Jak mierzy się pojemność kondensatora: jak znaleźć, dlaczego napięcie na tym elemencie zależy?

Kondensator to element elektryczny, który umożliwia przechowywanie ładunku. Jego najprostszą formą są dwie płyty oddzielone warstwą dielektryczną. Jeśli do płytek zostanie przyłożone napięcie, pozostanie ono przez pewien czas po jego usunięciu. Ważne jest, aby wiedzieć, jaka jest mierzona pojemność kondensatora, aby prawidłowo zbudować obwody z tych elementów.

Zastosowanie w technologii

Kondensatory są stosowane w różnych urządzeniach elektrycznych i radiowych. Ogniwa te są w stanie magazynować ładunek i utrzymywać napięcie (na przykład w sieci) na odpowiednim poziomie podczas niewielkich przerw w dostawie prądu. Same kondensatory o dużej pojemności są używane jako elementy zasilania w małych urządzeniach mobilnych. Nazywa się je również superkondensatorami. Ich wadą jest konieczność częstego ładowania.

Elementy te mają również duże znaczenie w urządzeniach filtrujących, których zadaniem jest niedopuszczenie do ingerencji w sygnał użyteczny lub wyłapanie pożądanego sygnału przy stałym napięciu o podwyższonym poziomie.

Żaden generator sygnału AC nie jest kompletny bez kondensatorów. Ich celem jest ustawienie częstotliwości generowania, okresu i innych parametrów czasowych. Zastosowano tu elementy bardzo precyzyjne, o nominalnej tolerancji nie większej niż 1%.

Kondensatory występują zarówno w pojemnościach stałych, jak i zmiennych. Elementy o zmiennej pojemności są stosowane w sprzęcie wymagającym dostrojenia do różnych częstotliwości. Na przykład jest szeroko stosowany do strojenia częstotliwości radiowych w odbiornikach FM.

Wzory do obliczania kondensatorów

Aby rozwiązać problemy techniczne i zastosować obliczenia teoretyczne, musisz znać prawa interakcji wielkości elektrycznych. Prawa te są wyrażone we wzorach. Na przykład napięcie na kondensatorze zależy od jego pojemności i zgromadzonego ładunku.

Określenie pojemności

Ta wartość zależy od kilku parametrów. Aby to obliczyć, musisz wiedzieć, jaka jest mierzona pojemność kondensatora. Ta wartość jest równoważna ilości kulomba ładunku akumulowanego przez ogniwo po przyłożeniu do niego napięcia 1 wolta. Jest mierzony w faradach. Pojemność tych elementów zależy również od ich kształtu.

• Kondensatory płaskie są najprostszym rodzajem przechowywania ładunku. Jak znaleźć pojemność kondensatora o płaskim kształcie, możesz dowiedzieć się, czy określisz wszystkie parametry, które na to wpływają. Na jego pojemność ma wpływ odległość między płytami (płytami przewodzącymi) d, powierzchnia samych płyt S, stała dielektryczna substancji między płytkami ε i stała elektryczna ε0, która jest równa 8,85 ⋅ 10^-12 farad na metr. Wzór na kondensator wygląda następująco:

С = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

• Kondensator cylindryczny składa się również z dwóch naładowanych płytek, z których obie mają postać cylindrów umieszczonych jeden w drugim. Wewnętrzny cylinder jest jednoczęściowy, zewnętrzny jest pusty. Odległość między płytami jest równa różnicy między promieniami tych cylindrów. Wzór na pojemność kondensatora można przedstawić tak samo jak w poprzednim przypadku, z tą różnicą, że powierzchnia płytek jest obliczana na podstawie ich wysokości i promienia:

С = 2 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ h ⋅ R wew / (R wew - R wew) = ε ⋅ ε0 ⋅ S / d

gdzie h jest wysokością płyty,

Rvn - promień wewnętrzny, R bunk - promień zewnętrzny,

π = 3,14.

• Ładunek może posiadać nie tylko ciało z dwiema płytkami, ale także przewodzący obiekt kulisty. Jeśli przyłożysz do niego napięcie, a następnie zmierzysz potencjał między nim a ziemią, wówczas potencjał będzie niezerowy. Wzór na obliczenie sferycznego magazynowania ładunku:

С = 4 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ε0 ⋅ R

gdzie R jest promieniem kuli.

Podstawiając do wzoru promień Ziemi i stałą dielektryczną powietrza, otrzymamy wartość pojemności Ziemi w faradach. Po obliczeniach:

C (Ziemia) = 700 mikrofaradów

Taką pojemność mogą mieć nowoczesne kondensatory elektrolityczne.

Jeśli umieścimy jedną kulkę w drugiej i przyłożymy między nią napięcie, to powstała struktura będzie również akumulować ładunek między powierzchniami kulek. Wyznaczenie nośności takiej konstrukcji można przeprowadzić według wzoru:

C =ε ⋅ ε0⋅4⋅π ⋅ R1 ⋅ R2 / (R2 - R1)

gdzie R2 i R1 są promieniami odpowiednich powierzchni kulistych.

Pojemność kondensatora zależy również od rodzaju użytego dielektryka. Najpopularniejszymi wypełniaczami są wypełniacze ceramiczne, elektrolityczne, papierowe, powietrzne i mikowe.

Obliczanie energii

Urządzenia do przechowywania ładunku mają również inne parametry. Jednym z nich jest energia. Gdy kondensator jest ładowany, energia potencjalna gromadzi się na jego płytkach.

Tworzy siłę, która przyciąga przeciwnie naładowane płytki, a także prąd, który zasila urządzenia elektryczne, jeśli używasz superkondensatora jako źródła zasilania. Energię można wyrazić jako zależność od napięcia płytek i pojemności:

W = C ⋅ U ² /2

Prąd upływu dielektryka

Prąd upływu pojawia się w elemencie, jeśli istnieją ścieżki przepływu prądu elektrycznego z jednej płytki do drugiej. Im mniej izoluje dielektryk, tym większy będzie prąd upływu. Dotyczy to zwłaszcza kondensatorów z dielektrykiem z naoliwionego papieru. Ten parametr zależy zarówno od konstrukcji elementu, jak i od zanieczyszczenia jego korpusu. Jeśli ogniwo przecieka, prąd upływu może wzrosnąć, jeśli wilgoć wniknie do obudowy. Prąd ten można obliczyć zgodnie z prawem Ohma:

I ut = U / R d

gdzie ja ut to prąd upływu,

U to napięcie na płytkach,

Rd to rezystancja izolacji dielektryka.

Łączenie elementów

Podczas tworzenia obwodów używane jest inne połączenie elementów. Schematyczne elementy można łączyć:

• Równoległy;
• Konsekwentnie;
• Równolegle - sekwencyjnie (mieszane).

Jak znaleźć pojemność elementów połączonych równolegle? Musisz zrozumieć, co jest wspólne z tego typu połączeniem. Ponieważ napięcie jest przykładane jednocześnie do wszystkich płytek, jest wspólne. Opłata będzie inna dla każdego. Zgodnie ze wzorem:

q = C ⋅ U, tutaj q jest ładunkiem całkowitym, czyli

q = ΣC i ⋅ U = U ⋅ ΣC i

C total będzie równe sumie wszystkich C.

Gdy elementy są połączone szeregowo, ładunek będzie wspólny dla wszystkich. Jednocześnie stres będzie dla każdego z nich inny, a suma zostanie zsumowana ze wszystkich osobno.

U = q / C, tutaj U jest sumą napięć na wszystkich elementach

U ogółem = q ⋅ Σ (1 / C i)

1 / C ogółem = 1 / C 1 + 1 / C 2 +... + 1 / C i

Przy takim połączeniu całkowita wartość pojemności będzie mniejsza niż najmniejsza wartość tej wartości w grupie.

W przypadku korzystania z połączenia mieszanego należy osobno wyliczyć całkowitą przepustowość dla połączenia równoległego i osobno dla połączenia szeregowego. Następnie, zgodnie ze wzorem połączenia szeregowego, znajdź wartość wspólną dla dwóch wynikowych wartości.