Kondenzátory • Stupeň 8 • Fyzika

Pokud má těleso nějaký elektrický náboj, pak je kolem něj nutně elektrické pole. Toto pole má nějaké energie – může dělat nějakou práci.

Je možné tuto energii nějak akumulovat? Ano, taková možnost existuje. K tomuto účelu se používá speciální zařízení – k.

Kondenzátor je zařízení, které umožňuje akumulovat elektrické náboje, a tedy i energii elektrického pole.

V této lekci se seznámíte se strukturou tohoto zařízení, jeho charakteristikami a vlastnostmi.

Nejjednodušší kondenzátor a jeho struktura

Struktura nejjednoduššího kondenzátoru je znázorněna na obrázku 1. Skládá se ze dvou stejných kovových desek. Tyto desky se nazývají obložení kondenzátor.

Desky jsou umístěny v krátké vzdálenosti od sebe. Tato mezera mezi nimi musí být vyplněna dielektrická vrstva. V našem případě je takovým dielektrikem obyčejný vzduch.

Takový kondenzátor se nazývá byt (podle tvaru krytů).

Kondenzátor má svůj vlastní symbol pro označení na schématu elektrického obvodu (obrázek 2).

Nabíjení kondenzátoru a jeho schopnost akumulovat náboje

Nyní pojďme zjistit, jak můžeme akumulovat náboje pomocí kondenzátoru.

Zvažme jednoduchý experiment. Vezměme si kondenzátor, který se skládá ze dvou kovových desek umístěných paralelně k sobě, a nabité baterie.

Dvě desky kondenzátoru připojíme k různým pólům baterie. Na deskách se začnou tvořit elektrické náboje (obrázek 3). Budou si navzájem rovni, ale budou mít opačná znaménka.

Tyto náboje tvoří elektrické pole kondenzátoru. Bude se koncentrovat mezi pláty.

Odpojte baterii od kondenzátoru. co uvidíme? Náboje vytvořené na deskách nezmizí. Jsou zachovány, stejně jako elektrické pole mezi deskami. Kondenzátor je nabitý.

Spojíme-li desky kondenzátoru s vodičem, uvidíme, že jím bude nějakou dobu protékat proud. Prostředek, nabitý kondenzátor je zdrojem proudu v elektrickém obvodu.

Kapacita kondenzátoru

Je logické předpokládat, že různé kondenzátory budou akumulovat náboj různými způsoby. Jak charakterizovat tuto schopnost zařízení? To má zvláštní hodnotu – elektrická kapacita (nebo jednoduše kapacita) kondenzátoru.

Abyste pochopili význam této hodnoty, zvažte zkušenost. Vezmeme dvě kovové desky a nainstalujeme je na izolované stojany naproti sobě.

K deskám připojíme elektroměr. Toto zařízení (obrázek 4) je svou konstrukcí a principem činnosti podobné elektroskopu. Umožní nám zaznamenat hodnoty napětí, které vzniknou mezi deskami.

Připojíme tedy jednu z desek (A) drátem k tyči elektroměru a druhou (B) připojíme k tělu zařízení (uzemníme). Dotkněte se vnější strany desky A pozitivně elektrizovanou skleněnou tyčinkou (obrázek 5).

Dali jsme desce A kladný náboj $+q$. Kolem tohoto náboje (deska A) je nyní elektrické pole. Pod jeho vlivem dojde v desce B k redistribuci nábojů. Záporné náboje se přesunou na vnitřní stranu desky a kladné náboje na vnější stranu.

Pamatujete si, že jsme uzemnili desku B? Díky tomu půjdou volné elektrony ze země na desku. Neutralizují kladný náboj na vnější straně desky. Na desce B jsme tedy obdrželi záporný náboj $-q$ (obrázek 6). Velikostí se rovná náboji na druhé desce.

Ručička elektroměru se vychýlila. Upravme tuto hodnotu napětí mezi deskami. Dále opět předáme desce B náboj, který se rovná velikosti prvního náboje. Poté oznámíme třetí a čtvrtý podobný náboj, pozorujeme-li ručičku elektroměru.

Uvidíte, že když se náboj zvýší 2, 3, 4krát, hodnoty elektroměru – napětí mezi deskami – se zvýší 2, 3, 4krát. Je důležité si toho uvědomit Poměr náboje k napětí bude konstantní:
$frac = frac = frac = frac = const$.

Nyní můžeme definovat elektrická kapacita kondenzátor.

Elektrická kapacita kondenzátoru je veličina měřená poměrem náboje na jedné z desek kondenzátoru k napětí mezi deskami:
$C = frac$.

Jednotky elektrické kapacity

V SI se elektrická kapacita měří v farads ($F$).

Elektrická kapacita kondenzátoru je rovna jedné, když při náboji $1 space C$ vznikne napětí rovné $1 space V$ (obrázek 7):
$1 mezera Ф = frac$.

Tato jednotka měření je pojmenována po anglickém fyzikovi Michael Faraday (obrázek 8).

Kapacita 1$ prostoru Ф$ je velmi velká, takže v praxi se často používají dílčí jednotky: mikrofarad ($uF$) a pikofarad ($pF$).

Závislost elektrické kapacity na ploše desek kondenzátoru

Na čem závisí elektrická kapacita? Začneme velikostí plátů.

Upravme hodnotu napětí $U_1$ získanou v prvním experimentu s elektrometrem a kondenzátorem. Nyní si vezmeme talíře, které mají velkou plochu. Dejme jim přesně stejný poplatek $q$ (obrázek 9).

Uvidíme, že se ručička elektroměru vychyluje méně. To znamená, že napětí mezi těmito deskami je menší než napětí mezi deskami o menší ploše ($U_1 > U_2$).

Z definice elektrické kapacity:
$C_1 = frac$,
$C_2 = frac$,
$C_2 > C_1$.

Čím větší je plocha desek, tím větší je elektrická kapacita kondenzátoru.

Závislost elektrické kapacity na vzdálenosti mezi deskami kondenzátoru

Vraťme se znovu ke zkušenosti. Nyní se pojďme změnit vzdálenost mezi deskami — snižme to (obrázek 10).

To uvidíme napětí mezi deskami se snížilo: $U_2 < U_1$. Prostředek,
$C_1 = frac$,
$C_2 = frac$,
$C_2 > C_1$.

Když se vzdálenost mezi deskami kondenzátoru zmenšuje a náboj zůstává konstantní, elektrická kapacita kondenzátoru se zvyšuje.

Závislost elektrické kapacity na dielektriku

Udělejme ještě jeden experiment. Upravme hodnotu napětí mezi deskami kondenzátoru. Pak Mezi ně dáme plát plexiskla (Obrázek 11). Je to dielektrikum.

Jestliže dříve byl dielektrikem mezi deskami pouze vzduch, nyní je to vzduch i deska plexiskla. Napětí mezi deskami se snížilo: $U_1 > U_2$. Prostředek,
$C_1 = frac$,
$C_2 = frac$,
$C_2 > C_1$.

Přidáním dielektrika se zvýší elektrická kapacita kondenzátoru.

Typy kondenzátorů

Mezi desky kondenzátoru lze umístit různá dielektrika. V závislosti na povaze tohoto dielektrika jsou kondenzátory rozděleny do několika typů: s pevným, kapalným a plynným dielektrikem.

Existuje také klasifikace podle tvaru krytin. Jsou tam kondenzátory ploché, válcové, kulovité (obrázek 12) atd.

Kondenzátory jsou dodávány s stálá kapacita a variabilní kapacita. V tom druhém můžete upravit parametry, na kterých závisí kapacita – šířka desek a vzdálenost mezi nimi.

V současné době existuje velké množství různých kondenzátorů (obrázek 13). Mnohé z nich mají názvy odvozené od názvů materiálů, které je tvoří: slída, keramika, hliníkové elektrolytické, tantalové elektrolytické, polymerové filmové kondenzátory.

Kde se tato energie vzala? Kondenzátor jej přijímá při nabíjení.

Aby bylo možné nabít kondenzátor, je třeba oddělit záporné a kladné náboje. Podle zákona zachování energie bude dokonalá práce A rovna energii kondenzátoru E:
$A = E$.

Pro výpočet takové práce elektrického pole kondenzátoru existuje speciální vzorec.

Během procesu vybíjení napětí neustále klesá, takže pro výpočty potřebujeme znát jeho průměrnou hodnotu:
$U_ = frac$.

Ze vzorce pro elektrickou kapacitu:
$C = frac$,
$q = CU$.

Pojďme to dát do vzorce, aby to fungovalo:
$A = frac = frac = frac$.

Podle zákona zachování energie bude tato práce rovna energii kondenzátoru $W$.

K akumulaci energie kondenzátorem často dochází po poměrně dlouhou dobu. Při vybití se tato energie uvolňuje téměř okamžitě.

Tato vlastnost (akumulace energie a její rychlé uvolňování) je široce využívána v různých elektronických zařízeních, lékařských zařízeních (rentgenové, elektroléčebné přístroje), při výrobě dozimetrů a fotografování.

Sériové zapojení kondenzátorů

V elektrickém obvodu nemusí být jeden, ale několik kondenzátorů. Mohou být zapojeny buď sériově nebo paralelně.

Uvažujme první typ připojení – sériové (obrázek 15).

Desky 2 a 3, patřící různým kondenzátorům, budou samostatnou částí. Podle zákona zachování náboje budou náboje na deskách 2 a 3 stejné velikosti, ale opačného znaménka. Z toho vyplývá, že celkový náboj kondenzátorů bude číselně roven náboji na kterékoli z desek kondenzátoru.

Napětí na koncích části obvodu s kondenzátory zapojenými do série bude součtem hodnot napětí na každém kondenzátoru.

Abychom získali vzorec pro celkovou kapacitu kondenzátorů, musí se poslední rovnost vydělit nábojem q (jakýkoli náboj, protože jsou stejné).

Paralelní zapojení kondenzátorů

Paralelní zapojení kondenzátorů je na obrázku 16.

V tomto případě výstupy z napájecího zdroje budou připojeny ke každé desce kondenzátoru. Proto se napětí na koncích takového úseku obvodu bude rovnat napětí mezi deskami kteréhokoli z kondenzátorů.

Poplatky na štítcích budou sečteny.

Vydělme tuto rovnost hodnotou napětí a získáme vzorec pro elektrickou kapacitu paralelně zapojených kondenzátorů.

$C = C_1 + C_2 + … + C_n$

První kondenzátor je Leydenská nádoba

Leydenská nádoba je oficiálně prvním kondenzátorem. Jeho vynález se datuje do roku 1745. Existuje mnoho verzí o tom, kdo přesně by měl být považován za vynálezce tohoto zařízení, ale oficiálně patří autorství Pieteru van Musschenbroekovi a jeho studentovi Andreasi Kuneusovi.

V dřívější verzi byla Leydenská nádoba částečně naplněna vodou, která fungovala jako obložení (obrázek 17). Druhým krytem byla ruka držící sklenici. Po nabití tohoto zařízení Andreas Kunaeus zažil silný elektrický šok, když se dotkl horní části kovové tyče.

Pozdější a běžnější verzí tohoto jednoduchého zařízení je skleněná nádoba se širokým hrdlem, z vnější strany pokrytá fólií (obrázek 18). Fólie je také uvnitř sklenice. Do této nádoby je přes zátku vložena kovová tyč. Měl by se dotýkat fólie uvnitř sklenice.

Fólie uvnitř a fólie vně se tak stávají jakousi podšívkou. Při připojení ke zdroji proudu se na nich hromadí elektrický náboj.

Pozor! Leydenská nádoba není bezpečné elektrické nářadí! Vybití takového kondenzátoru může být smrtelné nebo způsobit vážné fyzické zranění. Při používání tohoto zařízení buďte opatrní: nepokoušejte se vybít Leydenskou nádobu tím, že s ní manipulujete holýma rukama.

Jak vyrobit Leydenskou sklenici vlastníma rukama? Vezměte plastovou nádobu s víčkem (od kávy, vitamínů). Zakryjte vnější stranu sklenice $frac$ fólií. Dále do sklenice buď nalijte osolenou vodu, nebo vnitřek zakryjte fólií. Poté zavřete víko a propíchněte ho hřebíkem tak dlouhým, aby se dotýkal vnitřní výstelky (voda nebo fólie). Po nabití taková banka představuje nabitý kondenzátor.

Cvičení

Cvičení č. 1

Desky kondenzátoru s paralelními deskami jsou připojeny ke zdroji napětí $220 prostoru V$. Kapacita kondenzátoru je $1.5 cdot 10^ prostor uF$. Jaký bude náboj na kondenzátoru?

Vzhledem k:
$C = 1.5 cdot 10^ mezera uF$
$U = 220 prostor В$

SI:
$С = 1.5 cdot 10^ mezera Ф$

Podívejte se na řešení a odpověď

řešení:

Vzorec pro výpočet elektrické kapacity kondenzátoru:
$C = frac$.

Vyjádřeme zde náboj kondenzátoru a vypočítejme jej:
$q = CU$,
$q = 1.5 cdot 10^ mezera F cdot 220 mezera B = 33 cdot 10^ mezera Cl$.

Odpověď: $q = 33 cdot 10^ mezera Cl$.

Cvičení č. 2

Náboj plochého kondenzátoru je 2.7 $ cdot 10^ prostor C$, jeho kapacita je 0.01 $ prostor uF$. Najděte napětí mezi deskami kondenzátoru.

Vzhledem k:
$C = 0.01 mezera uF$
$q = 2.7 cdot 10^ mezera Cl$

SI:
$C = 10^ mezera Ф$

Ukaž řešení a odpověz

řešení:

Vzorec pro výpočet elektrické kapacity kondenzátoru:
$C = frac$.

Vyjádřeme odtud napětí mezi deskami kondenzátoru a vypočítejme ho:
$U = frac$,
$U = frac mezera Кл> mezera Ф> = 2.7 cdot 10^6 mezera В$.

Odpověď: $U = 2.7 cdot 10^6 mezera В$.

Dnes se dotkneme tématu zařízení pro ukládání náboje zvaných kondenzátory.

Kondenzátor — pasivní elektronická součástka sestávající ze dvou pólů, která akumuluje náboj.

Elektrická kapacita — je poměr elektrického náboje k rozdílu potenciálů mezi póly kondenzátoru (nebo jiné elektronické součástky). Jednotka měření: Farad a jeho deriváty (picofarad, nanofarad, mikrofarad). Kapacita je označena latinským písmenem C.

Již jsme diskutovali, že proud je rychlost pohybu náboje a napětí je rozdíl potenciálů. Vždy se nám hodí kreslit nějaké paralely, takže napětí je spojeno s rozdílem tlaku v kapalině nebo plynu a proud je spojen s objemovou rychlostí kapaliny nebo plynu. Kondenzátor si proto lze představit jako nádobu, která je naplněna kapalinou nebo plynem o tlaku, který je vyšší než v nádobě. Nádoba bude pokračovat v plnění, dokud se přívodní tlak nevyrovná tlaku v nádobě. Takto funguje kondenzátor: jak se plní nábojem, napětí se zvyšuje. Čím blíže je napětí v kondenzátoru napětí nabíjecího zdroje, tím pomalejší bude rychlost nabíjení. Je to podobné jako s plněním nádoby. Pokud naplníme nádobu a poté otevřeme její kohoutek, proud začne unikat, čímž se sníží množství náboje a sníží se napětí.

Pokud si představíte drát nebo rezistor jako trubku a kondenzátor jako nádobu, mnohé se stane intuitivní. No, je snazší pochopit reaktivní odpory, o kterých jsme mluvili dříve. Ale musíte pochopit, že nádoba je nádoba a kondenzátor je kondenzátor=)

Takže ve své nejjednodušší podobě jsou kondenzátorem dvě paralelní desky s dielektrikem mezi nimi. Nejjednodušším dielektrikem je vzduch. Samozřejmě, že dnes už vzduchové kondenzátory nenajdete, ale před pár lety jsem pro sestavení rádiového přijímače použil variabilní vzduchový kondenzátor=) Pravda, tento kondenzátor měl mnohem více desek než dvě a vypadal asi takto:

Otáčením kliky bylo možné měnit hodnotu elektrické kapacity.

Zde, a takto je obvykle reprezentován nejjednodušší kondenzátor:

V případě takového kondenzátoru se kapacita vypočítá takto:

Dnes existuje obrovské množství kondenzátorů. Nejoblíbenější jsou keramické, elektrolytické a tantalové. Rozdíl mezi posledními dvěma je v tom, že jsou polární a důrazně nedoporučuji je zařazovat do obvodu s obrácenou polaritou=)

Hlavní parametry kondenzátoru jsou:
— elektrická kapacita,
— maximální přípustné napětí na jeho deskách (důležitý parametr, při použití vyššího napětí můžete pozorovat mnoho vtipných, ale extrémně nebezpečných efektů:-), zejména na velkokapacitních kondenzátorech),
— Polarita (tj. polární nebo nepolární),
— přípustné odchylky od hodnoty jmenovité kapacity (obvykle v procentech),
— rozsah provozních teplot,
— Typ těla.

Polarita, tolerance a teplotní rozsah jsou přímo závislé na použitém dielektriku. Kondenzátory s velkou kapacitou jsou zpravidla elektrolytické, tj. elektrolyt jako dielektrikum. A elektrolytické kondenzátory jsou z hlediska fyziky svých procesů velmi podobné známým olověným bateriím a podobně mají polaritu, což vede k určitým omezením. Navíc mají tendenci vysychat. A jsou častou příčinou poruch domácí a průmyslové elektroniky, v důsledku čehož trpí i ostatní komponenty. Elektrolytické kondenzátory vypadají takto:

Tantalové kondenzátory měly kdysi nahradit elektrolytické, ale také mají řadu omezení a nikdy nedosáhly slušných kapacit. Kromě toho explodují neméně vesele=) Vypadají takto:

Spěchám vás potěšit, že vývoj elektroniky nestojí na místě a dnes je docela možné pořídit běžné keramické kondenzátory s kapacitou srovnatelnou s tantalem a některé dosahují kapacity 330 μF s povoleným napětím 4 V. A to vše v malém pouzdru na čip 1206!
Mimochodem, rozměry pouzder hlavního čipového kondenzátoru:

No, ne všechny kondenzátory jsou v čipech, takže existují také výstupní kondenzátory:

Důvodem tohoto průlomu je vynikající dielektrikum s kódovým označením X5R. 330 μF při 4V samozřejmě není mnoho. Ale pro vysoká napětí dosáhly kapacity také působivých hodnot – pro stejných 16V není problém najít 100 μF, pro 25V – 22 μF, pro 35-50V zatím ne více než 10 μF. V mnoha a mnoha elektronických aplikacích je však možné odstranit elektrolyty a tantaly.

Vraťme se k hlavním vlastnostem. Pokud se podíváme hlouběji, existuje mnohem více parametrů kondenzátorů:
— teplotní závislost parametrů,
— Vstupní odpor (ESR),
– vnitřní odpor,
— Doba mezi poruchami (velmi zajímavý parametr, který by mohl být předmětem celého článku),
– mnoho dalších.

Nevidím smysl zde popisovat všechny detaily, protože tyto parametry jsou důležité pro ty, kteří se elektronikou hluboce zabývají. Přesto jsem považoval za důležité je zmínit. Každý, kdo se chce podívat, se může pohrabat na webu.

Kromě výše zmíněných kondenzátorů je třeba říci něco málo o filmových kondenzátorech. Vypadají takto:

Jejich hlavním rozdílem od předchozích je jejich úžasná spolehlivost a schopnost pracovat v silových obvodech, zejména v obvodech vysokého napětí.

Snad pro dnešek postačí stručný přehled. O použití kondenzátorů si povíme v následujících článcích.

V předchozím článku jsem psal, ale zde vám připomenu, že kondenzátory na schématech jsou označeny takto:

To je zatím vše ;)
Pokračování =)
___________________________________________________________________________