Плоский воздушный конденсатор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Cтраница 2

Плоский воздушный конденсатор, расстояние между пластинами которого 5 см, заряжен до 200 В и отключен от источника напряжения.  [16]

Плоский воздушный конденсатор емкостью С 5 — 10 — Ф заряжен от батареи с эд.с. Е2 В. Конденсатор после заряжения отключен от источника.  [17]

Плоский воздушный конденсатор образован двумя оди наковыми квадратными пластинами, отстоящими друг от друга на 1 мм.  [18]

Плоский воздушный конденсатор состоит из двух пла стин. Определите емкость конденсатора, если площадь каждой пластины 0 1 дм, а расстояние между ними 5 мм.  [19]

Плоский воздушный конденсатор имеет расстояние между пластинами 2 4 мм.  [20]

Плоский воздушный конденсатор имеет емкость С. Определите емкость того же конденсатора, когда он наполовину погружен в трансформаторное масло так, что его пластины перпендикулярны к поверхности масла.

 [21]

Плоский воздушный конденсатор состоит из двух пластин площадью по 100 мм2 каждая, расстояние между пластинами 6 мм. На сколько надо раздвинуть пластины конденсатора, чтобы емкость его не изменилась при погружении в керосин наполовину.  [22]

Плоский воздушный конденсатор, образованный двумя пластинами площадью 1 дм2 каждая, заряжен до разности потенциалов 60 В.  [23]

Плоский воздушный конденсатор, расстояние между пластинами которого di 0 5 мм, заряжен до напряжения U 10 В и отключен от источника. Каким будет напряжение U2, если пластины раздвинуть до расстояния d2 5 мм.  [24]

Плоский воздушный конденсатор емкостью С 20 нФ подключен к источнику постоянного напряжения U 100 В.  [25]

Плоский воздушный конденсатор имеет электроемкость С. Определить электроемкость этого конденсатора, когда он наполовину погружен в трансформаторное масло так, что его пластины перпендикулярны к поверхности масла.  [26]

Плоский воздушный конденсатор после зарядки отключается от источника напряжения и погружается в керосин.  [27]

Плоский воздушный конденсатор после зарядки отключают от источника тока и погружают в керосин. Как изменится энергия, накопленная в конденсаторе.  [28]

Плоский воздушный конденсатор имеет емкость С. Определить емкость того же конденсатора, когда он наполовину погружен в трансформаторное масло так, что его пластины перпендикулярны к поверхности масла.  [29]

Плоский воздушный конденсатор с расстоянием между обкладками 2 00 см и площадью обкладок 10 0 см2 заряжен до напряжения 2 кВ и отключен от источника тока. Под действием ионизатора в пространстве между обкладками за единицу времени образуется 109 пар одновалентных ионов. Считая, что все ионы достигают обкладок конденсатора, определить напряжение на конденсаторе через 5 53 с после включения ионизатора.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

Плоский воздушный конденсатор.

Емкость и пластины конденсатора

Две плоские пластины, находящиеся параллельно между собой, с диэлектриком внутри, образуют плоский конденсатор. Это наиболее простая модель конденсатора, накапливающая энергию разноименного заряда. Если на пластины подать заряд, одинаковый по размеру, но различающийся по модулю, то поле, а точнее его напряженность между проводниками повысится в два раза. Отношение размера заряда одного проводника к разности потенциалов между пластинами – это электроемкость.

Применение

Во всех электронных и радиотехнических устройствах, кроме микросхем и транзисторов используются конденсаторы. В разных схемах конденсаторов присутствует разное количество. Нет таких схем, где бы они не использовались. Они выполняют различные задачи: являются емкостями в фильтрах, служат передающим элементом для сигнала каскадов усиления, входят в состав частотных фильтров, для выдержки временного диапазона, для подбора частоты колебаний в генерирующих устройствах.

Конструкция и принцип действия

Устройство конденсатора заключается в двух обкладках с диэлектриком между ними. На всех схемах они так и отображаются.

S – площадь поверхности обкладок в м², d – расстояние от обкладок, м, С – емкость, Ф, е – проницаемость диэлектрика. Все показатели выражены в системе СИ. Формула подходит плоскому конденсатору, помещают две пластины из металла с выводами, диэлектрик не нужен, так как им будет являться воздух.

Это показывает: емкость плоского конденсатора прямо зависит от площади пластин, и имеет обратную зависимость расстояния от пластин. Если геометрическая форма конденсатора иная, то формула емкости будет отличаться. Для вычисления кабеля. Но смысл зависимости остается таким же.

Пластины конденсаторов бывают и другой формы. Существуют металлобумажные конденсаторы с обкладками из алюминиевой фольги, которая свернута вместе с бумагой в клубок по форме корпуса.

Для повышения электрической прочности бумага конденсатора пропитывается специальным составом для изоляции, в основном это масло для трансформатора. Такое устройство дает возможность повысить емкость в разы.

По такому же принципу сделаны конденсаторы других конструкций.

В формуле нет ограничений на размер пластин S и расстояние d. Если пластины отодвинуть далеко, и уменьшить их площадь, то малая емкость останется. Два соседних провода имеют электрическую емкость.

В технике высокой частоты такое свойство широко применяется. Конструкцию конденсаторов выполняют дорожками на печатном монтаже или скручивают два провода в полиэтилене. Простой провод, который называют «лапшой», имеет свою емкость. Чем длиннее провод, тем больше емкость.

Все кабели еще имеют сопротивление R, кроме емкости С. Свойства распределяются по длине кабеля, во время сигналов в виде импульсов являются цепочкой интеграции RС.

Импульс искажается специально. Для этого собрана схема. Емкость кабеля влияет на сигнал. На выходе появится измененный сигнал – «колокол», при коротком импульсе сигнал совсем пропадает.

Свойства материалов-диэлектриков

В формуле значение проницаемости диэлектрика находится в знаменателе, увеличение ведет к повышению емкости.

Для воздуха, лавсана, фторопласта величина не отличается от вакуумного состояния. Существуют вещества-диэлектрики, у которых проницаемость больше. Конденсатор, залитый спиртом, повышает свою емкость в 20 раз.

Такие вещества кроме проницаемости имеют хорошую проводимость. Конденсатор с таким веществом держит заряд хуже, разряжается быстрее. Это свойство назвали током утечки. В качестве диэлектриков применяют материалы, позволяющие создавать нормальные токи утечки при большой удельной емкости. Поэтому существует много видов конденсаторов для различных условий применения.

Накопление энергии в конденсаторе

На схеме показан конденсатор с большой емкостью для медленного течения разряда. Можно взять лампочку от фонарика и проверить работу схемы. Такую лампочку можно найти в любом магазине электротоваров. Когда переключатель SA находится во включенном состоянии, то конденсатор получает заряд от батареи через резистор. Процесс изображен на рисунке.

Напряжение повышается по кривой-экспоненте. Ток отражается на графике в зеркальном виде, и имеет обратную зависимость от напряжения. Только в самом начале он подходит для приведенной формулы.

Через определенное время конденсатор получит заряд от источника до значения 4,5 вольт. Как можно вычислить время заряда конденсатора?

В формуле τ = R*C величины умножаются, итог получается в секундах. Это количество времени  нужно для заряда уровня 36,8% от источника. Чтобы зарядить конденсатор полностью, нужно время = 5*т.

Если в формулу ставить емкость в мкФ, сопротивление в Ом, то время будет в микросекундах. Для нас удобнее секунды. На схеме емкость 2000 мкФ, сопротивление 500 Ом, время получается т = R * C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд. Это равнозначно одной секунде. В итоге, чтобы конденсатор получил полный заряд, необходимо время 5 секунд.

После этого времени переключатель переводим вправо, конденсатор разряжается по лампочке. Будет видна вспышка разряда конденсатора. Время, необходимое для разряда вычисляется величиной «т».

По схеме можно убедиться в вышеописанном утверждении.

При замыкании переключателя лампа вспыхивает — конденсатор получил заряд по лампочке. На графике видно, что в момент включения значение тока наибольшее, с течением заряда ток снижается до полного прекращения. При качественном конденсаторе и небольшой степенью саморазряда включение не выдаст вспышку лампы. Чтобы лампа снова вспыхнула, нужно разрядить конденсатор.

Любой проводник создает вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле можно описать с помощью такой величины, как электрический потенциал. В каждой точке пространства потенциал имеет какое-то значение. Потенциал на бесконечном расстоянии равен нулю. Приближаемся мысленно от бесконечности к проводнику. Чтобы пробиться к проводнику, необходимо совершить работу. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии пробного заряда.

Максимальное значение потенциальная энергия достигнет тогда, когда мы вплотную подойдем к проводнику. После проникновения внутрь проводника, потенциальная энергия перестает меняться. Если мы разделим потенциальную энергию на величину пробного заряда, то получим электрический потенциал.

Потенциал проводника зависит от заряда. Если мы удвоим заряд проводника, то потенциал так же удвоится. Потенциал проводника прямо пропорционален заряду, который несет на себе этот проводник. Отношение заряда проводника к потенциалу является характеристикой проводника, называется электрической емкостью.

Чтобы понять это определение электроемкости, представим себе высоту жидкости в сосуде, имеющим широкое дно. Высота жидкости будет мала, то есть, потенциал мал. Если сосуд узкий и высокий, то такое же количество жидкости приведет к тому, что уровень жидкости будет высоким.

Применение емкостей в фильтрах

В фильтрах емкость устанавливается в конце выпрямителя, который сделан двухполупериодным.

Такие выпрямители применяются с малой мощностью. Достоинством выпрямителей с одним полупериодом является его простота. Он состоит из трансформатора и диода. Емкость конденсатора рассчитывается по формуле:

C=1000000*Po/2 * U * f * dU, где С – емкость в мкФ, Po – мощность, ватт, U — напряжение, вольт, f – частота, герц, dU амплитуда, В.

В числителе находится большое значение, это определяет емкость в мкФ. В знаменателе число 2 – это количество полупериодов, для однополупериодного – это 1.

Классификация

По материалу диэлектрика:

• Воздушные. Их емкость невелика, редко превышает 1000 пФ.
• Слюдяные. В нем диэлектриком служит слюда. Слюда – это минерал, кристаллическое вещество, у которого очень интересная кристаллическая структура. Атомы расположены слоями, расстояние между которыми гораздо больше, чем расстояние между атомами в одном слое. Поэтому, слюда при попытке расколоть кристалл слюды колется на очень тонкие пластинки. У них большая диэлектрическая проницаемость. Толщина пластинок получается очень маленькой. Эти пластинки хорошо работают в быстропеременных электрических полях, обладают хорошей электрической плотностью. Поэтому слюдяные конденсаторы получили широкое распространение.
• Бумажные. Диэлектриком служит бумага, пропитанная парафином. Это хороший диэлектрик, но в быстро меняющихся полях ведет себя не очень хорошо, поляризуется медленно. Используются ограниченно.
• Керамические. Люди научились делать различные сорта керамики. Есть диэлектрики с проницаемостью более 1000, они сделаны из керамики. Можно получить большую емкость. Керамика хорошо работает на высоких частотах в быстропеременных электрических полях.
• Электролитические. Они имеют самую большую емкость при заданных размерах.

Слюдяные конденсаторы

Пластинка слюды, две пластинки-электрода с прикрепленными выводами. Если вы хотите, чтобы емкость конденсатора была больше, то можно поступить следующим образом. Взять несколько пластинок слюды в качестве диэлектрика, между пластинами поместить много обкладок. Получается конденсатор, который состоит из нескольких конденсаторов, соединенных вместе, параллельно.

Воздушные конденсаторы могут быть с переменной емкостью. Они состоят из двух систем пластин.

Подвижные пластины вращающиеся, это ротор. Неподвижные – это статор. Промежутки между подвижными и неподвижными пластинами – это слой диэлектрика из воздуха. Если подвижные пластины выдвинуты из неподвижных, то эта емкость будет минимальная. Площадь перекрытия маленькая. Если пластины задвинуты, то площадь максимальная. Это воздушный конденсатор.

Существуют и керамические переменные конденсаторы. Они используются для перемены емкости в небольших пределах.

Диэлектриком служит керамика. Обкладка представляет собой покрытие из слоя серебра. Сбоку указана емкость в пФ. Отверткой вращают винт, меняется площадь перекрытия пластин. Это подстроечный керамический конденсатор.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Полное руководство по диагностике и ремонту неисправных конденсаторов переменного тока

Содержание

1. Предупреждения о безопасности
2. Признаки неисправного или неисправного конденсатора
3. Что на самом деле делает конденсатор?
4. Типы конденсаторов переменного тока
5. Что такое номинал конденсатора?
6. Как узнать, неисправен ли конденсатор
7. Будет ли работать кондиционер с неисправным конденсатором?
8. Как проверить рабочий конденсатор с помощью мультиметра
9. Как заменить конденсатор кондиционера
10. Замена конденсатора кондиционера стала проще

Мы все знаем это удивительное чувство, когда возвращаешься из жаркого летнего дня в свой красивый дом с кондиционером. Но однажды вы можете зайти и обнаружить, что ваш дом не так крут, как вы ожидаете.

Конденсаторы переменного тока играют жизненно важную роль в поддержании правильной работы систем кондиционирования воздуха. Однако, если они выходят из строя, они могут нанести серьезный ущерб системе. В этой статье объясняется, как диагностировать, проверить и заменить неисправный конденсатор.

Как бы вы диагностировали, проверили и заменили неисправный конденсатор? Какие инструменты следует использовать?

Лето становится все жарче и Июнь 2021 года бьет рекорды, вам нужен работающий кондиционер.

Прежде чем вы пойдете и выполните какую-то серьезную работу, вам может потребоваться задать себе вопрос: «У меня плохой конденсатор переменного тока?». Если вы это сделаете, есть хорошие новости — вы можете заменить его самостоятельно.

Ознакомьтесь с симптомами неисправного конденсатора переменного тока и руководством по замене, чтобы убедиться, что это вы.

Предупреждения о безопасности

Многие блоки переменного тока имеют конденсаторы, которые несут довольно высокий заряд, поэтому вы должны быть абсолютно осторожны при их замене или проверке. Однако, если вы примете разумные меры предосторожности, у вас не должно возникнуть проблем.

• Никогда не прикасайтесь к клеммам на конце конденсатора
• Не используйте предметы с металлической ручкой для разрядки конденсатора. Используйте отвертку с изолированной ручкой и приложите металлический стержень отвертки к C к HERM и C к FAN, чтобы разрядить конденсатор.

При работе с высоковольтным оборудованием, таким как блок переменного тока, всегда проверяйте, чтобы оно было выключено. Если ваш блок переменного тока подключаемого типа, убедитесь, что вилка полностью отключена. Если ваш кондиционер подключен к выключателю, убедитесь, что выключатель отключен или выключен.

Признаки неисправного или неисправного конденсатора

Блоки переменного тока с неисправными конденсаторами могут вызывать несколько интересных симптомов. Хотя это не всегда стопроцентная гарантия неисправного конденсатора переменного тока, велика вероятность того, что у вас возникнет проблема, если вы увидите что-либо из этого.

Первый симптом, который вы заметите, это то, что двигатель вентилятора конденсатора или компрессор не запускаются. Вы также можете заметить шумы, исходящие от конденсаторного блока.

Если вы заметили какие-либо из этих симптомов, это может означать, что у вашего переменного тока плохой конденсатор.

Общие признаки неисправного конденсатора:

• Гудение
• Проблемы с включением или выключением
• Запах гари или электрического разряда
• Более высокие, чем обычные купюры
• Устройство может самопроизвольно отключаться
• Без охлаждения
• Щелчки или гудение

Если что-то из этого звучит знакомо, есть большая вероятность, что что-то не так с вашим конденсатором переменного тока, и вам следует подумать о его замене.

Если ни один из этих симптомов не подходит, взгляните на нашу руководство по устранению неполадок, чтобы найти проблему.

Без охлаждения

Как только ваш кондиционер перестанет дуть холодным воздухом, это верный признак того, что что-то не так. Возможно, это не долгосрочная проблема. Вы можете проверить, включив и снова выключив устройство, чтобы увидеть, исчезла ли проблема.

Щелчки или гудение

Это снова связано с двигателем. Когда двигатель пытается запуститься, но не может, он может издавать щелкающие или гудящие звуки. Это хороший признак того, что конденсатор пробит.

Теперь, когда у вас есть хорошее представление о симптомах, которые вы можете наблюдать, давайте немного узнаем о том, как работают конденсаторы. Таким образом, вы сможете понять, как заменить их безопасно и эффективно.

Счета за высокую энергию

Когда конденсатор переменного тока неисправен, двигатель вентилятора конденсатора должен работать больше и потреблять больше ампер. Поэтому, когда вы внезапно замечаете, что ваш счет за электроэнергию растет, у вас может быть плохой конденсатор. Чтобы понять, почему неисправный конденсатор означает более высокий счет за электроэнергию, см. наш раздел ниже о том, что делает конденсатор.

Случайные отключения

Вы можете обнаружить, что ваш блок переменного тока время от времени отключается без вашего вмешательства.

Проблема с включением или выключением

Эта проблема почти всегда возникает из-за плохого конденсатора. Когда система пытается сделать что-то, что требует больше энергии, плохой конденсатор может вызвать проблемы. Этот симптом также может проявляться в том, что устройству требуется много времени, чтобы начать работу после его включения. Конденсатор дает начальный толчок энергии, и когда он выходит из строя, блок переменного тока с трудом запускается. Обычным обходным путем, хотя иногда и опасным, является запуск лопасти вентилятора с помощью палки. Это может быть опасно и привести к повреждению устройства, поэтому следует делать это только в случае крайней необходимости.

Запах гари или электрического разряда

Это немного сложнее, так как может быть много причин (ни одна из них не является хорошей), по которой ваш блок переменного тока может пахнуть гарью. В вашем блоке переменного тока конденсатор приводит в движение двигатель. Когда конденсатор плохой, двигатель имеет тенденцию к перегреву, и это может вызвать запах.

Что на самом деле делает конденсатор?

Если вы думаете о конденсаторе как о большом накопителе энергии, вы на правильном пути. Самый простой конденсатор состоит всего из нескольких компонентов. Это два проводника, которые позволяют течь электричеству, и зазоры, которые блокируют поток электричества. Когда электричество проходит через конденсатор, электроны накапливаются в двух проводниках. Один проводник хранит отрицательно заряженные электроны, а другой — положительно заряженные электроны.

Для работы любого крупного прибора, такого как блок переменного тока, требуется много электроэнергии. И когда компрессор и двигатель вентилятора запускаются, им требуется большое количество энергии. Вам не захочется постоянно платить за электроэнергию по самым высоким тарифам — здесь на помощь приходят конденсаторы.

Конденсаторы используют накопленную энергию, чтобы дать большой толчок мощности вашему компрессору и двигателю вентилятора, когда он запускается. Возможно, вы слышали шум при запуске этого процесса.

Как только устройство запустилось, конденсатор уже не нужен, и он может вернуться к накоплению энергии для следующего большого толчка.

Типы конденсаторов переменного тока

Сдвоенный конденсатор

Пример сдвоенного конденсатора

Кондиционеры с двигателями вентиляторов PSC и нерегулируемые компрессоры всегда будут иметь как минимум 1 конденсатор. Это двойной рабочий конденсатор, и на самом деле это два конденсатора в одном корпусе — один для привода компрессора, а другой для двигателя вентилятора. Вы заметите 3 клеммы на конденсаторе со следующими метками.

Значения этикеток на клеммах сдвоенных конденсаторов

С

Обозначение «С» на конденсаторе означает «Общий». Он подключается к контактору и является источником поступающей энергии. Этот терминал обычно имеет 4 зубца для лепестковых соединений.

ВЕНТИЛЯТОР

Клемма с надписью «FAN» подключает двигатель вентилятора конденсатора. Обычно это меньший номинал MFD для двойного рабочего конденсатора. Этот терминал обычно имеет 2 зубца для лепестковых соединений.

HERM или COMP

Клемма с надписью «HERM» подключается к компрессору. Термин «HERM» является аббревиатурой от «герметичный компрессор». Обычно это более высокий рейтинг MFD для двойного рабочего конденсатора. Этот терминал обычно имеет 3 зубца для лепестковых соединений. Иногда этот терминал будет помечен как «COMP», что является сокращением от «Compressor».

Почему в моем кондиционере 2 или 3 конденсатора?

Некоторые кондиционеры будут оснащены пусковым конденсатором (обычно в пластиковом корпусе) и рабочим конденсатором (в металлическом корпусе). Обычная полевая модификация в случае, если у техника нет двойного рабочего конденсатора для замены вышедшего из строя, состоит в том, чтобы разделить их на два конденсатора. Скажем, у вас есть рабочий конденсатор 35+5 MFD, но у техника нет его на складе грузовика, они могут заменить конденсатор рабочим конденсатором 35 MFD и рабочим конденсатором вентилятора 5 MFD.

Если эта модификация была сделана, и ваш кондиционер был оснащен пусковым конденсатором, вы можете иметь конденсаторный блок с 3 конденсаторами!

Пусковой конденсатор

Пример пускового конденсатора

Некоторые кондиционеры оборудованы конденсатором с черным пластиковым корпусом и двумя клеммами с припаянным между ними резистором. Это пусковой конденсатор; Пусковой конденсатор удерживает значительный заряд и помогает запустить компрессор или двигатель, повышая напряжение во время запуска.

После запуска двигателя пусковой конденсатор должен отключиться от цепи, чтобы предотвратить повреждение компрессора/двигателя. Это делается 3-мя разными способами.

• PRD (потенциальное релейное устройство) — наиболее часто встречающееся в комплектах для жесткого пуска Supco на вторичном рынке, PRD использует кольтаж или измерение тока для отключения пускового конденсатора от цепи.
• PTC (положительный температурный коэффициент) — резистор в линии, который определяет состояние перегрузки по току и увеличивает свое сопротивление до места, где ток не проходит, эффективно отключая пусковой конденсатор от цепи.
• Центробежный выключатель — находится на двигателе, и когда он достигает желаемых оборотов, он размыкается и освобождает конденсатор от цепи.

В чем разница между пусковым конденсатором и рабочим конденсатором?

По сути, пусковой конденсатор помогает запустить двигатель, повышая напряжение во время запуска. Рабочий конденсатор поддерживает работу двигателя, вызывая фазовый сдвиг в статорах, чтобы помочь ротору «захватить» следующий статор и повернуться. Когда рабочий конденсатор выходит из строя, этот фазовый сдвиг не происходит и заставляет двигатель работать с большей нагрузкой, что, в свою очередь, перегревает и разрушает подшипники.

Что такое номинал конденсатора?

У конденсатора много разные номиналы, но для наших целей нам нужны только два:

1. Рабочее напряжение
2. Значение емкости. На вашем конденсаторе переменного тока будет 2 значения емкости. Один приводит в действие компрессор, другой — двигатель вентилятора.

Рабочее напряжение

На самом деле это всего лишь показатель того, какое напряжение может пройти через конденсатор. Одна из причин, по которой конденсатор может выйти из строя быстрее, чем ожидалось, заключается в том, что в вашем доме нестабильная мощность. При замене конденсатора вы можете увеличить напряжение, так как это максимальное напряжение, которое он может выдержать. Как правило, вы увидите конденсаторы на 370 В или 440 В, но многие производители объединяют запасы только до 440 В.

Значение емкости

Измеряется в микрофарадах и показывает, сколько энергии может хранить конденсатор. Обычно это будет написано 50+5 MFD или 50+5 μ. Есть некоторые другие сложности, связанные с этим, но вы должны быть в порядке, если вы можете указать микрофарады.

Примеры маркировки конденсаторов. Обратите внимание, что некоторые производители используют MFD для отображения номинала в микрофарадах, тогда как другие используют символ μ.

Как определить неисправность конденсатора кондиционера

Наиболее распространенным признаком неисправного конденсатора является гул двигателя вентилятора конденсатора на внешнем блоке, или двигатель не запускается. В доме вы заметите, что из вентиляционных отверстий не идет холодный воздух. Когда это происходит, конденсатор не работает и не может обеспечить достаточное количество накопленной энергии для запуска двигателя вентилятора или компрессора.

Помимо всех симптомов в нашем списке, могут быть визуальные признаки того, что с вашим конденсатором что-то не так. Если вы видите конденсатор на блоке переменного тока, его достаточно легко осмотреть на наличие повреждений или других функциональных проблем.

Визуальные признаки неисправного конденсатора

Внимательно посмотрите на конденсатор в вашем блоке. Он выглядит гладким и безупречным? Если есть заметное искривление или вздутие, конденсатор необходимо заменить. Точно так же, если из верхней части конденсатора вытекает масло, срок его службы истек, и его необходимо заменить.

Пример неисправного конденсатора кондиционера: вздутиеПример неисправного конденсатора кондиционера: ржавчина

Конденсатор выглядит нормально? Взгляните поближе

Ниже показан сдвоенный конденсатор, который я взял из своего домашнего устройства. Мой конденсаторный блок напевал контрольную мелодию, мотор гудел, или некоторые назвали бы это жужжанием. После удаления предохранителей я снял конденсатор с блока, и на первый взгляд кажется, что конденсатор выглядит почти как новый. Однако при ближайшем рассмотрении он немного выпирает.

Самый простой способ определить, действительно ли он выпуклый, это положить его на плоскую поверхность и посмотреть, качается ли он взад-вперед. Кроме того, вы должны заметить, что края дна банки не прилегают к поверхности. Еще одним признаком, выдающим это, было смотреть на зубцы конденсатора и замечать, что они не были прямыми относительно друг друга.

Казалось бы, хороший двухконтурный конденсатор. Конденсатор не сидит ровно. Обратите внимание на то, что зубцы выпирают друг из друга.

Будет ли работать кондиционер с неисправным конденсатором?

Скорее всего, вы услышите гудящий звук, если конденсатор переменного тока неисправен и ваш переменный ток не будет работать. В аварийной ситуации двигатель вентилятора конденсатора переменного тока можно запустить от внешнего источника с помощью палки до тех пор, пока не прибудет запасной конденсатор, однако мы не рекомендуем этого делать, так как это может привести к дальнейшему повреждению лопастей вентилятора и/или змеевика конденсатора. Если змеевик конденсатора поврежден, может потребоваться полная замена агрегата, так как стоимость ремонта будет слишком высокой.

Как проверить рабочий конденсатор с помощью мультиметра

Использование функции измерения емкости на мультиметре

Включите счетчик

Поверните циферблат к функции емкости (см. ниже). В этом случае мы используем мультиметр Кляйна, и нам нужно нажимать кнопку выбора, пока мы не увидим, что это емкостной режим.

Настройка емкости на мультиметре

Проверка секции вентилятора конденсатора конденсатора

Поместите один щуп мультиметра на C (общий)

Поместите другой зонд на ВЕНТИЛЯТОР.

Чтение емкости секции двигателя вентилятора конденсатора

Подождите несколько секунд, и вы должны увидеть показания емкости на дисплее. Хорошее чтение будет иметь микрофарад в пределах 10% от маркированной спецификации.

Проверка секции вентилятора компрессора конденсатора

Поместите один щуп мультиметра на C (общий)

Поместите другой зонд на HERM. (HERM — это сокращение от слова hermetic, которое относится к герметично закрытому компрессору)

Чтение емкости для секции компрессора конденсатора

Подождите несколько секунд, и вы должны увидеть показания емкости на дисплее. Хорошее чтение будет иметь микрофарад в пределах 10% от маркированной спецификации.

Использование функции измерения сопротивления (Ом) на мультиметре

Конденсатор также можно проверить, измерив сопротивление, но лучше всего это работает с аналоговым измерителем. Цифровые измерители обычно не показывают скачок вверх и вниз в омах, что указывает на хороший конденсатор.

Включите счетчик

Поверните циферблат на Ом. (Похоже на символ омега)

Перед началом работы: разрядите конденсатор

При считывании омов мультиметр будет Слегка зарядите конденсатор, чтобы вы не могли получить показание в омах. Увольнять конденсатор, поместив отвертку между C и Fan, а затем C и ГЕРМ. После этого вы готовы проверить конденсатор с помощью функция сопротивления на мультиметре.

Быстрое измерение сопротивления между клеммами

Наденьте щуп на C, а другой на FAN. Вы должны увидеть, как показания стрелки прыгают и возвращаются к бесконечности Ом

Поменяйте местами щупы и найдите такое же поведение на стрелке мультиметра.

Повторите это для C и HERM.

Измерение сопротивления между клеммами и корпусом конденсатора

Поместите один щуп на C, а другой на внешний металлический корпус конденсатора. Если вы получите показание, указывающее на непрерывность, то конденсатор неисправен.

Повторите это для терминала FAN и терминала HERM

Проверка на короткое замыкание между контактами и корпусом конденсатора

Как заменить конденсатор кондиционера

Замена конденсатора переменного тока несложна и может быть выполнена своими руками в большинстве моделей. Каждая модель отличается, поэтому процесс может немного отличаться в зависимости от вашей марки.

Основные шаги:

1. Выключите выключатель и отсоедините разъединитель блока переменного тока (установлен рядом с конденсатором)
2. Откройте или удалите панель, которая дает вам доступ
3. Обычно находится сбоку устройства и имеет маркировку
.
4. Проверить, какой номинал пробитого конденсатора
5. Снять старый конденсатор
6. Установите новый конденсатор
7. Включите блок переменного тока и проверьте его

Хотя это относительно простая установка, мы рекомендуем прочитать инструкцию до конца. Таким образом, у вас будет полное понимание того, что вы будете делать.

Шаг 1. Соберите инструменты

Вам нужна отвертка, чтобы снять панель доступа? Когда вы доберетесь до удаления конденсатора, вам может понадобиться как отвертка на 1/4 дюйма, так и отвертка на 5/16 дюйма.

Шаг 2. Выключите и отсоедините блок переменного тока от сети

Убедитесь, что вы правильно выключили блок переменного тока. Мы рекомендуем отключить выключатель, который идет к сети переменного тока, и снять блок предохранителей с разъединительной коробки кондиционера рядом с конденсатором.

Шаг 3. Откройте или снимите панель доступа

Это должно выглядеть как маленькая дверца на петлях. Обычно он появляется сбоку или снизу блока переменного тока. Для открытия некоторых панелей требуется отвертка, а у других есть защелка. Будьте осторожны, открывая панель, чтобы у вас было безопасное место для ее хранения, если она полностью выпадет.

Шаг 4. Найдите конденсатор

Типичное расположение конденсатора в сплит-системе кондиционирования

Конденсатор в вашем блоке переменного тока будет выглядеть как металлический цилиндр. Он будет иметь две или три клеммы сверху, и к нему должны быть подключены провода.

Шаг 5. Осмотрите конденсатор

Сделайте быстрый визуальный осмотр конденсатора. Вы видите какие-нибудь вздутия? Не течет ли масло по бокам? Если что-то выглядит деформированным или странным в конденсаторе, вероятно, он неисправен.

Это также хорошее время для осмотра остальных компонентов шкафа переменного тока. Имеются ли на контакторе следы ожогов или точечная коррозия? Вилка на компрессоре в хорошем состоянии?

Шаг 6. Разрядите конденсатор

Перед отсоединением проводов от конденсатора используйте отвертку с изолированной ручкой и приложите металлический стержень отвертки к C к HERM, а затем к C к FAN, чтобы разрядить конденсатор. Не используйте отвертку с металлической ручкой.

Шаг 7. Проверьте номинал конденсатора

Посмотрите внимательно на конденсатор. Вот пример, который показывает ярлык. Сбоку на нем должна быть этикетка, которая расскажет вам все, что вам нужно знать о нем. Кроме того, предоставив нам вашу модель и серийный номер, мы можем помочь вам подобрать правильный конденсатор для вашего кондиционера. Помните, из того, что мы видели выше; нас интересуют две оценки:

1. Рабочее напряжение
2. Емкость

Номинальное рабочее напряжение

Обычно это печатается в верхней части этикетки с буквами VAC после нее. Вы можете увидеть текст, похожий на «370VAC» или «440VAC».

Номинальная емкость

Обычно это печатается под номинальным напряжением, а после него идут буквы мкФ или мкФ. Вы можете увидеть текст, похожий на «50uF» или «40+5MFD».

Шаг 8. Снимите старый конденсатор

Сначала сфотографируйте старый конденсатор на месте. Это поможет вам позже, когда вы будете вставлять новый. Там должно быть три разъема — HERM, вентилятор и C. Очень важно, чтобы, когда вы снова вставите новый конденсатор, вы подключили его таким же образом.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ О БЕЗОПАСНОСТИ: Не прикасайтесь к клеммам конденсатора, так как он все еще может удерживать заряд.

После того, как вы сфотографировали разъемы, аккуратно отсоедините их. Любые отсоединенные провода следует отложить в сторону, где они не будут мешать.
Конденсатор должен легко сниматься. Обычно для их удаления требуется всего один или два винта, а некоторые из них имеют защелки. Если винты удерживают конденсатор, убедитесь, что вы храните их в безопасном месте.

Шаг 9. Установите новый конденсатор

Один за другим прикрепите провода так, как они были на старом конденсаторе. Убедитесь, что правильные провода подходят к разъемам HERM, вентилятору и C. Дважды проверьте, есть ли они у вас, прежде чем продолжить.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Во избежание повреждения двигателя компрессора или вентилятора дважды проверьте правильность подключения проводов к клемме. Если вы подключите терминал вентилятора к компрессору, то он может не запуститься или, что еще хуже, запуститься, но со временем нагреть и сжечь компрессор.

Как только вы убедитесь, что у вас есть подходящие разъемы в нужном месте, пришло время снова установить конденсатор. Возьмите винты, которые вы сняли ранее, и установите конденсатор, используя сильное давление. Будьте осторожны, чтобы не сорвать винты при установке.

Если для установки конденсатора не используются винты, он должен просто снова защелкнуться.

Шаг 10. Закройте и закрепите панель доступа

Не забудьте вкрутить все винты, которые могли удерживать дверь закрытой. Открытая панель доступа может быть опасной и должна быть надежно закрыта.

Шаг 11. Включите блок переменного тока и проверьте

Пришло время снова все восстановить. Верните выключатель обратно в положение «включено» на панели выключателя. Снова вставьте блок предохранителей в разъем кондиционера.

Как только все будет на своих местах, вы можете включить блок переменного тока, как обычно, и посмотреть, работает ли он.

Шаг 12. Проверка

Для тестирования достаточно просто включить блок переменного тока и настроить его на охлаждение.

Вы не должны слышать никакого гудения или щелчков, а компрессор и двигатель вентилятора должны запускаться легко. Если эти два компонента все еще пытаются запуститься, возможно, они были необратимо повреждены из-за вышедшего из строя конденсатора, который был только что заменен.

Вы должны увидеть заметную разницу. Теперь все должно работать правильно, и ваша комната должна начать остывать.

Замена конденсатора кондиционера стала проще

Итак, теперь, когда вы получили эту новую возможность починить свой собственный блок переменного тока, что еще осталось? Ну, для начала вам нужно хорошее, надежное место для замены неисправного конденсатора переменного тока.

К счастью, это действительно легко. Вы можете свяжитесь с нашими специалистами по запчастям или позвоните нам напрямую, чтобы поговорить с дружелюбным техническим специалистом. Мы поможем вам определить, какой конденсатор вам нужен, исходя из вашей марки и модели или номинала конденсатора. У нас есть все виды сменных конденсаторов, поэтому мы всегда готовы отправить их вам.

И помните, если вам когда-нибудь понадобится что-то еще, связанное с вашим кондиционером, не стесняйтесь позвоните нам!

Статьи по теме

• Подробный контрольный список обслуживания кондиционера своими руками
• Почему мой кондиционер дует горячим воздухом и как это исправить (Руководство по устранению неисправностей кондиционера)

Об авторе

Джеймс Кларк (James Clark) — специалист по системам управления HVAC и менеджер по электронной торговле подразделения Technical Hot & Cold. Он работает в компании с 2014 года и любит помогать домовладельцам экономить деньги, предоставляя справочные статьи, в которых рассказывается о различных ремонтах ОВКВ своими руками. В свободное время он занимается музыкой со своими детьми и проводит слишком много времени, работая на своей лужайке.

Конденсаторы и диэлектрики | Физика |

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать действие конденсатора и определять емкость.
• Расскажите о конденсаторах с плоскими пластинами и их емкостях.
• Обсудите процесс увеличения емкости диэлектрика.
• Определить емкость при данных заряде и напряжении.

Конденсатор представляет собой устройство, используемое для накопления электрического заряда. Применение конденсаторов варьируется от фильтрации статического электричества в радиоприеме до накопления энергии в сердечных дефибрилляторах. Как правило, коммерческие конденсаторы имеют две проводящие части, расположенные близко друг к другу, но не соприкасающиеся, как показано на рис. 1. (Большую часть времени между двумя пластинами используется изолятор для обеспечения разделения — см. обсуждение диэлектриков ниже.) Когда клеммы аккумулятора подключены к изначально незаряженному конденсатору, равному положительному и отрицательному заряду, + Q и – Q , разделены на две пластины. Конденсатор в целом остается нейтральным, но в этом случае мы называем его запасающим заряд Q .

Рис. 1. Оба показанных здесь конденсатора были изначально разряжены перед подключением к аккумулятору. Теперь у них есть отдельные заряды + Q и – Q на две половинки. а) Конденсатор с плоскими пластинами. (b) Свернутый конденсатор с изоляционным материалом между двумя его проводящими листами.

Конденсатор

Конденсатор — это устройство, используемое для накопления электрического заряда.

Количество заряда Q , которое может накопить конденсатор , зависит от двух основных факторов — приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.

Количество заряда

Q Конденсатор может хранить

Количество заряда Q , которое может накопить конденсатор , зависит от двух основных факторов — приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.

Рисунок 2. Линии электрического поля в этом плоском конденсаторе, как всегда, начинаются с положительных зарядов и заканчиваются с отрицательными зарядами. Поскольку напряженность электрического поля пропорциональна плотности силовых линий, она также пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Система, состоящая из двух идентичных параллельных проводящих пластин, разделенных расстоянием, как показано на рисунке 2, называется конденсатором с параллельными пластинами . Легко увидеть взаимосвязь между напряжением и накопленным зарядом для плоского конденсатора, как показано на рисунке 2. Каждая линия электрического поля начинается с отдельного положительного заряда и заканчивается отрицательным, так что поле будет больше. линии, если есть больше заряда. (Рисовать одну силовую линию для каждого заряда — это только для удобства. Мы можем нарисовать много силовых линий для каждого заряда, но их общее число пропорционально количеству зарядов.) Таким образом, напряженность электрического поля прямо пропорциональна В .

Поле пропорционально заряду:

E ∝ Q ,

где символ ∝ означает «пропорционально». Из обсуждения электрического потенциала в однородном электрическом поле мы знаем, что напряжение между параллельными пластинами равно

В = Эд .

Таким образом, V ∝ E . Отсюда следует, что В ∝ О и, наоборот,

О ∝ В .

В общем случае это верно: чем больше напряжение, приложенное к любому конденсатору, тем больше в нем хранится заряд.

Различные конденсаторы сохраняют разное количество заряда при одном и том же приложенном напряжении в зависимости от их физических характеристик. Мы определяем их емкость C так, чтобы заряд Q , хранящийся в конденсаторе, был пропорционален C . Заряд, хранящийся в конденсаторе, равен

Q = CV .

Это уравнение выражает два основных фактора, влияющих на количество накопленного заряда. Этими факторами являются физические характеристики конденсатора C и напряжение В . Преобразовывая уравнение, мы видим, что емкость C — это количество заряда, накопленного на вольт, или

C=QVC=\frac{Q}{V}\\C=VQ​

.

Емкость

Емкость Кл — это количество заряда на вольт, или

C=QVC=\frac{Q}{V}\\C=VQ​

Единицей измерения емкости является фарад (Ф), названный в честь Майкла Фарадея (1791–1867), английского ученого, внесшего вклад в области электромагнетизма и электрохимии. Поскольку емкость — это заряд на единицу напряжения, мы видим, что фарад — это кулон на вольт, или

1 F=1 C1 V1\text{ F}=\frac{1\text{ C}}{1\text{ V }}\\1 F=1 V1 C​

. Конденсатор емкостью 1 фарад мог бы хранить 1 кулон (очень большое количество заряда) при приложении всего 1 вольта. Таким образом, один фарад — это очень большая емкость. Типичные конденсаторы варьируются от долей пикофарад (1 пФ = 10 ^{−12 90 530 Ф) в миллифарад (1 мФ = 10 90 529 −3 90 530 Ф).}

На рис. 3 показаны некоторые распространенные конденсаторы. Конденсаторы в основном изготавливаются из керамики, стекла или пластика, в зависимости от назначения и размера. Как обсуждается ниже, в их конструкции обычно используются изоляционные материалы, называемые диэлектриками.

Рис. 3. Некоторые типовые конденсаторы. Размер и значение емкости не обязательно связаны. (кредит: Windell Oskay)

Конденсатор с параллельными пластинами

Рис. 4. Конденсатор с параллельными пластинами, пластины которого расположены на расстоянии d. Каждая пластина имеет площадь A.

Конденсатор с параллельными пластинами, показанный на рисунке 4, состоит из двух идентичных проводящих пластин, каждая из которых имеет площадь поверхности A , разделенных расстоянием d (без материала между пластинами). Когда на конденсатор подается напряжение В , он накапливает заряд Q , как показано на рисунке. Мы можем видеть, как его емкость зависит от A и d , рассматривая характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что одинаковые заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, а сила между зарядами уменьшается с расстоянием. Поэтому кажется вполне разумным, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить, потому что заряды могут распространяться дальше. Таким образом C должен быть больше для более крупного A . Точно так же, чем ближе пластины друг к другу, тем сильнее притяжение к ним противоположных зарядов. Таким образом, C должно быть больше для меньшего d .

Можно показать, что для плоского конденсатора есть только два фактора ( A и d ), которые влияют на его емкость C . Емкость конденсатора с плоскими пластинами в виде уравнения определяется как

C=ϵoAdC=\epsilon_{o}\frac{A}{d}\\C=ϵo​dA​

.

Емкость конденсатора с параллельными пластинами

C=ϵoAdC=\epsilon_{o}\frac{A}{d}\\C=ϵo​dA​

A – площадь одной пластины в квадратных метрах, а d – расстояние между плитами в метрах. Константа ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства; его числовое значение в единицах СИ составляет ε ₀ = 8,85 × 10 ⁻¹² Ф/м. Единицы Ф/м эквивалентны C ² /Н · м ² . Небольшое числовое значение ε ₀ связано с большим размером фарад. Плоский конденсатор должен иметь большую площадь, чтобы иметь емкость, приближающуюся к фарадам. (Обратите внимание, что приведенное выше уравнение справедливо, когда параллельные пластины разделены воздухом или свободным пространством. Когда между пластинами помещается другой материал, уравнение модифицируется, как описано ниже.)

Пример 1. Емкость и накопленный заряд в Параллельный пластинчатый конденсатор

1. Какова емкость плоского конденсатора с металлическими пластинами площадью 1,00 м ² каждая, разделенными расстоянием 1,00 мм?
2. Какой заряд накапливается в этом конденсаторе, если к нему приложено напряжение 3,00 × 10 ³ В ?

Стратегия

Нахождение емкости C является прямым применением уравнения

C=ϵoAdC=\epsilon_{o}\frac{A}{d}\\C=ϵo​dA​

. Как только C найдено, накопленный заряд можно найти с помощью уравнения 9. {-9}\text{ F}=8,85\text{ нФ}\end{массив}\\C ==​ϵo​dA​=(8,85×10−12 мФ​)1,00×10−3 м1,00 м2 ​8,85×10−9 F=8,85 нФ​

Обсуждение части 1

Это маленькое значение емкости указывает на то, насколько сложно изготовить устройство с большой емкостью. Помогают специальные методы, такие как использование тонкой фольги очень большой площади, расположенной близко друг к другу.

Решение для части 2

Заряд, хранящийся в любом конденсаторе, определяется уравнением Q = CV . Ввод известных значений в это уравнение дает 9{3}\text{ V}\right)\\\text{ }&=&26,6\mu\text{C}\end{массив}\\Q ​==​CV=(8,85×10−9 F )(3,00×103 В)26,6 мкКл​

Обсуждение части 2

Этот заряд лишь немного больше, чем у типичного статического электричества. Поскольку воздух разрушается примерно при 3,00 × 10 90 529 6 90 530 В/м, на этом конденсаторе невозможно накопить больше заряда за счет увеличения напряжения.

Другой интересный биологический пример, связанный с электрическим потенциалом, обнаружен в клеточной плазматической мембране. Мембрана отделяет клетку от окружающей среды, а также позволяет ионам избирательно входить и выходить из клетки. Разность потенциалов на мембране около -70 мВ. Это связано с наличием в клетке в основном отрицательно заряженных ионов и преобладанием положительно заряженного натрия (Na 9{6}\text{ В/м}\\E=dV​=8×10−9 м−70×10−3 В=−9×106 В/м

Этого электрического поля достаточно, чтобы вызвать пробой воздуха.

Диэлектрик

Предыдущий пример подчеркивает сложность хранения большого количества заряда в конденсаторах. Если d уменьшить для получения большей емкости, то максимальное напряжение должно быть уменьшено пропорционально, чтобы избежать пробоя (поскольку

E=VdE=\frac{V}{d}\\E=dV​

). Важным решением этой проблемы является размещение изоляционного материала, называемого 9.0405 диэлектрик , между обкладками конденсатора и позволяют быть как можно меньше. Мало того, что d меньшего размера увеличивает емкость, многие изоляторы могут выдерживать более сильные электрические поля, чем воздух, прежде чем разрушиться.

Использование диэлектрика в конденсаторе имеет еще одно преимущество. В зависимости от используемого материала емкость больше, чем указанная в уравнении0003

на коэффициент κ , называемый диэлектрической проницаемостью . Емкость плоского конденсатора с диэлектриком между пластинами определяется выражением

C=κϵ0AdC=\kappa\epsilon_{0}\frac{A}{d}\\C=κϵ0​dA​ с диэлектриком).

Значения диэлектрической проницаемости κ для различных материалов приведены в таблице 1. Обратите внимание, что κ для вакуума точно равно 1, поэтому приведенное выше уравнение справедливо и в этом случае. Если использовать диэлектрик, возможно, поместив тефлон между пластинами конденсатора в примере 1, то емкость будет больше в 9 раз.0405 κ , что для тефлона составляет 2,1.

Самостоятельный эксперимент: создание конденсатора

Насколько большой конденсатор можно сделать из обертки от жевательной резинки? Пластины будут алюминиевой фольгой, а перегородка (диэлектрик) между ними будет бумагой.

Таблица 1. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая прочность различных материалов при 20ºC
Материал	Диэлектрическая проницаемость κ	Диэлектрическая прочность (В/м)
Пылесос	1.00000	—
Воздух	1.00059	3 × 10 6
Бакелит	4,9	24 × 10 6
Плавленый кварц	3,78	8 × 10 6
Неопреновый каучук	6,7	12 × 10 6
Нейлон	3,4	14 × 10 6
Бумага	3,7	16 × 10 6
Полистирол	2,56	24 × 10 6
Стекло пирекс	5,6	14 × 10 6
Силиконовое масло	2,5	15 × 10 6
Титанат стронция 907:30	233	8 × 10 6
Тефлон	2,1	60 × 10 6
Вода	80	—

Обратите также внимание на то, что диэлектрическая проницаемость воздуха очень близка к 1, так что конденсаторы, заполненные воздухом, действуют почти так же, как конденсаторы с вакуумом между пластинами , за исключением того, , что воздух может стать проводящим, если напряженность электрического поля становится слишком большой. (Напомним, что

E=VdE=\frac{V}{d}\\E=dV​

 для конденсатора с плоскими пластинами.) В таблице 1 также показаны максимальные значения напряженности электрического поля в В/м, называемые диэлектрической прочностью , для нескольких материалов. Это поля, выше которых материал начинает разрушаться и проводить. Диэлектрическая прочность накладывает ограничение на напряжение, которое может быть приложено для данного разделения пластин. Например, в примере 1 расстояние составляет 1,00 мм, поэтому предел напряжения для воздуха составляет

9{-3}\text{ m}\right)\\\text{ }&=&3000\text{ V}\end{массив}\\V  ​===​E⋅d(3×106 В/м) (1,00×10−3 м)3000 В​

Однако предел для зазора в 1,00 мм, заполненного тефлоном, составляет 60 000 В, поскольку диэлектрическая прочность тефлона составляет 60 × 10 ⁶ В/м. Так тот же конденсатор, заполненный тефлоном, имеет большую емкость и может подвергаться гораздо большему напряжению. Используя емкость, которую мы рассчитали в приведенном выше примере для заполненного воздухом конденсатора с плоскими пластинами, мы находим, что конденсатор с тефлоновым наполнением может хранить максимальный заряд 94\text{ V})\\\text{ }&=&1.1\text{ mC}\end{array}\\Q   ​====​CVκCair​V(2.1)(8,85 нФ)(6,0× 104 В)1,1 мКл​

Это в 42 раза больше заряда того же конденсатора, наполненного воздухом.

Диэлектрическая прочность

Максимальная напряженность электрического поля, выше которой изоляционный материал начинает разрушаться и проводить ток, называется его диэлектрической прочностью.

С микроскопической точки зрения, как диэлектрик увеличивает емкость? В этом виновата поляризация изолятора. Чем легче он поляризуется, тем больше его диэлектрическая проницаемость κ . Вода, например, представляет собой полярную молекулу , потому что один конец молекулы имеет небольшой положительный заряд, а другой конец имеет небольшой отрицательный заряд. Полярность воды приводит к тому, что она имеет относительно большую диэлектрическую проницаемость, равную 80. Эффект поляризации можно лучше всего объяснить с точки зрения характеристик кулоновской силы. На рисунке 5 схематически показано разделение заряда в молекулах диэлектрического материала, помещенного между заряженными пластинами конденсатора. Кулоновская сила между ближайшими концами молекул и зарядом на пластинах притягивает и очень велика, так как они очень близко друг к другу. Это притягивает к пластинам больше заряда, чем если бы пространство было пустым, а противоположные заряды находились на расстоянии д прочь.

Рис. 5. (а) Молекулы изоляционного материала между пластинами конденсатора поляризуются заряженными пластинами. Это создает слой противоположного заряда на поверхности диэлектрика, который притягивает больше заряда к пластине, увеличивая ее емкость. (b) Диэлектрик снижает напряженность электрического поля внутри конденсатора, что приводит к меньшему напряжению между пластинами при том же заряде. Конденсатор сохраняет тот же заряд при меньшем напряжении, что означает, что он имеет большую емкость из-за диэлектрика.

Другой способ понять, как диэлектрик увеличивает емкость, — рассмотреть его влияние на электрическое поле внутри конденсатора. На рис. 5(b) показаны силовые линии электрического поля с установленным диэлектриком. Поскольку силовые линии заканчиваются на зарядах в диэлектрике, их меньшее количество проходит от одной стороны конденсатора к другой. Таким образом, напряженность электрического поля меньше, чем если бы между пластинами был вакуум, хотя на пластинах находится тот же заряд. Напряжение между пластинами равно В = Эд , так что диэлектрик также уменьшает его. Таким образом, имеется меньшее напряжение В для того же заряда Q ; поскольку

C=QVC=\frac{Q}{V}\\C=VQ​

, емкость C больше.

Диэлектрическая проницаемость обычно определяется как

κ=E0E\kappa=\frac{E_0}{E}\\κ=EE0​​

, или отношение электрического поля в вакууме к электрическому полю в диэлектрический материал и тесно связан с поляризуемостью материала.

Вещи большие и малые: субмикроскопическое происхождение поляризации

Поляризация — это разделение зарядов внутри атома или молекулы. Как уже отмечалось, планетарная модель атома изображает его как имеющее положительное ядро, вращающееся вокруг отрицательно заряженных электронов, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Хотя эта модель не совсем точна, она очень полезна для объяснения широкого круга явлений и будет усовершенствована в другом месте, например, в атомной физике. Субмикроскопическое происхождение поляризации можно смоделировать, как показано на рис. 6.9.0003

Рис. 6. Представление художника о поляризованном атоме. Орбиты электронов вокруг ядра немного смещены внешними зарядами (показаны преувеличенно). Возникающее в результате разделение зарядов внутри атома означает, что он поляризован. Обратите внимание, что противоположный заряд теперь ближе к внешним зарядам, вызывая поляризацию.

В атомной физике мы обнаружим, что орбиты электронов более правильно рассматривать как электронные облака с плотностью облака, связанной с вероятностью нахождения электрона в этом месте (в отличие от определенных положений и траекторий планет на их орбитах вокруг Земли). солнце). Это облако смещается кулоновской силой так, что атом в среднем имеет разделение заряда. Хотя атом остается нейтральным, теперь он может быть источником кулоновской силы, поскольку заряд, поднесенный к атому, будет ближе к одному типу заряда, чем к другому.

Некоторым молекулам, например молекулам воды, присуще разделение зарядов, поэтому их называют полярными молекулами. На рисунке 7 показано разделение заряда в молекуле воды, которая имеет два атома водорода и один атом кислорода (H ₂ O). Молекула воды несимметрична — атомы водорода отталкиваются в одну сторону, придавая молекуле форму бумеранга. Электроны в молекуле воды более сконцентрированы вокруг более сильно заряженного ядра кислорода, чем вокруг ядер водорода. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным, а водородный конец оставляет слегка положительным. Присущее полярным молекулам разделение зарядов облегчает их согласование с внешними полями и зарядами. Поэтому полярные молекулы проявляют больший поляризационный эффект и имеют большую диэлектрическую проницаемость. Те, кто изучает химию, обнаружат, что полярная природа воды имеет множество эффектов. Например, молекулы воды намного эффективнее собирают ионы, потому что они имеют электрическое поле и разделение зарядов для притяжения зарядов обоих знаков. Кроме того, как показано в предыдущей главе, полярная вода обеспечивает защиту или экранирование электрических полей в сильно заряженных молекулах, представляющих интерес в биологических системах.

Рис. 7. Представление художника о молекуле воды. Существует неотъемлемое разделение зарядов, поэтому вода является полярной молекулой. Электроны в молекуле притягиваются к ядру кислорода и оставляют избыток положительного заряда вблизи двух ядер водорода. (Обратите внимание, что схема справа представляет собой грубую иллюстрацию распределения электронов в молекуле воды. На ней не показано фактическое количество протонов и электронов, участвующих в структуре.)

PhET Explorations: Capacitor Lab

Узнайте, как работает конденсатор! Измените размер пластин и добавьте диэлектрик, чтобы увидеть влияние на емкость. Измените напряжение и увидите заряды на пластинах. Наблюдайте за электрическим полем в конденсаторе. Измерьте напряжение и электрическое поле.

Нажмите, чтобы загрузить симуляцию. Запуск с использованием Java.

Резюме раздела

• Конденсатор — это устройство, используемое для накопления заряда.
• Количество заряда Q , которое может хранить конденсатор, зависит от двух основных факторов: приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.
• Емкость C  является количеством заряда, накопленного на вольт, или

  C=QVC=\frac{Q}{V}\\C=VQ​

  .
• Емкость плоского конденсатора составляет

  C=ϵ0AdC={\epsilon }_{0}\frac{A}{d}\\C=ϵ0​dA​

  , когда пластины разделены воздухом или свободным пространством .

  ϵ0{\epsilon }_{\text{0}}ϵ0

  называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства.
• Плоский конденсатор с диэлектриком между пластинами имеет емкость, определяемую выражением

  C=κϵ0AdC=\kappa\epsilon_{0}\frac{A}{d}\\C=κϵ0​dA​

  , где κ — диэлектрическая проницаемость материала.
• Максимальная напряженность электрического поля, выше которой изоляционный материал начинает разрушаться и проводить ток, называется диэлектрической прочностью.

Концептуальные вопросы

1. Зависит ли емкость устройства от приложенного напряжения? А заряд, хранящийся в нем?
2. Используйте характеристики силы Кулона, чтобы объяснить, почему емкость должна быть пропорциональна площади пластины конденсатора. Точно так же объясните, почему емкость должна быть обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
3. Объясните, почему диэлектрический материал увеличивает емкость по сравнению с воздухом между пластинами конденсатора. Какова независимая причина того, что диэлектрический материал также позволяет прикладывать большее напряжение к конденсатору? (Таким образом, диэлектрик увеличивает 90 405 C 90 406  и допускает большее 90 405 В 90 406 .)
4. Как полярный характер молекул воды помогает объяснить относительно большую диэлектрическую проницаемость воды? (См.  Рисунок 7.)
5. Искры будут возникать между пластинами воздушного конденсатора при более низком напряжении, когда воздух влажный, чем при сухом. Объясните почему, учитывая полярность молекул воды.
6. Вода имеет большую диэлектрическую проницаемость, но редко используется в конденсаторах. Объяснить, почему.
7. Мембраны живых клеток, в том числе клеток человека, характеризуются разделением заряда поперек мембраны. Таким образом, мембраны представляют собой заряженные конденсаторы с важными функциями, связанными с разностью потенциалов на мембране. Требуется ли энергия для разделения этих зарядов в живых мембранах, и если да, то является ли ее источником метаболизация энергии пищи или какой-либо другой источник?

Рис. 8. Полупроницаемая мембрана клетки имеет разную концентрацию ионов внутри и снаружи. Диффузия перемещает ионы K ⁺ (калий) и Cl ^– (хлорид) в указанных направлениях до тех пор, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос. Это приводит к образованию слоя положительного заряда снаружи, слоя отрицательного заряда внутри и, таким образом, к напряжению на клеточной мембране. Мембрана обычно непроницаема для Na ⁺ (ионы натрия).

Задачи и упражнения

1. Какой заряд накапливается в конденсаторе емкостью 180 мкФ при приложении к нему напряжения 120 В?
2. Найдите заряд, накопленный при подаче 5,50 В на конденсатор емкостью 8,00 пФ.
3. Какой заряд хранится в конденсаторе в примере 1?
4. Рассчитайте напряжение, прикладываемое к конденсатору емкостью 2,00 мкФ, когда он имеет заряд 3,10 мкКл.
5. Какое напряжение необходимо приложить к конденсатору емкостью 8,00 нФ, чтобы накопить заряд 0,160 мКл?
6. Какая емкость необходима для накопления заряда 3,00 мкКл при напряжении 120 В?
7. Какова емкость вывода большого генератора Ван де Граафа, если он хранит 8,00 мКл заряда при напряжении 12,0 МВ?
8. Найдите емкость плоского конденсатора с пластинами площадью 5,00 м ² , разделенными тефлоновым слоем толщиной 0,100 мм.
9. (a) Какова емкость плоского конденсатора с пластинами площадью 1,50 м ² , разделенными 0,0200 мм неопреновой резины? б) Какой заряд он имеет, когда 9.00 В подается на него?
10. Интегрированные концепции. Шутник подает 450 В на конденсатор емкостью 80,0 мкФ, а затем бросает его ничего не подозревающей жертве. Палец пострадавшего обожжен разрядом конденсатора через 0,200 г плоти. Что такое повышение температуры тела? Разумно ли предположить отсутствие фазового перехода?
11. Необоснованные результаты.  (a) Некоторый конденсатор с параллельными пластинами имеет пластины площадью 4,00 м ² , разделенные нейлоном толщиной 0,0100 мм, и сохраняет заряд 0,170 Кл. Какое приложенное напряжение? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны или непоследовательны?

Глоссарий

Конденсатор: Устройство, в котором хранится электрический заряд

емкость: Количество зарядов, хранящегося на единицу Volt

Dielectric: . Материал. изоляционный материал начинает разрушаться и проводить

конденсатор с плоскими пластинами:  две одинаковые проводящие пластины, разделенные расстоянием

полярная молекула:  молекула с присущим разделением зарядов

Избранные решения задач и упражнений

1. 21,6 мКл

3. 80,0 мКл

5. 20,0 кВ

7. 667 пФ

9. (а) 4,4 мкФ; (б) 4,0 × 10 ⁻⁵ С

11. (а) 14,2 кВ; (b) Напряжение неоправданно велико, более чем в 100 раз превышает напряжение пробоя нейлона; (c) Предполагаемый заряд неоправданно велик и не может храниться в конденсаторе таких размеров.

Лицензии и ссылки

Контент по лицензии CC, совместно используемый ранее

• College Physics. Автор: : Колледж OpenStax. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/1-introduction-to-science-and-the-realm-of-physics-physical-quantities-and-units.