Накопичення заряду на обкладинках конденсатора

Конденсатор – фундаментальний електронний компонент (поряд з резистором і котушкою індуктивності), призначений для накопичення електричної енергії. Кращою аналогією його роботи буде порівняння з акумуляторною батареєю. Однак основою пристрою останньої є оборотні хімічні реакції, а накопичення заряду на обкладинках конденсатора має виключно електричну природу.

Пристрій і принцип роботи

У найпростішому варіанті конструкція складається з двох електродів у формі проводять пластин (Званих обкладинками), розділених діелектриком, товщина якого мізерно мала в порівнянні з розмірами обкладок. Практично застосовуються радіоелектронні компоненти містять багато шарів діелектрика і електродів. Як позначення конденсатора на схемі використовуються два паралельних відрізка з простором між ними. Вони символізують металеві пластини обкладок фізичного приладу, електрично розділені між собою.

Багато хто вважає Майкла Фарадея автором винаходу, але насправді це не так. Але він зробив головне – продемонстрував перші практичні приклади і способи використання цього приладу для зберігання електричного заряду в своїх експериментах. Завдяки Фарадею людство отримало спосіб вимірювати можливість накопичувати заряд. Ця величина називається ємністю і вимірюється в Фарадах.

Роботу конденсатора можна проілюструвати на прикладі подій, що проходять у спалаху цифрової фотокамери за відрізок часу між натисканням кнопки і тим моментом, коли спалах згасне. Основою електронної схеми цього освітлювального пристрою є конденсатор, в якому відбувається наступне:

• Зарядка. Після натискання кнопки потік електронів приходить в конденсатор і зупиняється на одній з його пластин завдяки діелектрика. Цей потік називається зарядним струмом.
• Накопичення. Оскільки під дією електрорушійної сили все більше і більше електронів будуть надходити на обкладку і розподілятися по ній, негативний заряд обкладання може рости до моменту, поки накопичений потенціал не буде відштовхувати надходить надлишковий потік електронів. Друга пластина через дефіцит електронів набуває позитивний заряд, по модулю рівний негативному на першій. Зарядний струм буде протікати до тих пір, поки напруга на обох пластинах не зрівняли з доданим. Сила або швидкість струму зарядки буде перебувати на максимальному рівні в момент, коли пластини повністю розряджені, то й Бог наблизиться до нуля в момент, коли напруга на обкладинках і джерелі дорівнюватимуть.
• Збереження. Оскільки обкладання заряджені протилежно, іони і електрони будуть притягатися один до одного, але не зможуть з'єднатися через діелектричної прошарку, створюючи електростатичне поле. Завдяки цьому полю конденсатор утримує і зберігає заряд.
• Розряд. Якщо в ланцюзі з'являється можливість для електронів протекти іншим шляхом, то напруга, накопичене між позитивними і негативними зарядами обкладок, миттєво реалізується в електричний струм, імпульс якого в лампі спалаху перетворюється в світлову енергію.

Таким чином в фотоспалаху реалізується здатність конденсатора накопичити для імпульсу енергію з батареї живлення. Акумулятор фотокамери також є пристроєм, що накопичує енергію, але через хімічної природи накопичення генерує і віддає її повільно.

Ємність, заряд і напруга

Властивість конденсатора зберігати заряд на пластинах у вигляді електростатичного поля називається ємністю. Чим більше площа обкладок і менше відстань між ними, тим більша кількість заряду вони здатні накопичити і, відповідно, мають більшу ємністю. При подачі напруги на конденсатор відношення заряду Q до напруги V дасть значення ємності С. Формула заряду конденсатора буде виглядати так:

Міра електричної ємності – фарад (Ф). Ця одиниця завжди позитивна і не має негативних значень. 1 Ф дорівнює ємності конденсатора, який здатний зберегти заряд в 1 кулон на пластинах з напругою в 1 вольт.

Фарад – дуже велика одиниця виміру, для зручності використання застосовують в основному її частинні заходи:

• Микрофарад (мкФ): 1мкФ = 1/1000000 Ф.
• Нанофарадах (нФ): 1нФ = 1/1000000000 Ф.
• Пикофарад (пФ): 1пФ = 1/000000000000 Ф.

значення діелектрика

Крім загального розміру обкладок і відстані між ними, існує ще один параметр, що впливає на ємність – використовуваний тип ізолятора. Фактор, за яким визначається здатність діелектрика підвищувати ємність конденсатора в порівнянні з вакуумом, називається діелектричною проникністю і описується для різних матеріалів постійною величиною від 1 і до безкінечності (теоретично):

• вакуум: 1,0000;
• повітря: 1,0006;
• папір: 2,5-3,5;
• скло: 3-10;
• оксиди металів 6-20;
• електротехнічна кераміка: до 80.

Крім конденсаторів з твердим діелектриком (керамічних, паперових, плівкових) існують також електролітичні. В останніх використовують алюмінієві або танталові пластини з оксидним ізолюючим шаром в якості одного електрода і розчин електроліту в якості іншого.

Головні особливості цієї конструкції полягають у тому, що вона дозволяє накопичувати порівняно значний заряд при невеликих габаритах і є полярним електричним накопичувачем. Тобто включається в електричний ланцюг з дотриманням полярності.

Енергія, яку здатні накопичити більшість конденсаторів, зазвичай невелика – максимум сотень джоулів. До того ж вона не зберігається довго через неминучою витоку заряду. Тому конденсатори не можуть замінити, наприклад, акумуляторні батареї в якості джерела живлення. І хоча вони здатні ефективно виконувати тільки одну роботу (збереження заряду), їх застосування досить різноманітне в електричних ланцюгах. Конденсатори використовуються як фільтри, для згладжування напруги, в якості пристроїв синхронізації і для інших цілей.