Конденсатор

Конденсатор – це електронний компонент, що зберігає електричний заряд . Конденсатор складається з 2 тісних провідників (зазвичай пластин), які розділені діелектричним матеріалом. Пластини накопичують електричний заряд при підключенні до джерела живлення. В одній пластині накопичується позитивний заряд, а в іншій – негативний.

Ємність – це кількість електричного заряду, що зберігається в конденсаторі при напрузі 1 Вольт.

Ємність вимірюється в одиницях Фарада (F).

Конденсатор роз’єднує струм в ланцюгах постійного струму (постійного струму) і коротке замикання в ланцюгах змінного струму (змінного струму).

Зображення конденсатора

Конденсаторні символи

Конденсатор

Поляризований конденсатор

Змінний конденсатор

Ємність

Ємність (C) конденсатора дорівнює електричному заряду (Q), поділеному на напругу (V):

C – ємність у фарадах (F)

Q – електричний заряд у кулонах (С), який зберігається на конденсаторі

V – напруга між пластинами конденсатора у вольтах (V)

Ємність пластин конденсатора

Ємність (C) конденсатора пластин дорівнює діелектричній проникності (ε), помноженій на площу пластини (A), поділеній на зазор або відстань між пластинами (d):

C – ємність конденсатора, у фарадах (F).

ε – діелектрична проникність діалектичного матеріалу конденсатора, у фарадах на метр (F / м).

A – площа пластини конденсатора в квадратних метрах (м 2 ].

d – відстань між пластинами конденсатора, в метрах (м).

Конденсатори послідовно

Загальна ємність конденсаторів послідовно, С1, С2, С3, .

Конденсатори паралельно

Загальна ємність конденсаторів паралельно, C1, C2, C3, .

Струм конденсатора

Моментний струм конденсатора i _c (t) дорівнює ємності конденсатора,

помножена на похідну від моментної напруги конденсатора v _c (t):

Напруга конденсатора

Моментальна напруга конденсатора v _c (t) дорівнює початковій напрузі конденсатора,

плюс 1 / C, помножений на інтеграл моменту струму конденсатора i _c (t) за час t:

Енергія конденсатора

Накопичена енергія конденсатора E _C в джоулях (J) дорівнює ємності C у фарадах (F)

помножена на квадратну напругу конденсатора V _C у вольтах (V), поділену на 2:

Е _З = С × V _З 2 /2

Схеми змінного струму

Кутова частота

ω = 2 π f

ω – кутова швидкість, виміряна в радіанах в секунду (рад / с)

f – частота, виміряна в герцах (Гц).

Реакційна здатність конденсатора

Опір конденсатора

Z _C = X _C ∟-90º

Типи конденсаторів

Дивіться також:

Для чого потрібен конденсатор і як він працює

Конденсатор (від латинського слова «condensare» – «ущільнювати», «згущувати») – це двухполюсное пристрій з певною величиною або змінним значенням ємності і малою провідністю, яке здатне зосереджувати, накопичувати і віддавати іншим елементам електричного кола заряд електричного струму.

Конденсатор або як його ще називають скорочено просто «кондер» – це елемент електричного кола, що складається в найпростішому варіанті з двох електродів у формі пластин (або обкладок), які накопичують протилежні розряди і тому вони розділені між собою діелектриком малої товщини в порівнянні з розмірами самих електропровідних обкладок. На практиці ж, все що випускаються конденсатори представляють собою багатошарові рулони стрічок електродів у формі циліндра або паралелепіпеда, розділених між собою шарами діелектрика.

Принцип роботи конденсатора

За принципом роботи він схожий з батарейкою тільки на перший погляд, але все ж він сильно відрізняється від нього за принципом і швидкості заряду-розряду, максимальної місткості.

Заряд конденсатора. У момент підключення до джерела живлення виявляється найбільше місця на електродах, тому і струм буде зарядки максимальним, але в міру накопичення заряду, струм буде зменшуватися і пропаде повністю після повного заряду. При зарядці на одній пластині будуть збиратися негативно заряджені частки- електрони, а на іншій – іони, позитивно заряджені частинки. Діелектрик виступає перешкодою для їх перескакування на протилежну сторону конденсатора. При зарядці зростає і напруга з нуля перед початком зарядки і досягає в самому кінці максимуму, рівного напрузі джерела живлення.

Розрядка конденсатора. Якщо після закінчення зарядки відключити джерело живлення і підключити навантаження R, то він сам перетвориться в джерело струму. При підключенні навантаження утворюється ланцюг між пластинами. Негативно заряджені електрони рушити через навантаження до позитивно заряджених іонів на іншій пластині за законом тяжіння між різнойменними зарядами. У момент підключення навантаження, початковий струм по закону Ома буде дорівнювати величині напруги на електродах (рівного в кінці зарядці конденсатора напрузі джерела живлення), розділеному на опір навантаження.
Після того як пішов струм, конденсатор починає поступово втрачати заряд або розряджатися. Одночасно з цим почне знижуватися величина напруги, відповідно за законом Ома і струм. У той же час чим вище рівень розряду обкладок, тим нижче буде швидкість падіння напруги і сили струму. Процес завершиться після того, як напруга на електродах конденсатора стане дорівнює нулю.

Час зарядки конденсатора на пряму залежить від величини його ємності. Чим більшою вона величини, тим довше буде проходити по ланцюгу більшу кількість заряду.

Час розрядки залежить від величини підключеного навантаження. Чим більше підключено опір R, тим менше буде струм розрядки.

Для чого потрібен конденсатор

Конденсатори широко використовуються у всіх електронних та радіотехнічних схемах. Вони разом з транзисторами і резисторами є основою радіотехніки.

Застосування конденсаторів в електротехнічних пристроях і побутової техніки:

• Важливою властивістю конденсатора в колі змінного струму є його здатність виступати в ролі ємнісного опору (індуктивне у котушки). Якщо підключити послідовно конденсатор і лампочку до батарейці, то вона не буде світитися. Але якщо підключити до джерела змінного струму , То вона загориться. І світитися буде тим яскравіше, чим вище ємність конденсатора. Завдяки цій властивості вони широко застосовуються в якості фільтра, який здатний досить успішно пригнічувати ВЧ і НЧ перешкоди, пульсації напруги і скачки змінного струму.
• Завдяки здатності конденсаторів довгий час накопичувати заряд і потім швидко розряджатися в ланцюзі з малим опором для створення імпульсу, робить їх незамінними при виробництві фотоспалахів, прискорювачів електромагнітного типу, лазерів і т. П.
• Здатність конденсатора накопичувати і зберігати електричний заряд на тривалий час, зробило можливим використання його в елементах для збереження інформації. А так же в якості джерела живлення для малопотужних пристроїв. Наприклад, пробника електрика, який досить вставити в розетку на пару секунд поки не зарядиться в ньому вбудований конденсатор і потім можна цілий день прозванивать ланцюга з його допомогою. Але на жаль, конденсатор значно поступається в здатності накопичувати електроенергію акумуляторної батареї через струмів витоку (саморазряда) і нездатності накопичити електроенергію великий величини.
• Конденсатори використовуються при підключенні електродвигуна 380 на 220 Вольт. Він підключається до третього висновку, і завдяки тому що він зрушує фазу на 90 градусів на третьому виводе- стає можливим використання трифазного мотора в однофазної мережі 220 Вольт.
• У промисловості конденсаторні установки застосовуються для компенсації реактивної енергії .

В наступній статті ми розглянемо докладно основні характеристики та типи конденсаторів.

Електричний конденсатор

пристрій для накопичення заряду та енергії електричного поля / З Вікіпедії, безкоштовно encyclopedia

Шановний Wikiwand AI, Давайте зробимо це простіше, відповівши на ключові запитання:

Чи можете ви надати найпопулярніші факти та статистику про Електричний конденсатор?

Підсумуйте цю статтю для 10-річної дитини

Конденсáтор (англ. capacitor; нім. Kondensator m) — система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну електричну ємність і здатна зберігати електричний заряд.

Конденсатор є пасивним електронним компонентом і широко застосовується в електронних схемах для блокування постійного струму, пропускаючи змінний струм.

Історія

У 1745 році в Лейдені німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст та голландський фізик Пітер ван Мушенбрук створили перший конденсатор — «лейденську банку». Назву винаходу дав французький фізик Жан-Антуан Нолле [1] . Це була закупорена наповнена водою скляна банка, обклеєна всередині і зовні фольгою. Крізь кришку у банку був уведений металевий стрижень. Лейденська банка дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди, порядку мікрокулона. Завдяки Лейденській банці вдалося вперше штучним шляхом отримати електричну іскру. Дослід з лейденською банкою було повторено Ж.Нолле в присутності французького короля. Вчений утворив ланцюг із 180 солдатів-гвардійців, що тримались за руки, причому перший у ланцюгу тримав банку в руці, а останній — торкався дроту, викликаючи проскакування іскри. Ймовірно, звідси бере початок термін «електричний ланцюг».

Винайдення лейденської банки стимулювало вивчення електрики та електропровідних властивостей деяких матеріалів. Досліди з лейденською банкою стали проводити фізики різних країн, а в 1746—1747 роках перші теорії лейденської банки розробили знаменитий американський вчений Бенджамін Франклін та англієць В. Уатсон. З’ясувалося, що метали — найкращі провідники електрики. Одним з найважливіших наслідків винаходу лейденської банки стало встановлення впливу електричних розрядів на організм людини, що привело до зародження електромедицини — це було перше порівняно широке практичне застосування електрики, котре зіграло значну роль у поглибленні вивчення електричних явищ.

При проведенні досліджень з банкою було встановлено, що кількість електрики, накопиченої у банці, пропорційна до розміру обкладок і обернено пропорційна товщині ізоляційного шару. Перший плоский конденсатор створив у 1783 італійський фізик Алессандро Вольта.

Властивості конденсатора

Демонстрація найпростішого конденсатора у вигляді паралельних пластин. Діелектриком між пластинами може бути повітря, рідина, або твердий матеріал (діелектрик).

Прикладання електричної напруги до обкладок конденсатора спричиняє накопичення на них електричного заряду. Після відключення від джерела напруги, заряд утримується на обкладках силами електростатики. Якщо конденсатор, як цілісний елемент, не є наелектризованим, то заряд, що накопичений на обох обкладках є однаковим за величиною і протилежний за знаком. Здатність конденсатора накопичувати заряд характеризує його електрична ємність:

де: C — ємність конденсатора у фарадах;

Q — електричний заряд, що накопичений на одній з обкладок в кулонах; U — електрична напруга між обкладками у вольтах.

Ємність виражається у фарадах. Одна фарада є досить значною одиницею, тому на практиці ємність конденсаторів виражається у піко-, нано-, мікро- та міліфарадах.

У загальному випадку, напруга U C > і електричний струм I C > конденсатора у момент часу t пов’язані залежністю:

Робота dW, яку слід виконати, щоб перенести елементарний заряд dq з однієї обкладки конденсатора ємності C, на іншу, при допущенні, що одна з обкладок містить заряд з поточним значенням q.

Енергію, яка накопичена в конденсаторі можна визначити інтегруванням рівняння, записаного вище з отриманням виразу:

де: Q — початкове значення заряду конденсатора.

Зміну величини заряду конденсатора у часі характеризує електричний струм у момент заряджання, на основі чого можна записати:

Конденсатор у колі постійної напруги після того, як він зарядиться не проводить струм, оскільки його обкладки розділені діелектриком. У ланцюгу зі змінною напругою він проводить електричний струм, оскільки коливання змінного струму викликають циклічне перезаряджання конденсатора, а тому і струм у ланцюгу, що описується рівняннями:

U c ( t ) = U 0 sin ⁡ ( ω t ) (t)=U_\sin(\omega t)\,> I c = C d U C d t = C U 0 ω cos ⁡ ( ω t ) =C<<<\mbox>U_> \over <<\mbox>t>>=CU_\omega \cos(\omega t)>

Величина, що пов’язує струм і напругу на конденсаторі, називається реактивним опором, котра є тим меншою, чим більшою є ємність конденсатора і частота струму. Для конденсатора характерним є те, що для синусоїдального закону зміни струму, зміна напруги відстає за фазою на кут π 2 >> (тобто струм випереджає напругу за фазою на кут π 2 >> ). З цієї точки зору імпеданс конденсатора є комплексним числом і описується рівнянням:

Реактивний опір ємнісного опору записується рівнянням:

Відповідно, для постійного струму частота дорівнює нулю, а опір конденсатора — нескінченна величина (в ідеальному випадку).

При зміні частоти змінюється діелектрична проникність діелектрика і рівень впливу паразитних параметрів — власної індуктивності і опору втрат. На високих частотах будь-який конденсатор можна розглядати як послідовний коливальний контур, утворений ємністю С, власною індуктивністю L_С і опором втрат R_n.

При f > f_p конденсатор в колі змінного струму поводить себе як котушка індуктивності. Відповідно, конденсатор доцільно використовувати лише на частотах f < f_p, на яких його опір має ємнісний характер.

Характеристики конденсаторів

Між пластинами конденсатора виникає електричне поле. Діелектрик (оранжевого кольору) знижує поле та підвищує ємність.

Ємність

Основною характеристикою конденсатора є його електрична ємність (точніше номінальна ємність), яка визначає накопичений заряд. Типові значення ємності конденсаторів складають від одиниць пікофарад до сотень мікрофарад. Але існують конденсатори з ємністю десятків фарад.

Ємність плоского конденсатора, яка складається з двох паралельних металічних пластин площиною S кожна, які розташовані на відстані d одна від одної, в системі SI виражена формулою C = ε ε 0 S d S>>~> , де ε — відносна діелектрична проникність середовища, яке заповнює простір між пластинами. Ця формула справедлива лише при малих d.

Для отримання великих ємностей конденсатори з’єднують паралельно. Загальна ємність батареї паралельно з’єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей всіх конденсаторів, які входять у батарею.

При послідовному з’єднанні конденсаторів заряди усіх конденсаторів однакові. Загальна ємність батареї послідовно з’єднаних конденсаторів дорівнює

Ця ємність завжди менша мінімальної ємності конденсатора, який входить в батарею. Але при послідовному з’єднанні зменшується загроза пробою конденсаторів, оскільки на кожний конденсатор надходить лише частина різниці потенціалів джерела напруги.

Питома ємність

Конденсатори також характеризуються питомою ємністю — відношення ємності до об’єму (або маси) конденсатора.

Ємність у А·год

Ємність конденсатора можна виразити у ампер-годинах виходячи з визначення фарада:

прийнявши А·год = 3600 А·с, отримуємо:

звідси, при напрузі в 1В і ємності конденсатора в 1Ф ємність в А·год буде:

Номінальна напруга

Іншою не менш важливою характеристикою конденсаторів є номінальна напруга — значення електричної напруги, яке позначається на конденсаторі, при якому він може працювати у заданих умовах під час строку служби із зберіганням параметрів у допустимих межах.

Номінальна напруга залежить від конструкції конденсатора і властивостей застосованих матеріалів. При експлуатації напруга на конденсаторі не повинна перевищувати допустимої. Для більшості типів конденсаторів із збільшенням температури допустима напруга знижується.

Напругу, при якій впродовж 1-5 с виникає пробій, називають пробивною. Допустиму робочу напругу обирають у 3-10 разів меншою за пробивну.

Полярність

Більшість конденсаторів із оксидним діелектриком (електролітичні) мають уніполярну провідність, внаслідок чого їх експлуатація можлива тільки при позитивному потенціалі аноду.

Тангенс кута втрат

Втрати енергії в конденсаторі визначаються втратами в діелектрику та обкладках. При протіканні змінного струму через конденсатор, вектори напруги та струму зміщені на кут π/2-δ (δ — кут діелектричних втрат). При відсутності втрат δ = 0. Тангенс кута діелектричних втрат визначається відношенням активної потужності Р_a до реактивної Р_р при синусоїдальній напрузі визначеної частоти. Значення тангенса кута втрат у керамічних високочастотних, слюдяних, полістирольних та фторопластових конденсаторів перебувають у межах (10…15)·10 −4 , полікарбонатних (15…25)·10 −4 , керамічних низькочастотних 0,035, окисних 0,05…0,35, поліетилентерефталевих 0,01…0,012. Величина, обернена до tg δ, називається добротністю конденсатора.

Електричний опір ізоляції конденсатора

Електричний опір ізоляції — це опір конденсатора постійному струму, який визначається співвідношенням R_із=U/I_вит, де U — напруга, що спрямована на конденсатор, I_вит — струм витоку.

Температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ)

ТКЄ — це параметр, який характеризує залежність ємності конденсатора від температури. Практично ТКЄ визначають як відношення зміни ємності конденсатора при зміні температури на 1°С. Але ТКЄ визначається не для всіх типів конденсаторів.

Стандартизація параметрів конденсаторів та їх кодування

Умовні графічні позначення

Більше інформації Позначення за ГОСТ 2.728-74, Опис .

Умовні графічні позначення конденсаторів на електричних схемах повинні відповідати ГОСТ 2.728-74 [2] або міжнародному стандарту IEEE 315—1975 [3] [4] . Літерне позначення конденсаторів на електричних схемах відповідно ГОСТ 2.710-81 [5] складається з латинської літери «C» і порядкового номера елементу (цифрове позначення), починаючи з одиниці, в межах групи елементів, наприклад: C1, C2, C3 і т. д.

Кодування параметрів

Номінальні значення ємностей стандартизовані. Міжнародною електротехнічною комісією (IEC) для ємностей встановлено 7 рядів переважних чисел серії E: Е3, Е6, Е12, Е24, рідше Е48, E96, Е192 [6]

Номінальну ємність вказують у вигляді конкретного значення, вираженого у пікофарадах (пФ) або мікрофарадах (мФ) (1 мкФ = 10 6 пФ). При ємності до 0,01 мкФ, вона вказується у пікофарадах, при цьому можна не вказувати одиницю вимірювання (пФ). При зазначенні номіналу ємності в інших одиницях вказують одиницю вимірювання.

Фактичне значення ємності може відрізнятись від номінального на величину відхилення. Значення цих відхилень встановлено у відсотках для конденсаторів ємністю понад 10 пФ та у пікофарадах для конденсаторів з меншою ємністю. Допуск може кодуватися літерою [7]