Плоский повітряний конденсатор

Дві плоскі пластини, що знаходяться паралельно між собою, з діелектриком всередині, утворюють плоский конденсатор. Це найбільш проста модель конденсатора, що накопичує енергію різнойменного заряду. Якщо на пластини подати заряд, однаковий за розміром, але розрізняються по модулю, то поле, а точніше його напруженість між провідниками підвищиться в два рази. Ставлення розміру заряду одного провідника до різниці потенціалів між пластинами - це електроємність.

застосування

У всіх електронних та радіотехнічних пристроях, крім мікросхем і транзисторів використовуються конденсатори. У різних схемах конденсаторів присутній різну кількість. Немає таких схем, де б вони не використовувалися. Вони виконують різні завдання: є ємностями в фільтрах, служать передає елементом для сигналу каскадів посилення, входять до складу частотних фільтрів, для витримки тимчасового діапазону, для підбору частоти коливань в генеруючих пристроях.

Конструкція і принцип дії

Пристрій конденсатора полягає в двох обкладинках з діелектриком між ними. На всіх схемах вони так і відображаються.

S - площа поверхні обкладок в м 2. d - відстань від обкладок, м, С - ємність, Ф, е - проникність діелектрика. Всі показники виражені в системі СІ. Формула підходить плоскому конденсатору, поміщають дві пластини з металу з висновками, діелектрик не потрібен, так як їм буде повітря.

Це показує: ємність плоского конденсатора прямо залежить від площі пластин, і має зворотну залежність відстані від пластин. Якщо геометрична форма конденсатора інша, то формула ємності буде відрізнятися. Для обчислення кабелю. Але сенс залежності залишається таким же.

Пластини конденсаторів бувають і іншої форми. Існують металопаперові конденсатори з обкладинками з алюмінієвої фольги, яка згорнута разом з папером в клубок за формою корпусу.

Для підвищення електричної міцності папір конденсатора просочується спеціальним складом для ізоляції, в основному це масло для трансформатора. Такий пристрій дає можливість підвищити ємність в рази. За таким же принципом зроблені конденсатори інших конструкцій.

У формулі немає обмежень на розмір пластин S і відстань d. Якщо пластини відсунути далеко, і зменшити їх площу, то мала ємність залишиться. Два сусідніх дроти мають електричну ємність.

У техніці високої частоти така властивість широко застосовується. Конструкцію конденсаторів виконують доріжками на друкованому монтажі або скручують два дроти в поліетилені. Простий провід, який називають «локшиною», має свою ємність. Чим довше провід, тим більше ємність.

Всі кабелі ще мають опір R, крім ємності С. Властивості розподіляються по довжині кабелю, під час сигналів у вигляді імпульсів є ланцюжком інтеграції RС.

Імпульс спотворюється спеціально. Для цього зібрана схема. Ємність кабелю впливає на сигнал. На виході з'явиться змінений сигнал - «дзвін», при короткому імпульсі сигнал зовсім пропадає.

Властивості матеріалів-діелектриків

У формулі значення проникності діелектрика знаходиться в знаменнику, збільшення веде до підвищення ємності. Для повітря, лавсану, фторопласта величина не відрізняється від вакуумного стану. Існують речовини-діелектрики, у яких проникність більше. Конденсатор, залитий спиртом, підвищує свою ємність в 20 разів.

Такі речовини крім проникності мають хорошу провідність. Конденсатор з такою речовиною тримає заряд гірше, розряджається швидше. Це властивість назвали струмом витоку. Як діелектриків застосовують матеріали, що дозволяють створювати нормальні струми витоку при великій питомій ємності. Тому існує багато видів конденсаторів для різних умов застосування.

Накопичення енергії в конденсаторі

На схемі показаний конденсатор з великою ємністю для повільного перебігу розряду. Можна взяти лампочку від ліхтарика і перевірити роботу схеми. Таку лампочку можна знайти в будь-якому магазині електротоварів. Коли перемикач SA знаходиться у включеному стані, то конденсатор отримує заряд від батареї через резистор. Процес зображений на малюнку.

Напруга підвищується по кривій-експоненті. Струм відбивається на графіку в дзеркальному вигляді, і має зворотну залежність від напруги. Тільки на самому початку він підходить для наведеної формули.

Через певний час конденсатор отримає заряд від джерела до значення 4,5 вольт. Як можна обчислити час заряду конденсатора?

У формулі τ = R * C величини множаться, підсумок виходить в секундах. Ця кількість часу потрібно для заряду рівня 36,8% від джерела. Щоб зарядити конденсатор повністю, потрібен час = 5 * т.

Після цього часу перемикач переводимо вправо, конденсатор розряджається по лампочці. Буде видно спалах розряду конденсатора. Час, необхідний для розряду обчислюється величиною «т».

За схемою можна переконатися в вищеописаному затвердження.

При замиканні перемикача лампа спалахує - конденсатор отримав заряд по лампочці. На графіку видно, що в момент включення значення струму найбільше, з плином заряду струм знижується до повного припинення. При якісному конденсаторі і невеликим ступенем саморазряда включення не видасть спалах лампи. Щоб лампа знову спалахнула, потрібно розрядити конденсатор.

Будь-провідник створює навколо себе електричне поле. Електричне поле можна описати за допомогою такої величини, як електричний потенціал. У кожній точці простору потенціал має якесь значення. Потенціал на нескінченному відстані дорівнює нулю. Наближаємося подумки від нескінченності до провідника. Щоб пробитися до провідника, необхідно зробити роботу. Ця робота йде на збільшення потенційної енергії пробного заряду.

Максимальне значення потенційна енергія досягне тоді, коли ми впритул підійдемо до провідника. Після проникнення всередину провідника, потенційна енергія перестає змінюватися. Якщо ми розділимо потенційну енергію на величину пробного заряду, то отримаємо електричний потенціал.

Потенціал провідника залежить від заряду. Якщо ми подвоїмо заряд провідника, то потенціал так само подвоїться. Потенціал провідника прямо пропорційний заряду, який несе на собі цей провідник. Ставлення заряду провідника до потенціалу є характеристикою провідника, називається електричною ємністю.

Щоб зрозуміти це визначення електроємна, уявімо собі висоту рідини в посудині, що має широке дно. Висота рідини буде мала, тобто, потенціал малий. Якщо посудину вузький і високий, то така ж кількість рідини призведе до того, що рівень рідини буде високим.

Застосування ємностей в фільтрах

У фільтрах ємність встановлюється в кінці випрямляча, який зроблений двухполуперіодним.

Такі випрямлячі застосовуються з малою потужністю. Перевагою випрямлячів з одним напівперіодом є його простота. Він складається з трансформатора і діода. Ємність конденсатора розраховується за формулою:

C = 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, де С - ємність в мкФ, Po - потужність, ват, U - напруга, вольт, f - частота, герц, dU амплітуда, В.

У чисельнику знаходиться велике значення, це визначає ємність в мкФ. У знаменнику число 2 - це кількість напівперіодів, для однополупериодного - це 1.

Класифікація

За матеріалом діелектрика:

• Повітряні. Їх ємність невелика, рідко перевищує 1000 пФ.
• Слюдяні. У ньому діелектриком служить слюда. Слюда - це мінерал, кристалічна речовина, у якого дуже цікава кристалічна структура. Атоми розташовані шарами, відстань між якими набагато більше, ніж відстань між атомами в одному шарі. Тому, слюда при спробі розколоти кристал слюди колеться на дуже тонкі пластинки. У них велика діелектрична проникність. Товщина платівок виходить дуже маленькою. Ці пластинки добре працюють в швидкозмінних електричних полях, мають гарну електричної щільністю. Тому слюдяні конденсатори набули широкого поширення.
• Паперові. Діелектриком служить папір, просочена парафіном. Це хороший діелектрик, але в швидко мінливих полях поводиться не дуже добре, поляризується повільно. Використовуються обмежено.
• Керамічні. Люди навчилися робити різні сорти кераміки. Є діелектрики з проникністю більше 1000, вони зроблені з кераміки. Можна отримати велику ємність. Кераміка добре працює на високих частотах в швидкозмінних електричних полях.
• Електролітичні. Вони мають найбільшу ємність при заданих розмірах.

слюдяні конденсатори

Платівка слюди, дві платівки-електрода з прикріпленими висновками. Якщо ви хочете, щоб ємність конденсатора була більше, то можна поступити наступним чином. Взяти кілька пластинок слюди в якості діелектрика, між пластинами помістити багато обкладок. Виходить конденсатор, який складається з декількох конденсаторів, з'єднаних разом, паралельно.

Повітряні конденсатори можуть бути зі змінною ємністю. Вони складаються з двох систем пластин.

Рухливі пластини обертаються, це ротор. Нерухомі - це статор. Проміжки між рухомими і нерухомими пластинами - це шар діелектрика з повітря. Якщо рухливі пластини висунуті з нерухомих, то ця ємність буде мінімальна. Площа перекриття маленька. Якщо пластини засунуті, то площа максимальна. Це повітряний конденсатор.

Існують і керамічні змінні конденсатори. Вони використовуються для зміни ємності в невеликих межах.

Діелектриком служить кераміка. Обкладання являє собою покриття з шару срібла. Збоку вказана ємність в пФ. Викруткою обертають гвинт, змінюється площа перекриття пластин. Це підлаштування керамічний конденсатор.