Основные характеристики конденсатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Конденсаторы являются средством накопления электроэнергии в электрическом поле. Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую создали в 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер Ван Мушенбрук. Собственно, это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой - станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был. Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт, с помощью которой и заряжали лейденскую банку.

За два с половиной века своего существования конденсаторы весьма значительно изменили свой облик и сегодня отвечают всем требованиям передовой технологии. Совершенствование технологий и применение новых материалов позволили значительно улучшить конструкцию конденсаторов.

1. Электроемкость. Конденсаторы

Рассмотрим два проводника, между которыми существует электрическое напряжение, и предположим, что все линии смещения, исходящие из одного проводника, заканчиваются на другом. Такую пару проводников называют конденсатором. Проводники, составляющие конденсатор называются обкладками.

Так как линии смещения начинаются и заканчиваются на электрических зарядах, тот отсюда следует, что заряды, находящиеся на обкладках простого конденсатора, всегда равны по модулю и противоположны по знаку.

Электроемкостью конденсатора называют величину, равную отношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроемкость обозначается C.

C=

Единицей электроемкости является фарад (Ф). 1 фарад -- это электроемкость такого конденсатора, напряжение, между обкладками которого равно 1 Вольту при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 Кулону.

1Ф=1 Кл/1 В

На практике применяются также более мелкие единицы емкости:

1 микрофарад (мкФ)=

1 пикофарад (пФ)= 10^-12 Ф.

Емкость конденсатора зависит от его размеров, формы и от свойств среды, находящейся между его обкладками.

Отношение C/C₀= е, где C₀-электроемкость в вакууме, называют диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость есть величина, характеризующая электрические свойства вещества и зависящая от рода вещества и от его состояния.

В зависимости от формы различают плоские, сферические и цилиндрические конденсаторы.

Плоский конденсатор. Представляет собой систему из двух проводящих пластин площадью S каждая.

Электроемкость плоского конденсатора находится по формуле:

C= е₀ е,

где е₀- электрическая постоянная,

е- диэлектрическая постоянная среды,

S- площадь обкладки конденсатора,

d - расстояние между обкладками.

Cферический конденсатор - система из двух концентрических проводящих сфер.

C=

Цилиндрический конденсатор. Представляет собой систему из двух коаксиальных цилиндров.

C=

2. Емкость простых конденсаторов

Емкость конденсаторов простой формы можно вычислить. Для этого предполагают, что на каждой из обкладок находится некоторый заряд q, и вычисляют потенциал в электрическом поле рассматриваемого конденсатора. Если удается решить эту задачу, то отсюда получается и значение напряжения между обкладками U. После этого емкость можно найти по формуле: q=CU.

Рассмотрим пример.

Шаровой конденсатор. Если на обкладках конденсатора имеется заряд q, то напряжение между обкладками в вакууме

U=,

где a и b-радиусы внутренней и внешней обкладок. Поэтому емкость в вакууме

С=

Если внешний радиус b гораздо больше внутреннего a, то формула упрощается:

С=.

Если, наоборот, зазор между обкладками b-a=d весьма мал по сравнению со средним радиусом сфер r, тогда

С=,

где S=4r² есть площадь поверхности обкладок. Мы видим, что при малом зазоре выражения для емкости сферического и плоского конденсаторов совпадают.

3. Соединение конденсаторов

При использовании конденсаторов их часто соединяют в батареи. Соединение конденсаторов может быть параллельным, последовательным и комбинированным.

Параллельное соединение конденсаторов.

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на всех конденсаторах одинаковое, а заряды в таком случае равны

q₁=C₁U, q₂=C₂U,…,q_n=C_nU.

Заряд батареи равен сумме зарядов, накопленных на каждом конденсаторе:

q=q₁+q₂+…+q_n=C₁U+C₂U+…+C_nU=U

C= (*)

Согласно формуле (*) параллельное соединение применяется для увеличения емкости батареи.

Последовательное соединение конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов применяется тогда, когда во избежание пробоя большую разность потенциалов требуется распределить между несколькими конденсаторами.

При последовательном соединении на всех конденсаторах находится одинаковый заряд q. Если на левую пластину первого конденсатора поместить заряд +q, то вследствие электростатической индукции на его правой пластине появится заряд -q, а на левой пластине второго конденсатора согласно закону сохранения заряда - заряд +q. Наличие этого заряда снова вызовет появление на правой пластине наведенного заряда. Процесс распространяется на все включенные в батарею конденсаторы. Тогда все конденсаторы будут обладать одинаковым зарядом q. Более того, общий заряд батареи также равен q. Напряжение на каждом конденсаторе определяется его электроемкостью:

,…,.

Напряжение батареи

Электроемкость батареи определяется выражением

=

+…+ (**)

На практике наиболее часто применяется комбинированное соединение конденсаторов.

Заключение

конденсатор батарея электроемкость

Основной характеристикой конденсатора является его емкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной емкости, в то время как реальная емкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная емкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению емкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения емкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с емкостью до десятков фарад. Емкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга.

Для получения больших емкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счет разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединенных последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Список используемой литературы

1. Калашников, С.Г. Электричество/ М.: Физматлит, 2003. - 624 с.

2. Фриш, С.Э., Тиморева А.В. Электричество и электромагнитные явления /М.: Физматлит,1982 г.- 515 с.

3. Савельев И.В. Электричество и магнетизм /М.: Физматлит, 1982. - 496с.

4. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм /М.: Высшая школа, 1983. - 463 с.

Размещено на Allbest.ru