Електрична ємність одна із основних понять електростатики. Цим терміном називають здатність накопичувати електричний заряд. Можна говорити про ємність відокремленого провідника, можна про ємність системи з двох або кількох провідників. Фізичні процеси у своїй відбуваються аналогічні.
Основні поняття, пов'язані з електроємністю
Якщо провідник отримав заряд q, на ньому з'являється потенціал φ. Цей потенціал залежить від геометрії та навколишнього середовища – для різних провідників та умов той самий заряд викличе різний потенціал. Але φ завжди пропорційний q:
- φ=Cq
Коефіцієнт і називається електричної ємністю. Якщо йдеться про систему з кількох провідників (зазвичай двох), то при повідомленні заряду одному провіднику (обкладці) виникає різниця потенціалів або напруга U:
- U=Cq, звідси З=U/q
Ємність можна визначити, як відношення різниці потенціалів до заряду, що викликав її. Одиницею виміру ємності в СІ служить Фарад (раніше говорили Фарада). 1 Ф = 1 В/1 Кл. Іншими словами, ємністю в 1 фарад має система, в якій при повідомленні заряду в 1 кулон виникає різниця потенціалів в 1 вольт. 1 Фарад – це дуже велике значення. Насправді найчастіше використовуються дробові значення – пикофарад, нанофарад, микрофарад.
На практиці таке з'єднання дозволяє отримати батарею, що витримує більшу напругу діелектрика пробою, ніж у одиничного елемента.
Розрахунок ємності конденсаторів
На практиці як елементи, що мають нормовану електричну ємність, найчастіше використовуються конденсатори, що складаються з двох плоских провідників (обкладок), розділених діелектриком. Формула для розрахунку електричної ємності подібного конденсатора виглядає так:
- C=(S/d)*ε*ε0
де:
- З - ємність, Ф;
- S – площа обкладок, кв.
- d – відстань між обкладками, м;
- ε0 – електрична стала, константа, 8,854*10−12 Ф/м;
- ε-електрична проникність діелектрика, безрозмірна величина.
Звідси легко зрозуміти, що ємність прямо пропорційна площі обкладок і обернено пропорційна відстані між провідниками. Також на ємність впливає матеріал, яким поділяються обкладки.
Щоб зрозуміти, як величини, що визначають ємність, впливають на здатність конденсатора накопичувати заряд, можна провести уявний експеримент створення конденсатора з максимально можливою ємністю.
- Можна спробувати збільшити площу обкладок. Це призведе до різкого зростання габаритів та ваги пристрою. Для зменшення розмірів обкладки з діелектриком, що їх розділяє, згортають (у трубочку, плоский брикет і т.п.).
- Інший шлях – зменшення відстані між обкладками. Дуже близько розмістити провідники не завжди вдається, оскільки шар діелектрика повинен витримувати певну різницю потенціалів між обкладками. Чим менша товщина, тим нижче електрична міцність ізоляційного проміжку. Якщо скористатися цим шляхом, настане момент, коли практичне застосування такого конденсатора стане безглуздим – він зможе працювати лише за вкрай низьких напруг.
- Збільшення електричної проникності діелектрика. Цей шлях залежить від розвитку технологій виробництва, що існують на даний момент.
- Ізолюючий матеріал повинен мати не тільки високе значення проникності, а й хороші діелектричні властивості, а також зберігати свої параметри в необхідному частотному інтервалі (зі зростанням частоти, на якій працює конденсатор, характеристики діелектрика знижуються).
У деяких спеціалізованих або дослідницьких установках можуть застосовуватись сферичні або циліндричні конденсатори.
Конструкція сферичного конденсатора
Ємність сферичного конденсатора може бути обчислена за формулою
- C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
де R - Радіуси сфер, а π = 3,14.
Конструкція циліндричного конденсатора
Для конденсатора циліндричної конструкції ємність розраховується як:
- C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l – висота циліндрів, а R1 та R2 – їх радіуси.
Принципово обидві формули не відрізняються від формули плоского конденсатора. Ємність завжди визначається лінійними розмірами обкладок, відстанню між ними та властивостями діелектрика.
Послідовне та паралельне з'єднання конденсаторів
Конденсатори можна з'єднувати послідовно чи паралельно, отримуючи набір із новими характеристиками.
Паралельне з'єднання
- U = U1 = U2 = U3;
- q=q1+q2+q3;
- C = C1 + C2 + C3.
Послідовне з'єднання
При послідовному з'єднанні заряди кожної ємності будуть однаковими:
- q1=q2=q3=q
Загальна напруга розподіляється пропорційно до ємностей конденсаторів:
- U1=q/C1;
- U2=q/C2;
- U3 = q / C3.
Якщо всі конденсатори однакові, то кожному падає рівну напругу. Загальна ємність знаходиться як:
- С=q/(U1+U2+U3), звідси 1/С=(U1+U2+U3)/q=1/С1+1/С2+1/С3.
Застосування конденсаторів у техніці
Логічно застосовувати конденсатори як накопичувачі електричної енергії. У цій якості вони не можуть конкурувати з електрохімічними джерелами (гальванічними батареями, конденсаторами) через невелику енергію, що запасається, і досить швидкого саморозряду через витік заряду через діелектрик. Але широко використовується їхня здатність накопичувати енергію протягом тривалого періоду, а потім практично миттєво віддавати її. Ця властивість використовується в лампах-спалахах для фотографії або лампах для збудження лазерів.
Велике поширення конденсатори набули в радіотехніці та електроніці. Ємності застосовуються у складі резонансних ланцюгів як один із частотозадаючих елементів контурів (іншим елементом служить індуктивність). Також використовується здатність конденсаторів не пропускати постійний струм, не затримуючи змінну складову. Таке застосування поширене для поділу підсилювальних каскадів, щоб унеможливити вплив режимів по постійному струму одного каскаду на інший. Конденсатори великої ємності використовуються як фільтри, що згладжують, в джерелах живлення. Також існує безліч інших застосувань конденсаторів, де їх властивості виявляються корисними.
Деякі практичні конструкції конденсаторів
Насправді застосовують різні конструкції плоских конденсаторів. Виконання приладу визначає його характеристики та сферу застосування.
Конденсатор змінної ємності
Поширений тип конденсаторів змінної ємності (КПЕ) складається з блоку рухомих та нерухомих пластин, розділених повітрям або твердим ізолятором. Рухливі пластини повертаються навколо осі, збільшуючи або зменшуючи площу перекривання. При виведенні рухомого блоку міжелектродний проміжок залишається незмінним, але середня відстань між пластинами також збільшується. Також незмінною залишається діелектрична проникність ізолятора. Місткість регулюється за рахунок зміни площі обкладок та середньої відстані між ними.
КПЕ в положенні максимальної (ліворуч) та мінімальної (праворуч) ємності
Оксидний конденсатор
Раніше такий конденсатор називався електролітичним. Він складається із двох смужок фольги, розділених паперовим діелектриком, просоченим електролітом. Перша смужка є однією обкладкою, другою обкладкою служить електроліт. Діелектриком є тонкий шар оксиду на одній із металевих смуг, а друга смуга служить струмозніманням.
За рахунок того, що шар оксиду дуже тонкий, а електроліт впритул прилягає до нього, стало можливим отримати досить великі ємності при помірних розмірах. Платою за це стала низька робоча напруга – шар оксиду не має високої електричної міцності. У разі збільшення робочої напруги доводиться значно збільшувати габарити конденсатора.
Інша проблема – оксид має односторонню провідність, тому такі ємності застосовують лише у ланцюгах постійного струму з дотриманням полярності.
Іоністор
Як показано вище, традиційні методи збільшення ємності конденсаторів мають природні обмеження. Тому справжнім проривом стало створення іоністорів.
Хоча цей прилад вважають проміжною ланкою між конденсатором і акумулятором, по суті своїй це все ж таки конденсатор.
Відстань між обкладками радикально скорочена завдяки використанню подвійного електричного шару. Обкладками є шари іонів, що мають протилежний заряд. Різко підвищити площу обкладок стало можливим завдяки спіненим пористим матеріалам. У результаті вдається отримати суперконденсатор ємністю до сотень фарад. Природжена хвороба таких пристроїв – низька робоча напруга (зазвичай близько 10 вольт).
Розвиток техніки не стоїть на місці - лампи з багатьох областей витіснені біполярними транзисторами, їх, у свою чергу, заміняють уніполярні тріоди. Індуктивності при розробці схем намагаються позбутися скрізь, де тільки можливо. А конденсатори своїх позицій не здають уже друге століття, їх конструкція принципово не змінилася з дня винаходу лейденської банки, і перспективи завершення їхньої кар'єри не спостерігаються.
СХОЖІ СТАТТІ:
- Що таке конденсатор, де застосовується і для чого потрібний
- Що таке діелектрична проникність
- Визначення ємності послідовно або паралельно з'єднаних конденсаторів - формула