Общие сведения о емкости

заряд металлической сферыНа рис.1а показана плотная металлическая сфера, заряженная отрицательно. Благодаря взаимному отталкиванию электронов они располагаются равномерно по поверхности сферы, а внутри сфера остается нейтральной. Если этим же зарядом (этим же количеством электронов) наэлектризовать другую металлическую сферу большего размера, то электроны расположатся опять на ее поверхности, но дальше друг от друга (рис.1б). В таком случае, говорят, что электрическая емкость второй сферы больше. Действительно, для того, чтобы получить ту же самую плотность частиц, надо добавить к сфере еще электронов.
Теперь ясно, что металлические тела бОльших размеров имеют бОльшую электрическую емкость. Однако, емкость любой системы можно увеличить не только за счет увеличения ее размеров, но и другими способами. Это показано на рис.1в, где два одинаковых металлических тела, заряженных разноименными зарядами, помещены близко друг к другу. Благодаря взаимному притяжению заряды располагаются более густо на обращенных друг к другу сторонах тел. Так "освобождается" место для введения дополнительных внешних зарядов, т.е. увеличивается емкость. Эта особенность используется в различных видах конденсаторов.

Сведения о конденсаторах

Система, состоящая из 2-х проводников, разделенных диэлектриком, называется конденсатором. Главным свойством конденсатора является то, что на его обкладках могут накапливаться равные по величине и противоположные по знаку электрические заряды. Другим важным свойством конденсатора является его способность пропускать переменный ток (кроме электролитических конденсаторов) и не пропускать постоянный.На рис.3а схематично показан незаряженный конденсатор, металлические обкладки которого электрически нейтральны, потому как число положительных и отрицательных частиц на каждом электроде одинаково и они взаимно нейтрализуются.
В заряженном конденсаторе положительному электроду (обкладке) недостает свободных электронов, а отрицательный имеет избыток (рис.3б). В этом случае между обкладками заряженного конденсатора существует определенное напряжение, а в диэлектрике возникает электрическое поле.
Напряжение между обкладками, которое возникает при зарядке конденсатора, зависит как от количества электричества, так и от емкости конденсатора. Если два конденсатора различной емкости зарядить одним и тем же количеством электричества, то напряжение на меньшем конденсаторе будет выше напряжения на бОльшем. Подобный случай можно представить, когда в два сосуда разного диаметра налито одинаковое количество воды. Нетрудно представить, что уровень воды в сосуде меньшего диаметра будет выше уровня воды в бОльшем.Единица измерения электрической емкости называется Фарада (обозначается как Ф) в честь английского физика Майкла Фарадея (1791 - 1867).

устройство конденсатораобкладки конденсатора Конденсатор имеет емкость 1Фарада, если при зарядке его одним кулоном электричества получим между обкладками напряжение 1В, т.е. 1Фарада = 1Кулон / 1Вольт. Емкость обозначается как С, количество электричества - Q, напряжение - U. Следовательно, C = Q/U. Емкость величиной в 1Ф - это большая емкость и на практике работают с более мелкими величинами. Это микрофарада, нанофарада, пикофарада.
В начале темы мы говорили о том, как емкость зависит от размеров конденсатора и условий притяжения противоположных по знаку зарядов. Например, с увеличением площади обкладок увеличивается емкость конденсатора, поскольку создаются условия для накопления большего количества зарядов. Однако, этот способ ведет еще и к увеличению размеров самого конденсатора, а это не всегда приемлемо.
Другим способом увеличения емкости конденсатора является уменьшение расстояния между его обкладками. В результате разноименные заряды оказываются ближе друг к другу, электрическое поле между обкладками становится более интенсивным и силы притяжения между зарядами увеличиваются. Таким образом, на каждой обкладке заряды скапливаются более густо и освобождают место для других зарядов, т.е. емкость увеличивается. Но сближать обкладки можно только до определенного предела, так как значительно увеличивается опасность короткого замыкания или пробоя.

Роль диэлектрика

Наиболее рациональный способ увеличения емкости конденсатора - это применение подходящего диэлектрика между его обкладками. Рассмотрим данный факт. В нормальном состоянии валентные электроны любого диэлектрика вращаются вокруг атомного ядра по круговым орбитам (орбиты символично показаны окружностями на рис.4а). При помещении диэлектрика в электрическое поле, оно действует на вращающиеся электроны и деформирует их орбиты. В результате этого молекулы диэлектрика превращаются в диполи, т.е. в частицы, которые на своих противоположных концах заряжаются разноименно. Это показано на рис.4б. Находящиеся внутри диэлектрика разноименные заряды взаимно нейтрализуются, а заряды на двух его противоположных сторонах остаются нескомпенсированными, т.е. их можно рассматривать как фиктивные (несвободные, связанные с веществом) заряды, расположенные на поверхности диэлектрика (рис.4в).
читать далее...
Это явление называется поляризацией диэлектрика. Чем больше фиктивных зарядов образуется на поверхности диэлектрика, тем более он поляризуется. На рис.5а показан заряженный конденсатор, между обкладками которого есть вакуум. Емкость такого конденсатора зависеть будет от площади обкладок и расстояния между ними. Следует отметить, что заряды на каждой из обкладок не расположены особенно плотно друг к другу. Это получается потому, что расстояние между двумя обкладками довольно большое и силы взаимного притяжения между зарядами не особенно велики. На рис.5б между электродами такого же заряженного конденсатора помещен диэлектрик. Вследствие возникшей поляризации фиктивные заряды на поверхности диэлектрика оказываются очень близко к зарядам на обкладках, и поэтому силы взаимного притяжения более значительны. Таким образом, заряды на обкладках скапливаются гуще и освобождают место для других зарядов, т.е. емкость конденсатора увеличивается.
Очевидно, что чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем значительнее увеличивается емкость конденсатора.
В количественном отношении степень поляризации характеризуется величиной ε, которая называется относительной диэлектрической проницаемостью. Для различных диэлектриков эта величина различна. Для стекла ε = 3...12, для слюды ε = 6...8, для воздуха ε = 1. Ее значение имеется в справочниках. Большинство наиболее применяемых диэлектриков имеют ε от 1 до 20. Существует, однако, особая группа веществ, называемых сегнетоэлектриками, у которых поляризация чрезвычайна сильна и составляет ε = 50...100000. Сегнетоэлектрики используются для изготовления миниатюрных конденсаторов, обладающих относительно большой емкостью.
В заключение следует добавить, что диэлектрики, используемые для изготовления конденсаторов, должны обладать не только большим значением относительной диэлектрической проницаемости, но и удовлетворять следующим условиям:
1) иметь большую электрическую прочность, т.е. тонкий слой диэлектрика должен выдерживать значительные напряжения, чтобы не наступил пробой;
2) иметь небольшие потери на высоких частотах. Когда между обкладками конденсатора действуют переменные напряжения переменные напряжения, они вызывают циклическую переориентацию молекул диэлектрика, что со своей стороны, приводит к его нагреву, а это является излишней потерей энергии. Хорошие диэлектрики на высоких частотах нагреваются сравнительно слабо. Таковы, например, полистирол, специальная керамика и т.д.
Необходимо также знать основные виды конденсаторов по их сокращенным названиям: БМ - бумажный малогабаритный; БМТ - бумажный малогабаритный теплостойкий; КД - керамический дисковый; КЛС - керамический литой секционный; КМ - керамический монолитный; КСО - слюдяной опрессованный; КТ - керамический трубчатый; МБГ - металлобумажный герметизированный; МБГО - металлобумажный герметизированный однослойный; МБГТ - металлобумажный герметизированный теплостойкий; МБГЧ - металлобумажный герметизированный частотный; МБМ - металлобумажный малогабаритный; ПМ - полистирольный малогабаритный; ПО - пленочный открытый; ПСО - пленочный стирофлексный открытый.
Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока рассмотрено в разделах "Активное, индуктивное и реактивное сопротивления в цепи постоянного тока" и "Активное, индуктивное и реактивное сопротивления в цепи переменного тока".
На схемах для постоянных конденсаторов рядом с условным обозначением указывают значение емкости в пикофарадах или микрофарадах. При емкости менее 0,01мкФ ставят число пикофарад без обозначения размерности, например: 10, 150, 6800. Это будет обозначать использование конденсаторов емкость.ю 10пФ, 150пФ и 6800пФ (пикофарад) соответственно. Для емкости 0,01мкФ и более ставят число микрофарад с добавлением букв "мк", например: 0,02мк, 0,15мк, 100мк. Для электролитических конденсаторов указывают на корпусе еще и номинальное рабочее напряжение, например: 100МКх10В(сто микрофарад на десять вольт). Для конденсаторов переменной емкости и подстроечных указывают пределы изменения емкости при крайних положениях ручки-оси, например: 10...180 или 6...470.
На корпусах конденсаторов номинальные емкости до 91пФ выражают в пикофарадах, используя для обозначения этой единицы букву "П", например - 10П. От 100 до 9100пФ - в долях нанофарады, например Н1 или 9Н1. От 0,01 до 0,091мкФ - в нанофарадах, например 10Н или 9Н1. Емкости от 0,1мкФ и более выражают в микрофарадах, используя для обозначения этой единицы букву "М". Например М1 - это 0,1мкФ, а 50М - это 50микрофарад. Во всех рассмотренных случаях буква является своего рода запятой.
Зарубежные и ряд современных российских конденсаторов могут иметь иное обозначение емкости на корпусе. Это могут быть три или даже четыре цифры. Последняя цифра в любом случае указывает на количество нулей после первых 2-х или 3-х цифр. Результатом будет являться значение емкости в пикофарадах. Например, если на корпусе нанесена цифра 473, то это 47000пФ. Ну и тому подобное.
Как и резисторы, конденсаторы выпускаются промышленностью в соответствии с рядами номинальных значений Е6, Е12, Е24 ( см. раздел "Электрику о резисторах"). Исключением являются электролитические конденсаторы, емкость которых соответствует другому ряду: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 300; 500; 1000; 2000; 5000. Конденсаторы, как и резисторы, можно соединять последовательно и параллельно. При параллельном соединении емкость конденсаторов складывается подобно последовательному соединению резисторов. При последовательном соединении конденсаторов общую емкость можно вычислять по формуле параллельного соединения резисторов, вставив в нее соответственно вместо значений сопротивлений емкости конденсаторов. Последовательное соединение иногда применяют с целью получения конденсатора с бОльшим номинальным напряжением. Например, при последовательном соединении конденсаторов емкостью по 1мкФ на номинальное напряжение 250В каждый, их общая емкость составит 0,5мкФ, а номинальное напряженипе такого составного конденсатора возрастет до 500В. Т.е. при напряжении на концах такого составного конденсатора 500В оно распределится между ними пополам и составит на каждом из них по 250В.