Конденсатор

В далеком 1745 году в Лейдене немецкий ученый Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый в текущем цикле развития человечества конденсатор - лейденскую банку.

Параллельно от них похожее устройство, под названием "медицинская банка" создал немецкий изобретатель Клейст. Лейденская банка представляла собой закупоренную наполненную водой стеклянную емкость, оклеенную как изнутри, так и снаружи тонкими листами олова. Сквозь крышку в стеклянную емкость помещался металлический стержень. Лейденская банка, несмотряна свою простоту позволяла хранить и накапливать достаточно большие заряды, до микрокулона. Изобретение лейденской банки подтолкнуло ученых к более пристольному изучению электричества, в особенности скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых веществ. Выяснилось, что различные металлы и вода хорошие проводники электричества. Благодаря Лейденской банке удалось искусственным путем получить электрическую искру.

Конденсатор и его принцип работы - емкость

Возьмем два хороших металлических проводника являющихся нейтральными телами. Расположим их на минимально возможном расстоянии друг от друга. Разделяет их только воздух (который по своим свойствам является диэлектриком). Если к металлическим проводникам подключить источник питания, один из электродов приобретает положительный заряд, другой наоборот - со знаком минус (Зависит от полярности питающего источника).  Между обоими проводниками образуется электрическое поле и возникает разность потенциалов (напряжение).

В достаточно сильном электрическом поле диэлектрик превращается в проводник. Происходит так называемый пробой диэлектрика: между металлическими проводниками проскакивает искра, и они скидывают накопленный заряд - разряжаются. При этом идет переход части заряженных частиц (условно принято считать, что ими являются электроны), от одного объекта к другому. Чем плавнее возрастает напряжение между обоими проводниками, тем больший заряд можно на их пластинах накопить.

Система, состоящая из двух проводников, разделенных между собой диэлектриком, называется конденсатором

Главным свойством любого конденсатора является то, что на его обкладках накапливаются противоположные по знаку, но равные по величине электрические заряды. В начальный момент зарядки конденсатор ведет себя как рядовой проводник.  Зарядный ток при этом находится на максимальном уровне.Затем, напряжение на обоих обкладках начинает возрастать, до уровня насыщения зарядами (до тех пор пока позволияет емкость). Зарядный ток начинает плавно снижаться, а далее и останавливается совсем. В заряженном конденсаторе положительному электроду сильн не хватает свободных электронов, а в отрицательном сложился переизбыток. В этом случае между обкладками заряженного конденсатора имеется определенный потенциал или напряжение, а в диэлектрике образуется электрическое поле. Обкладочное напряжение, возникаюшее при зарядке, зависит в первую очередь от количества электричества и от номинала емкости.

Единицу измерения электрической емкости назвали Фарад (обозначается она русской буквой Ф или латинской F). Названа в честь известного физика Майкла Фарадея.

Такой емкостью будет обладать некоторый условный конденсатор, в котором под действием зарядного напряжения номиналом в один вольт накопится заряд в один кулон.

Электроемкость - способность физического объекта накапливать электрические заряды. Она будет численно равна заряду, который увеличивается на единицу напряжения между двумя электродами.

Формула выше, помогает понять связь между емкостью и количеством электричества и напряжением между его обкладками.

Величина 1 Фарада, просто огромная. Для ее получения по необходимы обкладки диаметром в несколько десятков километров, при расстоянии между ними всего в 1мм. Например планета земля имеет емкость около 0,00070 Ф.

В электротехнике и электроники, используют гораздо более мелкие величины емкости:

Конденсатор в цепи постоянного тока

Если его подключить к источнику постоянного тока, то на его электроде со знаком минус происходит накопление зарядов, а с противоположной плюсовой обкладки заряды уходят.

Рассмотрим работу конденсатора в цепи постоянного тока. Нашими помощниками при эксперименте будет: лампочка накаливания, батарейка и собственно, сам виновник торжества. При замыкании цепи очень короткое время через нее будет протекать зарядный ток. Он идет до тех пор, пока заряжается конденсатор (т.е мы наблюдаем переходный процесс). Зарядка идет постепенно. Как только мы подсоединим наш исследуемый компонент к источнику постоянного тока, напряжение между выводами будет около нуля. Ток заряда максимален.

Затем, напряжение на емкости постепенно начинает увеличиваться. При этом общее напряжение в схеме и ток заряда снижаются. Когда напряжение на емкости достигнет около 95 - 97% приложенного постоянного напряжения от батарейки, или когда ток заряда снизится до уровня 3-5% тока в начальный момент включения, переходный процесс закончится.

Время зарядки- разрядки (t в секундах) конденсатора или продолжительность переходного процесса описывается математической формулой:

где, R - сопротивление цепи в оМах. Учитываем, что в общее сопротивление цепи поподает и сопротивление питающего. В практике вычислений постоянная времени цепи (R×C), не равна времени полного заряда и разряда конденсатора. Для простоты понимания и любительского расчета введен цифровой множитель 3. Он говорит о том, что для полной зарядки и разрядки конденсатора необходимо время в три раза больше времени постоянной цепи RC (множитель может варьироваться от 3 до 5)

Для лучшего запоминания материала, предлагаю решить простенькую задачу по электротехнике:

Вычислим время заряда конденсатор емкостью 1000 мкф, через лампу накаливания сопротивлением R =17 оМ. Даже в уме не трудно перемножить цифры и получить время 0,05 секунды.

Подключим к этой же схеме дополнительный резистор сопротивлением R= 500 кОм , в этом случае переходный процесс будет идти уже 1500 секунд (25 мин).

На основании данного эксперимента можно сделать вывод, что большая емкость через маленькое сопротивление заряжается гораздо быстрее. Та же самая емкость, через большое значение сопротивления, заряжается на приличный порядок дольше. Разрядка конденсатора будет сопровождаться подобными процессами и вычисляется по этой же формуле.

Конденсатор в цепи переменного тока

Из выше изложенного становится понятно, что конденсатор не пропускает постоянный ток. Совершенно иначе ведет себя емкость в цепи переменного тока. В данном разделе подробно разберем вопрос, о том, что происходит в цепи переменного тока, когда в ней имеется конденсатор.

Переменный ток в проводниках из курса лекций по элетротехники представляет собой колебательное движение электронов то в одном, то в протиивоположном направлении. Если к источнику переменного тока подсоединить конденсатор, то его пластины будут периодически разряжаться и заряжаться потоками электронов. Этот процесс идет постоянно при уменьшении и увеличении амплитуды переменного тока. Движение электронов от одного вывода конденсатора к другой и представляет собой электрический ток.

В цепи переменного тока с конденсатором или как ее еще называет - емкостная цепь. Ток всегда опережает приложенное напряжение, и поэтому находятся они не в фазе. Благодаря этому, сопротивление конденсатора в такой схеме называется реактивным. Приложенное к цепи напряжение постоянно изменяется по амплитуде, вынуждая конденсатор разряжаться и заряжаться.

После того как конденсатор зарядится, напряжение на его пластинах начнет противодействовать любому изменению приложенного напряжения. Противодействие, которое конденсатор оказывает приложенному переменному напряжению, называют емкостным сопротивлением. Оно рассчитывается по следующей формуле:

Где f - частота, Гц; C - емкость в фарадах.

Воспользуемся формулой и определим реактивное емкостное сопротивление конденсатора Х_с, подсоединенного к бытовой сети переменного тока с стандартной частотой 50 Гц, емкость конденсатора - 5 мкф.

С ростом частоты, емкостное сопротивление будет снижаться. Поэтому, резко увеличится ток. Снижение частоты, увеличивает реактивное сопротивление. Ток уменьшается. Емкостное сопротивление в радиолюбительской практике, можно быстро узнать с помощью номограммы. Конечно, будут небольшие неточности, но в большинстве случаев это не критично. Пример вычислим по графику номограммы Х_с, при частоте 100 кГц, и емкостью в 100 пф. Для этого роведем от деления 100 кГц частотной шкалы вертикальную линию, до черты емкость 100 пф. От точки их взаимного пересечения, проведем горизонтальную линию до шкалы сопротивление. Как видно из графика, емкостное сопротивление больше 10 КоМ.

Поняв, что такое емкостное сопротивление, мы можем смело записать отредактированный вариант закона Ома для переменного тока с конденсатором.

Эти зависимости справедливы тогда, когда данный пассивный радио компонент подсоединен к источнику переменного синусоидального напряжения. А теперь, для закрепления материала решим простую задачку с использованием этих формул.

Вычислите напряжение приложенное к конденсатору, номиналом 1 мкф, при частоте 100 Гц, если в схеме протекает ток 0,6 А.

Тогда приложенное напряжение будет равно:

Виды конденсаторов и их классификация

Многочисленные виды емкостей можно классифицировать по нескольким признакам: по назначению; по характеру регулировки емкости; по способу монтажа на печатную плату; по характеру и уровню защиты от внешних воздействий.

Конденсатор постоянной емкости характеризуются такими параметрами, как номинальная емкость, электрическая прочностью, реактивная мощность, качеством изоляции, потерями, коэффициентом абсорбции, индуктивностью, стабильностью и надежностью. Их в основном используют в колебательных контурах, в схемах с различной рабочей частотой, построения сглаживающих фильтров, связи отдельных цепей переменного тока, накопления электрического заряда, в качестве делителя напряжения. От того какой диэлектрик (изолятор) используется внутри емкости их делятся на керамические, металлопленочные, электролитические (алюминиевые и танталовые) и др.

Обозначение конденсаторов на схемах

Наряду с самыми распространенными радиокомпонентами резисторами, конденсаторы по праву занимают второе место по использованию в электрических цепях и схемах. Основные характеристиками конденсатора являются номинальная ёмкость и номинальное напряжение. Чаще всего в схемах радиоэлектроники применяются постоянные конденсаторы, и значительно реже — переменные и подстроенные.

Переменные конденсаторы

Используются для настройки колебательных контуров, изменения емкостной связи между отдельными участками электрической цепи, балансировки емкостных мостов, компенсации изменения или подгонки реактивного сопротивления цепи.

Известно, что электрическая емкость конденсатора определяется диэлектрической проницаемостью материала диэлектрика, величиной площади пластин электродов и расстоянием между ними. Переменные конденсаторы характеристики и параметры Изменение емкости может быть достигнуто электрическим способом при использовании в качестве диэлектрика материала, диэлектрическая проницаемость которого зависит от приложенного к обкладкам напряжения (вариконд). В качестве переменного конденсатора можно использовать емкость p-n перехода специального кристаллического полупроводникового диода (варикап). Изменение емкости можно получить механическим способом изменяя площадь перекрытия пластин, расстояние между пластинами, вводя или удаляя твердый диэлектрик между обкладками.