Конденсатор

В электрических цепях используются два вида сопротивлений: активные и реактивные. Первый вид преобразует электрическую энергию в тепловую, а второй – нет. Реактивные устройства бывают двух видов: индуктивные и емкостные. Устройства, обладающие емкостным сопротивлением, называются конденсаторами.

Электрический конденсатор

Что это такое конденсатор

Это электротехнический прибор, предназначенный для накопления и удержания электрического заряда в течение длительного времени.

В самом простом случае конденсаторы – это две пластины или обкладки, выполненные из токопроводящих материалов и разделённые слоем диэлектрика. Одна из пластин (анод) накапливает положительный заряд, а вторая (катод) – отрицательный.

Современные конструкции имеют многослойную структуру, состоящую из нескольких слоёв обкладок, разделённых диэлектриком. Применяются в колебательных контурах, выпрямителях и т.д.

Устройство простейшего конденсатора

Принцип работы

При включении прибора в электрическую цепь на обкладках начинает накапливаться заряд. Поэтому в момент подключения сила тока в цепи максимальная, а напряжение равно нулю. При увеличении заряда ток уменьшается, а при полном заряде ток становится равным нулю, а напряжение, соответственно, будет максимальным.

На одной пластине скапливаются электроны (эта пластина имеет отрицательный заряд), на второй – положительные ионы. Между пластинами находится диэлектрик, который является разделителем.

В цепи постоянного тока электрический ток существует только до момента полного заряда устройства. Далее в цепи I = 0.

Если включить прибор в цепь переменного тока, то происходит его периодическая зарядка и разрядка. За счёт этого ток в цепи присутствует всё время.

Основные параметры устройства

Такими характеристиками являются:

• ёмкость;
• допустимое отклонение номинальной ёмкости;
• номинальное напряжение.

Что такое ёмкость конденсатора

Физическая величина, характеризующая количество электричества, накапливаемого на обкладках, называется ёмкостью конденсатора. В физике она обозначается буквой С, измеряется в фарадах.

Поскольку величина заряда пропорциональна напряжению на обкладках, то соответствующая формула будет иметь вид:

q = C · U, где:

• q – заряд на обкладках,
• U – напряжение.

Из этой зависимости определяем С:

С = q / U.

Единица измерения емкости конденсатора определяется как:

1Ф = 1Кл / 1В.

Если обкладки представляют собой плоские пластины, то С можно рассчитать по следующей формуле:

С = e · e0 · S / d, где:

• e – диэлектрическая проницаемость среды (диэлектрика),
• e0 = 8,85 · 10-12 Ф/м,
• S – площадь пластин,
• d – расстояние между пластинами.

Для цилиндрического устройства ёмкость конденсатора измеряется:

Цилиндрический конденсатор

Определение ёмкости сферического конденсатора:

Сферическое устройство

Таким образом, анализируя формулы, можно ответить на вопрос о том, от чего зависит ёмкость: от материала диэлектрика и геометрических размеров обкладок.

Расчет суммарной ёмкости батареи конденсаторов

Параллельное соединение

Параллельное соединение

При параллельном соединении общий заряд равен сумме зарядов на каждом устройстве, а общее напряжение равно напряжению на каждом приборе:

U = U1 = U2 = … = Un;

q = q1 + q2 + … + qn.

Следовательно, суммарное значение определяется как:

С = q / U = (q1 + q2 + … + qn) / U = q1 / U + q2 / U + … + qn / U = С1 + С2 + … + Сn.

Последовательное соединение

Последовательное соединение

При последовательном соединении имеем:

U = U1 + U2 + … + Un;

q = q1 = q2 = … = qn.

Расчёт общей ёмкости:

С = q / U = q/ (U1 + U2 + … + U) = q / U1 + q / U2 + … + q / Un = 1 / С1 + 1 / С2 + … + 1 / Сn.

При измерении суммарная ёмкость батареи в этом случае всегда меньше самой маленькой ёмкости, входящей в батарею.

Классификация конденсаторов

Делятся на приборы постоянной, переменной и подстроечной ёмкости. Постоянные – не изменяют параметр в процессе работы, переменные – меняют. В подстроечных можно управлять ёмкостью конденсатора с помощью регулировки. В процессе работы ёмкость не меняется.

В зависимости от типа диэлектрика, различают следующие типы устройств:

• вакуумные;
• газовые;
• твёрдые (с органическим и неорганическим диэлектриками);
• электролитические;
• твердотельные (диэлектрик из токопроводящего органического полимера).

В качестве органического диэлектрика выступают бумага, органическая синтетическая плёнка. В качестве неорганического диэлектрика – стекло, слюда, керамика, а также тонкослойные неорганические плёнки.

В зависимости от характера имеющейся защиты от вредных внешних факторов, различают устройства:

• защищённые и незащищённые;
• изолированные и неизолированные;
• уплотнённые;
• герметизированные.

Незащищённые детали, в отличие от защищённых, нельзя использовать во влажной среде, если они не находятся внутри герметичного корпуса аппаратуры.

Неизолированные устройства во время эксплуатации не должны касаться металлических деталей, поскольку у них отсутствует изоляционный внешний слой.

Уплотнённые – имеют специальный корпус, выполненный из уплотнённых органических материалов.

Герметизированные исключают любую возможность сообщения внутренних частей устройства с окружающей средой. Они комплектуются стеклянными, металлическими и другими корпусами.

Маркировка изделий

Для определения параметров конденсатора на его корпус наносят маркировку.

Существует несколько способов нанесения, от чего зависит вариант маркировки:

• 1 способ наиболее простой для потребителя. Параметры наносятся напрямую на корпус. Недостатком такого способа является то, что для информации требуется много места, поэтому таким образом маркируют приборы больших размеров;
• 2 способ – цифровая кодировка. В этом случае код состоит из трёх цифр. Первые две обозначают значение ёмкости, а последняя – количество нулей после них. В этой маркировке ёмкости определяются в пикофарадах. Например, маркировка 303 обозначает, что устройство имеет 30000пФ. Если в кодировке всего одна или две цифры, то в этом случае они обозначают количество пикофарад;
• 3 способ – буквенно-цифровая кодировка. В этом случае значение имеет как сама буква, так и её положение в коде. Положение буквы всегда указывает расположение точки. Сама буква – приставку к единице измерения. Например, 8n2 обозначает 8,2нФ, а n82 = 0,82нФ.

Если параметр измеряется в нанофарадах, то пишется буква «n», если в пикофарадах, то «р», если в микрофарадах, то «m» или «m».

Керамические конденсаторы с нанесённой маркировкой

На устройствах, произведённых в Советском Союзе, выполнялась цветная маркировка, в которой учитывались положение и цвета линий. Первые две линии обозначали значение в пикофарадах, третья – количество нулей после значения, четвёртая – возможный допуск и пятая – номинальное напряжение. Для расшифровки можно использовать кодовую таблицу.

Эти рекомендации позволят на длительное время продлить срок службы любой аппаратуры, в которой имеются конденсаторы.

Видео