Как проверить емкость конденсатора
Если фабричные обозначения отсутствуют или повреждены, узнать номинал можно с помощью мультиметра в соответствующем режиме измерений.
На рисунке показан соответствующий диапазон положений переключателя типичного прибора
Проверять емкость можно по соотношению C =q/U с применением баллистического гальванометра. Этот специализированный прибор показывает заряд, проходящий через рабочую рамку. Аналогичное измерение не получится выполнить с применением серийного миллиамперметра, в котором привод стрелки обладает меньшей инерционностью. Для сравнения можно взять эталонный конденсатор с известной емкостью.
Проверка путём измерения времени зарядки
Вычислить емкость можно после преобразования рассмотренной выше формулы для таймера:
С = t/(In (1-U (t)/ (Uип – Uн) * R).
Для упрощенных расчетов надо запомнить, что за время t = C * 3R при подключении к источнику постоянного тока напряжение на выводах конденсатора увеличится до 95% от Uип. Соответственно, C = t/3R.
Измерение ёмкостного сопротивления
В частотно-зависимых цепях пригодится формула емкостного (Хс) сопротивления Xc = ½ * π * f *C, где f частота сигнала в цепи.
Проверка исправности тестером
Для уточнения исправности детали достаточно применить «прозвонку» или тестер. Токопроводящая цепь фиксируется в процессе заряда.
Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.
С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:
Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?
Свободные электроны с первой обкладки конденсатора устремятся к положительному полюсу источника. Из-за этого на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц, и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора. В результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную разность потенциалов. Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока. После этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.
При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:
В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.
Как видите, здесь нет ничего сложного
Электрическое поле в диэлектрике
Если конденсатор НЕ подключен к источнику питания, заряд Q = CV на его крышках будет оставаться постоянным независимо от того, помещен ли диэлектрик между ними. Если мы обозначим C и E соответственно, емкость пустого конденсатора и значение электрического поля между его крышками, а C и E аналогичные значения для конденсатора, заполненного диэлектриком, мы можем записать
Отсюда и на основании определения диэлектрической проницаемости ε получаем
Таким образом, видно, что напряженность поля в диэлектрике в ε раз меньше, чем в вакууме.
Это соотношение является общим и применяется в каждом фиксированном поле E, независимо от его источника.
Плотность энергии электрического поля в диэлектрике
Плотность энергии электрического поля E в диэлектрике в ε раз больше, чем в вакууме, и равна
Используя выражение зависимости от плотности энергии, мы можем записать в компактном векторном виде
Это выражение всегда применимо, в том числе и для кристаллов, где векторы E и D обычно не параллельны друг другу.
1. Вставка и снятие диэлектрика с крышек конденсатора с постоянной суммарной нагрузкой, как на чертеже, вызывает передачу нагрузки от одного конденсатора к другому. Лампочка может светить.
2. Плотность заряда на крышке конденсатора, частично заполненного диэлектриком, не постоянна.
Гауссовский обобщенный закон
Описывая кулоновскую силу между точечными зарядами в диэлектрике, электрическая проницаемость вакуума умножалась на диэлектрическую проницаемость и вместо ε мы использовали произведение ε ε. Мы можем обобщить эту процедуру и применить ее к закону Гаусса, где центром, через который проникает поле, является не вакуум, а диэлектрик. Тогда мы знаем закон Гаусса
мы сможем написать в форме
мы получим окончательную форму обобщенного закона Гаусса
Закон Гаусса в таком виде применяется в вакууме, где ε = 1, и в диэлектриках. Заряд Q в этом уравнении, как и прежде, представляет собой результирующий заряд, содержащийся внутри замкнутой поверхности, после чего происходит интегрирование.
В конденсаторе с диэлектриком результирующий заряд представляет собой разницу между нагрузкой, накопленной на крышке q1 = σA, и поляризационным зарядом (с противоположным знаком), индуцированным в диэлектрике поверхностного слоя q2 = -σ и A. Если мы используем закон Гаусса для этой структуры, то мы предполагаем, что заряды они накапливаются на соседних поверхностях крышки и диэлектрика, и это поле не выходит за пределы крышек конденсатора. Естественным выбором гауссовой поверхности, после которой мы интегрируем поток, является прямоугольная призма или поверхность цилиндра. Основание прямоугольной призмы А параллельно поверхности крышки. Одна база находится снаружи крышки (там, где нет поля), а другая находится внутри диэлектрика.
Закон Гаусса в представленной выше форме является одним из четырех уравнений Максвелла, описывающих все электрические, магнитные и оптические явления. Уравнения Максвелла являются фундаментальными законами электродинамики, и ни одно из них не может быть выведено из более простых законов. Если бы существовали еще более фундаментальные права, они, безусловно, были бы представлены здесь. Эти уравнения являются результатом творческого вдохновения, просвещения их создателей Гаусса, Фарадея и Ампера. Максвелл представил им гениальную концепцию «тока смещения», о которой мы поговорим чуть позже, которая позволила унифицировать структуру этих уравнений и распространить их на случай электромагнитных и, следовательно, световых волн.
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.
Емкость и энергия конденсатора.
Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора. Это физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора q одного из проводников к разности потенциалов между проводниками:
C = \frac{q}{\Delta\varphi} = \frac{q}{U}
Емкость конденсатора изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). А поскольку мы уже вывели формулу для расчета напряженности, то давайте выразим напряжение на конденсаторе следующим образом:
U = Ed = \frac{qd}{\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}
Здесь у нас d – это расстояние между пластинами конденсатора, а q – заряд конденсатора. Подставим эту формулу в выражение для емкости:
C = \frac{q\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}{qd} = \frac{\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}{d}
Если в качестве диэлектрика у нас выступает воздух, то во всех формулах можно подставить \varepsilon = 1.
Для запасенной энергии конденсатора справедливы следующие выражения:
W = \frac{CU^2}{2} = \frac{qU}{2} = \frac{q^2}{2C}
Помимо емкости конденсаторы характеризуются еще одним параметром, а именно величиной напряжения, которое может выдержать его диэлектрик. При слишком больших значениях напряжения электроны диэлектрика отрываются от атомов, и диэлектрик начинает проводить ток. Это явление называется пробоем конденсатора, и в результате обкладки оказываются замкнутыми друг с другом. Собственно, характеристикой, которая часто используется при работе с конденсаторами является не напряжение пробоя, а рабочее напряжение. Это такая величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.
Итак, мы сегодня рассмотрели основные свойства конденсаторов, их устройство и характеристики! Так что на этом заканчиваем статью, а в следующей мы будем обсуждать различные варианты соединений и маркировку. Не пропустите!
