Электрическая емкость, конденсатор

      

Рис. 5. Конденсаторы с жидким диэлектриком 

    При включении в цепь электролитического конденсатора нужно соблюдать определенную полярность, иначе оксидная пленка исчезнет, и конденсатор станет непригодным к использованию. Поэтому эти конденсаторы используют в цепях постоянного тока.

    Недостатки  электролитических конденсаторов  следующие:

    — низкое пробивное напряжение вследствие небольшой диэлектрической прочности оксидной пленки (электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи с высоким напряжением);

    — зависимость емкости от температуры. 
 

  Заряд и разряд  конденсатора 

    Незаряженный   конденсатор   (рис.6)  подключим к источнику  постоянного тока (рис. 6,б). Под действием сил электрического поля от отрицательного зажима источника к конденсатору начнут перемещаться электроны, и на верхней пластин окажется их избыток (так как они не могут «стекать» через диэлектрик). Каждый электрон верхней пластины вследствие электростатической индукции вызовет на внутренней стороне нижней пластины равный ему положительный заряд   (ион),

    

    Рис. 6. Подключение цепи, содержащей конденсатор, к источнику постоянного тока:

    а — незаряженный конденсатор;  б — конденсатор заряжается от источника до величины приложенного  напряжения;  в — запасенный  заряд  остается  в  конденсаторе;   г — разряд конденсатора 

на внешней  — отрицательный.   Положительные   заряды   называются связанными (поскольку они «уравновешиваются» электронами   верхней   пластины),   а  отрицательные — свободными.

    Свободные электроны с нижней пластины будут  передвигаться к положительно заряженному зажиму источника тока, и в цепи возникнет электрический ток — происходит заряд конденсатора. Часть электронов верхней пластины нейтрализуется положительным зарядом в результате смещения электронных орбит диэлектрика. Но от источника тока поступают на верхнюю пластину новые электроны. Они накапливаются на пластине А, в то время как пластина Б накапливает равный избыток протонов.

    По  мере заряда конденсатора его собственное  напряжение увеличивается и по окончании  заряда становится равным напряжению источника тока. При отключении источника конденсатор остается заряженным (рис. 6, в).

    В начале заряда конденсатора в цепи течет большой ток. По мере того как  число электронов на верхней пластине увеличивается, величина зарядного тока уменьшается и доходит до нуля в конце заряда. В этом случае величина собственного электрического поля конденсатора становится равной величине поля источника. Направлены же эти поля навстречу одно другому.

    Энергия,    накопленная    в    электрическом поле   конденсатора,    расходуется   при   его разряде. 

    Разряд 

    Если   подключить  к  пластинам    конденсатора    какую-нибудь нагрузку, то электроны верхней его пластины начнут перемещаться по соединительным проводам на нижнюю пластину и нейтрализовать на ней положительные ионы. Конденсатор будет быстро разряжаться  до   тех   пор,   пока  его   собственное напряжение не упадет до нуля  (рис. 6,г).   Значит,   энергия электрического поля конденсатора расходуется в нагрузке.

    Когда конденсатор полностью  разрядится,   напряжение  на его зажимах станет равным нулю — он опять окажется незаряженным (рис. 6, а) и его можно снова зарядить от источника. Конденсатор имеет способность накапливать заряд, необходимый для создания разности потенциалов, равной приложенному напряжению. Если вместо 10 В приложить 120 В, то конденсатор зарядится до 120 В. Если же напряжение будет больше    номинального,    на    которое    рассчитан    конденсатор,   то электрическое поле может разрушить молекулярную структуру диэлектрика — потечет ток и, следовательно, произойдет короткое замыкание между пластинами.

    Следует обратить внимание, что ток заряда и разряда конденсатора протекает только в соединительных проводах, а не через диэлектрик. 

    Последовательное  и параллельное соединение конденсаторов 

    Последовательное, параллельное или смешанное соединение конденсаторов применяется для того, чтобы получить необходимую величину емкости и нормальное (в пределах допуска) напряжение на каждом конденсаторе.

    При последовательном соединении конденсаторов (рис.7)    общая    емкость    их уменьшается    по    сравнению   с  емкостью

каждого   конденсатора,    поскольку   общая толщина диэлектрика как  бы увеличивается. Величина, обратная общей   емкости   батареи   последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных их емкостям:

    

            (2)

    Рассмотрим, как распределяется напряжение между конденсаторами, соединенными последовательно.

    Подключим к источнику тока три последовательно   соединенных конденсатора различной емкости (рис. 7). Допустив что электроны от источника, перемещаясь к пластине, зарядят ее количеством электричества — Q. Тогда свободные электроны пластины 2 перейдут на пластину 3 и также зарядят ее количеством электричества — Q. Пластина 2, потеряв электроны, зарядится положительным электричеством  + Q и т. д. Таким   образом,   все   три   конденсатора,   несмотря    на    разную емкость, зарядятся одинаковым количеством электричества.

    Напряжения  на конденсаторах различной емкости  различим, потому что каждый из них  заряжается одним и тем же количеством

    

    Рис. 7. Последовательное соединение конденсаторов

электричества. Общее напряжение V, приложенное к трем конденсаторам, равно сумме напряжений на каждом из них:

                                           U_общ = U₁ +U₂+U_s                              (3)

      Поскольку

                                   Q=C₁U₁=C₂U₂=C₃U₃,                                           (4)

     То 

    Итак, напряжение на каждом из последовательно соединенных конденсаторов обратно пропорционально его емкости. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше напряжение, необходимое для его заряда определенным количеством электричества.

    При включении п конденсаторов одинаковой емкости общая емкость батареи уменьшается в п раз:

                                                 С_общ= С/n                             (5)

    Для двух конденсаторов, соединенных последовательно

                                       С_общ=С₁С₂/(С₁+С₂)                                           (6) 

    При последовательном включения п одинаковых конденсаторов напряжение на каждом из них в п раз меньше напряжения, приложенного ко всей батарее.   Таким   образом,   если напряжение    цепи    выше    пробивного    напряжения    отдельных    конденсаторов,    необходимо   прибегнуть    к    последовательному   соединению.

    При параллельном соединении конденсаторов  (рис.8) общая емкость их увеличивается по сравнению с емкостью каждого из них, потому что как бы увеличивается общая площадь обкладок конденсаторов. Общая емкость батареи конденсаторов в этом случае равна сумме их емкостей:

                                   С_общ= С₁ + С₂ + С₃ + ... + С_п                     (7)

    Параллельное  включение нескольких конденсаторов  применяют для получения большей  емкости, чем емкость каждого  из них в отдельности. При параллельном соединении напряжение на всех конденсаторах одинаковое. Чтобы   использовать  преимущества   последовательного и параллельного соединений конденсаторов,   применяют   смешанное   их соединение.

    

    Рис. 8. Параллельное соединение конденсаторов 

    Его можно получить двумя способами:

1. соединить конденсаторы сначала последовательно, а потом последовательные группы соединить между собой параллельно;
2. соединить конденсаторы сначала параллельно, а потом параллельные группы соединить между собой последовательно.

    Величина  емкости при этих способах соединения получается одна и та же. 

Неисправности 

    Обычная    неисправность     конденсатора — обрыв в выводах или короткое замыкание между пластинами. В том и другом случае конденсатор непригоден, так как он не может накапливать заряд. Кроме того, частичному замыканию эквивалентна утечка в конденсаторе, когда диэлектрик постепенно теряет изоляционные свойства под действием приложенного напряжения, т. е. сопротивление диэлектрика уменьшается. Если сопротивление исправного конденсатора исчисляется мегомами (сопротивление бумажных, слюдяных и керамических конденсаторов практически бесконечно — 500 — 1000 Мом и больше, а электролитических — порядка 0,5 Мом), а замкнутого накоротко конденсатора равно нулю, то сопротивление конденсатора с утечкой имеет промежуточное значение.

    Сопротивление конденсатора проверяют омметром обычно по высокоомной шкале. Одну сторону конденсатора следует отсоединить от схемы, чтобы исключить возможность появления параллельных сопротивлений. Выводы омметра подключают к зажимам конденсатора. При исправном конденсаторе стрелка прибора сначала быстро отклоняется в сторону низкого сопротивления шкалы, а затем медленно возвращается в сторону показания бесконечно  большого   сопротивления.

      Когда   стрелка   остановится  — прибор   показывает   сопротивление диэлектрика конденсатора.

    Перед   проверкой   сопротивления   конденсатор   необходимо разрядить и только потом подключить к омметру. Конденсатор начинает заряжаться от батареи омметра. Под влиянием тока заряда стрелка прибора отклоняется от показания ∞. Максимальный ток протекает через омметр в первый момент заряда (чем и объясняется быстрое отклонение стрелки). Затем он уменьшается, поскольку напряжение на конденсаторе увеличивается в полярности, противоположной приложенному напряжению, т. е.  разность напряжений между источником тока  и конденсатором уменьшается, поэтому стрелка медленно возвращается в сторону показания  ∞. Наконец, конденсатор полностью зарядится до напряжения батареи омметра, ток заряда становится равным нулю и омметр покажет величину сопротивления диэлектрика. Это означает, что конденсатор может накапливать заряд, т. е. исправен.

    Неисправности конденсатора по показаниям омметра определяются следующим образом:

    1.  Если стрелка омметра быстро идет к нулю и остается в этом положении, то конденсатор имеет короткое замыкание.

    2. Если прибор показывает заряд конденсатора, как описано выше, но его стрелка устанавливается на сопротивлении, которое заметно меньше нормального, значит, конденсатор имеет утечку. Попользовать его в цепях высокого напряжения не рекомендуется.

Электролитический конденсатор следует проверять  дважды при различных подключениях омметра и в расчет брать наибольшее показание.

    3. Если прибор не показывает заряда конденсатора, а стрелка установилась на чрезмерно высоком сопротивлении, значит, конденсатор имеет обрыв. Однако в этом случае необходимо проявить большую внимательность, поскольку вообще-то высокое сопротивление нормальное для конденсаторов, а именно: переключить выводы омметра, чтобы разрядить конденсатор, и проверить его снова. При этом необходимо помнить, что конденсаторы емкостью 100 пф и меньше имеют очень небольшой 
ток заряда.