Ёмкость цилиндрического конденсатора

Электроемкость

На предыдущих уроках мы знакомились с элементарными электрическими понятиями и принципами, в частности, мы говорили об электризации – явлении перераспределения заряда. Разговор о более глубоком исследовании этого явления начнем с опыта.

Изначально пусть нам даны две разные по размеру изолированные банки, подключенные к электроскопу (рис. 1):

Рис. 1

Теперь к каждой из банок поднесли одинаково заряженное тело. Естественно, с каждой банкой произойдет процесс электризации, и стрелки обоих электроскопов разойдутся. Однако оказалось, что электроскоп большей банки показал меньшее отклонение (рис. 2):

Рис. 2

Данный опыт доказывает, что различные тела электризуются одним и тем же зарядом по-разному (конкретно большая банка одним и тем же зарядом зарядилась до меньшего потенциала). И существует некоторая величина, которая показывает способность тела накапливать электрический заряд. Собственно, о ней и пойдет речь.

Определение. Электроемкость (емкость) – величина, равная отношению заряда переданного проводнику к потенциалу этого проводника.

Здесь:  – емкость;  – переданный заряд;  – потенциал, до которого зарядился проводник.

Электрическая емкость и ее единица измерения

Свойство проводящих тел накапливать и удерживать электрический заряд, измеряемое отношением заряда уединенного проводника к его потенциалу, называется электрической емкостью, или просто емкостью, и обозначается буквой С.

Приведенная формула электрической емкости позволяет установить единицу электрической емкости.

Практически заряд измеряется в кулонах, потенциал в вольтах, а емкость в фарадах:

Емкостью в 1 фараду обладает проводник, которому сообщают заряд в 1 кулон и при этом потенциал проводника увеличивается на 1 вольт.

Единица измерения электрической емкости – фарада (обозначается ф или F) очень велика. Поэтому чаще пользуются более мелкими единицами – микрофарадой (мкф или μF), составляющей миллионную часть фарады:

1 мкф = 10-6ф ,

и пикофарадой (пф), составляющей миллионную часть микрофарады:

1 пф = 10-6мкф = 10-12ф .

Найдем выражение практической единицы – фарады в абсолютных единицах:

Аккумуляторы и электроемкость

Основными характеристиками аккумуляторных батарей является:

  • Номинальное напряжение.
  • Емкость.
  • Максимальный ток разряда.

В данном случае для определения количественной характеристики времени работы или, говоря простым языком, чтобы рассчитать, на какое время работы прибора хватит аккумулятора, используют величину ёмкости.

В аккумуляторных батареях для описания электрической ёмкости используют следующие размерности:

  • А*ч — ампер-часы для больших аккумуляторов, например автомобильных.
  • мА*ч — милиампер-часы, для аккумуляторов для носимых устройств, например смартфонов, квадрокопетров и электронных сигарет.
  • Вт*часы — ватт-часы.

Эти характеристики позволяют определить, сколько времени работы выдержит аккумулятор при конкретной нагрузке. Для определения электрическую емкость аккумулятора измеряют в кулонах (Кл). В свою очередь кулон равен количеству электричества, переданному аккумулятору при силе тока 1А за 1с. Тогда если перевести в часы, то при токе в 1А за 1 час передается 3600 Кл.

Одним из способов измерения емкости аккумулятора является его разряд заведомо известным током, при этом вы должны замерить время разряда. Допустим, если аккумулятор разрядился до минимального уровня напряжения за 10 часов током в 5А – значит его емкость 50 А*ч

Электроемкость – это важная величина в электронике и электротехнике. На практике конденсаторы применяются практически в каждой схеме электронного устройства. Например, в блоках питания – для сглаживания пульсаций, уменьшения влияния высоковольтных всплесков на силовые ключи. Во времязадающих цепях различных схем, а также в ШИМ-контроллерах для того, чтобы задать рабочую частоту. Аккумуляторы также применяются повсеместно. Вообще задачи накапливания энергии и сдвига фаз встречаются очень часто.

Более подробно изучить вопрос поможет предоставленное видео:

Кратко объяснение изложено в этом видео уроке:

Теперь вы знаете, что такое электрическая емкость, в каких единицах происходит ее измерение и от чего зависит данная величина. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и понятной!

Материалы по теме:

  • Как определить емкость конденсатора
  • Что такое электрический заряд
  • Закон Кулона простыми словами

Электролитические конденсаторы

В радиотехнике применяются также электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы изготовляются двух типов: жидкостные и сухие. В обоих типах конденсаторов употребляется оксидированный алюминий. Путем специальной электрохимической обработки на поверхности алюминия получают тонкий (порядка нескольких десятков микрон) слой оксида алюминия Al2O3, представляющий так называемую оксидную изоляцию алюминия. Оксидная изоляция обладает электроизолирующими свойствами, а также является механически прочной, нагревостойкой, но гигроскопичной.

В жидкостных электролитических конденсаторах алюминиевую оксидированную пластину помещают внутрь металлического корпуса, который служит второй пластиной. В корпус заливают электролит, состоящий из раствора борной кислоты с некоторыми примесями.

Сухие электролитические конденсаторы изготовляют путем сворачивания трех лент. Одна лента представляет собой алюминиевую оксидированную фольгу (тонко раскатанный лист металла). Другой пластиной является лента из алюминиевой фольги. Между двумя металлическими лентами помещается бумажная или марлевая лента, пропитанная вязким электролитом. Плотно свернутые ленты помещаются в алюминиевый корпус и заливаются битумом. Тонкий оксидный изолирующий слой с высокой электрической проницаемостью (ε = 9) позволяет получить дешевые конденсаторы с большой удельной емкостью.

Видео об устройстве электролитического конденсатора:

https://youtube.com/watch?v=tuVEW69oXuw

Расчет параметров конденсатора онлайн

Не знаю как Вам, а мне никогда не нравилось работать и вычислять ёмкости конденсаторов. Больше всего раздражало  наличие в исходных  данных, ёмкостей в разных номиналах, в пикофарадах, в нанофарадах, микрофарадах.  Их приходилось переводить в Фарады,  что влекло за собой глупейшие ошибки в расчетах.

Конденсатор — в принципе это любая конструкция, которая может сохранять накопленный электрический потенциал.  Если же эта конструкция, не только хранит электроэнергию, но и генерирует её, то это уже источник электропитания и никак  не конденсатор.

Конструкция конденсаторов может быть любой, но чаще всего в практике используется плоский конденсатор, состоящий из двух проводящих пластин, между которыми находится какой либо диэлектрик.  Это связано с тем, что расчет ёмкости такого конденсатора ведется по известной формуле и простотой его создания. Свернув такой плоский конденсатор в рулон, мы получаем, что при фактическом скромном размере  «рулона», там находится плоский конденсатор, длиной в десятки сантиметров и обладающий повышенной ёмкостью.

Емкости конденсаторов некоторых форм известны, и мы дальше их рассмотрим.

Но хотелось бы заметить, что на наш взгляд, потенциал  развития  конденсаторов до  конца не завершен. Ведь форма конструкции какого либо конденсатора может быть любая, материалы из которого сделаны обкладки или диэлектрический слой  тоже могут быть любыми в пределах таблицы Менделеева. Единственная сложность, это невозможность теоретически просчитать потенциальную ёмкость, новосозданного (другой конструкции) конденсатора. Это усложняет нахождение самой лучшей конструкции конденсатора.

Есть хорошая книга по рассмотрению электрической ёмкости различных фигур. Для любопытных рекомендую поискать на просторах Интернета: Расчет электрической ёмкости в авторстве Ю.Я.Иоселль 1981 года

Данный бот рассчитывает параметры типовых форм конденсаторов. Отличие от других калькуляторов, присутствующих в интернете, это возможность задавать параметры, которые Вам известны, для того что бы рассчитать остальные.

И последнее нововведение, которое вы можете использовать. Вам не обязательно придется переводить заданные данные в  метры, фарады и т.д. Достаточно обозначить размерность данных. 

Например, если ёмкость известна и равно 100 пикофарад, то боту можно так и написать c=100пикофарад или с=100пФ, бот сам  переведет в Фарады.

Результат, тоже будет выдан оптимально визуальному восприятию пользователя. 

Это стало возможно с созданием бота Система единиц измерения онлайн

Применение формул

Что делать, если под рукой нет такого мультиметра с гнездами измерения, а есть только обычный бытовой прибор? В таком случае необходимо вспомнить законы физики, которые помогут определить емкость.

Для начала вспомним, что в случае, когда конденсатор заряжается от источника неизменного напряжения через резистор, то существует закономерность, согласно которой напряжение на устройстве будет подходить к напряжению источника и в конечном итоге сравняется с ним.

Но для того чтобы этого не ожидать, можно процесс упростить. Например, за определенное время, которое равняется 3*RC, во время заряжения элемент достигает напряжения 95% примененного к RC цепи. Таким образом, по току и напряжению можно определить константу времени. А правильнее, если знать вольтаж в блоке питания, номинал самого резистора, происходит определение постоянной времени, а затем и емкости устройства.

Например, есть электролитический конденсатор, узнать емкость которого можно по маркировке, где прописывается 6800 мкф 50в. Но что если устройство давно лежало без дела, а по надписи сложно определить его рабочее состояние? В этом случае лучше проверить его емкость, чтобы знать наверняка.

Для этого необходимо выполнить следующее:

  1. С помощью мультиметра измерить сопротивление резистора в 10 кОм. Например, оно получилось равно 9880 Ом.
  2. Подключаем блок питания. Мультиметр переводим в режим замера постоянного напряжения. Затем подключаем его к блоку питания (через его выводы). После этого в блоке устанавливается 12 вольт (на мультиметре должна появиться цифра 12,00 В). Если же не удалось отрегулировать напряжение в блоке питание, то тогда записываем те результаты, которые получились.
  3. С помощью конденсатора и резистора собираем электрическую RC-цепь. На схеме ниже указана простая RC-цепочка:
  4. Закоротить конденсатор и подключить цепь к питанию. С помощью прибора еще раз определить напряжение, которое подается на цепь, и записать это значение.
  5. Затем необходимо высчитать 95% от полученного значения. К примеру, если это 12 Вольт, то это будет 11,4 В. То есть, за определенное время, которое равняется 3*RC, конденсатор получит напряжение в 11,4 В. Формула выглядит следующим образом:
  6. Осталось определить время. Для этого устройство раскорачиваем и с помощью секундомера производим отсчет. Определение 3*RC будет вычисляться таким образом: как только напряжение на устройстве будет равно 11,4 В, то это и будет означать нужное время.
  7. Производим определение. Для этого полученное время (в секундах) делим на сопротивление в резисторе и на три. Например, получилось 210 секунд. Эту цифру делим на 9880 и на 3. Получилось значение 0,007085. Это величина указывается в фарадах, или 7085 мкф. Допустимое отклонение может быть не более 20%. Если учитывать, что на изделии указано 6800 мкф, наши расчеты подтверждаются и укладываются в норматив.

А как определить емкость керамического конденсатора? В этом случае можно сделать определение с помощью сетевого трансформатора. Для этого RC-цепочку подсоединяем ко вторичной обмотке трансформатора, и его подсоединяют в сеть. Далее с помощью мультиметра осуществляется замер напряжения на конденсаторе и на резисторе. После этого необходимо сделать подсчеты: высчитывается ток, что проходит через резистор, затем его напряжение делится на сопротивление. Получается емкостное сопротивление Хс.

Если есть частота тока и Хс, можно определить емкость по формуле:

Не разрушайте хороший проект плохой компоновкой

Правильная компоновка печатной платы является критическим аспектом проектирования блокировки, например, инженеры Texas Instruments обнаружили, что увеличение расстояния между конденсатором 0,1 мкФ и питающим выводом микросхемы с 0,3 дюйма (7,62 мм) до 1 дюйма (25,4 мм) увеличивает амплитуду пульсаций на шине питания с 250 мВ до 600 мВ. К счастью, правила компоновки блокировочных конденсаторов просты: минимизируйте сопротивление, минимизируйте индуктивность. Это достигается путем размещения конденсатора как можно ближе к питающему выводу и использования самых коротких возможных дорожек для всех соединений. В идеале, как земля, так и шина питания могут быть доступны через сквозные отверстия на полигоны.

Использование сквозных отверстий на полигоны земли и шины питания при размещении блокировочных конденсаторов

Энергия конденсаторов

Конденсатор – прибор для накопления заряда, и проводники, на которых накапливается заряд, создают между собой электрическое поле, а значит, конденсатор обладает некоторой энергией.  Энергия конденсатора, по закону сохранения энергии, должна быть равна работе, выполненной по разделению зарядов.

Как мы уже знаем, работа по перемещению заряда в поле равна:

Здесь:  – заряд;  – напряженность;  – модуль перемещения.

И теперь, если рассмотреть наш случай поля конденсатора, получается, что напряженность  создается одновременно двумя обкладками, и для рассмотрения одной обкладки мы должны записать

Рис. 7. Однородное поле конденсатора

Воспользовавшись теперь формулой связи напряженности и напряжения из прошлого урока:

Формула для энергии конденсатора принимает вид:

Использовав в этой формуле формулу определения емкости конденсатора, можно получить еще две формы записи для энергии:

или

Этот урок завершает тему электростатики. Следующий будет посвящен уже электрическому току.

Дополнение 1. Электроемкость шара.

Для того чтобы оценить насколько велика емкость в 1 Ф, возьмем в качестве накапливающего заряд тела проводящий шар и выведем зависимость его емкости от его размеров.

Из предыдущего урока мы знаем формулу для определения потенциала шара:

Подставим теперь её в определение емкости:

Давайте рассмотрим случай в вакууме или же в воздухе (). Каковы же должны быть размеры шара, чтобы его емкость равнялась 1 Ф?

Для сравнения радиус Земли равен:

Дополнение 2. Соединение конденсаторов.

Иногда не получается найти конденсатор нужной конфигурации, тогда приходится составлять блоки из нескольких конденсаторов. Соединить два или более конденсатора можно двумя различными способами: параллельно или последовательно.

Параллельное соединение (рис. 8):

Рис. 8. Параллельное соединение конденсаторов

Так как выходы источника питания подсоединены одновременно к обкладкам всех конденсаторов, то потенциалы всех обкладок равны, металл является эквипотенциальной поверхностью:

Заряды на обкладках параллельно соединенных конденсаторов суммируются:

Разделив второе равенство на напряжение (любое, так как они равны) и воспользовавшись определением емкости конденсатора, получим:

Последовательное соединение (рис. 9):

Рис. 9. Последовательное соединение конденсаторов

Так как две обкладки соседних конденсаторов являются одной деталью, отрезанной от остальных проводников, по закону сохранения заряда, сумма их зарядов должна оставаться равной нулю, а значит, они равны по модулю, но противоположны по знаку, поэтому:

Падение же напряжения на всем участке складывается из падений напряжения на каждом конденсаторе:

Теперь, разделив второе равенство на заряд (любой, так как они равны) и воспользовавшись определением емкости конденсатора, получим:

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
  3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Physics.ru (Источник).
  2. Электротехника (Источник).
  3. Physics.kgsu.ru (Источник).

Домашнее задание

  1. Стр. 96-98: № 750–755. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. – М.: Дрофа, 2013. (Источник)
  2. Во сколько раз изменится емкость конденсатора, если листовую слюду заменить парафином той же толщины?
  3. Какую площадь должны иметь пластины плоского конденсатора, для того чтобы его электроемкость была равна 1 пФ? Расстояние между пластинами – 0,5 мм.
  4. Емкость одного конденсатора больше емкости другого в 4 раза, на какой конденсатор нужно подать большее напряжение, чтобы их энергии стали одинаковыми, во сколько раз больше?
  5. *Почему большой заряд не может удержаться на сфере маленького радиуса?

Формула заряда конденсатора

Для выполнения зарядки, конденсатор должен быть подключен к цепи постоянного тока. С этой целью может использоваться генератор. У каждого генератора имеется внутреннее сопротивление. При замыкании цепи происходит зарядка конденсатора. Между его обкладками появляется напряжение, равное электродвижущей силе генератора: Uc = E.

Обкладка, подключенная к положительному полюсу генератора, заряжается положительно (+q), а другая обкладка получает равнозначный заряд с отрицательной величиной (- q). Величина заряда q находится в прямой пропорциональной зависимости с емкостью конденсатора С и напряжением на обкладках Uc. Эта зависимость выражается формулой: q = C x Uc.

В процессе зарядки одна из обкладок конденсатора приобретает, а другая теряет определенное количество электронов. Они переносятся по внешней цепи под влиянием электродвижущей силы генератора. Такое перемещение является электрическим током, известным еще как зарядный емкостной ток (Iзар).

Течение зарядного тока в цепи происходит практически за тысячные доли секунды, до того момента, пока напряжение конденсатора не станет равным электродвижущей силе генератора. Напряжение увеличивается плавно, а потом постепенно замедляется. Далее значение напряжения конденсатора будет постоянным. Во время зарядки по цепи течет зарядный ток. В самом начале он достигает максимальной величины, так как напряжение конденсатора имеет нулевое значение. Согласно закона Ома Iзар = Е/Ri, поскольку к сопротивлению Ri приложена вся ЭДС генератора.

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРОВ

   При выборе конденсаторов для работы в цепях переменного или пульсирующего тока необходимо учитывать их частотные свойства, определяемые рядом конструктивных факторов: типом диэлектрика, значениями индуктивности и эквивалентного последовательного сопротивления, конструкцией. Работоспособность конденсаторов при переменном напряжении ограничивают в основном следующие факторы:

  • тепловыделение, пропорциональное средней мощности, которое может резко возрастать при превышении допустимых режимов эксплуатации и создавать условия для теплового пробоя конденсатора;
  • напряженность электрического поля, воздействующего на диэлектрик конденсатора и вызывающего его электрическое старение;
  • ток, протекающий через конденсатор, при большой плотности которого возможны локальный перегрев и разрушение контактных узлов, выгорание металлизированных обкладок;
  • температура окружающей среды.

   Наиболее высокими частотными свойствами обладают керамические конденсаторы типа 1, слюдяные и конденсаторы из неполярных пленок (полистирольные, полипропиленовые и др.).  В связи с тем что с повышением частоты растут потери энергии в конденсаторе, для сохранения теплового баланса в конденсаторе и исключения возможности возникновения пробоя с повышением частоты необходимо снижать амплитуду переменной составляющей. У ряда групп конденсаторов с повышением частоты может заметно снижаться эффективная емкость. Уменьшение емкости с ростом частоты происходит как за счет снижения диэлектрической проницаемости диэлектрика, так и за счет увеличения эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС). Влияние ЭПС на значение эффективной емкости определяется зависимостью:

   ЭПС обусловлено потерями в конденсаторе — в диэлектрике, в металлических частях, в переходных контактных сопротивлениях, в электролите у оксидных конденсаторов. В обычных конденсаторах ЭПС достаточно мало (доли ома) и снижение емкости с частотой можно заметить лишь в области высоких частот. Наиболее сильная зависимость емкости от частоты имеет место у оксидных конденсаторов (особенно с жидким электролитом) из-за большого удельного сопротивления электролита и его зависимости от частоты. Для этих конденсаторов снижение емкости с частотой наблюдается, начиная с сотен герц.

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов

Последовательно-параллельным соединением конденсаторов называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.

На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.

Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.

При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:

1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.

2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.

3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.

4. Рассчитывают емкость полученной схемы.

Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.

Подробнее о расчетах соединения конденсаторов можно узнать в мультимедийном учебнике по основам электротехники и электроники:

Формула энергии конденсатора

С емкостью самым тесным образом связана другая величина, известная как энергия заряженного конденсатора. После зарядки любого конденсатора, в нем образуется определенное количество энергии, которое в дальнейшем выделяется в процессе разрядки. С этой потенциальной энергией вступают во взаимодействие обкладки конденсатора. В них образуются разноименные заряды, притягивающиеся друг к другу.

В процессе зарядки происходит расходование энергии внешнего источника для разделения зарядов с положительным и отрицательным значением, которые, затем располагаются на обкладках конденсатора. Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии, она не исчезает бесследно, а остается внутри конденсатора в виде электрического поля, сосредоточенного между пластинами. Разноименные заряды образуют взаимодействие и последующее притяжение обкладок между собой.

Каждая пластина конденсатора под действием заряда создает напряженность электрического поля, равную Е/2. Общее поле будет складываться из обоих полей, возникающих в каждой обкладке с одинаковыми зарядами, имеющими противоположные значения.

Таким образом, энергия конденсатора выражается формулой: W=q(E/2)d. В свою очередь, напряжение выражается с помощью понятий напряженности и расстояния и представляется в виде формулы U=Ed. Это значение, подставленное в первую формулу, отображает энергию конденсатора в таком виде: W=qU/2. Для получения окончательного результата необходимо использовать определение емкости: C=q/U, и в конце концов энергия заряженного конденсатора будет выглядеть следующим образом: Wэл = CU2/2.

Ссылка на основную публикацию