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).

емкость конденсатора

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).

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

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).

устройтво плоского конденсатора и обозначение на схеме

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.

заряд конденсатора

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.

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.

ток конденсатора

Заряд 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.

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.

напряжение и ток конденсатора

Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.

Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:

формула тока конденсатора во время переходного периода
  • Ic - ток конденсатора
  • C - Емкость конденсатора
  • ΔVc/Δt – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени

Разряд конденсатора

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.

разряд конденсатора

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.

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.

формула тока конденсатора

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.

Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу τ (тау). За один τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять τ 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:

заряд конденсатора

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 - ɛ
параметры плоского конденсатора формула емкости конденсатора

Площадь пластин

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.

как расстояние расстояние между обкладками влияет на емкость конденсатора

Относительная диэлектрическая проницаемость

Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость ɛ. 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 диэлектрика 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.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Типы конденсаторов

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

КОММЕНТАРИИ:

Nicolay
писал: 2013-02-19
Супер! Очень подробно описано! Большое спасибо!!!
Viktor
писал: 2013-02-28
Полностью согласен.
Виктор
писал: 2013-03-24
Изложено просто и доходчиво. Простота - мать таланта. Браво!!!
Дмитрий
писал: 2013-04-02
Спасибо!!!
Дмитрий
писал: 2013-06-12
Первое толковое объяснение во все Рунете.
Саня
писал: 2013-08-05
Подробней, а главное понятнее ,чем в Википедии!
Валерий
писал: 2013-08-23
Ну наконец-то!!! Впервые в рунете появилась толковая и понятная статья о конденсаторах с рисунками! СПАСИБО!
Добрый
писал: 2013-09-06
Админу привет, А чего у тебя нет статьи про индукцию и катушки? Это на мой взгляд важнее чем типы конденсаторов... с уважением, Не злой.
Админ
писал: 2013-09-06
Доброму привет ) В ближайшее время должна появится статья про индукцию и катушки.
Вадим
писал: 2013-10-03
Спасибо большое, написано просто и доходчиво. Правда в разделе "разряд конденсатора" думаю что стрелку движения зарядов надо развернуть, заряды движутся навстречу друг другу, встречаются в нагрузке и аннигилируют, тем самым вызывают нагрев сопротивления.
Админ
писал: 2013-10-05
Гм, насколько я знаю, принято считать и обозначать на схеме, что при разряде конденсатора через нагрузку, идет ток от положительно заряженной пластины к отрицательной. Поскольку направление тока на схеме обозначают обратным движению электронов, то на иллюстрации "разряд конденсатора" изображено движение электронов по направлению к положительно заряженной пластине.
водитель авто
писал: 2013-12-15
хорошая статья
Евгений
писал: 2013-12-20
Являюсь радиолюбителем с небольшим стажем. Опыта разработки схем нет, поэтому сий сайт очень помог в разборе параметров п/п приборов. Придешь в магазин радиодеталей, говоришь надо "любой диод" так на схеме указано, а тебя спрашивают про его максимальное напряжение??? Вот тут инфа с сайта и придет на помощь! Спасибо, действительно единственнопутевый сайт во всем рунете!
sovadisa
писал: 2013-12-21
Вот еще о конденсаторах здесь
sovadisa
писал: 2013-12-21
не показало ссылку :( вот здесь здесь http://mntc.livejournal.com/11944.html
Алексей электронщик
писал: 2014-02-19
Отлично! Спасибо. Алексей.
Тэди
писал: 2014-03-12
Не плохо, еще бы добавить "на пальцах" как кондер пропускает переменный ток, и чтобы люди поняли, привести до безобразия простой пример с количеством заряженных частиц в момент заряда разряда(условно конечно) Добавить про опережение тока по фазе.
Равиль
писал: 2014-03-19
Спасибо,большое очень помог,все подробно написано!!!
Андрей
писал: 2014-04-07
Большое спасибо. Очень интересно и познавательно.
Дмитрий
писал: 2014-05-04
Спасибо огромное, действительно первый толковый материал! Прошу автора продолжать в том же духе.
Sabina
писал: 2014-09-13
Klassno!Spasibo bolshoe!

Добавить комментарий:

Ваше имя:
Ваш E-mail:
Ваш комментарий:
Введите сумму чисел с картинки (защита от роботов):