Конденсаторы в цепях постоянного тока

Основные сведения

Конденсатор (от лат. condenso – уплотняю, сгущаю) – электротехническое устройство, обладающее способностью накапливать электрические заряды.

Конденсаторы широко используются в радиотехнике, электронике, электротехнике и других областях науки и техники.

Простейший конденсатор состоит из двух электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Устройство плоского конденсатора: а – с двумя пластинами; б – много-

пластинчатого; в – распределение зарядов на обкладках

В качестве диэлектрика могут использоваться воздух, слюда, бумага, керамика, электролит и т. п.

Конденсаторы способны накапливать и удерживать на своих обкладках равные по величине и противоположные по знаку заряды (рис. 6.20, б).

 

Рис. 6.21. Некоторые виды конденсаторов постоянной ёмкости: а – керамические;

б – слюдяные; в – бумажные; г – электролитические

 

Условное изображение конденсаторов разных видов приведено на рис. 6.22.

Рис. 6.22. Конденсаторы: постоянной ёмкости – ж; переменной ёмкости – з; электролитический полярный – и; то же, неполярный – к

 

Электролитические конденсаторы можно применять только в цепях постоянного тока (рис. 6.21, и и к), остальные типы – в цепях постоянного и переменного тока.

При необходимости, на схемах с электролитическими конденсаторами указывается полярность напряжения на обкладках (рис. 6.22, и).

Для определения размерности ёмкости используется такая формула

С = (6.54)

где q – заряд на обкладке конденсатора, Кл (кулон);

U – напряжение между обкладками конденсатора, В (вольт).

Если принять q = 1 Кл, а U = 1 В, тоёмкость такого конденсатора равна 1 Ф (одному фараду, не одной фараде!!!).

Приведенная формула емкости не отражает физический смысл емкости, потому что на самом деле ёмкость конденсаторов не зависит ни от напряжения, ни от заряда.

Это следует из формулы емкости, например, плоского конденсатора (рис. 6.20, а)

, (6.55)

где С – емкость, Ф (фарад);

относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами (для воздуха для воды ).

Эта единица показывает, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в электрическом поле (диэлектрике) между пластинами меньше по сравнению с такой же силой в случае, если диэлектрик – вакуум (воздух) – см. таблицу 6.4

= Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (воздуха)

- абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами, Ф/м;

S – площадь одной обкладки, м² ;

d – расстояние между обкладками, м.

Таблица 6.4.

Значения относительной диэлектрической проницаемости для разных сред

(диэлектриков)

 

Материал			Материал
Воздух			Миканит	5,2
Масло трансформаторное	2,2		Фарфор	5,8
Бумана парафинированная	2,7		Мрамор	8,3
Вода дистилированная			Стекло	6-10

 

Примечание.

Как следует из таблицы, наибольшим ослабляющим действием на силу взаимодействия зарядов (Кулоновскую силу)

(6.56)

обладает вода (сравни силу F в воздухе, при ε = 1, и в воде, при ε = 81).

Поэтому её, например, используют при приготовлении электролита плотностью 1,28 г /см³ из концентрированной серной кислоты плотностью 1,84 г /см³ путем разделения молекул кислоты на положительные и отрицательные ионы Н₂++ и SO₄ .

Работу по разделению цельной молекулы на ионы как раз и выполняет вода, ослабляющая силы притяжения между этими ионами.

Аналогично – превращение цельного куска сахара в раствор сахара при приготовлении чая (лучше всего – липтоновского, из Шри-Ланки, но не с Одесской чаеразвесочной фабрики, Французский Бульвар, 26 – знаем, напились!).

Емкость конденсатора не зависит от напряжения и других электрических параметров (см. формулу 6.55).

Поскольку ёмкость конденсатора есть величина постоянная, то формулу

С = = const (6.57)

следует читать так: чем больше напряжение U между обкладками, тем больше заряд q на каждой обкладке, однако отношение q/U есть величина постоянная/

Аналогичная мысль. Из закона Ома для участка цепи следует, что сопротивление участка цепи

,

т. е. формально зависит как от напряжения, так и от тока.

На самом же деле это сопротивление определяется формулой

.

т. е. зависит от материала проводника (что учитывается при помощи удельного сопротивления материала проводника ρ;), его длины l и площади поперечного сечения s.

При этом, чем больше напряжение U, тем больше ток I, но их отношение

= ,

т. е. сопротивление проводника, есть величина постоянная.

Ёмкость 1 Ф – это очень большая ёмкость. Такой ёмкостью обладает, например, Земной шар.

Поэтому на практике применяют дробные (более мелкие) единицы ёмкости:

1 мкФ = 10 ^-6 Ф (один микрофарад равен миллионной части фарада);

1 пФ = 10 ^-12 Ф (один пикофарад равен одной в минус двенадцатой степени части фарада).

Международное обозначение этих единиц соответственно такое: F, .