Электроёмкость и конденсаторы

Рассмотрим два проводника произвольной формы, разделенных слоем
диэлектрика. Зарядим их равными разноименными зарядами +q и -q. При
этом вследствие возникновения электростатического поля между
проводниками возникнет некоторая разность потенциалов (напряжение):
ɸ1 – ɸ2 = – ∆ɸ = U
Опыт показывает, что увеличение заряда проводников, например в 2 раза,
приводит к увеличению напряжения между ними также в 2 раза, т. е.
отношение q / U для данной пары проводников остается постоянным:
C=q/U
Величину, определяемую данным отношением, называют электроемкостью,
так как она количественно характеризует способность системы проводников накапливать электрический заряд.
Электроемкость численно равна заряду, который надо сообщить проводнику,
чтобы изменить его потенциал на единицу.
Электроемкость определяется геометрической формой и размерами
проводника, диэлектрической проницаемостью среды, в которой он
находится. Она не зависит от вещества проводника и находящегося на нем
заряда.
В СИ единицей электроемкости является фарад (1 Ф). 1 Ф — это емкость
уединенного проводника, потенциал которого увеличивается на 1 В при
сообщении ему заряда 1 Кл.
* 1 Ф — это очень большая величина. Такой электроемкостью обладает уединенный шар радиуса
R=9*109 м в вакууме, т. е. шар, превышающий своими размерами Землю в 1400 раз.
(Электроемкость земного шара равна 709 мкФ) Поэтому на практике используют дольные
единицы:
1 мкФ (микрофарад) = 10-6 Ф
1нФ (нанофарад) = 10-9 Ф
1 пФ (пикофарад) = 10-12 Ф
Для практического использования электрической энергии необходимо уметь
ее накапливать и сохранять. Эта задача решается с помощью конденсатора –
специального электрического устройства, служащего для накопления
электрической энергии.
Конденсатором называется система
проводников, разделенных диэлектриком,
толщина которого мала по сравнению с
линейными размерами проводников.
Проводники, образующие конденсатор,
называются его обкладками.
Плоским называется конденсатор, состоящий из двух параллельных
металлических пластин (обкладок), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, разделенных слоем диэлектрика или находящихся в
вакууме.
Электроемкостью (емкостью) конденсатора называется скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда конденсатора q к
разности потенциалов ɸ1 – ɸ2 между его обкладками:
C=q/( ɸ1 – ɸ2)
Считается, что все силовые линии поля сосредоточены в пространстве между
обкладками; электрическое поле внутри плоского конденсатора однородное.
Емкость зависит от размеров, формы конденсатора и свойств
диэлектрика между обкладками.
Разность потенциалов между обкладками конденсатора нельзя повышать
беспредельно. При некоторой предельной для данного конденсатора
разности потенциалов немногочисленные свободные электроны в
диэлектрике под действием электрического поля достигают «критической»
скорости, достаточной для выбивания новых электронов из нейтральных
атомов (или молекул). Вследствие этого в диэлектрике образуется
проводящая область. Это приводит к тому, что заряды обкладок практически
мгновенно нейтрализуются, т. е. происходит пробой конденсатора. При
пробое конденсатор выходит из строя.
Современные конденсаторы, разрушившиеся без
взрыва из-за специально разрывающейся
конструкции верхней крышки.
По типу используемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными,
воздушными, керамическими, электролитическими, слюдяными,
полистирольными.
Кроме этого, по рабочему напряжению различают низковольтные и
высоковольтные конденсаторы.
К низковольтным конденсаторам относятся электролитические, слюдяные
с напряжением пробоя до 100 В. Если напряжение пробоя превышает 100 В,
то конденсаторы относятся к высоковольтным.
Примером высоковольтного
конденсатора, разность
потенциалов в котором может
быть доведена до 100000 В,
является лейденская банка.
Различные конденсаторы для объёмного
монтажа
Слева — конденсаторы для поверхностного
монтажа; справа — конденсаторы для
объёмного монтажа; сверху — керамические;
снизу — электролитические.
Плоский конденсатор
Цилиндрический конденсатор
Сферический конденсатор
Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в
конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические
параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости,
величину потерь и др.
Слюдяной плёночный
конденсатор типа
"СГМ" для навесного
монтажа
Керамический
подстроечный
конденсатор
12 пФ, 20 кВ
вакуумный
конденсатор
постоянной ёмкости
Два 8 мкФ, 525 В
бумажных
электролитических
конденсатора в радио
1930х годов
Конденсатор постоянной ёмкости
Поляризованный конденсатор
Подстроечный конденсатор
переменной ёмкости
Варикап
На электрических схемах конденсатор обозначается символом –||–
Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники
Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами)
используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми
свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных
контуров и т. п.
При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой
мощности, например, в фотовспышках, электромагнитных ускорителях,
импульсных лазерах с оптической накачкой и т. п.
Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно
использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения
электрической энергии.
Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение
расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости
конденсатора.
Конденсаторы соединяют в батареи, чтобы
получить требуемую емкость при заданном
напряжении. Соединение конденсаторов в
батарею может быть параллельным и
последовательным.
При параллельном соединении конденсаторов
напряжение U на обкладках всех конденсаторов
одно и то же.
U1 = U 2 = U 3 = … = U n = U
Схема параллельного
соединения конденсаторов
Суммарный заряд батареи q равен сумме зарядов на каждом из конденсаторов
q = q 1 + q 2 + q 3 + … + qn
Следовательно, емкость батареи при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей всех конденсаторов:
C = C1 + C2 + C3 + … + Cn
В случае, когда С1 = С2 = С3 = ... = Сn = С0, электроемкость батареи С = nС0.
Таким образом, электроемкость батареи при параллельном соединении
всегда превышает наибольшую из электроемкостей конденсаторов,
составляющих ее.
*Параллельное соединение конденсаторов применяется для
увеличения электроемкости системы.
При последовательном соединении
конденсаторов при зарядке батареи на каждом из
конденсаторов накапливается заряд q, равный
полному заряду батареи:
Схема последовательного
соединения конденсаторов
q1 = q2 = q3 = … = qn = q
Напряжение батареи равно сумме напряжений на всех конденсаторах:
U = U 1 + U2 + U 3 + … + Un
С учетом того, что U = q/с, получаем:
электроемкость батареи конденсаторов при последовательном соединении
можно определить из соотношения
1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + … + 1/Cn
В случае, когда С1 = С2 = С3 = ... = Сn = С0, емкость батареи С = С0/n. Таким
образом, при последовательном соединении электроемкость батареи всегда
не превышает наименьшей из электроемкостей конденсаторов, составляющих ее.
*Последовательное соединение конденсаторов применяется
для увеличения предельного рабочего напряжения батареи.