Что такое электрическая емкость и в чем она измеряется

Электроемкость. Единицы электроемкости. Конденсаторы – Класс!ная физика

«Физика – 10 класс»

При каком условии можно накопить на проводниках большой электрический заряд?

При любом способе электризации тел – с помощью трения, электростатической машины, гальванического элемента и т. д. – первоначально нейтральные тела заряжаются вследствие того, что некоторая часть заряженных частиц переходит от одного тела к другому.
Обычно этими частицами являются электроны.

При электризации двух проводников, например от электростатической машины, один из них приобретает заряд +q, а другой -q. Между проводниками появляется электрическое поле и возникает разность потенциалов (напряжение).

С увеличением заряда проводников электрическое поле между ними усиливается.

В сильном электрическом поле (при большом напряжении и соответственно при большой напряженности) диэлектрик (например, воздух) становится проводящим.
Возможен так называемый пробой диэлектрика: между проводниками проскакивает искра, и они разряжаются.
Чем меньше увеличивается напряжение между проводниками с увеличением их зарядов, тем больший заряд можно на них накопить.

Электроемкость.

Обратите внимание

Введем физическую величину, характеризующую способность двух проводников накапливать электрический заряд.
Эту величину называют электроемкостью.

Напряжение U между двумя проводниками пропорционально электрическим зарядам, которые находятся на проводниках (на одном +|q|, а на другом -|q|).
Действительно, если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение.

Поэтому отношение заряда q одного из проводников (на другом находится такой же по модулю заряд) к разности потенциалов между этим проводником и соседним не зависит от заряда.

Оно определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды.

Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.

Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между ними:

Электроёмкость уединённого проводника равна отношению заряда проводника к его потенциалу, если все другие проводники бесконечно удалены и потенциал бесконечно удалённой точки равен нулю.

Чем меньше напряжение U между проводниками при сообщении им зарядов +|q| и -|q|, тем больше электроемкость проводников.

На проводниках можно накопить большие заряды, не вызывая пробоя диэлектрика.
Но сама электроемкость не зависит ни от сообщенных проводникам зарядов, ни от возникающего между ними напряжения.

Единицы электроемкости.

Формула (14.22) позволяет ввести единицу электроемкости.

Электроемкость двух проводников численно равна единице, если при сообщении им зарядов +1 Кли -1 Клмежду ними возникает разность потенциалов 1 В.

Эту единицу называют фарад (Ф); 1 Ф = 1 Кл/В.

Из-за того что заряд в 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф оказывается очень большой.
Поэтому на практике часто используют доли этой единицы: микрофарад (мкФ) – 10-6 Ф и пикофарад (пФ) – 10-12 Ф.

Важно

Важная характеристика проводников – электроемкость.
Электроемкость проводников тем больше, чем меньше разность потенциалов между ними при сообщении им зарядов противоположных знаков.

Конденсаторы.

Систему проводников очень большой электроемкости вы можете обнаружить в любом радиоприемнике или купить в магазине. Называется она конденсатором. Сейчас вы узнаете, как устроены подобные системы и от чего зависит их электроемкость.

Большой электроемкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга (рис.14.33).

Если заряды пластин одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и оканчиваются на отрицательно заряженной (рис.14.28). Поэтому почти все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно.

Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полюсам источника напряжения, например к полюсам батареи аккумуляторов. Можно также первую обкладку соединить с полюсом батареи, у которой другой полюс заземлен, а вторую обкладку конденсатора заземлить.

Тогда на заземленной обкладке останется заряд, противоположный по знаку и равный по модулю заряду незаземленной обкладки. Такой же по модулю заряд уйдет в землю.

Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Электроемкость конденсатора определяется формулой (14.22).

Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь конденсатора и не влияют на разность потенциалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденсатора практически не зависит от наличия вблизи него каких-либо других тел.

Электроемкость плоского конденсатора.

Совет

Геометрия плоского конденсатора полностью определяется площадью S его пластин и расстоянием d между ними. От этих величин и должна зависеть емкость плоского конденсатора.

Чем больше площадь пластин, тем больший заряд можно на них накопить: q~S. С другой стороны, напряжение между пластинами согласно формуле (14.21) пропорционально расстоянию d между ними. Поэтому емкость

Кроме того, емкость конденсатора зависит от свойств диэлектрика между пластинами. Так как диэлектрик ослабляет поле, то электроемкость при наличии диэлектрика увеличивается.

Проверим на опыте зависимости, полученные нами из рассуждений. Для этого возьмем конденсатор, у которого расстояние между пластинами можно изменять, и электрометр с заземленным корпусом (рис.14.34).

Соединим корпус и стержень электрометра с пластинами конденсатора проводниками и зарядим конденсатор. Для этого нужно коснуться наэлектризованной палочкой пластины конденсатора, соединенной со стержнем.

Электрометр покажет разность потенциалов между пластинами.

Раздвигая пластины, мы обнаружим увеличение разности потенциалов. Согласно определению электроемкости (см. формулу (14.22)) это указывает на ее уменьшение. В соответствии с зависимостью (14.23) электроемкость действительно должна уменьшаться с увеличением расстояния между пластинами.

Вставив между обкладками конденсатора пластину из диэлектрика, например из органического стекла, мы обнаружим уменьшение разности потенциалов.

Следовательно, электроемкость плоского конденсатора в этом случае увеличивается. Расстояние между пластинами d может быть очень малым, а площадь S – большой.

Обратите внимание

Поэтому при небольших размерах конденсатор может иметь большую электроемкость.

Для сравнения: в отсутствие диэлектрика между обкладками плоского конденсатора при электроемкости в 1 Ф и расстоянии между пластинами d = 1 мм он должен был бы иметь площадь пластин S = 100 км2.

Кроме того, ёмкость конденсатора зависит от свойств диэлектрика между пластинами. Так как диэлектрик ослабляет поле, то электроёмкость при наличии диэлектрика увеличивается:где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Последовательное и параллельное соединения конденсаторов. На практике конденсаторы часто соединяют различными способами. На рисунке 14.40 представлено последовательное соединение трёх конденсаторов.

Если точки 1 и 2 подключить к источнику напряжения, то на левую пластину конденсатора С1 перейдёт заряд +qy на правую пластину конденсатора СЗ — заряд -q.

Вследствие электростатической индукции правая пластина конденсатора С1 будет иметь заряд -q, а так как пластины конденсаторов С1 и С2 соединены и до подключения напряжения были электро нейтральны, то по закону сохранения заряда на левой пластине конденсатора С2 появится заряд +q и т. д. На всех пластинах конденсаторов при таком соединении будет одинаковый по модулю заряд:

q = q1 = q2 = q3.

Определить эквивалентную электроёмкость — это значит определить электроёмкость такого конденсатора, который при той же разности потенциалов будет накапливать тот же заряд q, что и система конденсаторов.

Разность потенциалов φ1 – φ2 складывается из суммы разностей потенциалов между пластинами каждого из конденсаторов:

φ1 – φ2 = (φ1 – φA) + (φA – φB) + (φB – φ2),
или U = U1 + U2 + U3.

Воспользовавшись формулой (14.23), запишем:

На рисунке 14.41 представлена схема параллельно соединённых конденсаторов. Разность потенциалов между пластинами всех конденсаторов одинакова и равна:

φ1 — φ2 = U = U1 = U2 = U3.

Заряды на пластинах конденсаторов

q1 = C1U, q2 = C2U, q3 = C3U.

На эквивалентном конденсаторе ёмкостью Сэкв заряд на пластинах при той же разности потенциалов

q = q1 + q2 + q3.

Для электроёмкости, согласно формуле (14.23) запишем: CэквU = C1U + C2U + C3U, следовательно, Сэкв = C1+ С2 + С3, и в общем случае

Различные типы конденсаторов.

В зависимости от назначения конденсаторы имеют различное устройство. Обычный технический бумажный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изолированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Полоски и ленты туго свернуты в пакет небольшого размера.

Важно

В радиотехнике широко применяют конденсаторы переменной электроемкости (рис.14.35). Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входить одна в другую. При этом меняются площади перекрывающихся частей пластин и, следовательно, их электроемкость. Диэлектриком в таких конденсаторах служит воздух.

Значительного увеличения электроемкости за счет уменьшения расстояния между обкладками достигают в так называемых электролитических конденсаторах (рис.14.36). Диэлектриком в них служит очень тонкая пленка оксидов, покрывающих одну из обкладок (полосу фольги). Другой обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества (электролита).

Конденсаторы позволяют накапливать электрический заряд. Электроемкость плоского конденсатора пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Кроме того, она зависит от свойств диэлектрика между обкладками.

Источник: «Физика – 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Назад в раздел «Физика – 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Электростатика – Физика, учебник для 10 класса – Класс!ная физика

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара.

Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов.

Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов — Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»

Источник: http://class-fizika.ru/10_a180.html

Что такое электроемкость конденсатора? :

Электроемкость конденсатора – это его способность накапливать электрический заряд. Формула электроемкости следующая.

C=q/U

Измеряется эта величина в фарадах. Как правило, емкость элемента очень мала и измеряется в пикофарадах.

Совет

В задачах часто спрашивается, как изменится электроемкость конденсатора, если увеличить заряд или напряжение. Это вопрос с подвохом. Проведем другую аналогию.

Представьте, что речь идет про обычную банку, а не конденсатор. Например, у вас она трехлитровая. Аналогичный вопрос: что произойдет со вместимостью банки, если туда налить 4 литра воды? Разумеется, вода просто выльется, но при этом размеры банки никак не изменятся.

То же самое с конденсаторами. Заряд и напряжение никак не влияют на емкость. Этот параметр зависит только от реальных физических размеров.

Формула будет следующей

Только эти параметры влияют на реальную электроемкость конденсатора.

На любом конденсаторе есть маркировка с техническими параметрами.

Разобраться несложно. Достаточно минимальных знаний по электричеству.

Соединение конденсаторов

Конденсаторы, так же как и сопротивления, можно подключать последовательно и параллельно. Кроме этого, в схемах бывают и смешанные соединения.

Как видите, электроемкость конденсатора в обоих случаях считается по-разному. Это также относится к напряжению и заряду. По формулам видно, что электроемкость конденсатора, вернее, их совокупности в схеме, будет наибольшей при параллельном соединении. При последовательном общая емкость значительно уменьшается.

При подключении последовательно заряд размещается равномерно. Он будет везде одинаков – как суммарный, так и на каждом конденсаторе. А когда соединение параллельное, суммарный заряд складывается. Это важно помнить при решении задач.

Напряжение считается наоборот. При последовательном соединении складываем, а при параллельном оно равно везде.

Здесь приходится выбирать: если вам нужно больше напряжения, тогда жертвуем емкостью. Если емкость, то огромного напряжения не будет.

Виды конденсаторов

Существует огромное количество конденсаторов. Они отличаются как по размеру, так и по форме.

Разумеется, емкость вычисляется у всех по-разному.

Электроемкость плоского конденсатора

Электроемкость плоского конденсатора определяется проще всего. Эту формулу в основном все и помнят, в отличии от других.

Здесь всё зависит от физических параметров и среды между пластинами.

Сферический конденсатор

Здесь также большое значение имеет, какой диэлектрик или материал помещен внутрь. Так как деталь имеет размер сферы, ее емкость зависит от радиуса.

Цилиндрический конденсатор

В случае с цилиндрической формой, кроме среды внутри, значение имеют радиусы и длина цилиндра.

Повреждения в конденсаторах

Подумайте, как изменится электроемкость плоского конденсатора, если на нем будут повреждения? Существуют различные сбои, которые могут повлиять на работоспособность конденсаторов.

Например, они рассыхаются или вздуваются. После этого они становятся непригодными для нормальной работы устройства, куда установлены.

Рассмотрим примеры повреждений и выхода из строя конденсаторов. Вздуться могут все сразу.

Обратите внимание

Иногда из строя выходят только несколько. Такое бывает, когда конденсаторы разных параметров или качества.

Наглядный пример порчи (вздутие, разрыв и выход наружу содержимого).

Если вы увидите вот такие ленты, это крайняя степень повреждения. Хуже и быть не может.

Если вы заметите на устройстве (например на видеокарте в компьютере) такие вздутые конденсаторы, это повод задуматься о замене детали.

Подобные проблемы можно устранить только заменой на аналогичную деталь. У вас должны совпадать все параметры один в один. Иначе работа может быть некорректной или очень кратковременной.

Менять конденсаторы нужно аккуратно, не повредив платы. Выпаивать нужно быстро, не допуская перегрева. Если вы не умеете этого делать, лучше отнесите деталь в ремонт.

Основной причиной разрушения является перегрев, который возникает в случае старения или большого сопротивления в цепи.

Рекомендуется не затягивать с ремонтом. Поскольку у поврежденных конденсаторов изменяется емкость, устройство, где они расположены, будет работать с отклонением от нормы. И со временем это может стать причиной выхода из строя.

Если у вас на видеокарте вздулись конденсаторы, то их своевременная замена может исправить ситуацию. В противном случае может сгореть микросхема или что-то еще. В таком случае ремонт будет стоить очень дорого или вовсе окажется невозможным.

Меры предосторожности

Выше был приведен пример с банкой воды. Там говорилось, что если воды налить больше, то воды выльется. А теперь подумайте, куда могут “вылиться” электроны в конденсаторе? Ведь он запечатан полностью!

Если вы подадите в цепи больше тока, чем тот, на который рассчитан конденсатор, то как только он зарядится, его излишек попытается выйти куда-то. А пространства свободного нет. Результатом будет взрыв. В случае незначительного превышения заряда хлопок будет небольшой. Но если подать колоссальное количество электронов на конденсатор, его просто разорвет, и диэлектрик вытечет.

Будьте аккуратны!

Источник: https://www.syl.ru/article/260768/new_chto-takoe-elektroemkost-kondensatora

Электрическая ёмкость, конденсатор

Что бы понять, что такое ёмкость электрических проводников, конденсаторов, как элементов схем, давайте сначала посмотрим, что такое вообще ёмкость, как определение? 

Говоря о ёмкости, мы чаще всего подразумеваем вместительность. То есть, если рассматривать ёмкость какого либо сосуда, то здесь мы под ёмкостью понимаем количество литров вещества, которое он может вместить. Или, например, количество килограммов конкретного вещества.

Иными словами — ёмкость, это количественная характеристика, отражающая способность какого либо транспортного объекта размещать в себе транспортируемое вещество. Ещё проще, ёмкость — это вместительность.

В нашем случае речь пойдёт о ёмкости электрического конденсатора. 

Электрический конденсатор.

Электрический конденсатор — электротехническое устройство, предназначенное для быстрого накопления, хранения и отдачи электрической энергии. В электронике и электротехнике имеет самое разнообразное целевое назначение.

В мощных энергетических системах электроснабжения используются для компенсации реактивной мощности, генерируемой индуктивностью протяжённых линий электропередач.

В различных электротехнических решениях конденсаторы применяют для смещения фазы напряжения или тока, поглощения высокочастотных гармоник питающего переменного напряжения, снижения уровня пульсаций по постоянному напряжению в блоках питания бытовой и промышленной электроники, фильтрации сигнала, в качестве времязадающих цепей, и для многого другого.

Характеристики электрического конденсатора.

Важно

Основными характеристиками электрических конденсаторов являются их электрическая ёмкость и номинальное (рабочее) напряжение.

Электрическая ёмкость конденсатора характеризует количество электрической энергии, которую он способен запасти. Электрическая энергия в конденсаторах накапливается в виде электронов. Иными словами, чем больше электронов способен уместить в себе конденсатор, тем больше его ёмкость, и наоборот.

Номинальное (рабочее) напряжение характеризует свойство материала диэлектрика, применяемого в конструкции конденсаторов и задаёт диапазон напряжений, в которых они могут работать.

При заряде конденсатора до напряжения, даже не значительно превышающего номинальное многократно возрастает риск необратимого пробоя диэлектрика между обкладками конденсатора, в результате чего он неминуемо выходит из строя.

Этот фактор является очень важным и требует обязательного учёта при построении радиотехнических и электротехнических устройств!

Единица измерения ёмкости.

Емкость измеряется в Фарадах. Эта единица измерения пошла из классики и связана с Кулоновским «электрическим зарядом».

В классической электротехнике принято считать, что электрическая ёмкость в 1 фарад соответствует конденсатору, заряженному электрическим зарядом в 1 кулон при разности потенциалов на его обкладках в 1 вольт.

Но, поскольку мы знаем, что электрических зарядов не существует, больше мы данной классической формулировкой пользоваться не будем. Стоит только знать, что ёмкость конденсатора напрямую зависит от количества электронов, которые он способен накопить в нормальном режиме работы.

С одной стороны Фарады можно было бы поменять на мегаэлектроны, или, например, гигаэлектроны, но мы этого делать не станем, поскольку Фарад принципиально отражает ту же самую ёмкость, только трактуется немного иначе, и на расчёты электрических параметров схем влиять не будет.

Обозначения конденсаторов.

Графическое обозначение конденсаторов показано на рисунке 1.

 Рисунок 1. Графическое изображение электрических конденсаторов: а) постоянной ёмкости, общее обозначение; б) постоянной ёмкости поляризованный (электролитический); в) переменной ёмкости; г) подстроечный.

Номиналы конденсаторов чаще всего обозначаются в трех кратностях — микропико и нанофарадах:

10-6 Ф — микрофарад — мкФ — µF

10-9 Ф — нанофарад — нФ — nF

10-12 Ф — пикофарад — пФ — pF

В других кратностях обозначение номиналов конденсаторов встречается крайне редко. Но если кому то необходима такая информация, её можно найти в других информационных источниках, например, в википедии.

Совет

В частых случаях один номинал на различных конденсаторах может быть указан в различных кратностях. Для того, что бы в дальнейшем не путаться, рекомендую потренироваться переводить номинал конденсатора из одной кратности в другую. Например, ёмкость в 0,01 мкФ тоже самое, что 10 нФ, или 10000 пФ.

Обозначение типов конденсаторов по конструктивному исполнению можно найти например здесь. Эти обозначения имеют вид:

БМ – бумажный малогабаритный БМТ – бумажный малогабаритный теплостойкий КД – керамический дисковый КЛС – керамический литой секционный КМ – керамический монолитный КПК-М – подстроечный керамический малогабаритный КСО – слюдянной опресованный КТ – керамический трубчатый МБГ – металлобумажный герметизированный МБГО – металлобумажный герметизированный однослойный МБГТ – металлобумажный герметизированный теплостойкий МБГЧ – металлобумажный герметизированный однослойный МБМ – металлобумажный малогабаритный ПМ – полистироловый малогабаритный ПО – пленочный открытый

Читайте также:  Как подключить точечный светильник с подсветкой?

ПСО – пленочный стирофлексный открытый

Схемы соединения конденсаторов.

Традиционно можно выделить только две схемы соединения двухполюсников, к которым относятся и большинство конденсаторов, это параллельное и последовательное соединения (рисунок 2 и 3 соответственно).

Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.  

Рисунок 3. Последовательное соединение конденсаторов.

При параллельном соединении номинальная ёмкость батареи конденсаторов будет равна сумме емкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

С∑=С1+С2+…+Сn, где n — порядковая нумерация конденсаторов по схеме.

При последовательном соединении конденсаторов всё немного сложнее, здесь ёмкость батареи в целом будет заметно меньше самой наименьшей ёмкости из всего набора, входящего в схему. При этом справедливо соотношение:

 1/С∑=1/С1+1/С2+…+1/Сn где n — порядковая нумерация конденсаторов по схеме. При желании и должной математической сноровке из данного соотношения можно вычислить ёмкость всей батареи. Последовательная схема соединения конденсаторов чаще применяется для увеличения номинального рабочего напряжения ёмкости схемы.

Пожалуй, всё.

Принцип работы конденсатора — отдельная, довольно объёмная, но простая для понимания тема, а так же общее устройство конденсаторов рассмотрено в отдельной статье – Электрический конденсатор. Полная описательная теория принципа работы. Русская версия..

Источник: https://volt-info.ru/elektricheskaya-yomkost-kondensator

Фламинго-НН

Сообщение электрического разряда проводнику называется электризацией. Чем больший заряд принял проводник, тем больше его электризация, или, иначе говоря, тем выше его электрический потенциал.

Между количеством электричества и потенциалом данного уединенного проводника существует линейная зависимость: отношение заряда проводника к его потенциалу есть величина постоянная:

Обратите внимание

Для какого-либо другого проводника отношение заряда к потенциалу есть также величина постоянная, но отличная от этого отношения для первого проводника.

Одной из причин, влияющих на эту разницу, являются размеры самого проводника. Один и тот же заряд, сообщенный различным проводникам, может создать различные потенциалы. Чтобы повысить потенциал какого-либо проводника на одну единицу потенциала, необходим определенный заряд.

Электрическая емкость и ее единица измерения

Свойство проводящих тел накапливать и удерживать электрический заряд, измеряемое отношением заряда уединенного проводника к его потенциалу, называется электрической емкостью, или просто емкостью, и обозначается буквой С.

Приведенная формула электрической емкости позволяет установить единицу электрической емкости.

Практически заряд измеряется в кулонах, потенциал в вольтах, а емкость в фарадах:

Емкостью в 1 фараду обладает проводник, которому сообщают заряд в 1 кулон и при этом потенциал проводника увеличивается на 1 вольт.

Единица измерения электрической емкости – фарада (обозначается ф или F) очень велика. Поэтому чаще пользуются более мелкими единицами – микрофарадой (мкф или μF), составляющей миллионную часть фарады:

1 мкф = 10-6 ф ,

и пикофарадой (пф), составляющей миллионную часть микрофарады:

1 пф = 10-6 мкф = 10-12 ф .

Найдем выражение практической единицы – фарады в абсолютных единицах:

Электрический конденсатор

Устройство, предназначенное для накопления электрических зарядов, называется электрическим конденсатором.

Рисунок 1. Модель простейшего конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), разделенных между собой слоем диэлектрика. Чтобы зарядить конденсатор, нужно его обкладки соединить с полюсами электрической машины. Разноименные заряды, скопившиеся на обкладках конденсатора, связаны между собой электрическим полем.

Близко расположенные пластины конденсатора, влияя одна на другую, позволяют получить на обкладках большой электрический заряд при относительно невысокой разности потенциалов между обкладками.

Важно

Электрическая емкость конденсатора есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

Как показывают измерения, емкость конденсатора увеличится, если увеличить поверхность обкладок или приблизить их одну к другой. На емкость конденсатора оказывает влияние также материал диэлектрика.

Чем больше электрическая проницаемость диэлектрика, тем больше емкость конденсатора по сравнению с емкостью того же конденсатора, диэлектриком в котором служит пустота (воздух). Выбирая диэлектрик для конденсатора, нужно стремиться к тому, чтобы диэлектрик обладал большой электрической прочностью (хорошими изолирующими качествами).

Плохой диэлектрик приводит к пробою его и разряду конденсатора. Несовершенный диэлектрик повлечет за собой утечку тока через него и постепенный разряд конденсатора.

Длинные линии передачи высокого напряжения можно рассматривать как своеобразные обкладки конденсатора. Емкость провода нужно рассматривать не только относительно другого провода, но также относительно земли, стен помещений и окружающих предметов. Значительной емкостью обладают подводные и подземные кабели ввиду близкого расположения токоведущих жил между собой.

Конденсатор постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Рисунок 2. Схема устройства конденсатора
постоянной емкости

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических (станиолевых) листов с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком, как схематически показано на рисунке 2.

Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или трубку.

Совет

Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином.

Рисунок 3. Внешний вид современных конденсаторов постоянной емкости

Определим емкость плоского конденсатора. Возьмем произвольную замкнутую поверхность вокруг одной из пластин конденсатора. Тогда по теореме Гаусса поток вектора напряженности, проходящий через любую замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд, равен:

(1)

Предполагая, что поле конденсатора однородно (пренебрегая искажением поля у краев пластин), получаем напряженность электрического поля в конденсаторе:

(2)

где d – расстояние между пластинами или толщина диэлектрика. Подставив значение E из формулы (2) в формулу (1), получим:

откуда

Так как

то выражение емкости плоского конденсатора примет вид:

где S – площадь пластин в м²; d – толщина диэлектрика в м; ε – относительная электрическая проницаемость диэлектрика (диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин (обкладок) S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика поставить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Видео об устройстве конденсатора постоянной емкости:

Конденсатор переменной емкости

Конденсаторы, емкость которых можно менять, называются конденсаторами переменной емкости.

Наиболее простой конденсатор переменной емкости имеет несколько (реже один) медных или алюминиевых полудисков, соединенных между собой электрически и укрепленных неподвижно. Другой ряд таких же полудисков собран на общей оси.

При повороте этой оси каждый из укрепленных на ней полудисков входит меду двумя неподвижными полудисками. Поворачивая ось и меняя таким образом взаимное расположение подвижных и неподвижных полудисков, мы можем менять емкость конденсатора.

На рисунке 3 показана схема устройства и на рисунке 4 – общий вид воздушного конденсатора переменной емкости.

Рисунок 3. Схема устройства конденсатора переменной емкости

Рисунок 4. Общий вид конденсатора переменной емкости

Видео об устройстве серийного конденсатора переменной емкости:

Видео о том, как можно сделать самодельный конденсатор переменной емкости своими руками:

Электролитические конденсаторы

В радиотехнике применяются также электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы изготовляются двух типов: жидкостные и сухие. В обоих типах конденсаторов употребляется оксидированный алюминий.

Путем специальной электрохимической обработки на поверхности алюминия получают тонкий (порядка нескольких десятков микрон) слой оксида алюминия Al2O3, представляющий так называемую оксидную изоляцию алюминия.

Оксидная изоляция обладает электроизолирующими свойствами, а также является механически прочной, нагревостойкой, но гигроскопичной.

Обратите внимание

В жидкостных электролитических конденсаторах алюминиевую оксидированную пластину помещают внутрь металлического корпуса, который служит второй пластиной. В корпус заливают электролит, состоящий из раствора борной кислоты с некоторыми примесями.

Сухие электролитические конденсаторы изготовляют путем сворачивания трех лент. Одна лента представляет собой алюминиевую оксидированную фольгу (тонко раскатанный лист металла). Другой пластиной является лента из алюминиевой фольги.

Между двумя металлическими лентами помещается бумажная или марлевая лента, пропитанная вязким электролитом. Плотно свернутые ленты помещаются в алюминиевый корпус и заливаются битумом.

Тонкий оксидный изолирующий слой с высокой электрической проницаемостью (ε = 9) позволяет получить дешевые конденсаторы с большой удельной емкостью.

Видео об устройстве электролитического конденсатора:

Параллельное соединение конденсаторов

Рисунок 5. Параллельное
соединение конденсаторов

Когда емкость конденсатора мала, то соединяют несколько конденсаторов параллельно (рисунок 5).

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках каждого конденсатора одно и то же. Поэтому можно написать:

U1 = U2 = U3 = U .

Количество электричества (заряд) каждого конденсатора:

q1 = C1 × U; q2 = C2 × U; q3 = C3 × U .

Общий заряд батареи конденсаторов:

q = q1 + q2 + q3 ;

q = C1 × U + C2 × U + C3 × U = U (C1 + C2 + C3) .

Обозначая емкость батареи конденсаторов через C, получаем:

q = C × U ,

тогда

C × U = U × (C1 + C2 + C3)

или окончательно формула емкости при параллельном соединении конденсаторов примет вид:

C = C1 + C2 + C3 .

Следовательно, при параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. При параллельном соединении каждый конденсатор окажется включенным на полное напряжение сети.

Последовательное соединение конденсаторов

Рисунок 6. Последовательное
соединение конденсаторов

Рассмотрим последовательное соединение конденсаторов (рисунок 6).

Если левая обкладка первого конденсатора заряжена положительно (+), то вследствие электростатической индукции правая обкладка этого конденсатора получит отрицательный заряд (–), перешедший с левой обкладки второго конденсатора, которая сама зарядится положительно, и так далее. Значит, при последовательном соединении каждый конденсатор независимо от величины его емкости получит один и тот же заряд, то есть

q1 = q2 = q3 = q .

Напряжение, приложенное ко всей батареи конденсаторов, равно сумме напряжений на обкладках каждого конденсатора:

U = U1 + U2 + U3 .

Так как

для всей батареи

Читайте также:  Подключение электрического котла через wi-fi реле и магнитный пускатель

теперь можно написать

или, сокращая на q, получим окончательно, что емкость конденсаторов при последовательном соединении равна:

Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов обратная величина общей емкости равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов. Каждый из конденсаторов включен на меньшее напряжение, чем напряжение сети.

Конденсаторы широко применяются в радиотехнике, рентгенотехнике, высокочастотной промышленной электротехнике, для увеличения коэффициента мощности электроустановок и так далее.

Материал взят с сайта: http://www.electromechanics.ru

Источник: http://flamingo-nn.ucoz.com/load/ehlektrotekhnika/osnovy/ehlektricheskaja_jomkost/50-1-0-332

Что такое электрическая емкость?

Нередко на школьных уроках физики педагог, разъясняя тему электричества, прибегает к сопоставлению электронного тока с течением потока воды. В почти всех случаях, хотя не всегда, для упрощения осознания происходящих процессов такое сопоставление полностью допустимо. Фактически, даже само слово «ток» употребляется конкретно в отношении жидкостей.

А что такое емкость? Это одна из черт предмета, его способность вмещать что-либо. К примеру, все знают, что емкость банки составляет 3 литра. Разумеется, что количество скопленной воды конкретно находится в зависимости от вместительности сосуда. Так, если взять два ведра, например, 8 и 12 л., то по высоте они равны, а отличие только в поперечнике.

Понятие «электронная емкость» в этом плане очень похоже. К примеру, один из характеристик, влияющий на вместимость – это габариты. Электронная емкость (Э.Е.)– это способность копить и задерживать внутри себя определенное количество электричества. Хоть какой проводящий материал обладает определенной Э.Е., зависящей от ряда характеристик.

Важно

Процесс скопления заряда вероятен в этом случае, когда отсутствует возможность его перетекания на другой объект, владеющий большей емкостью.

Электронная емкость может быть выражена через формулу, учитывающую способность копить заряд (потенциал – v) и величиной самого заряда (q). Обозначается буковкой «c»:

c = q/v

Электронная емкость измеряется в фарадах. Но потому что данная величина довольно велика, в современных электрических схемах почаще используются микро- и пикофарады.

Огромные емкости употребляются исключительно в специфичных устройствах и расчетах. Соответственно, приставки «микро и пико» равны 1*10 в -6 и -12 степенях.

Происходящие процессы просто обрисовать через электроемкость уединенного проводника.

Представим для себя проводник, находящийся в непроводящей ток среде, в какой отсутствуют наружные поля. Подключаем его к источнику тока. Часть электронов попадает в структуру материала, создавая лишний потенциал, другими словами, эти заряды при определенных критериях (сделать контур) могут выполнить работу.

Они распределяются по поверхности с определенной плотностью, которая находится в зависимости от пространственной конфигурации проводника и его размеров. Вокруг каждого точечного заряда существует электронное поле, которое оказывает воздействие на все другие участки проводника. Потенциал такового уединенного проводника находится в прямой зависимости от заряда.

Отношение данного заряда (q) к потенциалу (Fi) для рассматриваемого проводника постоянно, потому что зависит только от габаритов (размер, форма) и коэффициента диэлектрической проницаемости среды. В примере не напрасно указан конкретно уединенный проводник.

Совет

При наличии рядом с ним других тел, электронное поле единичных зарядов будет индуцировать в окружающих телах потенциал обратного знака, влияющий на итоговое значение (оно будет меньше).

Простой элемент, использующий характеристики копить электронный ток – это конденсатор. Он представляет собой два проводника, разбитых диэлектрическим материалом. Его особенность в том, что генерируемое электронное поле оказывается «связанным» меж обкладками (обратные участки проводников) и фактически не повлияет на окружающие тела, а, означает, потенциал на внешнюю работу не растрачивается.

https://www.youtube.com/watch?v=O70qxuNuU_w

Прирастить емкость можно несколькими способами:

  • уменьшить просвет меж обкладками. Нескончаемое уменьшение нереально, потому что может появиться пробой непроводящей среды, что приведет к потере заряда;
  • подобрать непроводящий материал с огромным сопротивлением пробою;
  • прирастить площадь обкладок. В целях сохранения применимых габаритов конденсатора нередко изменяют пространственное размещение обкладок. К примеру, два проводника скручивают в кольца, разбитые изолятором.

Источник: https://tipsboard.ru/chto-takoe-elektricheskaya-emkost/

Способ измерения электрической емкости и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе, измеряемой путем счета электронов.

Согласно способу постоянный электрический ток воспроизводят с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого конденсатора Сx и генератора линейно изменяющегося напряжения, а значение электрической емкости определяется по времени Δt, за которое разность напряжения между электродами конденсатора достигнет определенного уровня ΔU, количеству электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока за это время (при этом фиксируется каждый электрон, проходящий по цепи воспроизведения тока), и заряду электрона, эти значения подаются на персональный компьютер и им обрабатываются по формуле: Сx=e·f·Δt/ΔU, где: е – элементарный заряд электрона; f – измеряемая частота (число) электронов на выходе измерителя тока; Δt – время, за которое напряжение изменяется на величину ΔU; при этом измерение электрической емкости конденсатора происходит в условиях эксплуатации конденсатора при прохождении через него воспроизводимого постоянного тока. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе (в условиях эксплуатации измеряемого конденсатора) и расширении диапазона измерения емкости в сторону меньших значений, обеспечение возможности непосредственной регистрации заряда с дискретностью электрона. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости при работе ее на постоянном электрическом токе, определяемой через заряд электрона.

Конденсатор – это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конструктивно это «бутерброд» из двух проводников и диэлектрика, которым может быть вакуум, газ, жидкость, органическое или неорганическое твердое тело. Первые отечественные конденсаторы (стеклянные банки с дробью, обклеенные фольгой) делали в 1752 г. М. Ломоносов и Г. Рихтер.

Единица измерения электрической емкости в Международной системе единиц (СИ), называется фарад. Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

В Международную систему единиц (СИ) фарад введен решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году одновременно с принятием системы СИ в целом.

Фарад (Ф) – это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого повышается на 1 вольт при сообщении ему заряда в 1 кулон.

Обратите внимание

Электроемкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин Q к напряжению между ними U:

В то же время известна формула определения силы постоянного тока

откуда

и, определяя ток через заряд электрона i=e·f, получим:

Из уровня техники средства измерения емкости на постоянном электрическом токе непосредственно в соответствии с этой формулой не известны.

Измерение емкости конденсаторов в ответственных случаях должно осуществляться в условиях (при их использовании для воспроизведения постоянного тока), близких к эксплуатационным. Таким образом, например, емкости дифференцирующих конденсаторов, применяемых в мерах для воспроизведения постоянного электрического тока, необходимо измерять на постоянном токе.

Известны способы измерения емкости конденсаторов. Наиболее распространенными являются мостовой, резонансный, замещения, биений, метод амперметра и вольтметра и т.д. Общим недостатком измерения емкости конденсаторов являются трудность измерения емкости на постоянном токе и высокая погрешность на низкой частоте измерения.

Известен способ измерения электрической емкости [Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь, 1985, с. 203], основанный на измерении частоты сигнала генератора, в частотно-задающую цепь которого включена измеряемая емкость.

При этом значение измеряемой емкости определяется как функция частоты сигнала на выходе генератора.

Недостатками известного способа являются высокая погрешность измерения, связанная с нестабильностью частоты генератора и нелинейностью его характеристики, при этом чем ниже частота генератора, тем выше погрешность измерения, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе.

Наиболее точным способом измерения емкости является мостовой способ (см. там же с.

199), который основан на включении измеряемой емкости в состав одного из плеч измерительного моста, питаемого переменным током с последующим определением емкости по величине напряжения в измерительной диагонали моста.

Важно

Недостатками этого способа измерения также являются высокая погрешность измерения на низкой частоте, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе.

Так, например, высокоточный прецизионный мост переменного тока, АН 2700 А, на частоте 50 Гц при измерении емкости в диапазоне от 1×10-15 Ф (1 фФ) до 1×10-9 Ф (1 нФ), имеет погрешность ±(50-0,16) %, при измерении емкости 1×10-12 Ф (1 пФ) погрешность измерения емкости ±0,6% [описание высокоточного моста АН 2700 A, Andeen-Hager ling, США].

Консультативный комитет по электричеству и магнетизму принял рекомендацию Е1 (2007) о предлагаемых изменениях Международной системы единиц СИ и, в частности, действующего определения ампера. Предложен пример определения ампера:

– «ампер – это электрический ток, эквивалентного потока, точно равный 1/(1,60217653×10-19) элементарных зарядов в секунду (из этого следует, что данное определение фиксирует элементарный заряд как равный точно 1,60217653×10-19 А с)» [RECOMMENDATION Е 1 (2007): Proposed changes to the International System of Units (Sl). The Consultative Committee for Electricity and Magnetism (CCEM), CCEM/2007-44].

Основу формулировки данного определения составляют следующие факторы:

1) определение силы постоянного электрического тока как явления направленного движения электрических зарядов;

2) определение количественной характеристики этого явления – силы электрического тока – как величины, численно равной количеству заряда, протекающего через определенную поверхность в единицу времени;

3) дискретность заряда.

Благодаря развитию современных нанотехнологий появилась возможность измерять фарад путем счета электронов.

Для решения поставленной задачи во многих ведущих метрологических институтах проводятся работы по созданию криогенного эталона электрической емкости Скрио.

Источник: http://www.FindPatent.ru/patent/257/2577803.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector