Конденсатор.
На первом занятии, когда мы натирали пластмассовую палочку, то мы фактически
тратили силы на то, чтобы создать запас энергии в её электрическом поле. Потом
постепенно расходовали эту энергию, поднимая клочки бумаги. Точно также,
в электрическом поле, сохраняет электрическую энергию конденсатор (от латинского
слова "конденс" - сгущать), концентрируя, сгущая электрическое поле внутри себя.
Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых металлических пластин
- обкладок, расположенных рядом, но не соприкасающихся друг с другом.
Если подключить такой конденсатор к источнику питания, то на пластины с полюсов
батареи перейдет какое-то количество избыточных зарядов, и они останутся на
обкладках довольно долго и после отключения батареи, так как электрическое
поле, возникшее между обкладками конденсатора, будет удерживать эти заряды.
Если соединить проводом обкладки - по проводу пойдет ток, электроны с обкладки,
где их много довольно быстро перейдут на обкладку, где их мало и конденсатор
разрядится. Электрическое поле между обкладками исчезнет, полностью
преобразовавшись в электрический ток. Конечно, со временем конденсатор
разрядится сам по себе, так как заряды постепенно будут покидать обкладки.
Даже если между обкладками разместить очень хороший диэлектрик, со временем
конденсатор все-равно разрядится, так как идеальных диэлектриков не бывает.
Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрический заряд,
характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора - тем больший
заряд он может накопить. Электрическая емкость обозначается буквой С
и определяется по формуле:
где q - заряд конденсатора, U - напряжение между обкладками конденсатора.
Единицей измерения электрической ёмкости является [С]=1Ф (Фарад), в честь
английского физика-экспериментатора и химика Майкла Фарадея.
1 Ф - это очень большая ёмкость для конденсатора. Чаще всего конденсаторы имеют
электроёмкость, равную дольным единицам Ф: микрофарад (мкФ) - 10-6Ф,
пикофарад (пФ) - 10-12Ф.
От чего же зависит ёмкость такого плоского конденсатора? Очевидно, что прежде
всего от геометрических размеров, ведь чем больше пластины, тем больше заряда
на них поместится, а чем ближе пластины друг к другу, тем сильнее
взаимодействие зарядов, тем плотнее электрическое поле и значит больше энергии
можно накопить. Конечно, емкость зависит и от свойств диэлектрика, который
находится между пластинами конденсатора, поскольку именно диэлектрик,
поляризуясь, запасает энергию в форме электрического поля, напряженность
которого и определяет разность потенциалов между разделенными зарядами,
находящимися на обкладках конденсатора.
где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость, S - площадь перекрытия пластин, d - расстояние между пластинами.
От свойств и толщины диэлектрика зависит и то, какое напряжение можно
приложить к обкладкам конденсатора. Чем лучше диэлектрик и чем дальше
пластины друг от друга - тем большее напряжением мы можем приложить к обкладкам
конденсатора. Если напряжение будет слишком высокое - может произойти пробой
конденсатора, который, к сожалению, почти всегда приводит к разрушению
конденсатора, так как диэлектрик, даже очень хороший - не может выдерживать
беспредельно большую напряженность электрического поля, и при некотором
напряжении может просто не выдержать и пропустить через себя заряд. Самый
большой конденсатор на земле - это конденсатор одной обкладкой которого
является сама земля, а второй обкладкой являются облака. Воздух между
поверхностью земли и облаками - это диэлектрик, а молния во время грозы - это
как раз и есть пробой диэлектрика. Второй характеристикой конденсатора
является рабочее напряжение конденсатора - это максимальное напряжение,
при котором конденсатор может работать длительное время без изменения своих
параметров.
Чтобы уменьшить размеры конденсатора, количество пластин увеличивают, собирая
их секции (обычно для конденсаторов с воздушным, вакуумным или хрупким
диэлектриком) или сворачивают в рулон (например конденсаторы с бумажным или
пленочным диэлектриком.
Меняя площадь перекрытия или расстояние между пластинами можно получить
конденсатор, емкость которого можно изменять.
Проще всего менять площадь перекрытия, потому что при этом меняется только емкость, а если менять
расстояние между обкладками, то кроме емкости меняется еще и рабочее напряжение
конденсатора, хотя и такой способ тоже иногда применяется.
Переменные конденсаторы имеют удобную ручку регулировки, а подстроечные
конденсаторы не рассчитаны на большое количество регулировок, поэтому
регулировать их можно только с помощью отвертки.
Последовательное и параллельное соединение конденсаторов.
но так как Sэкв=S1+S2, получим
Действительно, если мы возьмем n конденсаторов и соединим их параллельно:
то всю схему можно будет заменить неким эквивалентным конденсатором Cэкв.
Так как все конденсаторы соединены параллельно, то напряжение на всех конденсаторах будет одинаково U=U1=U2=...=Un, а суммарный заряд распределиться между всеми конденсаторами и будет равен q=q1+q2+...+qn, получим:
т.е. емкость эквивалентного конденсатора равно сумме всех конденсаторов, соединенных параллельно.
Если все n конденсаторов в цепи одинаковые и равны С, то формулу можно записать так:
Последовательное соединение конденсаторов
но так как d=d1+d2, получим
Перепишем формулу в виде:
Теперь давайте возьмем n конденсаторов и соединим их последовательно:
всю схему можно будет заменить неким эквивалентным конденсатором Cэкв.
Так как все конденсаторы соединены последовательно, то напряжение распределиться между всеми конденсаторами U=U1+U2+...+Un, а вот заряд останется неизменным q=q1=q2=...=qn, получим:
т.е.
Если все n конденсаторов в цепи одинаковые и равны С, то формулу можно записать так:
Еще один полезный момент, при последовательном соединении конденсаторов емкость уменьшается, но повышается рабоче напряжение полученной сборки конденсаторов, так приложенное к цепи напряжение распределяется между всеми конденсаторами, обратнопропорционально емкости, или поровну, если конденсаторы одинаковые.
Электролитический конденсатор.
Пока мы рассматривали только неполярные конденсаторы, т.е. конденсаторы, которым все-равно как их включать в схему, они имеют равнозначные выводы, и каждый вывод может быть подключен как к плюсу питания, так и к минусу. Другое дело полярные конденсаторы, для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать, а в отдельных случаях - может выйти из строя.
Рассмотрим полярный, электролитический конденсатор. Чем же он отличаются от обычного конденсатора? Кроме того, что необходимо соблюдать полярность при его включении, он еще отличается тем, что внутри него есть электролит, поэтому он так и называется. Применение электролита дает возможность делать конденсаторы просто огромной емкости! Соберем в Tinkercad Circuits простую схему:
Работает схема следующим образом. Сначала конденсатор подключен к батарее (обратите внимание, положительный вывод конденсатора подключен к "плюсу" батареи, а отрицательный к "минусу" батареи). Пока конденсатор подключен к батарее - он заряжается. Если перевести переключатель в правое положение - конденсатор переключится на лампочку, на некоторое время лампочка загорится, разряжая конденсатор.
А вот что произойдет, если конденсатор подключить неправильно:
Задание
Copyright © R9AL 2020 Все права защищены
