КОНДЕНСАТОР (электрический)
КОНДЕНСА́ТОР электрический (от лат. сondensator, — тот, кто уплотняет, сгущает), устройство, предназначенное для получения нужных величин электрической емкости и способное накапливать (перераспределять) электрические заряды. Электрический конденсатор состоит из двух (иногда более) подвижных или неподвижных проводящих электродов (обкладок), разделенных диэлектриком. Обкладки должны иметь такую геометрическую форму и быть так расположены друг относительно друга, чтобы созданное ими электрическое поле было сосредоточено в пространстве между ними. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, мало по сравнению с линейными размерами обкладок. Поэтому электрическое поле, возникающее при подключении обкладок к источнику с напряжением U, практически полностью сосредоточено между обкладками. При этом частичные собственные емкости электрических обкладок пренебрежимо малы.
Таким образом, конденсатором называют систему, состоящую, как правило, из двух разноименно заряженных проводников, при этом заряд, который надо перенести с одного проводника на другой, чтобы зарядить один из них отрицательно, а другой положительно, называется зарядом конденсатора. Разность потенциалов U между обкладками конденсатора прямо пропорциональна величине заряда Q, находящегося на каждой из них:
Q=С.U
С — коэффициент, характеризующий конденсатор, называется электрической емкостью конденсатора или емкостью.
Численно емкость электрического конденсатора С равна величине заряда Q одной из обкладок при напряжении, равном 1 вольт:
С = Q/U.
В СИ единицей емкости является фарад — 1 Ф. Емкостью, равной одному фараду, обладает такой конденсатор, между пластинами которого возникает разность потенциалов, равная одному вольту, при заряде на каждой из пластин, равном одному кулону.
Параметры, конструкция и область применения конденсаторов определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки, поэтому основная классификация электрических конденсаторов проводится по типу диэлектрика. В зависимости от типа используемого диэлектрика конденсаторы могут быть воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и др.
По емкости различают конденсаторы постоянной емкости и конденсаторы переменной емкости. Конденсаторы переменной емкости и полупеременные изготовляются с механически и электрически управляемой емкостью. Изменение емкости в электрическом конденсаторе с механическим управлением достигается чаще всего изменением площади его обкладок или (реже) изменением зазора между обкладками. Простейший воздушный конденсатор переменной емкости состоит из двух изолированных систем металлических пластин, которые входят друг в друга при вращении рукоятки: одна группа (ротор) может перемещаться так, что ее пластины заходят в зазоры между пластинами другой группы (статора). Вдвигая и выдвигая одну систему пластин в другую можно изменить емкость конденсатора. Электрические конденсаторы переменной емкости с твердым диэлектриком (керамические, слюдяные, стеклянные, пленочные) в основном используются как полупеременные (подстрочные) с относительно небольшим изменением емкости. В настоящее время широко используются управляемые конденсаторы переменной емкости — варикапы и вариконды
Емкость электрического конденсатора зависит от диэлектрический проницаемости диэлектрика, заполняющего конденсатор, и от формы и размеров его обкладок. По форме обкладок различают плоские, цилиндрические, сферические конденсаторы.
Плоский конденсатор представляет собой две плоские пластины, расстояние между которыми d мало по сравнению с их линейными размерами. Это позволяет пренебречь малыми областями неоднородности электрического поля у краев пластин и считать, что все поле однородно и сосредоточено между пластинами. Заряд конденсатора Q — это заряд положительно заряженной пластины.
Емкость плоского конденсатора С:
С= eeо S/d
S — площадь каждой обкладки или меньшей из них, d — расстояние между обкладками, eо— электрическая постоянная, e — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, находящегося между обкладками. Заполнение пространства между пластинами диэлектриком увеличивает емкость в e раз.
Энергия, запасенная заряженным до постоянного напряжения U плоским электрическим конденсатором, равна:
W = CU2/2.
Наряду с плоским конденсатором часто используется плоский многопластинчатый конденсатор, содержащий n обкладок, соединенных параллельно.
Емкость цилиндрического конденсатора, обкладки которого представляют собой два коаксиальных полых цилиндра, вставленные друг в друга, и разделенных диэлектриком, равна:
С = 2peeoh¤ln(r2/r1),
где r2 и r1 — радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, соответственно, а h — длина цилиндра. При этом не учитываются искажения однородности электрического поля у краев обкладок (краевой эффект), и потому эти расчеты дают несколько заниженные значения емкости C.
Емкость сферического конденсатора, представляющего собой вставленную одна в другую сферы, равна:
С = 4peeor2r1/(r2-r1),
где r2 и r1 — радиусы внешней и внутренней сфер, соответственно.
Кроме емкости, электрический конденсатор обладает активным сопротивлением R и индуктивностью L. Как правило, электрические конденсаторы используют на частотах, значительно меньших резонансной, на которых его индуктивностью обычно пренебрегают. Активное сопротивление конденсатора зависит от удельного сопротивления диэлектрика, материала обкладок и выводов, формы и размера конденсатора, частоты и температуры. Зависимость реактивного сопротивления электрических конденсаторов от частоты используется в электрических фильтрах.
При подключении обкладок к источнику постоянного напряжения, конденсатор заряжается до напряжения источника. Ток, продолжающий течь через конденсатор после его зарядки, называется током утечки.
Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением — разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при котором происходит пробой — возникает электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины.
Пластины конденсатора притягиваются друг к другу. Сила притяжения между пластинами конденсатора называется пондемоторной силой и рассчитывается по формуле:
F = -Q2/2eeoS
Знак минус указывает, что пондемоторная сила является силой притяжения.
По применению различают электрические конденсаторы низкого напряжения низкой частоты (большая удельная емкость С), низкого напряжения высокой частоты (высокая С), высокого напряжения постоянного тока, высокого напряжения низкой и высокой частоты (высокая удельная реактивная мощность).
Для увеличения емкости и варьирования ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом используется их последовательное, параллельное или смешанное (состоящее из последовательного и параллельного) соединения.
Увеличение емкости достигается параллельным соединением конденсаторов в батарею. При этом конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. При таком соединении сохраняющейся величиной на всех конденсаторах является разность потенциалов, а заряды суммируются. Общая емкость батареи при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:
С = С1 + С2 + …+ Сn
При последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее, и на каждый конденсатор приходится лишь часть разности потенциалов клемм батарей, что значительно снижает возможность пробоя конденсатора. При последовательном соединений конденсаторов соединяются их разноименные обкладки. При этом складываются величины, обратные емкостям и результирующая емкость определяется следующим образом:
1/С = (1/Сn).
Электрические конденсаторы применяются в электрических цепях (сосредоточенные емкости), электроэнергетике (компенсаторы реактивной мощности), импульсных генераторах напряжения, в измерительных целях (измерительные конденсаторы и емкостные датчики).
