Электрическая емкость, конденсатор

    Электрическая емкость. Конденсатор

    Тот факт, что электрическое   поле заряда имеет силу,  которая   может   отталкивать или притягивать электроны, означает, что заряд может индуктировать (наводить) излишек или недостаток электронов в любом материале, помещенном в электрическом поле. Например, электроны диэлектрика в поле между зарядами, показанными на рис. 1, сдвигаются вниз. Верхняя часть диэлектрика заряжается положительно из-за недостатка электронов по сравнению с нижней частью, где их избыток. Образуется индуктированный заряд вследствие электрической индукции, которая соответствует электромагнитной индукции магнитного поля.

Рис. 1. Влияние электрического поля на диэлектрик 

    Смещение  электронных орбит в диэлектрике аналогично смещению молекулярных магнитиков в магнитном   материале   под  действием магнитного поля. Структура диэлектрика деформируется     электрическим полем.

    Всякое  тело можно зарядить только до определенного  потенциала. При повышении потенциала сверх предельного будет происходить разряд. Различные тела вмещают различное количество электричества, другими словами, обладают неодинаковой электрической емкостью.

    Способность тела накапливать электрические заряды с одновременным повышением потенциала до определенного уровня называется электрической емкостью или просто емкостью.

    Для    получения    необходимых     емкостей электротехнике применяют электрические конденсаторы. Принцип их действия   основан на использовании явления   электростатической   индукции

    Простейший  конденсатор образуют две металлические пластины, изолированные одна от другой (рис. 2, а).

    Если  одну  пластину зарядить  положительно,   а   другую — отрицательно, то разноименные     заряды,    притягиваясь друг   к  другу,   будут   удерживаться  на пластинах - «запасаться».    Конденсатор способен запасать  на  своих   пластинах большое количество электричества, т. е, может служить накопителем

    Рис.   2.   Конденсатор:

    а-схематическое   устройство простейшего конденсатора; б - условное обозначение конденсатора

электрической энергии.

    Чаще  всего пластины конденсатора называют обкладками, а изолирующий слой –  диэлектриком. Обкладки обычно изготовляют  из алюминия, латуни, станиоля. В качестве диэлектрика используют слюду, воздух, бумагу, масло, парафин.

    Фарада 

    Количество  электричества   в   конденсаторе можно сравнить   с   количеством   жидкости в сосуде. Последнее зависит от объема сосуда и от уровня, до которого жидкость налита: чем  больше  объем и чем выше уровень, тем больше жидкости. Точно так же, чем больше емкость конденсатора и  чем  выше потенциал, до которого он заряжен, тем большее количество электричества в нем запасено:

                                                    Q=CU,                                      (1)

    где Q —заряд, запасенный в конденсаторе;

          С — емкость конденсатора, т. е. величина, показывающая, какой заряд может быть накоплен при данном напряжении;

          U—приложенное напряжение.

    Единицей  емкости является фарада. Емкость конденсатора равна 1 фараде, если заряд в 1 кулон повышает его потенциал на 1 вольт.

    При большем напряжении заряда электрическое  поле сильнее, поэтому в конденсаторе накапливается больше электричества, т. е. величина заряда Q, запасаемого в конденсаторе, пропорциональна приложенному напряжению U.

    Так как емкость в одну  фараду очень велика,  то  обычно используются   меньшие  единицы:    микрофарада — миллионная часть фарады   (сокращенно обозначается  мкф);  пикофарада   (микромикрофарада) — миллионная    часть    микрофарады (сокращенно обозначается пф).

    Типичные  величины практических емкостей —  от сотен микрофарад до нескольких пикофарад.

    Емкость конденсатора зависит:

    - от размеров проводящих обкладок (чем они больше, тем больше емкость);

    - от расстояния между обкладками   или толщины   диэлектрика (чем тоньше диэлектрик, тем больше емкость);

    - от вещества диэлектрика (электрической проницаемости). 

    Площадь   пластин

     
Если площадь каждой пластины увеличить в два раза,   то   во   столько же возрастает заряд конденсатора при одной и той же разности потенциалов. При больших пластинах увеличивается площадь соприкосновения с ними диэлектрика, следовательно, через него проходит больше силовых линий электрического поля, а значит, поле может создать больший заряд. Таким образом, емкость конденсатора (накапливаемый им заряд) увеличивается прямо пропорционально размерам его пластин. 

    Толщина диэлектрика 

    Если  расстояние между пластинами уменьшить в два раза, во столько же увеличится заряд конденсатора при одной и той же разности потенциалов. Это объясняется тем, что, чем меньше расстояние между пластинами, тем больше взаимное влияние между зарядами, что позволяет сосредоточить на пластинах большее количество электричества, т. е. увеличить емкость   конденсатора. 

    Электрическая проницаемость  

    Электрическая проницаемость (в литературе встречается диэлектрическая проницаемость, что одно и то же) характеризует способность диэлектрика концентрировать электрическое поле. Она показывает, во сколько раз увеличится емкость конденсатора, если воздушный диэлектрик заменить другим. Численно величина электрической проницаемости определяется отношением электрического поля в диэлектрике к электрическому полю в воздухе или вакууме. Электрическая проницаемость воздуха или вакуума, равная единице, берется за исходную. Слюда, например, имеет среднюю электрическую проницаемость, равную 6; это означает, что при использовании слюды поток электрического поля в 6 раз больше, чем при использовании воздуха.

    В любом диэлектрике под действием  напряжения на обкладках конденсатора происходит поляризация, т. е. смещение электронных орбит атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины. Вследствие этого заряд частично нейтрализуется. При одном и том же напряжении число заря и на обкладках увеличивается, а это равносильно увеличению емкости.

    Электрическая проницаемость обозначается буквой ε (эпсилон).

    Ниже  приводится  электрическая  проницаемость   некоторых диэлектриков:

    Воздух   или вакуум        1

    Керамика  ……………………….       80—1200

    Стекло…………….       5,5—10

    Слюда        3—8

    Нефть        3—5

    Бумага       2—6

    Резина         2—4

    Электрокартон       2,5—4

    Величина   электрической  проницаемости  зависит  от температуры, давления   и   влажности.   Меньше   всего   изменяется ε слюды, поэтому слюду применяют в качестве диэлектрика для изготовления точных конденсаторов. 

    Диэлектрическая прочность  

    Диэлектрическая прочность выражает способность   диэлектрика   выдерживать   определенную   разность   потенциалов без  пробоя конденсатора. Каждый конденсатор рассчитан на определенное напряжение, которое называется рабочим (номинальным). При превышении рабочего напряжения может произойти пробой диэлектрика, обкладки конденсатора замкнутся накоротко и конденсатор выйдет из строя.

    Физический  смысл явления пробоя диэлектрика заключается в том, что силы электрического поля, действующие на электроны, не только смещают их, но и вырывают из атома, после чего диэлектрик становится проводящим электрический ток. Та напряженность поля, которую диэлектрик выдерживает до пробоя, служит мерой его диэлектрической прочности. Например, для пробоя воздушного зазора в 1см нужно приложить к нему напряжение около 30 кв, для пробоя пластинки слюды толщиной 1см требуется напряжение 1500 кв.

    Условное обозначение конденсатора приведено на рис. 2,б. 

    Типы  конденсаторов 

    В зависимости от вида диэлектрика  конденсаторы делятся на воздушные, с твердым диэлектриком и с жидким диэлектриком. Кроме того, конденсаторы бывают постоянной и переменной емкости.

    На  рис. 3 изображен конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком. Он состоит из нескольких неподвижных металлических пластин (статора), электрически соединенных между собой, и нескольких подвижных пластин (ротора), укрепленных на оси. При повороте ручки подвижные пластины входят между неподвижными или выходят из них. При этом меняется площадь перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.

Рис. 3. Конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком 

    На  рис. 4 изображены керамические, слюдяные, бумажные и металлобумажные конденсаторы постоянной емкости.

    В керамических конденсаторах (рис. 4, а) диэлектриком служит керамика с высокой электрической проницаемостью. С каждой стороны диэлектрика имеется по одному слою серебра. Эти два слоя являются обкладками конденсатора. Емкость этих конденсаторов от нескольких единиц до тысяч  пикофарад.

Слюдяные  конденсаторы (рис. 4, б) имеют емкость  от единиц до десятков тысяч пикофарад, бумажные (рис. 4, в) — от 0,01 до 10 мкф, металлобумажные (рис. 4, г) прямоугольной формы —0,1—30   мкф,   а   цилиндрической — 0,025—1  мкф.   Размеры металлобумажных конденсаторов значительно меньше, чем бумажных, при одинаковых   основных   характеристиках.

    Часто причиной нарушения нормальной работы приемника -бывает пробой конденсаторов  постоянной емкости. При использовании же металлобумажных конденсаторов пробой не страшен, так как емкость пробитого конденсатора быстро самовосстанавливается, объясняется это следующим. В качестве диэлектрика в металлобумажных конденсаторах применяют бумагу, покрытую слоем ацетилцеллюлозного лака, а в качестве обкладок — очень тонкие слои металла, нанесенные на одну сторону бумаги

поверх  слоя лака. Пробой конденсатора обычно происходит в «слабых местах» диэлектрика, т. е. там, где бумага тоньше или где в нее вкраплены электропроводящие частицы. При этом возникает сильный электрический ток, который мгновенно расплавляет металлический слой вокруг места пробоя. Лишенная сплошного металлического слоя, бумага в этом месте оказывается изолированной от обкладок и ток прекращается. 

    Рис.  4. Конденсаторы постоянной емкости: а — керамические; б - слюдяные; в — бумажные; г — металлобумажные 

    Емкость конденсатора после пробоя мало уменьшается, так как площадь оплавления очень мала. Металлобумажный конденсатор может выдержать несколько сотен и даже тысяч пробоев.

    На  рис. 5 изображены конденсаторы с жидким диэлектриком — так называемые электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух алюминиевых пластин, помещаемых в химический раствор или пасту. Роль диэлектрика играет тонкая оксидная пленка, нанесенная на одну из пластин. Поскольку пленка очень тонкая,  емкость конденсатора получается очень большой (до нескольких тысяч микрофарад) при сравнительно небольших его размерах. Пластина с пленкой служит одной обкладкой конденсатора. Другой его обкладкой фактически является электролит, а чистая алюминиевая пластина предназначена для получения контакта с электролитом.

Рис. 5. Конденсаторы с жидким диэлектриком 

    При включении в цепь электролитического конденсатора нужно соблюдать определенную полярность, иначе оксидная пленка исчезнет, и конденсатор станет непригодным к использованию. Поэтому эти конденсаторы используют в цепях постоянного тока.

    Недостатки  электролитических конденсаторов  следующие:

    — низкое пробивное напряжение вследствие небольшой диэлектрической прочности оксидной пленки (электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи с высоким напряжением);

    — зависимость емкости от температуры. 
 

  Заряд и разряд  конденсатора 

    Незаряженный   конденсатор   (рис.6)  подключим к источнику  постоянного тока (рис. 6,б). Под действием сил электрического поля от отрицательного зажима источника к конденсатору начнут перемещаться электроны, и на верхней пластин окажется их избыток (так как они не могут «стекать» через диэлектрик). Каждый электрон верхней пластины вследствие электростатической индукции вызовет на внутренней стороне нижней пластины равный ему положительный заряд   (ион),

    Рис. 6. Подключение цепи, содержащей конденсатор, к источнику постоянного тока:

    а — незаряженный конденсатор;  б — конденсатор заряжается от источника до величины приложенного  напряжения;  в — запасенный  заряд  остается  в  конденсаторе;   г — разряд конденсатора 

на внешней  — отрицательный.   Положительные   заряды   называются связанными (поскольку они «уравновешиваются» электронами   верхней   пластины),   а  отрицательные — свободными.

    Свободные электроны с нижней пластины будут  передвигаться к положительно заряженному зажиму источника тока, и в цепи возникнет электрический ток — происходит заряд конденсатора. Часть электронов верхней пластины нейтрализуется положительным зарядом в результате смещения электронных орбит диэлектрика. Но от источника тока поступают на верхнюю пластину новые электроны. Они накапливаются на пластине А, в то время как пластина Б накапливает равный избыток протонов.

    По  мере заряда конденсатора его собственное  напряжение увеличивается и по окончании  заряда становится равным напряжению источника тока. При отключении источника конденсатор остается заряженным (рис. 6, в).

    В начале заряда конденсатора в цепи течет большой ток. По мере того как  число электронов на верхней пластине увеличивается, величина зарядного тока уменьшается и доходит до нуля в конце заряда. В этом случае величина собственного электрического поля конденсатора становится равной величине поля источника. Направлены же эти поля навстречу одно другому.

    Энергия,    накопленная    в    электрическом поле   конденсатора,    расходуется   при   его разряде. 

    Разряд 

    Если   подключить  к  пластинам    конденсатора    какую-нибудь нагрузку, то электроны верхней его пластины начнут перемещаться по соединительным проводам на нижнюю пластину и нейтрализовать на ней положительные ионы. Конденсатор будет быстро разряжаться  до   тех   пор,   пока  его   собственное напряжение не упадет до нуля  (рис. 6,г).   Значит,   энергия электрического поля конденсатора расходуется в нагрузке.

    Когда конденсатор полностью  разрядится,   напряжение  на его зажимах станет равным нулю — он опять окажется незаряженным (рис. 6, а) и его можно снова зарядить от источника. Конденсатор имеет способность накапливать заряд, необходимый для создания разности потенциалов, равной приложенному напряжению. Если вместо 10 В приложить 120 В, то конденсатор зарядится до 120 В. Если же напряжение будет больше    номинального,    на    которое    рассчитан    конденсатор,   то электрическое поле может разрушить молекулярную структуру диэлектрика — потечет ток и, следовательно, произойдет короткое замыкание между пластинами.

    Следует обратить внимание, что ток заряда и разряда конденсатора протекает только в соединительных проводах, а не через диэлектрик. 

    Последовательное  и параллельное соединение конденсаторов 

    Последовательное, параллельное или смешанное соединение конденсаторов применяется для того, чтобы получить необходимую величину емкости и нормальное (в пределах допуска) напряжение на каждом конденсаторе.

    При последовательном соединении конденсаторов (рис.7)    общая    емкость    их уменьшается    по    сравнению   с  емкостью

каждого   конденсатора,    поскольку   общая толщина диэлектрика как  бы увеличивается. Величина, обратная общей   емкости   батареи   последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных их емкостям:

            (2)

    Рассмотрим, как распределяется напряжение между конденсаторами, соединенными последовательно.

    Подключим к источнику тока три последовательно   соединенных конденсатора различной емкости (рис. 7). Допустив что электроны от источника, перемещаясь к пластине, зарядят ее количеством электричества — Q. Тогда свободные электроны пластины 2 перейдут на пластину 3 и также зарядят ее количеством электричества — Q. Пластина 2, потеряв электроны, зарядится положительным электричеством  + Q и т. д. Таким   образом,   все   три   конденсатора,   несмотря    на    разную емкость, зарядятся одинаковым количеством электричества.

    Напряжения  на конденсаторах различной емкости  различим, потому что каждый из них  заряжается одним и тем же количеством

    Рис. 7. Последовательное соединение конденсаторов

электричества. Общее напряжение V, приложенное к трем конденсаторам, равно сумме напряжений на каждом из них:

                                           U_общ = U₁ +U₂+U_s                              (3)

      Поскольку

                                   Q=C₁U₁=C₂U₂=C₃U₃,                                           (4)

     То 

    Итак, напряжение на каждом из последовательно соединенных конденсаторов обратно пропорционально его емкости. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше напряжение, необходимое для его заряда определенным количеством электричества.

    При включении п конденсаторов одинаковой емкости общая емкость батареи уменьшается в п раз:

                                                 С_общ= С/n                             (5)

    Для двух конденсаторов, соединенных последовательно

                                       С_общ=С₁С₂/(С₁+С₂)                                           (6) 

    При последовательном включения п одинаковых конденсаторов напряжение на каждом из них в п раз меньше напряжения, приложенного ко всей батарее.   Таким   образом,   если напряжение    цепи    выше    пробивного    напряжения    отдельных    конденсаторов,    необходимо   прибегнуть    к    последовательному   соединению.

    При параллельном соединении конденсаторов  (рис.8) общая емкость их увеличивается по сравнению с емкостью каждого из них, потому что как бы увеличивается общая площадь обкладок конденсаторов. Общая емкость батареи конденсаторов в этом случае равна сумме их емкостей:

                                   С_общ= С₁ + С₂ + С₃ + ... + С_п                     (7)

    Параллельное  включение нескольких конденсаторов  применяют для получения большей  емкости, чем емкость каждого  из них в отдельности. При параллельном соединении напряжение на всех конденсаторах одинаковое. Чтобы   использовать  преимущества   последовательного и параллельного соединений конденсаторов,   применяют   смешанное   их соединение.

    Рис. 8. Параллельное соединение конденсаторов 

    Его можно получить двумя способами:

1. соединить конденсаторы сначала последовательно, а потом последовательные группы соединить между собой параллельно;
2. соединить конденсаторы сначала параллельно, а потом параллельные группы соединить между собой последовательно.

    Величина  емкости при этих способах соединения получается одна и та же. 

Неисправности 

    Обычная    неисправность     конденсатора — обрыв в выводах или короткое замыкание между пластинами. В том и другом случае конденсатор непригоден, так как он не может накапливать заряд. Кроме того, частичному замыканию эквивалентна утечка в конденсаторе, когда диэлектрик постепенно теряет изоляционные свойства под действием приложенного напряжения, т. е. сопротивление диэлектрика уменьшается. Если сопротивление исправного конденсатора исчисляется мегомами (сопротивление бумажных, слюдяных и керамических конденсаторов практически бесконечно — 500 — 1000 Мом и больше, а электролитических — порядка 0,5 Мом), а замкнутого накоротко конденсатора равно нулю, то сопротивление конденсатора с утечкой имеет промежуточное значение.

    Сопротивление конденсатора проверяют омметром обычно по высокоомной шкале. Одну сторону конденсатора следует отсоединить от схемы, чтобы исключить возможность появления параллельных сопротивлений. Выводы омметра подключают к зажимам конденсатора. При исправном конденсаторе стрелка прибора сначала быстро отклоняется в сторону низкого сопротивления шкалы, а затем медленно возвращается в сторону показания бесконечно  большого   сопротивления.

      Когда   стрелка   остановится  — прибор   показывает   сопротивление диэлектрика конденсатора.

    Перед   проверкой   сопротивления   конденсатор   необходимо разрядить и только потом подключить к омметру. Конденсатор начинает заряжаться от батареи омметра. Под влиянием тока заряда стрелка прибора отклоняется от показания ∞. Максимальный ток протекает через омметр в первый момент заряда (чем и объясняется быстрое отклонение стрелки). Затем он уменьшается, поскольку напряжение на конденсаторе увеличивается в полярности, противоположной приложенному напряжению, т. е.  разность напряжений между источником тока  и конденсатором уменьшается, поэтому стрелка медленно возвращается в сторону показания  ∞. Наконец, конденсатор полностью зарядится до напряжения батареи омметра, ток заряда становится равным нулю и омметр покажет величину сопротивления диэлектрика. Это означает, что конденсатор может накапливать заряд, т. е. исправен.

    Неисправности конденсатора по показаниям омметра определяются следующим образом:

    1.  Если стрелка омметра быстро идет к нулю и остается в этом положении, то конденсатор имеет короткое замыкание.

    2. Если прибор показывает заряд конденсатора, как описано выше, но его стрелка устанавливается на сопротивлении, которое заметно меньше нормального, значит, конденсатор имеет утечку. Попользовать его в цепях высокого напряжения не рекомендуется.

Электролитический конденсатор следует проверять  дважды при различных подключениях омметра и в расчет брать наибольшее показание.

    3. Если прибор не показывает заряда конденсатора, а стрелка установилась на чрезмерно высоком сопротивлении, значит, конденсатор имеет обрыв. Однако в этом случае необходимо проявить большую внимательность, поскольку вообще-то высокое сопротивление нормальное для конденсаторов, а именно: переключить выводы омметра, чтобы разрядить конденсатор, и проверить его снова. При этом необходимо помнить, что конденсаторы емкостью 100 пф и меньше имеют очень небольшой 
ток заряда.