Электрическая емкость, конденсатор

    Электрическая емкость. Конденсатор

    Тот факт, что электрическое   поле заряда имеет силу,  которая   может   отталкивать или притягивать электроны, означает, что заряд может индуктировать (наводить) излишек или недостаток электронов в любом материале, помещенном в электрическом поле. Например, электроны диэлектрика в поле между зарядами, показанными на рис. 1, сдвигаются вниз. Верхняя часть диэлектрика заряжается положительно из-за недостатка электронов по сравнению с нижней частью, где их избыток. Образуется индуктированный заряд вследствие электрической индукции, которая соответствует электромагнитной индукции магнитного поля.

    

Рис. 1. Влияние электрического поля на диэлектрик 

    Смещение  электронных орбит в диэлектрике аналогично смещению молекулярных магнитиков в магнитном   материале   под  действием магнитного поля. Структура диэлектрика деформируется     электрическим полем.

    Всякое  тело можно зарядить только до определенного  потенциала. При повышении потенциала сверх предельного будет происходить разряд. Различные тела вмещают различное количество электричества, другими словами, обладают неодинаковой электрической емкостью.

    Способность тела накапливать электрические заряды с одновременным повышением потенциала до определенного уровня называется электрической емкостью или просто емкостью.

    Для    получения    необходимых     емкостей электротехнике применяют электрические конденсаторы. Принцип их действия   основан на использовании явления   электростатической   индукции

    Простейший  конденсатор образуют две металлические пластины, изолированные одна от другой (рис. 2, а).

    Если  одну  пластину зарядить  положительно,   а   другую — отрицательно, то разноименные     заряды,    притягиваясь друг   к  другу,   будут   удерживаться  на пластинах - «запасаться».    Конденсатор способен запасать  на  своих   пластинах большое количество электричества, т. е, может служить накопителем

    

    Рис.   2.   Конденсатор:

    а-схематическое   устройство простейшего конденсатора; б - условное обозначение конденсатора

электрической энергии.

    Чаще  всего пластины конденсатора называют обкладками, а изолирующий слой –  диэлектриком. Обкладки обычно изготовляют  из алюминия, латуни, станиоля. В качестве диэлектрика используют слюду, воздух, бумагу, масло, парафин.

    Фарада 

    Количество  электричества   в   конденсаторе можно сравнить   с   количеством   жидкости в сосуде. Последнее зависит от объема сосуда и от уровня, до которого жидкость налита: чем  больше  объем и чем выше уровень, тем больше жидкости. Точно так же, чем больше емкость конденсатора и  чем  выше потенциал, до которого он заряжен, тем большее количество электричества в нем запасено:

                                                    Q=CU,                                      (1)

    где Q —заряд, запасенный в конденсаторе;

          С — емкость конденсатора, т. е. величина, показывающая, какой заряд может быть накоплен при данном напряжении;

          U—приложенное напряжение.

    Единицей  емкости является фарада. Емкость конденсатора равна 1 фараде, если заряд в 1 кулон повышает его потенциал на 1 вольт.

    При большем напряжении заряда электрическое  поле сильнее, поэтому в конденсаторе накапливается больше электричества, т. е. величина заряда Q, запасаемого в конденсаторе, пропорциональна приложенному напряжению U.

    Так как емкость в одну  фараду очень велика,  то  обычно используются   меньшие  единицы:    микрофарада — миллионная часть фарады   (сокращенно обозначается  мкф);  пикофарада   (микромикрофарада) — миллионная    часть    микрофарады (сокращенно обозначается пф).

    Типичные  величины практических емкостей —  от сотен микрофарад до нескольких пикофарад.

    Емкость конденсатора зависит:

    - от размеров проводящих обкладок (чем они больше, тем больше емкость);

    - от расстояния между обкладками   или толщины   диэлектрика (чем тоньше диэлектрик, тем больше емкость);

    - от вещества диэлектрика (электрической проницаемости). 

    Площадь   пластин

     
Если площадь каждой пластины увеличить в два раза,   то   во   столько же возрастает заряд конденсатора при одной и той же разности потенциалов. При больших пластинах увеличивается площадь соприкосновения с ними диэлектрика, следовательно, через него проходит больше силовых линий электрического поля, а значит, поле может создать больший заряд. Таким образом, емкость конденсатора (накапливаемый им заряд) увеличивается прямо пропорционально размерам его пластин. 

    Толщина диэлектрика 

    Если  расстояние между пластинами уменьшить в два раза, во столько же увеличится заряд конденсатора при одной и той же разности потенциалов. Это объясняется тем, что, чем меньше расстояние между пластинами, тем больше взаимное влияние между зарядами, что позволяет сосредоточить на пластинах большее количество электричества, т. е. увеличить емкость   конденсатора. 

    Электрическая проницаемость  

    Электрическая проницаемость (в литературе встречается диэлектрическая проницаемость, что одно и то же) характеризует способность диэлектрика концентрировать электрическое поле. Она показывает, во сколько раз увеличится емкость конденсатора, если воздушный диэлектрик заменить другим. Численно величина электрической проницаемости определяется отношением электрического поля в диэлектрике к электрическому полю в воздухе или вакууме. Электрическая проницаемость воздуха или вакуума, равная единице, берется за исходную. Слюда, например, имеет среднюю электрическую проницаемость, равную 6; это означает, что при использовании слюды поток электрического поля в 6 раз больше, чем при использовании воздуха.

    В любом диэлектрике под действием  напряжения на обкладках конденсатора происходит поляризация, т. е. смещение электронных орбит атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины. Вследствие этого заряд частично нейтрализуется. При одном и том же напряжении число заря и на обкладках увеличивается, а это равносильно увеличению емкости.

    Электрическая проницаемость обозначается буквой ε (эпсилон).

    Ниже  приводится  электрическая  проницаемость   некоторых диэлектриков:

    Воздух   или вакуум        1

    Керамика  ……………………….       80—1200

    Стекло…………….       5,5—10

    Слюда        3—8

    Нефть        3—5

    Бумага       2—6

    Резина         2—4

    Электрокартон       2,5—4

    Величина   электрической  проницаемости  зависит  от температуры, давления   и   влажности.   Меньше   всего   изменяется ε слюды, поэтому слюду применяют в качестве диэлектрика для изготовления точных конденсаторов. 

    Диэлектрическая прочность  

    Диэлектрическая прочность выражает способность   диэлектрика   выдерживать   определенную   разность   потенциалов без  пробоя конденсатора. Каждый конденсатор рассчитан на определенное напряжение, которое называется рабочим (номинальным). При превышении рабочего напряжения может произойти пробой диэлектрика, обкладки конденсатора замкнутся накоротко и конденсатор выйдет из строя.

    Физический  смысл явления пробоя диэлектрика заключается в том, что силы электрического поля, действующие на электроны, не только смещают их, но и вырывают из атома, после чего диэлектрик становится проводящим электрический ток. Та напряженность поля, которую диэлектрик выдерживает до пробоя, служит мерой его диэлектрической прочности. Например, для пробоя воздушного зазора в 1см нужно приложить к нему напряжение около 30 кв, для пробоя пластинки слюды толщиной 1см требуется напряжение 1500 кв.

    Условное обозначение конденсатора приведено на рис. 2,б. 

    Типы  конденсаторов 

    В зависимости от вида диэлектрика  конденсаторы делятся на воздушные, с твердым диэлектриком и с жидким диэлектриком. Кроме того, конденсаторы бывают постоянной и переменной емкости.

    На  рис. 3 изображен конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком. Он состоит из нескольких неподвижных металлических пластин (статора), электрически соединенных между собой, и нескольких подвижных пластин (ротора), укрепленных на оси. При повороте ручки подвижные пластины входят между неподвижными или выходят из них. При этом меняется площадь перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.

    

Рис. 3. Конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком 

    На  рис. 4 изображены керамические, слюдяные, бумажные и металлобумажные конденсаторы постоянной емкости.

    В керамических конденсаторах (рис. 4, а) диэлектриком служит керамика с высокой электрической проницаемостью. С каждой стороны диэлектрика имеется по одному слою серебра. Эти два слоя являются обкладками конденсатора. Емкость этих конденсаторов от нескольких единиц до тысяч  пикофарад.

Слюдяные  конденсаторы (рис. 4, б) имеют емкость  от единиц до десятков тысяч пикофарад, бумажные (рис. 4, в) — от 0,01 до 10 мкф, металлобумажные (рис. 4, г) прямоугольной формы —0,1—30   мкф,   а   цилиндрической — 0,025—1  мкф.   Размеры металлобумажных конденсаторов значительно меньше, чем бумажных, при одинаковых   основных   характеристиках.

    Часто причиной нарушения нормальной работы приемника -бывает пробой конденсаторов  постоянной емкости. При использовании же металлобумажных конденсаторов пробой не страшен, так как емкость пробитого конденсатора быстро самовосстанавливается, объясняется это следующим. В качестве диэлектрика в металлобумажных конденсаторах применяют бумагу, покрытую слоем ацетилцеллюлозного лака, а в качестве обкладок — очень тонкие слои металла, нанесенные на одну сторону бумаги

поверх  слоя лака. Пробой конденсатора обычно происходит в «слабых местах» диэлектрика, т. е. там, где бумага тоньше или где в нее вкраплены электропроводящие частицы. При этом возникает сильный электрический ток, который мгновенно расплавляет металлический слой вокруг места пробоя. Лишенная сплошного металлического слоя, бумага в этом месте оказывается изолированной от обкладок и ток прекращается. 

    

    Рис.  4. Конденсаторы постоянной емкости: а — керамические; б - слюдяные; в — бумажные; г — металлобумажные 

    Емкость конденсатора после пробоя мало уменьшается, так как площадь оплавления очень мала. Металлобумажный конденсатор может выдержать несколько сотен и даже тысяч пробоев.

    На  рис. 5 изображены конденсаторы с жидким диэлектриком — так называемые электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух алюминиевых пластин, помещаемых в химический раствор или пасту. Роль диэлектрика играет тонкая оксидная пленка, нанесенная на одну из пластин. Поскольку пленка очень тонкая,  емкость конденсатора получается очень большой (до нескольких тысяч микрофарад) при сравнительно небольших его размерах. Пластина с пленкой служит одной обкладкой конденсатора. Другой его обкладкой фактически является электролит, а чистая алюминиевая пластина предназначена для получения контакта с электролитом.