Site Loader
Posted on 17.09.1985

Содержание

Электроемкость конденсатора: формулы и история

Электрический конденсатор является пассивным прибором, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрическим материалом. Приложение электрических потенциалов различного знака к проводящим пластинам приводит к приобретению ими заряда, который на одной пластине является положительным, а на другой отрицательным. При этом суммарный заряд равен нулю.

В данной статье рассмотрены вопросы истории и определение электроемкости конденсатора.

История изобретения

В октябре 1745 года немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст заметил, что электрический заряд может быть запасен, если соединить с помощью кабеля электростатический генератор и некоторый объем воды, находящийся в стеклянном сосуде. В этом эксперименте рука фон Клейста и вода являлись проводниками, а стеклянный сосуд — электрическим изолятором. После того как ученый коснулся металлической проволоки рукой, произошел мощный разряд, который был намного сильнее, чем разряд электростатического генератора. В результате фон Клейст сделал вывод о существовании запасенной электрической энергии.

В 1746 году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел конденсатор, который назвал лейденской бутылкой в честь Лейденского университета, в котором работал ученый. Затем Даниэль Гралат увеличил электроемкость конденсатора, соединив несколько лейденских бутылок.

В 1749 году Бенджамин Франклин исследовал лейденский конденсатор и пришел к выводу, что электрический заряд запасается не в воде, как полагали до этого, а на границе воды и стекла. Благодаря открытию Франклина, лейденские бутылки стали изготавливать, покрывая внутреннюю и внешнюю поверхность стеклянных сосудов металлическими пластинами.

Развитие индустрии

Термин «конденсатор» ввел в употребление Алессандро Вольта в 1782 году. Изначально для изготовления изоляторов электрических конденсаторов использовали такие материалы, как стекло, фарфор, слюду и обычную бумагу. Так, радиотехник Гульельмо Маркони использовал для своих аппаратов-передатчиков фарфоровые конденсаторы, а для приемников — небольшие конденсаторы с изолятором слюды, которые были изобретены в 1909 году — до Второй мировой войны в США именно они были наиболее распространенными.

Первый электролитический конденсатор был изобретен в 1896 году и представлял собой электролит с алюминиевыми электродами. Бурное развитие электроники началось только после изобретения в 1950 году танталового миниатюрного конденсатора с твердым электролитом.

Во время Второй мировой войны в результате развития химии пластмасс стали появляться конденсаторы, в которых роль изолятора была отведена тонким полимерным пленкам.

Наконец, в 50-60 годах развивается индустрия суперконденсаторов, которые обладают несколькими рабочими проводящими поверхностями, благодаря чему электроемкость конденсаторов повышается на 3 порядка в сравнении с ее значением для обычных конденсаторов.

Понятие об электроемкости конденсатора

Электрический заряд, запасенный в пластине конденсатора, пропорционален напряжению электрического поля, которое существует между пластинами прибора. При этом коэффициент пропорциональности называется электроемкостью плоского конденсатора. В СИ (международная система единиц) электроемкость, как физическая величина, измеряется в фарадах. Один фарад — это такая электроемкость конденсатора, напряжение между пластинами которого равно 1 вольт при запасенном заряде в 1 кулон.

Электроемкость в 1 фарад является огромной, и на практике в электротехнике и электронике обычно пользуются конденсаторы с емкостями порядка пикофарада, нанофарада и микрофарада. Исключением являются только суперконденсаторы, которые состоят из активированного угля, благодаря чему увеличивается рабочая площадь прибора. Они могут достигать емкостей в тысячи фарадов и используются для питания прототипов электромобилей.

Таким образом, электроемкость конденсатора равна: C = Q1/(V1-V2). Здесь C — электроемкость, Q1 — электрический заряд, запасенный в одной пластине конденсатора, V1-V2 — разница между электрическими потенциалами пластин.

Формула для емкости плоского конденсатора имеет вид: C = e0eS/d. Здесь e0 и e — универсальная диэлектрическая постоянная и диэлектрическая постоянная материала изолятора S — площадь пластин, d — расстояние между пластинами. Эта формула позволяет понять, как изменится электроемкость конденсатора, если изменить материал изолятора, расстояние между пластинами или их площадь.

Виды используемых диэлектриков

Для изготовления конденсаторов используют различные типы диэлектриков. Наиболее популярными являются следующие:

  1. Воздух. Эти конденсаторы представляют собой две пластины из проводящего материала, которые разделены прослойкой воздуха и помещены в стеклянный корпус. Электроемкость воздушных конденсаторов невелика. Обычно они используются в радиотехнике.
  2. Слюда. Свойства слюды (способность разделяться на тонкие пластины и выдерживать высокие температуры) являются подходящими для ее использования в качестве изоляторов в конденсаторах.
  3. Бумага. Для защиты от намокания используют парафинированную или лакированную бумагу.

Запасенная энергия

По мере того, как увеличивается разность потенциалов между пластинами конденсатора, прибор запасает электрическую энергию благодаря присутствию внутри него электрического поля. Если разность потенциалов между пластинами уменьшается, то конденсатор разряжается, отдавая энергию в электрическую цепь.

Математически электрическую энергию, которая запасена в конденсаторе произвольного типа, можно выразить следующей формулой: E = ½C(V2-V1)2, где V2 и V1 — конечное и начальное напряжение между пластинами.

Заряд и разряд

Если конденсатор подсоединить в электрическую цепь с резистором и каким-либо источником электрического тока, тогда по цепи пойдет ток, и конденсатор начнет заряжаться. Как только он будет полностью заряжен, электрический ток в цепи прекратится.

Если заряженный конденсатор подсоединить параллельно резистору, то от одной пластины к другой через резистор потечет ток, который будет продолжаться до тех пор, пока прибор полностью не разрядится. В данном случае направление тока разряда будет противоположно направлению течения электрического тока, когда прибор заряжался.

Заряд и разряд конденсатора подчиняется экспоненциальной зависимости от времени. Например, напряжение между пластинами конденсатора при его разряде изменяется согласно следующей формуле: V(t) = Vie-t/(RC), где Vi — начальное напряжение на конденсаторе, R — электрическое сопротивление в цепи, t — время разряда.

Объединение в электрической цепи

Чтобы определить электроемкость конденсаторов, которые имеются в электрической цепи, следует вспомнить, что они могут объединяться двумя различными способами:

  1. Последовательное соединение: 1/Cs = 1/C1+1/C2+…+1/Cn.
  2. Параллельное соединение: Cs = C1+C2+…+Cn.

Cs — суммарная емкость n конденсаторов. Суммарная электроемкость конденсаторов определяется по формулам, аналогичным математическим выражениям для суммарного электрического сопротивления, только формула для последовательного соединения приборов справедлива для параллельного соединения резисторов и наоборот.

Что такое электроемкость конденсатора? :: SYL.ru

Электроемкость конденсатора — это его способность накапливать электрический заряд. Формула электроемкости следующая.

C=q/U

Измеряется эта величина в фарадах. Как правило, емкость элемента очень мала и измеряется в пикофарадах.

В задачах часто спрашивается, как изменится электроемкость конденсатора, если увеличить заряд или напряжение. Это вопрос с подвохом. Проведем другую аналогию.

Представьте, что речь идет про обычную банку, а не конденсатор. Например, у вас она трехлитровая. Аналогичный вопрос: что произойдет со вместимостью банки, если туда налить 4 литра воды? Разумеется, вода просто выльется, но при этом размеры банки никак не изменятся.

То же самое с конденсаторами. Заряд и напряжение никак не влияют на емкость. Этот параметр зависит только от реальных физических размеров.

Формула будет следующей

Только эти параметры влияют на реальную электроемкость конденсатора.

На любом конденсаторе есть маркировка с техническими параметрами.

Разобраться несложно. Достаточно минимальных знаний по электричеству.

Соединение конденсаторов

Конденсаторы, так же как и сопротивления, можно подключать последовательно и параллельно. Кроме этого, в схемах бывают и смешанные соединения.

Как видите, электроемкость конденсатора в обоих случаях считается по-разному. Это также относится к напряжению и заряду. По формулам видно, что электроемкость конденсатора, вернее, их совокупности в схеме, будет наибольшей при параллельном соединении. При последовательном общая емкость значительно уменьшается.

При подключении последовательно заряд размещается равномерно. Он будет везде одинаков — как суммарный, так и на каждом конденсаторе. А когда соединение параллельное, суммарный заряд складывается. Это важно помнить при решении задач.

Напряжение считается наоборот. При последовательном соединении складываем, а при параллельном оно равно везде.

Здесь приходится выбирать: если вам нужно больше напряжения, тогда жертвуем емкостью. Если емкость, то огромного напряжения не будет.

Виды конденсаторов

Существует огромное количество конденсаторов. Они отличаются как по размеру, так и по форме.

Разумеется, емкость вычисляется у всех по-разному.

Электроемкость плоского конденсатора

Электроемкость плоского конденсатора определяется проще всего. Эту формулу в основном все и помнят, в отличии от других.

Здесь всё зависит от физических параметров и среды между пластинами.

Сферический конденсатор

Здесь также большое значение имеет, какой диэлектрик или материал помещен внутрь. Так как деталь имеет размер сферы, ее емкость зависит от радиуса.

Цилиндрический конденсатор

В случае с цилиндрической формой, кроме среды внутри, значение имеют радиусы и длина цилиндра.

Повреждения в конденсаторах

Подумайте, как изменится электроемкость плоского конденсатора, если на нем будут повреждения? Существуют различные сбои, которые могут повлиять на работоспособность конденсаторов.

Например, они рассыхаются или вздуваются. После этого они становятся непригодными для нормальной работы устройства, куда установлены.

Рассмотрим примеры повреждений и выхода из строя конденсаторов. Вздуться могут все сразу.

Иногда из строя выходят только несколько. Такое бывает, когда конденсаторы разных параметров или качества.

Наглядный пример порчи (вздутие, разрыв и выход наружу содержимого).

Если вы увидите вот такие ленты, это крайняя степень повреждения. Хуже и быть не может.

Если вы заметите на устройстве (например на видеокарте в компьютере) такие вздутые конденсаторы, это повод задуматься о замене детали.

Подобные проблемы можно устранить только заменой на аналогичную деталь. У вас должны совпадать все параметры один в один. Иначе работа может быть некорректной или очень кратковременной.

Менять конденсаторы нужно аккуратно, не повредив платы. Выпаивать нужно быстро, не допуская перегрева. Если вы не умеете этого делать, лучше отнесите деталь в ремонт.

Основной причиной разрушения является перегрев, который возникает в случае старения или большого сопротивления в цепи.

Рекомендуется не затягивать с ремонтом. Поскольку у поврежденных конденсаторов изменяется емкость, устройство, где они расположены, будет работать с отклонением от нормы. И со временем это может стать причиной выхода из строя.

Если у вас на видеокарте вздулись конденсаторы, то их своевременная замена может исправить ситуацию. В противном случае может сгореть микросхема или что-то еще. В таком случае ремонт будет стоить очень дорого или вовсе окажется невозможным.

Меры предосторожности

Выше был приведен пример с банкой воды. Там говорилось, что если воды налить больше, то воды выльется. А теперь подумайте, куда могут «вылиться» электроны в конденсаторе? Ведь он запечатан полностью!

Если вы подадите в цепи больше тока, чем тот, на который рассчитан конденсатор, то как только он зарядится, его излишек попытается выйти куда-то. А пространства свободного нет. Результатом будет взрыв. В случае незначительного превышения заряда хлопок будет небольшой. Но если подать колоссальное количество электронов на конденсатор, его просто разорвет, и диэлектрик вытечет.

Будьте аккуратны!

31

Электроемкостью (емкостью) C уединенного изолированного проводника называется физическая величина, равная отношению изменения заряда проводника q к изменению его потенциала f: C = Dq/Df.

Электроемкость уединенного проводника зависит только от его формы и размеров, а также от окружающей его диэлектрической среды (e).  Единица измерения емкости в системе СИ называется Фарадой. Фарада (Ф) — это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого повышается на 1 Вольт при сообщении ему заряда в 1 Кулон. 1 Ф = 1 Кл/1 В.

Конденсатором называют систему двух разноименно заряженных проводников, разделенных диэлектриком (например, воздухом). Свойство конденсаторов накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с ними электрическое поле характеризуется величиной, называемой электроемкостью конденсатора. Электроемкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин Q к напряжению между ними U: C = Q/U.

В зависимости от формы обкладок, конденсаторы бывают плоскими, сферическими и цилиндрическими. Формулы для расчета емкостей этих конденсаторов приведены в таблице.

Соединение конденсаторов в батареи. На практике конденсаторы часто соединяют в батареи — последовательно или параллельно.

При параллельном соединении напряжение на всех обкладках одинаковое  U1 = U2 = U3 = U = e, а емкость батареи равняется сумме емкостей отдельных конденсаторов C = C1 + C2 + C3.

При последовательном соединении заряд на обкладках всех конденсаторов одинаков Q1 = Q2 = Q3, а напряжение батареи равняется сумме напряжений отдельных конденсаторов U = U1 + U2 + U3.

Емкость всей системы последовательно соединенных конденсаторов рассчитывается из соотношения: 1/C = U/Q = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3.

Емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов всегда меньше, чем емкость каждого из этих конденсаторов в отдельности. Энергия электростатического поля. Энергия заряженного плоского конденсатора Eк равна работе A, которая была затрачена при его зарядке, или совершается при его разрядке. A = CU2/2 = Q2/2С = QU/2 = Eк. Поскольку напряжение на конденсаторе может быть рассчитано из соотношения: U = E*d, где E — напряженность поля между обкладками конденсатора, d — расстояние между пластинами конденсатора, то энергия заряженного конденсатора равна: Eк = CU2/2 = ee0S/2d*E2*d2 = ee0S*d*E2/2 = ee0V*E2/2, где V — объем пространства между обкладками конденсатора. Энергия заряженного конденсатора сосредоточена в его электрическом поле.

Тип конденсатора

Формула для расчета емкости

Примечания

Схематическое изображение

Плоский конденсатор

C = ee0S/d

S — площадь пластины; d — расстояние между пластинами.

Сферический конденсатор

C = 4pee0R1R2/(R2 — R1)

R2 и R1 — радиусы внешней и внутренней обкладок.

Цилиндрический конденсатор

C = 2pee0h/ln(R2/R1)

h — высота цилиндров.

 Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией. Вычислить энергию заряженного плоского конденсатора с однородным полем внутри него несложно.    

Энергия заряженного конденсатора. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора. В том, что заряженный конденсатор обладает энергией, можно убедиться, если разрядить его через цепь, содержащую лампу накаливания, рассчитанную на напряжение в несколько вольт (рис. 14.37). При разрядке конденсатора лампа вспыхивает. Энергия конденсатора превращается в тепло и энергию света.

   Выведем формулу для энергии плоского конденсатора.     Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна 

Е/2, где Е -напряженность поля в конденсаторе. В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по поверхности другой пластины (рис.14.38). Согласно формуле (14.14) для потенциальной энергии заряда в однородном поле энергия конденсатора равна:

W=qE/2d

где q — заряд конденсатора, а d — расстояние между пластинами.    Так как Ed=U, где U — разность потенциалов между обкладками конденсатора, то его энергия равна:

W=qU/2

   Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин вплотную.    Заменив в формуле (14.25) разность потенциалов или заряд с помощью выражения (14.22) для электроемкости конденсатора, получим:

W=qU/2=q^2/ 2C=CU^2/ 2

   Можно доказать, что эти формулы справедливы для любого конденсатора, а не только для плоского. 2 .    Применение конденсаторов. Зависимость электроемкости конденсатора от расстояния между его пластинами используется при создании одного из типов клавиатур компьютера. На тыльной стороне каждой клавиши располагается одна пластина конденсатора, а на плате, расположенной под клавишами, — другая. Нажатие клавиши изменяет емкость конденсатора. Электронная схема, подключенная к этому конденсатору, преобразует сигнал в соответствующий код, передаваемый в компьютер.    Энергия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей. К тому же она не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда. Поэтому заряженные конденсаторы не могут заменить, например, аккумуляторы в качестве источников электрической энергии.    Но это совсем не означает, что конденсаторы как накопители энергии не получили практического применения. Они имеют одно важное свойство: конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длительное время, а при разрядке через цепь с малым сопротивлением они отдают энергию почти мгновенно. Именно это свойство широко используют на практике.    Лампа-вспышка, применяемая в фотографии, питается электрическим током разряда конденсатора, заряжаемого предварительно специальной батареей. Возбуждение квантовых источников света — лазеров осуществляется с помощью газоразрядной трубки, вспышка которой происходит при разрядке батареи конденсаторов большой электроемкости.    Однако основное применение конденсаторы находят в радиотехнике.    Энергия конденсатора пропорциональна его электроемкости и квадрату напряжения между пластинами. Вся эта энергия сосредоточена в электрическом поле. Энергия поля пропорциональна квадрату напряженности поля.

Электроемкость конденсатора: формулы и история

Электрический конденсатор является пассивным прибором, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрическим материалом. Приложение электрических потенциалов различного знака к проводящим пластинам приводит к приобретению ими заряда, который на одной пластине является положительным, а на другой отрицательным. При этом суммарный заряд равен нулю.

В данной статье рассмотрены вопросы истории и определение электроемкости конденсатора.

История изобретения

В октябре 1745 года немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст заметил, что электрический заряд может быть запасен, если соединить с помощью кабеля электростатический генератор и некоторый объем воды, находящийся в стеклянном сосуде. В этом эксперименте рука фон Клейста и вода являлись проводниками, а стеклянный сосуд — электрическим изолятором. После того как ученый коснулся металлической проволоки рукой, произошел мощный разряд, который был намного сильнее, чем разряд электростатического генератора. В результате фон Клейст сделал вывод о существовании запасенной электрической энергии.

В 1746 году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел конденсатор, который назвал лейденской бутылкой в честь Лейденского университета, в котором работал ученый. Затем Даниэль Гралат увеличил электроемкость конденсатора, соединив несколько лейденских бутылок.

В 1749 году Бенджамин Франклин исследовал лейденский конденсатор и пришел к выводу, что электрический заряд запасается не в воде, как полагали до этого, а на границе воды и стекла. Благодаря открытию Франклина, лейденские бутылки стали изготавливать, покрывая внутреннюю и внешнюю поверхность стеклянных сосудов металлическими пластинами.

Развитие индустрии

Термин «конденсатор» ввел в употребление Алессандро Вольта в 1782 году. Изначально для изготовления изоляторов электрических конденсаторов использовали такие материалы, как стекло, фарфор, слюду и обычную бумагу. Так, радиотехник Гульельмо Маркони использовал для своих аппаратов-передатчиков фарфоровые конденсаторы, а для приемников — небольшие конденсаторы с изолятором слюды, которые были изобретены в 1909 году — до Второй мировой войны в США именно они были наиболее распространенными.

Первый электролитический конденсатор был изобретен в 1896 году и представлял собой электролит с алюминиевыми электродами. Бурное развитие электроники началось только после изобретения в 1950 году танталового миниатюрного конденсатора с твердым электролитом.

Во время Второй мировой войны в результате развития химии пластмасс стали появляться конденсаторы, в которых роль изолятора была отведена тонким полимерным пленкам.

Наконец, в 50-60 годах развивается индустрия суперконденсаторов, которые обладают несколькими рабочими проводящими поверхностями, благодаря чему электроемкость конденсаторов повышается на 3 порядка в сравнении с ее значением для обычных конденсаторов.

Понятие об электроемкости конденсатора

Электрический заряд, запасенный в пластине конденсатора, пропорционален напряжению электрического поля, которое существует между пластинами прибора. При этом коэффициент пропорциональности называется электроемкостью плоского конденсатора. В СИ (международная система единиц) электроемкость, как физическая величина, измеряется в фарадах. Один фарад — это такая электроемкость конденсатора, напряжение между пластинами которого равно 1 вольт при запасенном заряде в 1 кулон.

Электроемкость в 1 фарад является огромной, и на практике в электротехнике и электронике обычно пользуются конденсаторы с емкостями порядка пикофарада, нанофарада и микрофарада. Исключением являются только суперконденсаторы, которые состоят из активированного угля, благодаря чему увеличивается рабочая площадь прибора. Они могут достигать емкостей в тысячи фарадов и используются для питания прототипов электромобилей.

Таким образом, электроемкость конденсатора равна: C = Q1/(V1-V2). Здесь C — электроемкость, Q1 — электрический заряд, запасенный в одной пластине конденсатора, V1-V2 — разница между электрическими потенциалами пластин.

Формула для емкости плоского конденсатора имеет вид: C = e0eS/d. Здесь e0 и e — универсальная диэлектрическая постоянная и диэлектрическая постоянная материала изолятора S — площадь пластин, d — расстояние между пластинами. Эта формула позволяет понять, как изменится электроемкость конденсатора, если изменить материал изолятора, расстояние между пластинами или их площадь.

Виды используемых диэлектриков

Для изготовления конденсаторов используют различные типы диэлектриков. Наиболее популярными являются следующие:

  1. Воздух. Эти конденсаторы представляют собой две пластины из проводящего материала, которые разделены прослойкой воздуха и помещены в стеклянный корпус. Электроемкость воздушных конденсаторов невелика. Обычно они используются в радиотехнике.
  2. Слюда. Свойства слюды (способность разделяться на тонкие пластины и выдерживать высокие температуры) являются подходящими для ее использования в качестве изоляторов в конденсаторах.
  3. Бумага. Для защиты от намокания используют парафинированную или лакированную бумагу.

Запасенная энергия

По мере того, как увеличивается разность потенциалов между пластинами конденсатора, прибор запасает электрическую энергию благодаря присутствию внутри него электрического поля. Если разность потенциалов между пластинами уменьшается, то конденсатор разряжается, отдавая энергию в электрическую цепь.

Математически электрическую энергию, которая запасена в конденсаторе произвольного типа, можно выразить следующей формулой: E = ½C(V2-V1)2, где V2 и V1 — конечное и начальное напряжение между пластинами.

Заряд и разряд

Если конденсатор подсоединить в электрическую цепь с резистором и каким-либо источником электрического тока, тогда по цепи пойдет ток, и конденсатор начнет заряжаться. Как только он будет полностью заряжен, электрический ток в цепи прекратится.

Если заряженный конденсатор подсоединить параллельно резистору, то от одной пластины к другой через резистор потечет ток, который будет продолжаться до тех пор, пока прибор полностью не разрядится. В данном случае направление тока разряда будет противоположно направлению течения электрического тока, когда прибор заряжался.

Заряд и разряд конденсатора подчиняется экспоненциальной зависимости от времени. Например, напряжение между пластинами конденсатора при его разряде изменяется согласно следующей формуле: V(t) = Vie-t/(RC), где Vi — начальное напряжение на конденсаторе, R — электрическое сопротивление в цепи, t — время разряда.

Объединение в электрической цепи

Чтобы определить электроемкость конденсаторов, которые имеются в электрической цепи, следует вспомнить, что они могут объединяться двумя различными способами:

  1. Последовательное соединение: 1/Cs = 1/C1+1/C2+. ..+1/Cn.
  2. Параллельное соединение: Cs = C1+C2+…+Cn.

Cs — суммарная емкость n конденсаторов. Суммарная электроемкость конденсаторов определяется по формулам, аналогичным математическим выражениям для суммарного электрического сопротивления, только формула для последовательного соединения приборов справедлива для параллельного соединения резисторов и наоборот.

Конденсаторы. Электроемкость конденсатора. Применение конденсаторов

Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

КАТЕГОРИИ:

Археология
Биология
Генетика
География
Информатика
История
Логика
Маркетинг
Математика
Менеджмент
Механика
Педагогика
Религия
Социология
Технологии
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву



Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 11Следующая ⇒

План ответа

1. Определение конденсатора.

2. Обозначение.

3. Электроемкость конденсатора.

4. Электроемкость плоского конденсатора.

5. Применение конденсаторов.

 

Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы. Конденсатор — это система двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность одной пластины. Вне пластин напряженность равна нулю. Обозначаются конденсаторы на схемах так: —1| конденсатор постоянной емкости;

J^y — конденсатор переменной емкости.

Электроемкостью конденсатора называют величину, равную отношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроемкость обозначается С.

По определению С = q/U. Единицей электроемкости является фарад (Ф). 1 фарад — это электроемкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 кулону.


Электроемкость плоского конденсатора (рис. 16) находится по формуле:

где е0 — электрическая постоянная, е — диэлектрическая постоянная среды, S — площадь обкладки конденсатора, d — расстояние между обкладками (или толщина диэлектрика).

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Конденсаторы применяются для накопления электрической энергии и использования ее при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.

Билет № 20

Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила.

Закон Ома для полной цепи

План ответа

1. Работа тока.

2. Закон Джоуля—Ленца.

3. Электродвижущая сила.

4. Закон Ома для полной цепи.

 

Из формулы определения напряжения (U = A/q) легко получить выражение для расчета работы по переносу электрического заряда А = Uq; так как сила тока связана с зарядом соотношением q = It, то работа тока: А = UIt, или А = I2Rt = U2t/R.

Мощность по определению N = А/T, следовательно, N = UI =I2R = U2t/R.

Русский ученый X. Ленц и английский ученый Д. Джоуль опытным путем в середине XIX в. установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля—Ленца и читается так: при прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: Q = I2Rt.

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис. 17). Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним, r.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она появляется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС — электродвижущая сила источника. ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к величине этого заряда £ = Acт/q.

Пусть за время t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: Аст = $q. Согласно определению силы тока, q = It, поэтому Аст = fIt. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых R и r, выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоул—Ленца оно равно: Q = I2Rt + I2rt. Согласно закону сохранения энергии, А = Q. Следовательно, $ = IR + Ir. Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = @/(R + r). Эту зависимость опытным путем получил Георг Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Билет № 21

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒



Читайте также:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров



Последнее изменение этой страницы: 2016-09-20; просмотров: 555; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia. su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь — 161.97.168.212 (0.007 с.)

Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора

1. Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора.

Преподаватель физики: Бирюкова Татьяна
Ивановна
ОГБПОУ г. Рязань
1 Курс

2. Цель урока

Познакомиться:
с понятием «электроемкость», «конденсаторы»;
с типами конденсаторов
с формулой электроемкости и энергии
заряженного конденсатора
с практическим применением конденсаторов

3. Задачи урока

Сформировать умения:
решать задачи на расчет различных
характеристик конденсаторов
выражать величину из формулы
производить математические расчеты

4. Повторение

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Характеристики электрического поля
Напряженность
Потенциал
Разность потенциалов
Формула связи напряженности с напряжением
(разностью потенциалов)
При каком условии можно накопить на
проводниках большой заряд?

5.

Электроемкость – величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд.q
q
q
C
U
С – электроемкость, Ф
q – заряд одного из проводников, Кл
U – разность потенциалов между
проводниками, В
диэлектрик
на практике:
1 мкФ = 10-6 Ф
1 пФ = 10-12 Ф
R kC
ш
ш
Если емкость шара 1 фарад,
то радиус шара равен 9 млн.км.
проводник
Электроемкость зависит от:
1. геометрических размеров и формы проводников;
2. взаимного расположения проводников;
3. диэлектрической проницаемости

6. История создания конденсатора

В 1745 году
в Лейдене немецкий физик
Эвальд Юрген фон Клейст
и голландский физик
Питер ван Мушенбрук
создали первый
конденсатор
«лейденскую банку».
1692-1761

7. Конденсатор – система двух разноименно заряженных проводников, разделенных диэлектриком

Типы конденсаторов
постоянной и переменной емкости и различаются по
роду диэлектрика между пластинами
бумажные, керамические, воздушные …

8.

Плоский конденсатор — две заряженные параллельные пластины, находящиеся на малом расстоянии— — — — — — — — — — — d
диэлектрик
+ + + + + + + + + +
C
S
0
С – электроемкость плоского
конденсатора, Ф
ε – диэлектрическая проницаемость
ε0 — электрическая постоянная, Ф/м
S — площадь пластины конденсатора, м2
d — расстояние между пластинами, м
d
Электроемкость плоского конденсатора прямо
пропорциональна площади пластины конденсатора и
обратно пропорциональна расстоянию между
пластинами

9. Шаровой конденсатор

R2
_
_
+
R1
_
Электрическое поле
сосредоточено внутри
конденсатора
_
R
R
C 4
R R
1
2
0
2
1

10. Последовательное соединение

С1
+
С2
_
+
U2
U1
+
_
C
_
q q q
1
2
U U U
q q1 q2
C C1 C 2
1
2
U
d↑ , следовательно , С↓
1 1 1
C C C
1
2

11.

Параллельное соединениеС1 +
+
q q q
_
q1
C
2
U U U
_
1
С2
+
1
2
q2
CU C U C U
_
1
1
2
q
S↑, следовательно, С↑
C C C
1
2
2

12. Соединение конденсаторов одноименными полюсами

+
С1
—
Соединение конденсаторов
одноименными полюсами
q C1U 1 C 2U 2
+
С2
—
C C C
1
C U C U
q
U
C
C
C
1
1
2
1
2
2
2

13. Соединение конденсаторов разноименными полюсами

+
С1
—
Соединение конденсаторов
разноименными полюсами
q C1U 1 C 2U 2
С2
+
C C C
1
C U C U
q
U
C
C
C
1
1
2
1
2
2
2

14. Энергия заряженного конденсатора

qU
W
2
CU
2
2
2
q
2C
W – энергия заряженного конденсатора
(энергия электрического поля), Дж
q — заряд пластины конденсатора, Кл
U — разность потенциалов, В
С – электроемкость конденсатора, Ф

15.

Плотность энергии конденсатораW
V
E
2
0
2
ω – плотность энергии, Дж/м3
V – объем, м3
Е – напряженность, В/м

16. Применение конденсаторов

в радиотехнике, в
автоматизации
производственных
процессов, в
вычислительной
технике и т.д.
используется
свойство
накапливать и
сохранять заряд

17. Применение конденсаторов

Петличный микрофон.
Микрофон конденсаторный.
Студийный
конденсаторный
направленный микрофон
широкого применения.
Применение конденсаторов
Лампа фотовспышки.
Батарея конденсаторов
Светильники с
разрядными лампами.
Металлопленочные конденсаторы
обладают неограниченной
возможностью
самовосстановления. Таким
образом, возможность короткого
замыкания практически
исключается. Конденсаторы
устойчивы к большим импульсным
токам и высокому уровню
пульсаций.
Применяются в мобильных
телефонах, персональных
компьютерах, телевизорах,
электронных балластах и
автомобильной электронике.

20. Применение конденсаторов

в компьютерной технике –
клавиатура (зависимость емкости
от расстояния между пластинами)
На тыльной стороне клавиши одна
пластина конденсатора, а на
плате,- другая. Нажатие клавиши
изменяет емкость конденсатора.

21. Электролитические конденсаторы

Полимерные конденсаторы
с твердым электролитом
на чипсете
Отличительными
чертами алюминиевых
электролитических
конденсаторов является большая
удельная емкость на единицу
объема (произведением CV) и
прекрасная работа при повышенных
токах. Поэтому они незаменимые
компоненты в цепях постоянного
тока тяговых устройств, в составе
преобразователей частоты, в схемах
электронных балластов, в ИБП
(источниках бесперебойного
питания) и импульсных
преобразователях напряжения, в
студийных лампах-вспышках и в
автомобильной электронике.

23. Решение задач

1. Определите толщину диэлектрика
конденсатора, электроемкость которого 1400
пФ, площадь пластин 1,4 ·10-3 м2. Диэлектрик –
слюда (ε=6).
2. Разность потенциалов 150 В между пластинами
плоского конденсатора. Площадь каждой
пластины 1,2·10-2 м2, заряд 5 нКл. На каком
расстоянии друг от друга находятся пластины?
Дано:
Решение:
С=1400 ·10-12Ф
S=1,4 ·10-3 м2
ε=6
ε0=8,85·10-12 Ф/м
C
S
d
S
0
d
0
C
d-?
6 8,85 10 Ф 1,4 10 м
м
0,0053 мм
d
1400 10 Ф
3
12
2
12
Ответ: d = 5,3 мкм
Дано:
U=150 В
S=1,2·10-2 м2
q=5·10-9 Кл
ε=1
ε0=8,85·10-12Ф/м
Решение:
C
S
0
d
d
S
0
C
5 10 Кл 0,33 10 Ф
150В
9
q
C
U
9
1 8,85 10 Ф 1,2 10 м
S
м
d
C
0,033 10 Ф
0,32 10 м 3,2 мм
12
d-?
0
9
2
Ответ: d=3,2 мм
2
2

26. Решение задач

3. Площадь пластин
плоского воздушного
конденсатора равна
10-2 м2, расстояние
между ними 5 мм. До
какой разности
потенциалов был
заряжен конденсатор,
если при его разрядке
выделилось 4,2·10-3
Дж энергии?
Дано:
Решение:
CU
2
U
2W
C
W
S=10-2 м2
2
S
d=5 мм=5·10-3м
C
d
ε=1
ε0=8,85·10-12Ф/м
1 8,85 10 Фм 10 м
1,77 10 Ф
C
-3
W=4,2·10 Дж
5 10 м
0
12
2
2
11
3
U-?
2 4,2 10 Дж
1,77 10 Ф
3
U
Ответ:
11
2,2 10
4
U 2,2 10 В
4
В

29.

Задача 4. Определите общую электроемкость куба, состоящего из 12 одинаковых конденсаторов емкостью С

30. Эквивалентная схема

С
С
С
С
С
С
С
С
С
С
С
С1 3С
С1
1
С
об
С
С2
С3
2
3
3
С 6С
2
1 1 1 1 1 1 5
С С С 3С 6С 3С 6С
1
С 3С
6
С С
5
об

31. Электроемкость плоского конденсатора с квадратными пластинами со стороной 10 см, расположенными на расстоянии 1 мм друг от

друга, в воздухе примерно равна
10 пФ
2. 0,1 нФ
3. 1 мкФ
4. 0,1мФ
1.

32. Как изменится электроемкость плоского воздушного конденсатора, если расстояние между его пластинами увеличить в 2 раза?

1. Уменьшится в 2 раза
2. Уменьшится в 4 раза
3. Увеличится в 4 раза
4. Увеличится в 2 раза

33. Как изменится электроемкость плоского воздушного конденсатора, если площадь его пластин увеличить в два раза, а расстояние

между ними уменьшить в 2 раза?
1. Не изменится
2. Уменьшится в 4 раза
3. Увеличится в 4 раза
4. Увеличится в 2 раза

34. Плоский конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменятся при увеличении зазора между обкладками конденсатора

три величины:
— емкость конденсатора;
— величина заряда на обкладках
конденсатора;
— разность потенциалов между
ними.
1. увеличится; 2. уменьшится; 3. не изменится

35. Плоский воздушный конденсатор зарядили до некоторой разности потенциалов и отключили от источника тока. Для каждой величины —

заряд на обкладках конденсатора
— электроемкость конденсатора
-энергия электрического поля
конденсатора
определите соответствующий характер
изменения:
1. увеличится; 2. уменьшится; 3. не изменится.
Плоский конденсатор отключили от
источника тока, а затем увеличили
расстояние между его пластинами. Что
произойдет при этом
— с зарядом конденсатора
— с электроемкостью конденсатора
— с напряжением на его обкладках?
Для каждой величины определите
соответствующий характер изменения:
1. увеличится; 2. уменьшится; 3. не изменится.

37. Определите электроемкость батареи состоящей из четырех одинаковых конденсаторов электроемкостью С.

1
С
С
С
С
1.
2.
2
С
С
3.
4.
5.
6.
С
С
С/4
С
2С/5
4С/3
3С/5
3С/4

38. Домашнее задание

§ 99-101 прочитать
вопросы устно
Упр. № 18
Составить интелект-схему «Конденсатор»

Формула сферического конденсатора — GeeksforGeeks

Конденсатор — это просто электрическое устройство, состоящее из двух клемм, способных накапливать энергию в виде электрического заряда. Его можно сконструировать, просто разместив два электрических проводника на расстоянии друг от друга. Пустое пространство между проводниками может быть заполнено вакуумом (или воздухом) или изоляционным материалом, известным как диэлектрик. Способность конденсатора накапливать заряды называется емкостью.

В конденсаторе две клеммы с противоположными зарядами расположены на расстоянии друг от друга, что позволяет ему генерировать (хранить) энергию. Простейшая конструкция конденсатора представляет собой параллельную пластину, состоящую из двух металлических пластин с зазором между ними. Следует отметить, что конденсатор может быть любой формы или размера или быть изготовлен из любого материала, пока его клеммы не будут накапливать противоположные заряды и, таким образом, накапливать энергию.

Емкость конденсатора

Рассмотрим конденсатор, положительные и отрицательные пластины которого удерживают заряд +q и -q соответственно. На него подается источник постоянного напряжения, который создает разность потенциалов V на пластинах. Теперь, как мы знаем,

 Q α V

Ввод константы C в это отношение.

Q=CV.

Примечание: Емкость каждого материала уникальна, и ее единицей СИ является Фарад (Ф).

Работа конденсатора

Предположим, что нам дана простейшая форма конденсатора, то есть конденсатор с параллельными пластинами. Он состоит из двух параллельных пластин, разделенных небольшим расстоянием, и этот зазор заполнен диэлектриком. Затем нам дан источник постоянного напряжения, подключенный через конденсатор, где одна пластина прикреплена к положительному концу (пластина I), а другая пластина подключена к отрицательному концу (пластина II). Когда потенциал батареи приложен к конденсатору, пластина I становится положительной по отношению к пластине II. В установившемся режиме ток пытается пройти через конденсатор от положительной пластины к отрицательной. Однако из-за зазора между ними с изолирующим слоем (диэлектриком) он не может течь.

Структура простого конденсатора.

Некоторое время конденсатор продолжает заряжаться набегающим потоком тока. Но через некоторое время он достигает состояния, когда он удерживает максимально возможное количество заряда. Вот как конденсатор накапливает энергию. Время, необходимое для достижения этого состояния максимального заряда, называется временем зарядки конденсатора. Далее отключаем от цепи источник напряжения и вставляем в него нагрузочный резистор. Теперь ток начинает течь от положительно заряженного вывода конденсатора к отрицательно заряженному выводу и теряет при этом всю свою энергию. Этот период времени называется временем разрядки конденсатора.

Разряд конденсатора.

Формула сферического конденсатора

Как упоминалось ранее, емкость возникает, когда между двумя пластинами есть разделение. Итак, для изготовления сферического конденсатора возьмем полую сферу, у которой внутренняя поверхность заряжена положительно, а внешняя поверхность сферы заряжена отрицательно. Внутренний радиус сферы равен r, а внешний радиус равен R. Расстояние R-r между двумя противоположно заряженными поверхностями действует как диэлектрик. Предположим, что внутренняя сферическая поверхность имеет потенциал В 1 и V 2.

Сферический конденсатор

Далее, электрическое поле, создаваемое заряженной сферой (полой) радиусом r, имеющей заряд Q, определяется выражением

E= . ⇢ (1)

Кроме того, мы знаем, что генерируемое электрическое поле связано с разностью потенциалов как

E= . ⇢ (2)

Сравнивая (1) и (2),

 

Интегрируя в обе стороны в пределах V, V и r, R.

⇢ (3)

— это изменение потенциала при движении из сферы внутрь сферы наружу. Теперь емкость конденсатора определяется,

⇢ (4)

Сравнение (3) и (4),

Упрощение. t быть отрицательным, берется положительное значение. Это выражение для емкости сферического конденсатора.

Примеры вопросов

Вопрос 1. Сферический конденсатор имеет внутренний радиус 7 см и внешний радиус 10 см. Найдите емкость шара. Предположим, что диэлектриком между ними является воздух.

Решение:

емкость сферы определяется,

C =

здесь ∈ 0 = 8,85 × 10 -12 , r = 7, R = 10

C =.

С = 2,593 × 10 -12 F

Вопрос 2. В приведенной выше задаче найдите, какой заряд потребуется конденсатору, чтобы поднять его потенциал с 0 до 10 000 В.

Решение:

× 10 -12 F.

Требуемый заряд можно найти, используя Q = CV. где V — разность потенциалов.

Разность потенциалов V в этом случае равна 1000-0 = 1000В

Следовательно, Q = 3,7052 × 10 -12 × 1000

Q = 2,593 × 10 -9 C

Вопрос 3. Внутренний радиус сферического конденсатора равен x м, а его внешний радиус равен 5/4 x м, если внешний радиус увеличить до 3/2x м, найти, во сколько раз изменится его емкость.

Solution:

In this case 

=  

= 20 πε o x F

 

= 20 πε o x  F

  

 

So the capacitance decreases as the внешний радиус увеличен. 9-8 C.

Solution:

C = 4 πε o x F

C = 4 × 3.14 × 8.85 × 10 −12 × 10 × 10 −2  

C = 111.156 × 10 −13

C = 1,11 × 10 −11 F

Теперь Q = CV

Следовательно,

Следовательно V = 900,9 В

ВОПРОС 5: Верд радиус a ophericitor IS IS IS Sphericitor IS IS ophericitor IS IS IS ophericitor IS IS ophericitor IS IS ophericitor IS IS ophericitor IS IS ophericitor IS IS ophericitor IS IS ophericitor IS IS ophericitor IS IS IS ophericitor. на 10 % больше, чем его внутренний радиус. Емкость этого конденсатора 10 -8 F. Найдите значение его внутреннего и внешнего радиусов.

Ответ:

Здесь r = x, r = 1,1x и c = 10 -8 F

SO,

x = 0,009 M

So inner radius gradil. равен 0,09 см, а внешний радиус равен 0,099 см.

Вопрос 6: Внутренний и внешний радиусы сферического конденсатора равны 5см и 6см. Найдите энергию конденсатора, если к нему приложена разность потенциалов 1000 В.

Solution:

The capacitance of this capacitor is calculated as,

 

C = 3.3363 × 10 −12 F

U = 1/2 CV 2

U = 21 ​× 3,3363 × 10 −12 × (1000) 2

U = 1,66815 × 10 −9 Дж

см -8 Дж . Найдите его напряжение.

Решение:

Позвольте найти емкость первым,

C = 4,446 × 10 -9 F

U = 1/2 CV 2

9000 2 9000 2 9000 2 9000 2

9000 2

9000 2

9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000 2 9000. 12.


Определение, формула, единицы СИ, измерение

Конденсатор — это устройство, которое может накапливать электрические заряды, а также может использоваться для защиты цепей от нежелательных всплесков. Теперь вы можете подумать, что батарея также делает это.

Однако в этом случае разница заключается в том, что батарея хранит энергию в форме химического потенциала, тогда как конденсаторы хранят энергию в форме электрического потенциала. Кроме того, ток утечки у конденсаторов выше, чем у аккумуляторов, а это означает, что конденсаторы не могут удерживать заряд так же долго, как аккумуляторы.

Рис. 1. A Конденсатор. Источник: Эван-Амос, Wikimedia Commons (общественное достояние).

Быстрое движение электронов между двумя пластинами конденсатора делает его очень полезным в электронных приложениях.

Конденсатор

Внутри конденсатора находятся две металлические пластины из проводящего материала, например алюминия. Эти пластины разделены изоляционным материалом, также известным как диэлектрик.

Прежде чем мы рассмотрим, как работает конденсатор, нам нужно понять концепцию поляризации.

Поляризация – это ориентация полярных молекул внутри диэлектрика по направлению к противоположным электродам.

Диэлектрик состоит из множества полярных молекул, которые имеют как положительный, так и отрицательный конец. Когда конденсатор не накапливает заряд, электрического поля нет, и эти молекулы случайным образом направлены в разные стороны.

Рис. 2. Случайные молекулы (вверху) и молекулы в электрическом поле (внизу). Источник: гиперфизика, Wikimedia Commons (общественное достояние).

При подаче напряжения на конденсатор создается электрическое поле. Положительные концы молекул притягиваются к отрицательно заряженной пластине и наоборот.

Поскольку диэлектрик является изолятором и молекулы не могут смещаться, поляризованные молекулы ориентируются таким образом, что противоположные заряды на молекулах и пластинах обращены друг к другу.

Рис. 3. Ориентация поляризованных молекул в электрическом поле. Источник: Brews ohare, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0).

Поскольку электрическое поле поляризованных молекул противоположно направлению обкладок конденсатора, разность потенциалов уменьшается, а способность конденсатора накапливать заряд на единицу разности потенциалов увеличивается.

Возьмите батарейку и подсоедините отрицательный конец к отрицательному выводу конденсатора (обозначен полосой), а положительный конец к положительному выводу. Однако имейте в виду, что не все конденсаторы имеют маркировку полюсов. Если это так, они могут быть подключены в любом направлении в цепи.

Рисунок 4. Символ конденсатора. Источник: Wikimedia Commons (общественное достояние).

Заряды текут от батареи к отрицательной клемме конденсатора и от положительной пластины к положительной клемме батареи.

Рисунок 5. На диаграмме показано, как напряжение на пластинах и ток, протекающий через пластины, изменяются по мере заряда конденсатора. Источник: jjbeard, Wikimedia Commons (общественное достояние).

После того, как заряды перетекли от положительной пластины к батарее и от батареи к отрицательной пластине, дальнейший поток электронов невозможен, и одна сторона конденсатора заряжена отрицательно, а другая сторона заряжена положительно. Конденсатор находится на том же уровне напряжения, что и батарея.

Поскольку электроны накапливаются на одной стороне конденсатора, мы говорим, что он накапливает энергию, которую можно высвобождать, когда это необходимо.

Между пластинами конденсатора создается разность потенциалов, так как существует разница в количестве зарядов на пластинах.

Применение конденсатора

Заряженный конденсатор можно использовать для обеспечения непрерывного заряда цепи.

Например, когда мы подключаем светодиод к полностью заряженному конденсатору, заряды от отрицательной пластины конденсатора текут через светодиод к положительной пластине конденсатора до тех пор, пока между двумя клеммами не исчезнет разность потенциалов. В результате светодиод на короткое время мигнет.

Продолжительность вспышки будет очень короткой, так как поток электронов очень быстрый. Однако, если мы подключим батарею к конденсатору в этой цепи, конденсатор будет заряжаться и накапливать энергию и снова разряжаться, если в протекании тока возникнет какое-либо прерывание.

Измерение накопленной энергии

На конденсаторе есть два значения, одно показывает напряжение (В) и емкость в фарадах (Ф).

Рисунок 6. Конденсатор с показаниями напряжения и емкости. Источник: Jomegat, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0).

Показание напряжения на конденсаторе указывает максимальное напряжение, которое он может выдержать. Если это значение превышено, есть вероятность, что конденсатор может сгореть, а иногда даже взорваться.

Емкость конденсатора

Каждый конденсатор имеет емкость, которая представляет собой его способность накапливать электрический заряд. Символом емкости является C, которая измеряется в фарадах. Фарады — это количество кулонов, которые можно хранить на вольт:

Таким образом, емкость можно использовать для расчета заряда в кулонах:

  • Q = электрический заряд.
  • C = емкость.
  • В = напряжение.

Формула емкости

Емкость можно рассчитать по следующей формуле:

  • C = емкость, измеренная в кулонах на вольт (Ф).
  • K = относительная диэлектрическая проницаемость, т. е. диэлектрическая проницаемость материала по отношению к диэлектрической проницаемости свободного пространства. Это выражается как εr/ε0, где εr — диэлектрическая проницаемость материала. Обычно указывается относительная диэлектрическая проницаемость. Например, воздух имеет диэлектрическую проницаемость 1,9.2 и разделены на 2,15 мм.

    Поскольку K не указан, мы примем его равным 1. Сложение других значений дает:

    Это может показаться очень маленькой емкостью, но на самом деле она огромна.

    Емкость (только A2) — основные выводы

    • Конденсатор — это проводник, который может накапливать заряд в электрической форме.

    • Каждый конденсатор имеет емкость, которая представляет собой количество заряда на единицу разности потенциалов.

    • Конденсатор используется для поддержания тока в цепи в случае прерывания.

    • Две проводящие пластины с диэлектрическим изолятором между ними образуют конденсатор.

    • Работа конденсатора заключается в накоплении отрицательных зарядов на одной пластине, что создает разность потенциалов между двумя пластинами.

    • Единицей измерения емкости являются фарады.

    Преобразование емкости в импеданс и взаимосвязь между ними

    Ключевые выводы

    ●     Узнайте о формулах преобразования емкости в импеданс.

    ●     Получите более полное представление о взаимодействии емкости и импеданса.

    ●     Узнайте больше о важности импеданса при анализе цепей переменного тока.

     

    Емкость и ее отношение к импедансу

    Область электроники содержит различные параметры, которые измеряют, помогают и влияют на функциональность, а также производительность каждого электронного устройства. Эти параметры влияют на исходные и окончательные проектные решения.

    Такие параметры, как емкость и импеданс, должны оставаться в допустимых проектных пределах, иначе даже самый точный проект не сможет обеспечить желаемый функциональный результат. Кроме того, бывают случаи, когда требуется преобразование одного параметра в эквивалент другого. Одно такое преобразование, такое как емкость в импеданс, требует детального анализа цепи переменного тока.

    Конденсаторы и емкость

    Компонентом, связанным с емкостью, является, конечно же, конденсатор, а способность системы накапливать электрический заряд называется емкостью. В физике это отношение изменения электрического заряда в системе к изменению ее электрического потенциала. В любом случае стандартной единицей измерения емкости является фарад.

    Эти пассивные электронные компоненты накапливают энергию в виде электростатического поля. В чистом виде конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. Емкость конденсатора прямо пропорциональна площади поверхности его пластин и обратно пропорциональна расстоянию между этими пластинами. Однако чистая емкость также зависит от диэлектрической проницаемости вещества, разделяющего пластины.

    При преобразовании импеданса конденсатора мы используем формулу Z = -jX. Имейте в виду, что реактивное сопротивление является более однозначным параметром и определяет, какое сопротивление будет иметь конденсатор на определенной частоте. Как указывалось ранее, знание импеданса необходимо для детального анализа цепи переменного тока.

    Катушка индуктивности и импеданс

    Понимание импеданса в цепи переменного тока

    Импеданс — это активное сопротивление электрической цепи или компонента переменному току из-за комбинированного воздействия реактивного сопротивления и омического сопротивления. Другими словами, импеданс является расширением принципов сопротивления в цепях переменного тока. Мы также определяем импеданс как любое препятствие или меру сопротивления электрического тока потоку энергии при подаче напряжения.

    Более техническое определение — это полное противодействие электрической цепи потоку переменного тока одной частоты. Таким образом, это комбинация реактивного сопротивления и сопротивления, которую мы измеряем в омах и обозначаем символом Z.

    Реактивное сопротивление (X) выражает сопротивление компонента переменному току, тогда как импеданс (Z) указывает сопротивление компонента обоим переменного и постоянного тока.

    Мы показываем его как комплексное число с помощью следующей формулы: Z = R + jX. В идеале импеданс резистора равен его сопротивлению. В этих условиях реальная или действительная часть импеданса представляет собой сопротивление, а мнимая часть равна нулю или нулю.

    Преобразование емкости в импеданс

    Существуют калькуляторы емкостного реактивного сопротивления, которые позволяют определить полное сопротивление конденсатора при условии, что у вас есть значение его емкости (C) и частота сигнала, проходящего через него (f). Вы вводите емкость в фарадах, пикофарадах, микрофарадах или нанофарадах и частоту в единицах ГГц, МГц, кГц или Гц. Например, емкость в 2 фарад на частоте 100 герц даст импеданс 0,0008 Ом.

    Следующая формула необходима для расчета вышеуказанных значений:

    Теперь мы понимаем параметры идеального резистора, где его импеданс равен его сопротивлению. Однако полное сопротивление идеального конденсатора равно величине его реактивного сопротивления, хотя эти два параметра не идентичны. Мы выражаем реактивное сопротивление как обычное число в омах, а полное сопротивление конденсатора представляет собой реактивное сопротивление, умноженное на -j. Это соответствует следующей формуле:

    Z = -jX . В этом контексте термин -j представляет фазовый сдвиг на 90 градусов, который возникает между током и напряжением в чисто емкостной цепи.

    Используя уравнение преобразования

    Используя приведенное выше уравнение (XC = 1/ωC ​​= 1/2πƒC), вы можете получить реактивное сопротивление конденсатора, а для преобразования его в импеданс конденсатора вы можете использовать формулу Z = -jX . Помните, что реактивное сопротивление является более очевидным значением параметра, и оно определяет, какое сопротивление имеет конденсатор на определенной частоте.

    Из приведенных выше уравнений видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально емкости и частоте. Следовательно, более высокая емкость и более высокая частота приводят к более низкому реактивному сопротивлению. Эта обратная связь между частотой и реактивным сопротивлением облегчает использование конденсаторов для блокирования низкочастотных компонентов сигнала и одновременного пропускания высокочастотных компонентов.

    Емкость в цепи переменного тока легко различима, но для тщательного анализа цепи переменного тока требуется импеданс. Логически это означает, что первостепенное значение имеет более глубокое понимание того, как взаимодействуют эти два параметра.

    Обмотка индуктора из медного провода

    Наличие функциональных и надежных схем зависит от наличия подходящего набора программного обеспечения для проектирования и анализа, помогающего создавать схемы, имитационные модели и посадочные места. Функции внешнего проектирования от Cadence интегрируются с мощным симулятором PSpice для создания идеальной программной системы для проектирования схем и моделирования.

    Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Вы также можете посетить наш канал YouTube и посмотреть видеоролики о моделировании и системном анализе, а также узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа.

    Свяжитесь с нами

    Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

    Подпишитесь на Linkedin Посетить сайт Больше контента от Cadence PCB Solutions