Как устроен конденсатор и от чего зависит его ёмкость?
Конденсатор – это пассивный электронный компонент, способный накапливать заряд и энергию электрического поля, а затем передавать её связанным с ним компонентам цепи. Сходную функцию выполняет и аккумуляторная батарея, однако, в отличие от аккумулятора, весь заряд конденсатор «умеет» накапливать и отдавать практически моментально.
Способность конденсатора накапливать определённое количество заряда определяет его ёмкость, которая в системе СИ измеряется в фарадах и численно равна отношению накопленного заряда к разности потенциалов между обкладками: .
Одной из простейших разновидностей конденсатора является конструкция, состоящая из двух электродов в форме пластин (обкладок), разделённых слоем диэлектрика.
В формуле, приведённой на рисунке: S – это площадь обкладок, d – расстояние между ними, εr – диэлектрическая проница- емость используемого диэлектрика, ε0 = 8,854*10 -12 (Ф/м) – электрическая постоянная.
Рис.1 Простейший конденсатор из 2 пластин
Помимо плоских обкладок, простейший конденсатор может иметь и цилиндрическую форму. Такой конденсатор состоит из двух полых цилиндров, вставленных друг в друга и разделённых слоем диэлектрика.
В формуле: R1 – это радиус внутреннего цилиндра, R2 – радиус внешнего цилиндра, l – длина цилиндров. Точно так же как и в предыдущем случае, εr – это диэлектрическая проницаемость используемого диэлектрика, а ε0 = 8,854*10 -12 (Ф/м) – элек- трическая постоянная.
Рис.2 Простейший цилиндрический конденсатор
Снабдим обе приведённые выше формулы незамысловатыми онлайн калькуляторами, но прежде сведём в таблицу значения диэлектрической проницаемости некоторых материалов, которые могут пригодиться при изготовлении таких простейших самодельных конденсаторов.
Относительные диэлектрические проницаемости веществ.
| Вещество | εr | Вещество | εr | Вещество | εr |
| Вакуум | 1 | Воздух | 1,0006 | Бумага | 3. 7 |
| Парафин | 2 | Слюда | 6 | Стекло | 4. 10 |
| Текстолит | 5. 7 | Гетинакс | 5. 6 | Каучук | 2,4 |
| Оргстекло | 3,4. 3,5 | Полистирол | 2,4. 2,6 | Полихлорвинил | 3 |
| Полиэтилен | 2,3. 2,4 | Эбонит | 2,5. 3 | Масло трансф. | 2,2 |
А теперь можно переходить к калькулятору:
Расчёт ёмкостей конденсаторов, состоящих из двух пластин или цилиндров
В промышленном производстве для увеличения ёмкости конденсаторов в основном используется несколько слоёв диэлектрика и электродов, причём это может быть как плоский набор чередующихся прослоек, так и ленты из сменяющихся диэлектриков и электродов, свёрнутые в цилиндр (Рис.1).
Рис.3 Возможные варианты конструкции конденсаторов
Как и любой электронный компонент, конденсатор далеко не идеален и проявляется это в том, что реальные элементы, помимо ёмкости, обладают ещё и собственной паразитной индуктивностью, а также не менее паразитными последовательным и параллельным сопротивлениями. Эквивалентная схема реального конденсатора приведена на Рис.4
Здесь: C – собственная ёмкость конденсатора;
Risol – сопротивление изоляции конденсатора;
Resr – эквивалентное последовательное сопротивле- ние;
Lesl – эквивалентная последовательная индуктив- ность.
Рис.4 Эквивалентная схема реального конденсатора
Все эти дополнительные элементы, изображённые на схеме, определяют важные характеристики конденсаторов, а конкретно:
Risol – ток утечки и время саморазряда, Resr – тангенс угла диэлектрических потерь и добротность,
Lesl – частоту собственного резонанса конденсатора.
Также к важным параметрам конденсатора следует отнести и температурный коэффициент ёмкости – , который характеризует относительное изменение ёмкости при изменении температу-
ры окружающей среды на один градус Цельсия.
От чего зависит емкость конденсатора
Конденсатор предназначен для временного хранения электрической энергии в форме потенциальной энергии разделенных в пространстве положительных и отрицательных электрических зарядов, то есть в форме электрического поля в пространстве между ними. Соответственно электрический конденсатор включает в себя три главных составляющих компонента: две проводящие обкладки, на которых в заряженном конденсаторе находятся разделенные заряды, и слой диэлектрика, расположенный между обкладками.
Обкладки конденсатора, в зависимости от типа данного электротехнического изделия, могут быть изготовлены разнообразными способами, начиная от простых алюминиевых пластин, скрученных в рулон с бумажной прослойкой, заканчивая химически оксидированными обкладками или металлизированным слоем диэлектрика. В любом случае имеется слой диэлектрика и обкладки, между которыми он плотно закреплен — это и есть в принципе конденсатор.
В качестве диэлектрика может выступать бумага, слюда, полипропилен, тантал или другой подходящий электроизоляционный материал с необходимой диэлектрической проницаемостью и обладающий надлежащей электрической прочностью.
Как известно, энергия разделенных в пространстве электрических зарядов равна произведению количества перемещенного (с одного тела — на другое) заряда Q на разность потенциалов между заряженными телами U.
Так, энергия разделенных зарядов на обкладках конденсатора зависит не только от количества разделенных зарядов, но и от параметров его обкладок и диэлектрика, поскольку именно диэлектрик, поляризуясь, запасает энергию в форме электрического поля, напряженность которого и определяет разность потенциалов U между разделенными зарядами, находящимися на обкладках конденсатора.
Потому что разность потенциалов между разделенными в пространстве зарядами зависит от напряженности электрического поля и от расстояния между ними. По сути — от толщины диэлектрика между заряженными обкладками, если речь идет о конденсаторе.
Вместе с тем, чем больше площадь перекрытия обкладок A и чем больше абсолютная (и относительная) диэлектрическая проницаемость диэлектрика — тем сильнее притягиваются друг к другу находящиеся на обкладках разделенные заряды — тем существеннее их потенциальная энергия — тем большее количество работы потребовалось бы источнику ЭДС на то, чтобы зарядить данный конденсатор.
Разделяя заряды в процессе переноса электронов с одной обкладки на другую, источник ЭДС совершает именно такой объем работы по зарядке конденсатора, количество которой будет тождественно энергии заряженного конденсатора.
Таким обрезом, энергия заряженного конденсатора, помимо количества перемещенного с обкладки на обкладку заряда, (оно то может быть разным) будет зависеть от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между обкладками d, от абсолютной диэлектрической проницаемости диэлектрика e.
Данные определяющие параметры конструкции конкретного конденсатора постоянны, их отношение в совокупности можно назвать емкостью конденсатора C. Тогда мы можем с уверенностью сказать, что емкость конденсатора C зависит от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между ними d и от диэлектрической проницаемости диэлектрика e.
Зависимость емкости от данных параметров очень легко понять, если рассмотреть плоский конденсатор.
Чем больше площадь перекрытия его обкладок — тем больше емкость конденсатора, так как заряды взаимодействуют на большей площади.
Чем меньше расстояние между обкладками (по сути — толщина диэлектрической прослойки) — тем больше емкость конденсатора, потому что сила взаимодействия зарядов при их сближении увеличивается.
Чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками — тем больше емкость конденсатора, потому что больше напряженность электрического поля между обкладками.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
От чего и как зависит ёмкость простейшего конденсатора
Чем больше площадь обкладок, тем выше емкость. Чем ближе обкладки, тем выше емкость. Чем дальше обкладки, тем выше электрическая прочность конденсатора. Чем выше относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем выше емкость.
Хватит?
Основная расчетная (экспериментальная) формула: C=Q/U; C-емкость ; Q-заряд конденсатора ;U-напряжение между обкладками конденсатора
Похожие вопросы
От чего зависит емкость конденсатора
Конденсатор предназначен для временного хранения электрической энергии в форме потенциальной энергии разделенных в пространстве положительных и отрицательных электрических зарядов, то есть в форме электрического поля в пространстве между ними. Соответственно электрический конденсатор включает в себя три главных составляющих компонента: две проводящие обкладки, на которых в заряженном конденсаторе находятся разделенные заряды, и слой диэлектрика, расположенный между обкладками.
Обкладки конденсатора, в зависимости от типа данного электротехнического изделия, могут быть изготовлены разнообразными способами, начиная от простых алюминиевых пластин, скрученных в рулон с бумажной прослойкой, заканчивая химически оксидированными обкладками или металлизированным слоем диэлектрика. В любом случае имеется слой диэлектрика и обкладки, между которыми он плотно закреплен — это и есть в принципе конденсатор.
В качестве диэлектрика может выступать бумага, слюда, полипропилен, тантал или другой подходящий электроизоляционный материал с необходимой диэлектрической проницаемостью и обладающий надлежащей электрической прочностью.
Как известно, энергия разделенных в пространстве электрических зарядов равна произведению количества перемещенного (с одного тела — на другое) заряда Q на разность потенциалов между заряженными телами U.
Так, энергия разделенных зарядов на обкладках конденсатора зависит не только от количества разделенных зарядов, но и от параметров его обкладок и диэлектрика, поскольку именно диэлектрик, поляризуясь, запасает энергию в форме электрического поля, напряженность которого и определяет разность потенциалов U между разделенными зарядами, находящимися на обкладках конденсатора.
Потому что разность потенциалов между разделенными в пространстве зарядами зависит от напряженности электрического поля и от расстояния между ними. По сути — от толщины диэлектрика между заряженными обкладками, если речь идет о конденсаторе.
Вместе с тем, чем больше площадь перекрытия обкладок A и чем больше абсолютная (и относительная) диэлектрическая проницаемость диэлектрика — тем сильнее притягиваются друг к другу находящиеся на обкладках разделенные заряды — тем существеннее их потенциальная энергия — тем большее количество работы потребовалось бы источнику ЭДС на то, чтобы зарядить данный конденсатор.
Разделяя заряды в процессе переноса электронов с одной обкладки на другую, источник ЭДС совершает именно такой объем работы по зарядке конденсатора, количество которой будет тождественно энергии заряженного конденсатора.
Таким обрезом, энергия заряженного конденсатора, помимо количества перемещенного с обкладки на обкладку заряда, (оно то может быть разным) будет зависеть от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между обкладками d, от абсолютной диэлектрической проницаемости диэлектрика e.
Данные определяющие параметры конструкции конкретного конденсатора постоянны, их отношение в совокупности можно назвать емкостью конденсатора C. Тогда мы можем с уверенностью сказать, что емкость конденсатора C зависит от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между ними d и от диэлектрической проницаемости диэлектрика e.
Зависимость емкости от данных параметров очень легко понять, если рассмотреть плоский конденсатор.
Чем больше площадь перекрытия его обкладок — тем больше емкость конденсатора, так как заряды взаимодействуют на большей площади.
Чем меньше расстояние между обкладками (по сути — толщина диэлектрической прослойки) — тем больше емкость конденсатора, потому что сила взаимодействия зарядов при их сближении увеличивается.
Чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками — тем больше емкость конденсатора, потому что больше напряженность электрического поля между обкладками.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика