У чому вимірюється ємність конденсатора: визначення та формули

Конденсатор – це електротехнічний елемент, що дозволяє накопичувати заряд. Найпростіша його форма представляє дві пластини, розділені шаром діелектрика. Якщо на пластини подати напругу, то воно збережеться якийсь час після його зняття. Важливо знати, в чому вимірюється ємність конденсатора, для правильної побудови схем з цими елементами.

Застосування в техніці

Конденсатори застосовуються в різній електро- і радіоапаратури. Ці елементи здатні накопичувати заряд і підтримувати напругу (наприклад, мережеве) на належному рівні під час незначних перебоїв з харчуванням. Конденсатори великої ємності самі використовуються як живлять елементи для малогабаритної мобільної апаратури. Вони ще називаються іоністори. Їх недоліком є ​​необхідність частого підзарядки.

Велике значення мають ці елементи і в фільтруючих пристроях, приладах, завдання яких не пропустити перешкоди в корисний сигнал, або вловити потрібний сигнал в постійній напрузі підвищеного рівня.

Без конденсаторів не обходиться жоден генератор змінного сигналу. Їх призначення – встановлення частоти генерації, період та інші часові параметри. Тут використовуються дуже точні елементи, з допуском за номіналом не більше 1%.

Конденсатори бувають як постійної, так і змінної ємності. Елементи змінної ємності використовуються в апаратурі, що вимагає настройки на різні частоти. Наприклад, це широко використовується в налаштуванні радіочастот в FM-приймач.

Формули для розрахунку конденсаторів

Для вирішення завдань техніки і прикладних теоретичних розрахунків потрібно знати закони, за якими електричні величини взаємодіють один з одним. Ці закони виражаються формулами. Наприклад, напруга на конденсаторі залежить від його ємності і заряду, накопиченого їм.

визначення ємності

Це значення залежить від декількох параметрів. Щоб його розрахувати, потрібно знати, в чому вимірюється ємність конденсатора. Ця величина еквівалентна тому, скільки кулон заряду накопичується елементом при напрузі в 1 вольт, доданому до нього. Вимірюється вона в Фарада. Ємність цих елементів залежить також і від їх форми.

• Плоскі конденсатори – найпростіший різновид накопичувачів заряду. Як знайти ємність конденсатора, що має плоску форму, можна дізнатися, якщо визначити всі параметри, що впливають на це. На його ємність впливає відстань між його обкладинками (струмопровідні пластини) d, площа самих обкладок S, діелектрична проникність речовини між обкладинками ε і електрична постійна ε0, яка дорівнює 8,85 ⋅ 10 -12 фарад на метр. Формула конденсатора така:

С = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

• Циліндричний конденсатор також складається з двох заряджених обкладок, обидві вони мають форму циліндрів, розташованих один усередині іншого. Внутрішній циліндр цілісний, зовнішній – порожнистий. Відстань між обкладинками дорівнює різниці радіусів цих циліндрів. Формулу ємності конденсатора можна уявити такий же, як в попередньому випадку, з тією різницею, що площа обкладок розраховується виходячи з їх висоти і радіусу:

С = 2 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ h ⋅ R вн / (R нар – R вн) = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

де h – висота обкладання,

Rвн – внутрішній радіус, R нар – зовнішній радіус,

• Зарядом може володіти не тільки тіло з двома обкладинками, а й проводить кулястий об'єкт. Якщо подати на нього напругу, а потім виміряти потенціал між ним і землею, то потенціал буде ненульовим. Формула для розрахунку кулястого накопичувача заряду:

З = 4 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ R

де R – радіус кулі.

Якщо в формулу підставити радіус Землі і діелектричну проникність повітря, можна отримати значення ємності Землі в Фарада. Після розрахунків:

З (Землі) = 700 микрофарад

Таку ємність можуть мати сучасні електролітичні конденсатори.

Якщо розмістити один шар всередині іншого і подати між ними напругу, то отримана конструкція теж буде накопичувати заряд між поверхнями куль. Визначення ємності такої конструкції можна провести за формулою:

С = ε ⋅ ε0 ⋅4⋅π ⋅ R1 ⋅ R2 / (R2 – R1)

десь R2 і R1 – радіуси відповідних кулястих поверхонь.

Ємність конденсатора залежить також і від типу використовуваного діелектрика. Найбільш поширені керамічні, електролітичні, паперові, повітряні і слюдяні наповнювачі.

обчислення енергії

Накопичувачі заряду володіють і іншими параметрами. Один з них – це енергія. При зарядці конденсатора на його обкладках накопичується потенційна енергія.

Вона створює силу, притягає разноименно заряджені пластини, а також струм, який живить електроприлади, якщо використовувати іоністор як джерело живлення. Енергію можна виразити як залежність від напруги обкладок і ємності:

W = C ⋅ U 2/2

Струм витоку через діелектрик

Струм витоку з'являється в елементі, якщо є шляхи протікання електричного струму з однієї обкладки на іншу. Чим менше ізолюючими властивостями володіє діелектрик, тим більше буде струм витоку. Особливо це може бути застосовано до конденсаторів з діелектриком в вигляді промасленого паперу. Цей параметр залежить і від конструкції елемента, і від забрудненості його корпусу. Якщо елемент негерметичний, струм витоку може збільшуватися при проникненні вологи всередину корпусу. Цей струм можна розрахувати за законом Ома:

I ут = U / R d

де I ут – струм витоку,

U – напруга на обкладинках,

R d – опір ізоляції діелектрика.

з'єднання елементів

При створенні схем застосовується різне з'єднання елементів. Елементи схеми можуть бути з'єднані:

• паралельно;
• послідовно;
• Паралельно – послідовно (змішано).

Як знайти ємність паралельно з'єднаних елементів? Потрібно зрозуміти, що є загальним при такому типі з'єднання. Так як напруга прикладається одночасно до всіх обкладкам, то воно є загальним. Заряд ж буде для кожного своїм. За формулою:

q = C ⋅ U, тут q – сумарний заряд, тобто

q = ΣC i ⋅ U = U ⋅ ΣC i

З загальне дорівнюватиме сумі всіх С.

При послідовному з'єднанні елементів загальним для всіх них буде заряд. У той же час напруга буде для кожного з них різним, і загальне буде складатися з усіх окремо.

U = q / C, тут U – сума напруг на всіх елементах

U загальне = q ⋅ Σ (1 / C i)

1 / С загальне = 1 / С 1 + 1 / С 2 + … + 1 / C i

При такому з'єднанні значення загальної ємності буде менше самого маленького значення цієї величини в групі.

У разі використання змішаного з'єднання необхідно обчислити окремо загальну ємність для паралельного і окремо для послідовного з'єднання. Після цього за формулою послідовного з'єднання віднайти спільне для двох одержані величин значення.