Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.

В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах. В системе СГС в сантиметрах.

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид

где — заряд, — потенциал проводника.

Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (еёдиэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара радиуса R равна (в системе СИ):

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком —конденсатору. В этом случае взаимная ёмкость этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что они равны), d — расстояние между обкладками, ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, ε _{= 8.854·10 −12 Ф/м — электрическая постоянная.}

Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённыхдиэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Виды конденсаторов: 1. по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, керамические, электролитические 2. по форме обкладок: плоские, сферические. 3. по величине емкости: постоянные, переменные (подстроечные).

Электроемкость плоского конденсатора

где S – площадь пластины (обкладки) конденсатора d – расстояние между пластинами eо – электрическая постоянная e – диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Включение конденсаторов в электрическую цепь

ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

Конденсатор – это система заряженных тел и обладает энергией. Энергия любого конденсатора:

где С – емкость конденсатора q – заряд конденсатора U – напряжение на обкладках конденсатора Энергия конденсатора равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную, или равна работе по разделению положительных и отрицательных зарядов , необходимой при зарядке конденсатора.

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРА

Энергия конденсатора приблизительно равна квадрату напряженности эл. поля внутри конденсатора. Плотность энергии эл. поля конденсатора:

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:

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.

Конденсатор – это компонент электрической цепи, который состоит из двух проводящих обкладок, разделенных слоем диэлектрика. Обычно из них выходит два вывода для включения в электрическую цепь. Особенностью конденсатора является его возможность накапливать энергию, за счет удерживания носителей зарядов в электрическом поле. Ёмкость конденсатора, единица измерения которой микрофарады, определяет количество запасаемой энергии, а её единица измерения в любом виде – Джоуль. Интересно то, что формула для расчёта подобна формуле вычисления кинетической энергии:

W=(CU 2 )/2

То есть в вычислениях участвует напряжение и ёмкость. Но вычисление накопленной энергии используется также часто, как определение времени заряда конденсатора. Это особенно важно при расчете времени коммутации полупроводниковых ключей в электронике, или времени протекания переходных процессов. Такие возможности даёт наш онлайн калькулятор для расчета энергии в конденсаторе:

Для этого в интерфейс нужно внести емкость, напряжение которое к нему прикладывают и сопротивление, через которое происходит заряд. В результате калькулятор предоставит информацию о том, сколько энергии и за какое время зарядится.

Расчёты и практика показывает, что время заряда не зависит от приложенного напряжения, оно связано с величиной сопротивления цепи. Даже если нет в схеме резисторов и зарядка происходит от источника питания – ёмкость не зарядится мгновенно, в любом случае есть переходное сопротивление контактов, проводников, источника питания.

Чтобы рассчитать время заряда, обратите внимание на формулу:

Tзаряда=3-5t

t=RC

То есть, чем больше сопротивление или ёмкость, тем дольше происходит зарядка. На этом ответ на вопрос «Как посчитать, сколько энергии накапливается в ёмкости?» можно окончить. Наш онлайн-калькулятор предоставит всю описанную выше информацию и проведет расчеты сразу после клика по кнопке «Вычислить».

Формула расчета энергии конденсаторов, как зарядить плоский конденсатор

Конденсаторы являются неотъемлемой частью электрических схем. В большинстве случаев оперируют такими понятиями, как емкость и рабочее напряжение. Эти параметры являются основополагающими.

Конденсаторы различных типов

В некоторых случаях для более полного понимания работы упомянутого элемента необходимо иметь представление, что означает энергия заряженного конденсатора, как она вычисляется и от чего зависит.

Определение понятия энергии

Наиболее просто вести рассуждения применительно к плоскому конденсатору. В основе его конструкции лежат две металлических обкладки, разделенные тонким слоем диэлектрика.

Плоский конденсатор

Если подключить емкость к источнику напряжения, то нужно обратить внимание на следующее:

• На разделение зарядов по обкладкам электрическим полем затрачивается определенная работа. В соответствии с законом сохранения энергии, эта работа равняется энергии заряженного конденсатора;
• Разноименно заряженные обкладки притягиваются друг к другу. Энергия заряженного конденсатора в этом случае равняется работе, затраченной на сближение пластин друг к другу вплотную.

Данные соображения позволяют сделать вывод, что формулу энергии заряженного конденсатора можно получить несколькими способами.

Вывод формулы

Энергия заряженного плоского конденсатора наиболее просто определяется, исходя из работы по сближению обкладок.

Рассмотрим силу притяжения единичного заряда одной из обкладок к противоположной:

F=q0E.

В данном выражении q0 – величина заряда, E – напряженность поля обкладки.

Поскольку напряженность электрического поля определяется из выражения:

E=q/(2ε0S), где:

• q – величина заряда,
• ε0 – электрическая постоянная,
• S – площадь обкладок,

формулу силы притяжения можно записать как:

F=q0 q/(2ε0S).

Для всех зарядов сила взаимодействия между обкладками, соответственно, составляет:

F=q2/(2ε0S).

Работа по сближению пластин равняется произведению силы взаимодействия на пройденное расстояние. Таким образом, энергия заряженного конденсатора определяется выражением:

W=A=Fd.

Важно! В приведенном выражении должна быть разница в положениях пластин. Записывая только одну величину d, подразумеваем, что конечным результатом будет полное сближение, то есть d2=0.

С учетом предыдущих выражений можно записать:

W=d q2/(2ε0S).

Известно, что емкость плоского конденсатора определяется из такого выражения:

C=d/(ε0S).

В результате энергия определяется как:

W=q2/(2С).

Полученное выражение неудобно тем, что вызывает определенные затруднения определения заряда на обкладках. К счастью, заряд, емкость и напряжение имеют строгую взаимосвязь:

q = С U.

Теперь выражение принимает полностью понятный вид:

W=CU2/2.

Полученное выражение справедливо для конденсаторов любых типов, не только плоских, и позволяет без затруднений в любой момент времени определять накопленную энергию. Емкость обозначается на корпусе и является величиной постоянной. В крайнем случае ее несложно измерять, используя специальные приборы. Напряжение измеряется вольтметром с необходимой точностью. К тому же очень просто зарядить конденсатор не полностью (меньшим напряжением), снизив, таким образом, запасенную энергию.

Для чего необходимо знать энергию

В большинстве случаев применения емкостей в электрических цепях понятие энергии не употребляется. Особенно это относится к время,- и частотозадающим цепям, фильтрам. Но есть области, где необходимо использовать накопители энергии. Наиболее яркий пример –фотографические вспышки. В накопительном конденсаторе энергия источника питания накапливается сравнительно медленно – несколько секунд, но разряд происходит практически мгновенно через электроды импульсной лампы.

Конденсатор, подобно аккумулятору, служит для накопления электрического заряда, но между этими элементами есть много различий. Емкость аккумулятора несравненно выше, чем у конденсатора, но последний способен отдать ее практически мгновенно. Лишь недавно, с появлением ионисторов, это различие несколько сгладилось.

Ионистор

Какова же ориентировочная величина энергии? Можно для примера вычислить ее для уже упомянутой фотовспышки. Пускай, напряжение питания составляет 300 В, а емкость накопительного конденсатора – 1000 мкФ. При полном заряде величина энергии составит 45 Дж. Это довольно большая величина. Прикосновение к выводам заряженного элемента может привести к несчастному случаю.

Конденсатор фотовспышки

Важно! Принудительный разряд путем закорачивания выводов металлическими предметами чреват выходом устройства из строя. Накопленная энергия конденсатора способна за долю секунды расплавить выводы внутри элемента и вывести его из строя.

Видео

Оцените статью:

энергии, хранящейся на конденсаторе

Проблема «энергии, запасенной на конденсаторе», является классической, потому что она имеет некоторые противоречащие друг другу элементы. Безусловно, аккумулятор выдает энергию QV _b в процессе зарядки конденсатора до равновесного состояния при напряжении аккумулятора V _b . Но половина этой энергии рассеивается в тепле на сопротивлении пути зарядки, и только QV _b /2, наконец, сохраняется на конденсаторе в равновесии. Противоинтуитивная часть начинается, когда вы говорите: «Это слишком большая потеря, чтобы терпеть.Я просто собираюсь снизить сопротивление пути зарядки, чтобы получить больше энергии на конденсаторе. «Это не работает, потому что скорость потери энергии в сопротивлении I ² R резко возрастает, даже если вы это делаете заряжайте конденсатор быстрее. В этом процессе экспоненциальной зарядки совсем не интуитивно понятно, что вы все равно потеряете половину энергии на тепло, поэтому эта классическая задача становится отличным примером ценности исчисления и интеграла в качестве инженерного инструмента.

Часть интуитивной части, которая входит в настройку интеграла, состоит в том, что получение первого элемента заряда dq на обкладках конденсатора требует гораздо меньше работы, потому что большая часть напряжения батареи падает через сопротивление R и только крошечная энергия dU = дкВ хранится на конденсаторе. Продолжение интеграла, который принимает квадратичную форму в q, дает суммарную энергию на конденсаторе Q ² / 2C = CV _b ² /2 = QV _b /2, где V _b здесь это напряжение батареи.Итак, суть в том, что вы должны потратить 2 джоуля от батареи, чтобы положить 1 джоуль на конденсатор, а другая джоуля была безвозвратно потеряна для нагрева — 2-й закон термодинамики снова кусает вас, независимо от вашей скорости зарядки. Неинтуитивный характер этой проблемы является причиной того, что интегральный подход является ценным.

Хотя это не будет показано здесь, если вы продолжите эту проблему, сделав зарядное сопротивление настолько малым, что начальный зарядный ток будет чрезвычайно высоким, значительная часть энергии зарядки фактически излучается в виде электромагнитной энергии.Это пересекает порог в теории антенн, потому что не все потери при зарядке были термодинамическими — но все же потери в процессе составляли половину энергии, поставляемой батареей при зарядке конденсатора.

Таким образом, энергия, поставляемая аккумулятором, равна E = CV _b ² , но только половина от нее находится на конденсаторе — другая половина была потеряна из-за нагревания или в случае крайне низкого сопротивления зарядки, из-за нагрева и электромагнитная энергия.

,Конденсатор

— Energy Education

Рис. 1. Схема конденсатора, включая две параллельные пластины с площадью поверхности, A и расстоянием разнесения, d. Хотя не все конденсаторы имеют такую ​​форму, они часто выглядят так, поскольку это самая простая геометрия.

Рисунок 2. Анимация из симуляции PhET батареи, заряжающей конденсатор, до тех пор, пока ток не перестанет течь через цепь. ^[1]

Конденсатор — это электронное устройство, которое накапливает заряд и энергию.Конденсаторы могут выделять энергию намного быстрее, чем батареи, что приводит к гораздо более высокой плотности мощности, чем батареи с таким же количеством энергии. Исследования конденсаторов продолжаются, чтобы увидеть, могут ли они быть использованы для хранения электрической энергии для электрической сети. В то время как конденсаторы — старая технология, суперконденсаторы — новый поворот в этой технологии.

Конденсаторы — это просто устройства, состоящие из двух проводников, несущих одинаковые, но противоположные заряды. Простой конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух металлических пластин одинакового размера, известных как электроды, разделенных изолятором, известным как диэлектрик, удерживаемый параллельно друг другу.Конденсатор затем интегрируется в электрическую цепь. В простой цепи постоянного тока каждая пластина конденсатора со временем заряжается противоположно из-за прохождения электрического тока через цепь. Аккумулятор заряжается в одном направлении, так что одна пластина заряжается положительно, а другая заряжается отрицательно. Это создает электрическое поле из-за накопления равных и противоположных зарядов, что приводит к разности потенциалов или напряжению между пластинами.Поскольку емкость пластин постоянна, напряжение между пластинами увеличивается пропорционально. Поскольку заряд на каждой пластине увеличивается, напряжение между пластинами равно напряжению батареи, и в этот момент ток больше не будет течь через цепь. ^[2] Этот эффект зарядки и разрядки можно увидеть на рисунке 2. Ток может возобновиться, если открыть альтернативный путь, чтобы конденсаторы могли разрядиться сам или с помощью переменного тока, чтобы конденсатор периодически заряжался и разряжался.2} {2} [/ math]

• [математика] \ Delta V [/ math] — напряжение между пластинами, измеренное в вольтах (В)
• [math] C [/ math] — емкость конденсатора, измеренная в фарадах (F)
• [математика] E [/ математика] — это энергия, запасенная в конденсаторе, измеренная в джоулях (Дж)

Увеличение емкости, напряжения или того и другого увеличивает количество энергии, запасаемой в конденсаторе.

В качестве альтернативы, к конденсатору можно добавить диэлектрик. Диэлектрик — это изолятор, помещенный между электродами. Это увеличивает емкость конденсатора без необходимости изменять его размеры. Это позволяет конденсатору накапливать больше энергии, оставаясь при этом небольшим. Степень увеличения зависит от материала, используемого для диэлектрика. ^[3]

Использует

Конденсаторы

не имеют такой высокой плотности энергии, как батареи, это означает, что конденсатор не может хранить столько энергии, сколько батарея сопоставимого размера.Тем не менее, более высокие мощности конденсаторов означают, что они хороши для приложений, которые требуют хранения небольшого количества энергии, а затем ее высвобождения очень быстро. Le Mans Prototype Гоночные автомобили используют конденсаторы для питания электродвигателей на передних колесах. Эти конденсаторы заряжаются за счет рекуперативного торможения и позволяют полный привод и дополнительную мощность при выходе из поворотов. ^[4]

Конденсаторы также используются во многих электронных устройствах, для которых требуется батарея.Этот конденсатор накапливает энергию, чтобы предотвратить потерю памяти во время замены батареи. Распространенным (хотя и не обязательно широко известным) примером является зарядка вспышки камеры. Вот почему две фотографии не могут быть сделаны со вспышкой в ​​быстрой последовательности; конденсатор должен накапливать энергию от батареи. ^[5]

Кроме того, конденсаторы играют ключевую роль во многих практических схемах, в первую очередь в качестве стабилизаторов тока и компонентов, которые помогают преобразовывать переменный ток в постоянный ток в адаптерах переменного тока.Они могут использоваться таким образом благодаря тому, что конденсаторы устойчивы к внезапным изменениям напряжения, что означает, что они способны выступать в качестве буфера для накопления и отвода электрической энергии, чтобы поддерживать стабильный выходной ток. ^[6] Таким образом, конденсатор способен стабилизировать колеблющийся переменный ток за счет способности удерживать и выделять электрическую энергию в разное время.

Поскольку конденсаторы накапливают энергию в электрических полях, некоторые исследователи работают над созданием суперконденсаторов, чтобы помочь с накоплением энергии.Это может оказаться полезным при транспортировке энергии или для хранения и высвобождения энергии из прерывистых источников, таких как энергия ветра и солнца.

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно позволил нам использовать следующую симуляцию Пета. Изучите это моделирование, чтобы увидеть, как потенциальная энергия гравитации и потенциальная энергия пружины движутся взад и вперед и создают изменяющееся количество кинетической энергии (подсказка: нажмите , чтобы показать энергию , прежде чем повесить массу):

Рекомендации

1. ↑ Университет Колорадо.(25 апреля 2015 г.) Комплект для сборки схемы [Online]. Доступно: http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-construction-kit-ac_en.jnlp
2. ↑ Гиперфизика. (25 апреля 2015 г.) Конденсаторы [Online]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/capac.html
3. ↑ Р. Д. Найт, «Потенциал и поле», в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 2-е изд. Сан-Франциско: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008, гл.30 с 5, стр. 922-932.
4. ↑ «Суперконденсаторы берут на себя ответственность в Германии» Филиппа Болла, MRS Bulletin, Volume 37 Issue 09 2012. pp. 802-803
5. ↑ (2014, 27 июня). Как работает вспышка камеры [Online]. Доступно: http://electronics.howstuffworks.com/camera-flash.htm
6. ↑ Sparkfun. (25 апреля 2015 г.) Конденсаторы [Online]. Доступно: https://learn.sparkfun.com/tutorials/capacitors

,

Как работает конденсатор — физика и применение конденсаторов

В этом руководстве мы узнаем, что такое конденсатор, как он работает, а также рассмотрим некоторые основные примеры применения. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

Обзор

---

Почти нет схемы, на которой нет конденсатора, и наряду с резисторами и индукторами они являются основными пассивными компонентами, которые мы используем в электронике.

Конденсатор — это устройство, способное накапливать энергию в форме электрического заряда. По сравнению с батареей того же размера, конденсатор может хранить гораздо меньшее количество энергии, примерно в 10 000 раз меньше, но достаточно полезно для многих схемных конструкций.

Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. Пластины являются проводящими, и они обычно изготавливаются из алюминия, тантала или других металлов, в то время как диэлектрик может быть изготовлен из любого изоляционного материала, такого как бумага, стекло, керамика или что-либо, что препятствует протеканию тока.

Емкость конденсатора, измеренная в Фарадах, прямо пропорциональна площади поверхности двух пластин, а также диэлектрической проницаемости ε диода, в то время как чем меньше расстояние между пластинами, тем больше емкость. При этом теперь давайте посмотрим, как работает конденсатор.

Во-первых, мы можем заметить, что металл обычно имеет одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, что означает, что он электрически нейтрален.

Если мы подключим источник питания или батарею к металлическим пластинам конденсатора, будет пытаться протекать ток, или электроны из пластины, подключенной к положительному проводу батареи, начнут перемещаться к подключенной пластине к отрицательному проводу батареи. Однако из-за диэлектрика между пластинами электроны не смогут проходить через конденсатор, поэтому они начнут накапливаться на пластине.

После того, как на пластине накопилось определенное количество электроники, у батареи будет недостаточно энергии, чтобы подтолкнуть любую новую электронику к пластине из-за отталкивания уже существующей электроники.

В этот момент конденсатор фактически полностью заряжен. На первой пластине развился суммарный отрицательный заряд, а на второй пластине развился равный чистый положительный заряд, создав электрическое поле с силой притяжения между ними, которая удерживает заряд конденсатора.

Принцип работы диэлектрика конденсатора

Давайте посмотрим, как диэлектрик может увеличить емкость конденсатора. Диэлектрик содержит молекулы, которые являются полярными, что означает, что они могут изменять свою ориентацию в зависимости от зарядов на двух пластинах.Таким образом, молекулы соединяются с электрическим полем таким образом, что позволяет большему количеству электронов притягиваться к отрицательной пластине, одновременно отталкивая больше электронов из положительной пластины.

Итак, когда конденсатор полностью заряжен, если мы вытащим аккумулятор, он будет долго удерживать электрический заряд, выступая в качестве накопителя энергии.

Теперь, если мы укоротим два конца конденсатора через нагрузку, ток начнет течь через нагрузку. Накопленные электроны из первой пластины начнут перемещаться во вторую пластину, пока обе пластины снова не станут электрически нейтральными.

Итак, это основной принцип работы конденсатора, а теперь давайте рассмотрим некоторые примеры применения.

Разъединяющие (байпасные) конденсаторы

Разъединяющие конденсаторы или байпасные конденсаторы являются типичным примером. Развязывающие конденсаторы часто используются вместе с интегральными схемами, и они размещаются между источником питания и заземлением ИС.

Их работа состоит в том, чтобы отфильтровывать любые помехи в источнике питания, такие как пульсации напряжения, которые возникают, когда источник питания в течение очень короткого периода времени падает его напряжение или когда часть цепи переключается, вызывая колебания мощности поставка.В тот момент, когда происходит падение напряжения, конденсатор временно действует как источник питания, минуя основной источник питания.

Преобразователь переменного тока в постоянный

Другим типичным примером применения являются конденсаторы, используемые в адаптерах постоянного тока. Для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока обычно используется диодный выпрямитель, но без помощи конденсаторов он не сможет выполнить эту работу.

Выход выпрямителя представляет собой сигнал. Таким образом, в то время как выход выпрямителя повышается, заряд конденсатора, и в то время как выход выпрямителя уменьшается, конденсатор разряжается и таким образом сглаживает выход постоянного тока.

: что такое триггер Шмитта и как он работает

Фильтрация сигналов

Фильтрация сигналов — еще один пример применения конденсаторов. Из-за своего конкретного времени отклика они способны блокировать низкочастотные сигналы, позволяя проходить более высоким частотам.

Используется в радиоприемниках для настройки нежелательных частот и в кроссоверных цепях внутри динамиков, для разделения низких частот для сабвуфера и более высоких частот для твитера.

Конденсаторы как накопители энергии

Еще одно довольно очевидное использование конденсаторов — для накопления и подачи энергии. Хотя они могут накапливать значительно более низкую энергию по сравнению с батареями того же размера, их срок службы намного лучше, и они способны доставлять энергию намного быстрее, что делает их более подходящими для приложений, где требуется большой заряд энергии.

Вот и все для этого урока, не стесняйтесь задавать любые вопросы в разделе комментариев ниже.

.

Как работают конденсаторы? — Объясните, что материал

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 10 июля 2020 г.

Большую часть дня смотрите в небо, и вы увидите огромные конденсаторы. парящий над головой Конденсаторы (иногда называемые конденсаторами) являются накопителями энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемники и другие виды электронного оборудования. Настройте радио на станция, сделайте флеш фото с цифровым камера или щелкнуть каналы на вашем HDTV, и вы делаете хорошо использование конденсаторов. конденсаторы, которые дрейфуют по небу, более известны как облака и, хотя они абсолютно гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике они накапливают энергию точно так же. Давайте принимать подробнее рассмотрим конденсаторы и то, как они работают!

Фото: типичный конденсатор, используемый в электронных схемах. Этот называется электролитическим конденсатором, и его номинал составляет 4,7 мкФ (4,7 мкФ), с рабочим напряжением 350 вольт (350 В).

Что такое конденсатор?

Фото: небольшой конденсатор в транзисторной радиосистеме.

Возьмите два электрических проводника (вещи, которые позволяют электричеству течь через них) и разделить их изолятором (материал который не дает электричеству течь очень хорошо) и вы делаете конденсатор: то, что может хранить электрическую энергию. Добавление электрической энергии к конденсатору называется зарядка ; высвобождая энергию из конденсатор известен как разряда .

Конденсатор немного похож на батарею, но у него другая работа делать.Аккумулятор использует химические вещества для хранения электрической энергии и выпуска это очень медленно по кругу; иногда (в случае кварца смотреть) это может занять несколько лет. Конденсатор обычно выпускает его энергия гораздо быстрее — часто за секунды или меньше. Если вы принимаете например, для съемки фотографии со вспышкой Огромный всплеск света за доли секунды. Конденсатор прилагается вспышка заряжается в течение нескольких секунд, используя энергию от вашего батареи камеры. (Требуется время для зарядки конденсатора, и это почему вы обычно должны немного подождать.) Как только конденсатор полностью заряжен, он может высвободить всю эту энергию через мгновение через ксеноновую лампочку. Zap!

Конденсаторы бывают всех форм и размеров, но они обычно имеют те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины , в основном по историческим причинам) и между ними есть изолятор их (называемый диэлектрик ). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединения снаружи называются клеммами , которые похожи тонкие металлические ножки можно зацепить в электрическую цепь.

Фото: внутри электролитический конденсатор немного похож на швейцарский рулон. «Пластины» — это два очень тонких листа металла; диэлектрик между ними маслянистая пластиковая пленка. Все это завернуто в компактный цилиндр и покрыто защитным металлическим корпусом. ВНИМАНИЕ: Открывать конденсаторы может быть опасно. Во-первых, они могут держать очень высокое напряжение. Во-вторых, диэлектрик иногда состоит из токсичных или едких химикатов, которые могут обжечь вашу кожу.

Работа: Как сделать электролитический конденсатор, свернув листы алюминиевой фольги (серого цвета) и диэлектрического материала (в данном случае, бумаги или тонкой марли, пропитанной кислотой или другим органическим химикатом).Листы фольги подключаются к клеммам (синего цвета) сверху, чтобы конденсатор можно было подключить к цепи. Произведение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США из патента США 2089683: Электрический конденсатор, автор: Frank Clark, General Electric, 10 августа 1937 года.

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрическая цепь. Когда вы включаете питание, электрический заряд постепенно накапливается на тарелках. Одна пластина получает положительный заряд а другая пластина получает равный и противоположный (отрицательный) заряд.Если Вы отключаете питание, конденсатор держит заряд (хотя со временем он может медленно просачиваться). Но если вы подключите конденсатор для второй цепи, содержащей что-то вроде электрического двигатель или вспышка, заряд будет течь от конденсатора через двигатель или лампа, пока на пластинах не осталось ничего.

Хотя конденсаторы эффективно выполняют только одну работу (хранение заряд), они могут быть использованы для различного использования в электрических схем. Они могут быть использованы в качестве устройства синхронизации (потому что это занимает определенное, предсказуемое время для их зарядки) в качестве фильтров (схемы, которые позволяют только определенным сигналам течь), для сглаживания напряжение в цепях, для настройки (в радио и телевизорах), а также для множество других целей.Большие суперконденсаторы также могут быть используется вместо батарей.

Что такое емкость?

Количество электрической энергии, которое может хранить конденсатор, зависит от его емкость . Емкость конденсатора немного похожа размер ведра: чем больше ведро, тем больше воды оно может хранить; чем больше емкость, тем больше электричества может конденсатор хранить. Есть три способа увеличить емкость конденсатор. Одним из них является увеличение размера тарелок.Другой, чтобы переместите пластины ближе друг к другу. Третий способ — сделать диэлектрик как можно лучше изолятор. Использование конденсаторов диэлектрики из всех видов материалов. В транзисторных радиоприемниках, настройка осуществляется большим переменным конденсатором , который не имеет ничего, кроме воздуха между пластинами. В большинстве электронных схем конденсаторы представляют собой герметичные компоненты с диэлектриками из керамики такие как слюда и стекло, бумага, пропитанная маслом, или пластмассы, такие как майларовое.

Фото: этот переменный конденсатор подключен к основному колесу настройки в транзисторной радиосистеме.Когда вы поворачиваете диск пальцем, вы поворачиваете ось, проходящую через конденсатор. Это вращает набор тонких металлических пластин, так что они перекрываются в большей или меньшей степени с другим набором пластин, вкрученных между ними. Степень перекрытия между пластинами изменяет емкость, и это то, что настраивает радио на определенную станцию.

Как мы измеряем емкость?

Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарад (F), названный в честь английского пионера электричества Майкла Фарадея (1791–1867).Один Фарад это огромное количество емкости так что на практике большинство конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, просто доли фарада — как правило, микрофарады (миллионные доли фарада, в мкФ), нанофарады (тысячные миллионы фарадов, написанных нФ), и пикофарады (миллионные миллионы фарада, написано pF). Суперконденсаторы хранят гораздо большие заряды, иногда оценивается в тысячи фарад.

Почему конденсаторы накапливают энергию?

Если вы находите конденсаторы таинственными и странными, и они не имеют для вас никакого смысла, попробуйте вместо этого подумать о гравитации.Предположим, вы стоите на дне некоторых шагов и вы решили начать лазить. Вы должны поднять свое тело против гравитации Земли, которая является привлекательной (тянущей) силой. Как говорят физики, чтобы «лазить» надо «делать работу» лестница (работа против силы тяжести) и использование энергии. Используемая вами энергия не теряется, но сохраняются вашим телом как гравитационная потенциальная энергия, которую вы могли бы использовать для других целей (просвистывая слайд обратно, например, на уровень земли).

То, что вы делаете, когда поднимаетесь по ступенькам, лестницам, горам или чему-то еще, — это работа против Земли гравитационное поле.Очень похожая вещь происходит в конденсаторе. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягивают друг друга, как противоположный полюса двух магнитов — или как ваше тело и Земля. Если вы раздвинете их, вы должны «сделать работу» против этого электростатического сила. Опять же, как и в случае с восхождением, энергия, которую вы используете, не теряется, а аккумулируется зарядами, поскольку они отдельно. На этот раз это называется электрической потенциальной энергии . И это, если вы не догадались к настоящему времени это энергия, которую хранит конденсатор.Его две пластины содержат противоположные заряды и разделение между ними создает электрическое поле. Вот почему конденсатор накапливает энергию.

Почему конденсаторы имеют две пластины?

Фото: очень необычный, регулируемый параллельный пластинчатый конденсатор, который Эдвард Беннетт Роза и Ноа Эрнест Дорси из Национального бюро стандартов (NBS) использовали для измерения скорости света в 1907 году. Точное расстояние между пластины можно регулировать (и измерять) с помощью микрометрического винта.Фото любезно предоставлено Национальным институтом цифровых коллекций стандартов и технологий, Гейтерсберг, MD 20899.

Как мы уже видели, конденсаторы имеют две проводящие пластины разделены изолятором. Чем больше тарелки, тем ближе они и чем лучше изолятор между ними, тем больше заряд конденсатор можно хранить. Но почему все это правда? Почему не конденсаторы просто есть одна большая пластина? Давайте попробуем найти простой и удовлетворительное объяснение.

Предположим, у вас есть большая металлическая сфера, установленная на изолирующей поверхности, деревянная подставка.Вы можете хранить определенное количество электрического заряда на сфера; чем он больше (чем больше его радиус), тем больше заряд вы можете хранить, и чем больше заряда вы храните, тем больше потенциал (напряжение) сферы. В конце концов, однако, вы достигнете Точка, где, если вы добавите столько, сколько один дополнительный электрон ( наименьшая возможная единица заряда), конденсатор перестанет работать. Воздух вокруг него будет разрушаться, превращаясь из изолятора в проводник: заряд будет проноситься через воздух на Землю (землю) или другой соседний проводник в виде искры — электрический ток — в мини заряд молнии.Максимальная сумма заряда, которую вы можете хранить на сфера — это то, что мы подразумеваем под своей емкостью. Напряжение (В), заряд (Q) и емкость связаны очень простым уравнением:

C = Q / V

Таким образом, чем больше заряда вы можете хранить при данном напряжении, не вызывая Воздух ломается и искрится, чем выше емкость. Если бы ты мог каким-то образом хранить больше заряда на сфере, не достигая точки где вы создали искру, вы бы эффективно увеличить ее емкость. Как ты мог это сделать?

Забудьте о сфере.Предположим, у вас есть плоская металлическая пластина с максимально возможный заряд хранится на нем, и вы обнаружите, что пластина находится на определенное напряжение. Если вы принесете вторую идентичную пластину близко к это, вы найдете, вы можете хранить гораздо больше заряда на первой пластине для такое же напряжение. Это потому, что первая пластина создает электрический поле вокруг него, которое «вызывает» равный и противоположный заряд на второй тарелке. Следовательно, вторая пластина снижает напряжение из первой пластины. Теперь мы можем хранить больше заряда на первой пластине не вызывая искры.Мы можем продолжать делать это, пока не достигнем исходное напряжение. С большим зарядом (Q) хранится точно так же напряжение (V), уравнение C & равно; Q / V говорит нам, что мы увеличили емкость нашего устройства накопления заряда путем добавления второй пластины, и именно поэтому конденсаторы имеют две пластины, а не одну. На практике дополнительная пластина имеет огромное значение , что Вот почему все практические конденсаторы имеют две пластины.

Как мы можем увеличить емкость?

Интуитивно очевидно, что если вы сделаете тарелки больше, вы сможете хранить больше заряда (как если бы вы сделали шкаф больше, вы можете заполнить больше вещи внутри него).Таким образом, увеличивая площадь пластин также увеличивает емкость. Менее очевидно, если мы сократим расстояние между пластинами, что также увеличивает емкость. Это потому что чем короче расстояние между пластинами, тем больше эффект тарелки имеют друг на друга. Вторая тарелка, будучи ближе, уменьшает потенциал первой пластины еще больше, и это увеличивает емкость.

Artwork: Диэлектрик увеличивает емкость конденсатора за счет уменьшения электрического поле между его пластинами, таким образом уменьшая потенциал (напряжение) каждой пластины.Это означает, что вы можете хранить больше заряд на пластинах при том же напряжении. Электрическое поле в этом конденсаторе проходит от положительной пластины слева на отрицательную пластину справа. Поскольку противоположные заряды притягиваются, полярные молекулы (серые) диэлектрика выстраиваются в противоположную сторону — и это то, что уменьшает поле.

Последнее, что мы можем сделать, чтобы увеличить емкость, это изменить диэлектрик (материал между пластинами). Воздух работает довольно хорошо, но другие материалы еще лучше.Стекло как минимум в 5 раз больше эффективнее воздуха, поэтому самые ранние конденсаторы (Leyden банки, используя обычное стекло в качестве диэлектрика) работали так хорошо, но это тяжело, непрактично, и трудно втиснуть в маленькие места. Вощеная бумага примерно в 4 раза лучше, чем воздух, очень тонкая, дешевая, легко сделать в больших кусках, и легко катиться, что делает его отличным, практический диэлектрик. Лучшие диэлектрические материалы сделаны из полярных молекулы (с более положительным электрическим зарядом на одной стороне и более отрицательный электрический заряд с другой).Когда они сидят в электрическое поле между двумя пластинами конденсатора, они совпадают с заряды направлены против поля, что эффективно его уменьшает. Это уменьшает потенциал на пластинах и, как и прежде, увеличивает их емкость. Теоретически, вода, которая сделана из очень маленькой полярные молекулы, сделали бы отличный диэлектрик, примерно в 80 раз лучше воздуха Практически, однако, это не так хорошо (он протекает и высыхает и изменяется от жидкости до льда или пара при относительно скромные температуры), поэтому он не используется в реальных конденсаторах.

Диаграмма

: Различные материалы создают лучшие или худшие диэлектрики в зависимости от того, насколько хорошо они изолируют пространство между пластинами конденсатора и уменьшают электрическое поле между ними. Измерение, называемое относительной диэлектрической проницаемостью, говорит нам, насколько хорошим будет диэлектрик. Вакуум является наихудшим диэлектриком и имеет относительную диэлектрическую проницаемость 1. Другие диэлектрики измеряются относительно (сравнивая их) с вакуумом. Воздух примерно одинаков. Бумага примерно в 3 раза лучше.Алкоголь и вода, которые имеют полярные молекулы, создают особенно хорошие диэлектрики.

,