепи или части электрооборудования. Ни одно устройство не может считывать емкость напрямую, но значение может быть рассчитано вручную или с помощью процессора, встроенного в измерительное устройство.
Осциллографы часто используются для определения истинной емкости как средство измерения фиксированного времени (t). Эта величина представляет собой время в секундах, за которое конденсатор заряжается на 63%, и равна произведению сопротивления цепи на емкость цепи Фарада: t = rc. Осциллографы облегчают определение постоянной времени и позволяют произвести расчеты для нахождения необходимой емкости.
Существует также множество моделей любительских и профессиональных электронных измерительных приборов с возможностью тестирования конденсаторов. Многие цифровые мультиметры имеют возможность определения емкости. Эти устройства могут заряжать и разряжать известные конденсаторы контролируемым образом и выдавать достаточно точные результаты, анализируя полученное повышение напряжения. Единственным недостатком большинства этих приборов является относительно близкий диапазон измеряемых значений.
Наиболее сложным и специализированным прибором является мостовой измеритель, который контролирует конденсаторы в мостовой схеме. Этот косвенный метод измерения обеспечивает высокую степень точности. Современные устройства такого типа оснащены цифровым экраном и автоматически используются в производственных условиях, соединены с компьютером и способны извлекать результаты измерений, контролируемых извне.
Для больших компонентов, например, электролитических алюминиевых компонентов, параметры, включая емкость, указаны на поверхности корпуса. Емкость этих элементов обычно выражается в микрофарадах. Буква M или MFD символизирует это устройство. Трехзначные аббревиатуры также могут быть указаны со строчной буквы — MFD.
Расчет ёмкости конденсаторов
На практике в качестве элементов со стандартной электрической емкостью обычно используются конденсаторы, состоящие из двух плоских каналов (выводов), разделенных диэлектриком. Тип расчета электрической емкости таких конденсаторов следующий
- С – ёмкость, Ф;
- S – площадь обкладок, кв.м;
- d – расстояние между обкладками, м;
- ε0 – электрическая постоянная, константа, 8,854*10 −12 Ф/м;
- ε –электрическая проницаемость диэлектрика, безразмерная величина.
Легко видеть, что емкость прямо пропорциональна площади терминала и, наоборот, расстоянию между трубопроводами. На емкость также влияет материал, из которого изолирована обкладка.
Чтобы понять, как размер, определяющий емкость, влияет на способность конденсатора накапливать нагрузку, можно провести мысленные эксперименты для создания наилучшего возможного конденсатора.
- Можно попробовать увеличить площадь обкладок. Это приведет к резкому росту габаритов и веса устройства. Для уменьшения размеров обкладки с разделяющим их диэлектриком сворачивают (в трубочку, плоский брикет и т.п.).
- Другой путь – уменьшение расстояния между обкладками. Очень близко расположить проводники не всегда удаётся, так как слой диэлектрика должен выдерживать определенную разность потенциалов между обкладками. Чем меньше толщина, тем ниже электрическая прочность изоляционного промежутка. Если воспользоваться этим путем, настанет момент, когда практическое применение такого конденсатора станет бессмысленным – он сможет работать лишь при крайне низких напряжениях.
- Увеличение электрической проницаемости диэлектрика. Этот путь зависит от развития технологий производства, существующих на текущий момент. Изолирующий материал должен иметь не только высокое значение проницаемости, но и хорошие диэлектрические свойства, а также сохранять свои параметры в необходимом частотном интервале (с ростом частоты, на которой работает конденсатор, характеристики диэлектрика снижаются).
Сферические или цилиндрические конденсаторы могут использоваться в определенных специализированных или исследовательских приложениях.
Мощность сферического конденсатора может быть рассчитана в соответствии с типом
где r — радиус сферы, а π = 3,14.
Для цилиндрических конденсаторов емкость рассчитывается следующим образом
L — высота ролика, а R1 и R2 — лучи.
В принципе, оба типа ничем не отличаются от типа конденсаторного уровня. Емкость всегда определяется линейными размерами витков, расстоянием между ними и свойствами диэлектрика.
Последовательное и параллельное соединение конденсаторов
Конденсаторы можно подключать последовательно или одновременно, приобретая ряд новых возможностей.
Параллельное соединение
Если конденсаторы соединены параллельно, общая емкость полученной батареи равна сумме емкостей всех компонентов. Если батарея состоит из конденсаторов одинаковой конструкции, то можно считать, что это площадь всех пластин. В этом случае напряжение каждого элемента батареи будет одинаковым, а нагрузки суммируются. Для трех конденсаторов, соединенных параллельно:.
Последовательное соединение
При последовательном подключении нагрузка на каждую емкость будет одинаковой.
Общее напряжение распределяется в зависимости от емкости конденсаторов.
Если все конденсаторы одинаковые, то каждый из них снижает напряжение на одинаковую величину. Общая емкость выглядит следующим образом
Применение конденсаторов в технике
Целесообразно использовать конденсаторы в качестве накопителей электроэнергии. В этом качестве они не могут конкурировать с электрохимическими источниками (гальванические батареи, конденсаторы) из-за их низкой емкости накопления энергии и довольно быстрой саморазгрузки вследствие утечки диэлектрического груза. Однако его способность накапливать энергию в течение длительных периодов времени и высвобождать ее почти мгновенно широко используется. Это свойство используется в лампах-вспышках для фотографии и лазерных лампах.
Конденсаторы широко используются в радиотехническом и электронном оборудовании. Конденсаторы используются в резонансных цепях в качестве одного из элементов, сохраняющих частоту (другой элемент является самовоспроизводящимся). Конденсаторы также используются для поддержания непрерывного тока без замедления переменного компонента. Такое использование распространено для разделения ступеней усилителя и устранения влияния одного класса функции постоянного тока на другой. Конденсаторы большой емкости используются в качестве сглаживающих фильтров в источниках питания. Существует также огромное количество других применений конденсаторов, где их свойства оказались полезными.
