Расчет заряда конденсатора. Вольт - амперная характеристика. Что такое конденсатор
Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости . Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).
Рисунок 3-5: Ток и напряжение на конденсаторе при переменном напряжении. Следующие соображения служат для получения этой формулы. Кроме того, ток, конечно, также пропорционален приложенному напряжению. Ω - круговая частота. Это периферийная скорость, с которой указатель проходит через единичный круг на диаграмме указателя.
Чтобы графически показать зависимость частоты, сопротивление переменного тока конденсатора должно рассчитываться один раз в зависимости от частоты. Рисунок 3-6: Диаграмма для ввода значений из задачи. Примечание. Конденсатор представляет собой резистор для переменного тока, тогда как он блокирует постоянный ток. По мере увеличения частоты сопротивление переменного тока конденсатора уменьшается.
Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея. Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V). Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).
Фаза между током и напряжением
Второй укороченный, Вольт входит в прилавок. Совет для решения. Сначала попробуй это! Ампер и второй приходят в стойку. Между током и напряжением идеальный конденсатор переменного напряжения имеет фазовый сдвиг 90 °. Ток приложенного напряжения мчится. Это можно объяснить следующим образом. Если напряжение подается на незаряженный конденсатор, сначала возникает большой зарядный ток, затем напряжение на конденсаторе поднимается и ток уменьшается.
В электротехнике этот сдвиг фазы между током и напряжением также может быть представлен вращающимися руками. На уроке 11 этот метод объясняется более подробно. Руки вращаются влево. Нулевой точкой является направление вправо. Для конденсатора такая диаграмма указателя такова. Запишите небольшие буквы для напряжения и тока в оси, что означает, что они являются переменными.
Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов. По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).
- 1µF = 0.000001 = 10 -6 F
- 1nF = 0.000000001 = 10 -9 F
- 1pF = 0.000000000001 = 10 -12 F
Плоский конденсатор
Конденсатор и резистор последовательно соединены
Рисунок 3-7: Фазовый сдвиг между током и напряжением в конденсаторе. Рисунок 3-8: Серийная схема, состоящая из резистора и конденсатора с изображениями указателя. В случае последовательной цепи, состоящей из эффективного резистора и идеального конденсатора, переменное напряжение на конденсаторе проскакивает через ток на 90 °. Напряжение на активном резисторе находится в фазе с током. В изображениях указателей указатели активных переменных и слепых переменных перпендикулярны друг другу. Направление вниз также называется отрицательным направлением в «комплексном расчете».
Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор. Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок), электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).
В технике переменного тока применяется «геометрическое» сложение: полное напряжение получается путем рисования диагонали. Если напряжения делятся на общий ток, то резисторы получаются. Это приводит к треугольнику сопротивления. Пример: резистор 100 Ом и конденсатор емкостью 10 нФ последовательно соединены с синусоидальным напряжением 159 кГц.
По этому вопросу в экзаменационных задачах нет вычислительной задачи. Можно ожидать следующей задачи. Вниз - отрицательный диапазон. Если на конденсаторе присутствует переменное напряжение, небольшая часть работы, выполняемой для электронного сдвига в диэлектрике, преобразуется в тепловые потери. Сила развития тепла зависит от материала и частоты приложенного переменного напряжения. Поэтому используется следующее замещающее изображение для «реального» конденсатора с потерями. Рисунок 3-9: Усилитель потерь для конденсатора.
Устройство конденсатора
Заряд конденсатора. Ток
По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.
Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания, на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов, на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик, заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора. Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.
Взаимное это, кстати, фактор качества конденсатора. Чем больше сопротивление параллельной утечки, тем выше качество конденсатора. Для некоторых типичных конденсаторов вы найдете график потерь. Рисунок 3-10. Зависимость коэффициента потерь от частоты для разных типов конденсаторов.
Параллельное подключение конденсаторов
Для использования в высокочастотном диапазоне необходимо выбрать конденсатор в соответствии с этим коэффициентом потерь. Небольшое значение представляет собой низкий коэффициент потерь. В параллельной цепи просто добавляются емкости отдельных конденсаторов.
В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места. Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным. По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное место на обкладках и ток совсем не прекратится.
Тем не менее, следует быть осторожным при проверке того, будут ли добавлены конденсаторы одного и того же устройства. Решение: конвертировано в 100 нФ, 150 нФ и 50 нФ. Все вместе приводят к 300 нФ, преобразуются в 0, 3 мкФ. В этом случае «виртуальная» емкость катушки должна быть добавлена в качестве четвертой емкости.
Серийное подключение конденсаторов
Для последовательного подключения конденсаторов справедлива формула, которая выглядит как формула для параллельного подключения резисторов. Решение. Прежде чем вставлять значения, преобразуйте их в один блок. Здесь рекомендуется Нанофарад. Затем получаются следующие значения.
Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного» конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием), называют переходным периодом заряда конденсатора.
Напряжение
В самом начале переходного периода зарядки, напряжение между обкладками конденсатора равняется нулю. Как только на обкладках начинают появляться заряженные частицы, между разноименными зарядами возникает напряжение. Причиной этому является диэлектрик между пластинами, который «мешает» стремящимся друг к другу зарядам с противоположным знаком перейти на другую сторону конденсатора.
Смешанная схема конденсаторов
Используйте карманный калькулятор для ввода. Поскольку три одинаковые емкости соединены последовательно, эквивалентная емкость составляет одну треть, то есть 0, 01 мкФ. Для смешанных схем параллельных и последовательных подключенных конденсаторов продолжайте, как вы узнали из резисторов. Во-первых, посмотрите, какие конденсаторы однозначно параллельны или последовательно соединены, вычислите запасную емкость и упростите схему до тех пор, пока не останется только одна запасная емкость.
Тогда можно решить задачу «в голове». Два параллельных подключенных конденсатора по 1 мкФ каждый дают 2 мкФ и последовательно с конденсатором 2 мкФ, снова получается 1 мкФ. Рисунок 3-11: Однослойная цилиндрическая катушка. Если «толстая» катушка намотана, площадь становится больше и, следовательно, индуктивность. Если количество обмоток удваивается, индуктивность становится в четыре раза больше. Если длина катушки увеличивается при одинаковом числе оборотов, распространяя обмотки, индуктивность становится меньше.
На начальном этапе зарядки, напряжение быстро растет, потому что большой ток очень быстро увеличивает количество заряженных частиц на обкладках. Чем больше заряжается конденсатор, тем меньше ток, и тeм медленнее растет напряжение. В конце переходного периода, напряжение на конденсаторе полностью прекратит рост, и будет равняться напряжению на источнике питания.
И наоборот: если катушка сжимается, так что длина катушки становится меньше, индуктивность увеличивается. Есть экзаменационный вопрос. Что вы должны делать с медным сердечником и защитной чашей, вы все равно узнаете. Тогда формула значительно упрощается.
Формула должна быть изменена. В классе самодеятельного бескласса заголовок «индуктивность» использовался, чтобы заявить, что ток через катушку задерживается, когда прямое напряжение подается через переключатель. Была продемонстрирована попытка продемонстрировать самоиндукцию. Таким образом, создается противодействие, которое противодействует течению. Поэтому напряжение тут же происходит, но быстро падает, а затем все медленнее.
Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.
Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:
Сопротивление переменного тока катушки
Подобно конденсатору. Однако для межсоединений при расчете необходимо учитывать фазовый угол. Чтобы уточнить частотную зависимость, выполните следующие упражнения. Убытки не учитываются. Затем введите результаты на следующей диаграмме и соедините точки.
Фаза между током и напряжением в катушке
Рисунок 3-13: Зависимость сопротивления переменного тока катушки от частоты. Рисунок 3-13 выше! Промежуточный ток и напряжение имеют фазовый сдвиг 90 ° в случае идеальной катушки при переменном напряжении. И ток напряжения мчится. Пожалуйста, сравните фотографии 3-14 и 3-7! Руки поворачиваются влево. Рисунок 3-14: Ток и напряжение на катушке.
- Ic — ток конденсатора
- C — Емкость конденсатора
- ?Vc/?t – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени
После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R. Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания. Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны, накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами, двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.
Ток следует за напряжением. После подачи напряжения на катушку, сначала встречается встречное напряжение путем самоиндукции, что предотвращает ток. Только через некоторое время ток начинает течь. Мост в сравнении: индуктивность - ток слишком поздний. Конденсатор - текущие камыши.
Рисунок 3-14 выше! Потери катушки выражаются как последовательный резистор. При расчете реактивного сопротивления мы действуем так, как будто катушка состоит из проволоки с нулевыми омами. Однако каждая медная обмотка, конечно же, является проводным резистором, даже если она мала по сравнению с сопротивлением переменного тока катушки. Это можно выразить в формуле. Это обратная доброта. Текст выше экзаменационной задачи! Для полноты здесь, опять же, как и в случае конденсатора, указываются треугольники указателей для последовательного соединения катушки и резистора.
В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки. Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.
Рисунок 3-15: Треугольники указателей для последовательного соединения катушки и сопротивления. Для катушки в любителях много приложений. Для высокочастотных помех кольцевые сердечники изготовлены из ферритового материала, через который кабель питания проходит несколько раз. Для согласования антенн используются такие кольцевые сердечники для изготовления обмоток для балуна.
Для подавления «паразитных» вибраций широкополосный анодный дроссель может быть получен путем намотки медной проволоки на резистор с низким сопротивлением. Рисунок 3-17: Воздушная катушка с двигателем. Комментарий: Феррит - хороший магнитный материал на высокой частоте. Парамагнитный материал практически немагнитен.
Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда, напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.
Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше времени потребует процесс зарядки/разрядки (ток определяется как количество заряда, прошедшего по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.
В случае измерения резисторов большой мощности индуктивность мешает. Поэтому один обертывается так, что половина обернута в противоположном направлении. Рисунок 3-19. Индуктивность намеренно генерируется формой проводящей дорожки. Каждый провод, каждый проводник, независимо от того, является ли он прямым или круговым, создает магнитное поле во время потока. И наоборот, делается вывод, что каждый проводник имеет определенную индуктивность. Вот почему, особенно в случае электронных устройств для сверхвысоких частот, линейные соединения должны быть очень короткими.
Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу ? (тау). За один ? конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять ? конденсатор заряжается или разряжается полностью.
Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В. Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:
Магнитное поле, генерируемое в катушке, может иногда иметь тревожный эффект. Напряжение может генерироваться в соседней катушке контриндукцией. Поэтому такие катушки часто покрываются металлическими защитными чашками. Расчет серии и параллельной схемы для катушек происходит точно так же, как и с резистором. В последовательной цепи добавляются индуктивности, а параллельная схема рассчитывается в соответствии со следующей формулой.
Не обязательно, вы можете оценить. В случае параллельного соединения полная индуктивность меньше наименьшей индуктивности. Таким образом, должно получиться значение, которое немного меньше. 2 мкГн, но не намного меньше! Если омический резистор подключен одновременно с конденсатором и катушкой, необходимо учитывать два противоположных фазовых сдвига катушки и конденсатора. Это показано один раз для примера серии. Индивидуальные стрелки сопротивления были нарисованы слева.
Устройство конденсатора. От чего зависит емкость?
Емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:
- Площадь пластин — A
- Расстояние между пластинами – d
- Относительная диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами — ?
Чтобы получить сумму, все стрелки выровнены в соответствии с их направлением. В частности, с закрытыми трансформаторами не должно быть слишком много тепла в обмотке. Однако, поскольку каждый медный провод имеет сопротивление, есть потери тепла из-за тока. Поэтому для медных проводов часто указывается допустимая плотность тока. Это ток в области поперечного сечения провода.
Рисунок 3-21: Трансформатор, трансформатор. В этом случае индуцированные напряжения в обмотках ведут себя так же, как их номера обмотки. Входная обмотка трансформатора называется первичной стороной, вторичной стороной обмотки вывода. Трансформатор без потерь называется трансформатором.
Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше заряженых частиц могут на них разместится, и тем больше емкость.
Расстояние между пластинами
Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для того чтобы объяснить природу влияния этого фактора, необходимо вспомнить механику взаимодействия зарядов в пространстве (электростатику).
Если конденсатор не находится в электрической цепи, то на заряженные частицы, расположенные на его пластинах влияют две силы. Первая — это сила отталкивания между одноименными зарядами соседних частиц на одной пластине. Вторая – это сила притяжения разноименных зарядов между частицами, находящимися на противоположных пластинах. Получается, что чем ближе друг к другу находятся пластины, тем больше суммарная сила притяжения зарядов с противоположным знаком, и тем больше заряда может разместится на одной пластине.
Относительная диэлектрическая проницаемость
Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость? . Это безразмерная физическая величина, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.
Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость. Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.
Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала (напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно, понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.
Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.
- Воздух – 1.0005
- Бумага – от 2.5 до 3.5
- Стекло – от 3 до 10
- Слюда – от 5 до 7
- Порошки оксидов металлов – от 6 до 20
Номинальное напряжение
Второй по значимости характеристикой после емкости является максимальное номинальное напряжение конденсатора . Данный параметр обозначает максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор. Превышение этого значения приводит к «пробиванию» изолятора между пластинами и короткому замыканию. Номинальное напряжение зависит от материала изолятора и его толщины (расстояния между обкладками).
Следует отметить, что при работе с переменным напряжением нужно учитывать именно пиковое значение (наибольшее мгновенное значение напряжения за период). Например, если эффективное напряжение источника питания будет 50В, то его пиковое значение будет свыше 70В. Соответственно необходимо использовать конденсатор с номинальным напряжением более 70В. Однако на практике, рекомендуется использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее в два раза превышающим максимально возможное напряжение, которое будет к нему приложено.
Ток утечки
Также при работе конденсатора учитывается такой параметр как ток утечки. Поскольку в реальной жизни диэлектрик между пластинами все же пропускает маленький ток, это приводит к потере со временем начального заряда конденсатора.
С момента начала изучения электричества решить вопрос о его накоплении и сохранении удалось лишь в 1745 году Эвальду Юргену фон Клейсту и Питеру ван Мушенбруку. Созданное в голландском Лейдене устройство позволяло аккумулировать и использовать ее при необходимости.
Лейденская банка - прототип конденсатора. Ее использование в физических опытах продвинуло изучение электричества далеко вперед, позволило создать прототип электрического тока.
Что такое конденсатор
Собирать и электроэнергию - основное назначение конденсатора. Обычно это система из двух изолированных проводников, расположенных как можно ближе друг к другу. Пространство между проводниками заполняют диэлектриком. Накапливаемый на проводниках заряд выбирают разноименным. Свойство разноименных зарядов притягиваться способствует большему его накоплению. Диэлектрику отводится двойственная роль: чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше электроемкость, заряды не могут преодолеть преграду и нейтрализоваться.
Электроемкость - основная физическая величина, характеризующая возможность конденсатора накапливать заряд. Проводники называют обкладками, электрическое поле конденсатора сосредотачивается между ними.
Энергия заряженного конденсатора, по всей видимости, должна зависеть от его емкости.
Электроемкость
Энергетический потенциал дает возможность применять (большая электроемкость) конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора используется при необходимости применить кратковременный импульс тока.
От каких величин зависит электроемкость? Процесс зарядки конденсатора начинается с подключения его обкладок к полюсам источника тока. Накапливаемый на одной обкладке заряд (величина которого q) принимается за заряд конденсатора. Электрическое поле, сосредоточенное между обкладками, имеет разность потенциалов U.
Электроемкость (С) зависит от количества электричества, сосредоточенного на одном проводнике, и напряжения поля: С= q/U.
Измеряется эта величина в Ф (фарадах).
Емкость всей Земли не идет в сравнение с величина которого примерно с тетрадь. Накапливаемый мощный заряд может быть использован в технике.
Однако накопить неограниченное количество электричества на обкладках нет возможности. При возрастании напряжения до максимального значения может произойти пробой конденсатора. Пластины нейтрализуются, что может привести к порче устройства. Энергия заряженного конденсатора при этом полностью идет на его нагревание.
Величина энергии
Нагревание конденсатора происходит из-за превращения энергии электрического поля во внутреннюю. Способность конденсатора совершать работу по перемещению заряда говорит о наличии достаточного запаса электроэнергии. Чтобы определить, как велика энергия заряженного конденсатора, рассмотрим процесс его разрядки. Под действием электрического поля напряжением U заряд величиной q перетекает с одной пластины на другую. По определению, работа поля равна произведению разности потенциалов на величину заряда: A=qU. Это соотношение справедливо лишь для постоянного значения напряжения, но в процессе разрядки на пластинах конденсатора происходит постепенное его уменьшение до нуля. Чтобы избежать неточностей, возьмем его среднее значение U/2.
Из формулы электроемкости имеем: q=CU.
Отсюда энергия заряженного конденсатора может быть определена по формуле:
Видим, что ее величина тем больше, чем выше электроемкость и напряжение. Чтобы ответить на вопрос о том, чему равна энергия заряженного конденсатора, обратимся к их разновидностям.
Виды конденсаторов
Поскольку энергия электрического поля, сосредоточенного внутри конденсатора, напрямую связана с его емкостью, а эксплуатация конденсаторов зависит от их конструктивных особенностей, используют различные типы накопителей.
- По форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и т. д.
- По изменению емкости: постоянные (емкость не меняется), переменные (изменяя физические свойства, меняем емкость), подстроечные. Изменение емкости можно проводить, изменяя температуру, механическое или Электроемкость подстроечных конденсаторов меняется изменением площади обкладок.
- По типу диэлектрика: газовые, жидкостные, с твердым диэлектриком.
- По виду диэлектрика: стеклянные, бумажные, слюдяные, металлобумажные, керамические, тонкослойные из пленок различного состава.
В зависимости от типа различают и иные конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора зависит от свойств диэлектрика. Основной величиной называют диэлектрическую проницаемость. Электроемкость ей прямо пропорциональна.
Плоский конденсатор
Рассмотрим простейшее устройство для собирания электрического заряда - плоский конденсатор. Это физическая система из двух параллельных пластин, между которыми находится слой диэлектрика.
Форма пластин может быть и прямоугольной, и круглой. Если есть необходимость получать переменную емкость, то пластины принято брать в виде полудисков. Поворот одной обкладки относительно другой приводит к изменению площади пластин.
С = εε 0 S/d.
Энергия плоского конденсатора
Видим, что емкость конденсатора прямо пропорциональна полной площади одной пластины и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Коэффициент пропорциональности - электрическая постоянная ε 0 . Увеличение диэлектрической проницаемости диэлектрика позволят нарастить электроемкость. Уменьшение площади пластин позволяет получить подстроечные конденсаторы. Энергия электрического поля заряженного конденсатора зависит от его геометрических параметров.
Используем формулу расчета: W = CU 2 /2.
Определение энергии заряженного конденсатора плоской формы проводят по формуле:
W = εε 0 S U 2 /(2d).
Использование конденсаторов
Способность конденсаторов плавно собирать электрический заряд и достаточно быстро его отдавать используется в различных областях техники.
Соединение с катушками индуктивности позволяет создавать колебательные контуры, фильтры токов, цепи обратной связи.
Фотовспышки, электрошокеры, в которых происходит практически мгновенный разряд, используют способность конденсатора создать мощный импульс тока. Зарядка конденсатора происходит от источника постоянного тока. Сам конденсатор выступает как элемент, разрывающий цепь. Разряд в обратном направлении происходит через лампу малого омического сопротивления практически мгновенно. В электрошокере этим элементом служит тело человека.
Конденсатор или аккумулятор
Способность долгое время сохранять накопленный заряд дает замечательную возможность использовать его в качестве накопителя информации или хранилища энергии. В радиотехнике это свойство широко используется.
Заменить аккумулятор, к сожалению, конденсатор не в состоянии, поскольку имеет особенность разряжаться. Накопленная им энергия не превышает нескольких сотен джоулей. Аккумулятор может сохранять большой запас электроэнергии длительно и практически без потерь.
