Електрична ємність — визначення, характеристики, формула

Будь-які прилади, що працюють від електричного струму, складаються з різноманітних радіоелементів. Деякі з них здатні накопичувати електрику, а потім віддавати її будь-якому вузлу або елементу.

На підставі цього у фізиці та електротехніці використовується таке поняття як електрична ємність. Однак не всі знають її фізичний зміст, застосування і формулу визначення, яка використовується при розрахунках параметрів електричних ланцюгів.

Загальні відомості

Радіокомпоненти, що накопичують електричний заряд, отримали широке застосування в різних електронних пристроях. Щоб зрозуміти їх принцип роботи, необхідно розглянути фізичну природу ємності, тобто здатність провідника накопичувати заряджені частинки.

Для демонстрації принципу роботи електричної ємності необхідно виконати найпростіший дослід, який полягає в знятті вовняного светра. При цьому виникає ефект статичної (накопиченої) електрики, оскільки електризуються тіло і одяг. Щоб їх розрядити, необхідно надати вихід для струму. Це досягається шляхом дотику до іншої людини або металевого предмета. Дослід можна виконати в темряві для більшої наочності.

При цьому буде видно розряд. Однак це не все, чим можна здивувати початківця радіоаматора. Для початку слід зрозуміти фізичний сенс величини електроємності.

Фізичний сенс електроємності

Фізичний сенс електричної ємності полягає в здатності тіл накопичувати електрозаряд під впливом електромагнітного поля. Щоб зрозуміти принцип його накопичення, необхідно привести більш спрощений приклад – цистерну для води. Якщо вона порожня, то цистерна володіє тільки відносною або теоретичною одиницею об’єму.

У міру її заповнення рідиною з’являється абсолютний (фактичний) об’єм. Якщо цистерна має форму циліндра, то вона еквівалентна добутку площі поперечного перерізу на висоту. Отже, при повному її заповненні показник ємності буде максимальним.

Далі потрібно повернутися до звичайного провідника. Під впливом електромагнітного поля відбувається заряд протонів і електронів. Останні починають рухатися по фізичному тілу. Для демонстрації цього процесу потрібно провести дослід, що демонструє накопичення заряду. Для цього будуть потрібні наступні компоненти:

• Дві мідні кулі (сфери).
• З’єднувальні дроти.
• Вимикач.
• Джерело живлення 9 В.

Після того, як схема буде зібрана, потрібно помітити дроти, що йдуть до куль. Наприклад, лівий – “мінус”, а правий — “плюс”. Далі потрібно приєднати джерело в схему, дотримуючись полярності, тобто + до +, а – до -. Далі треба привести систему в дію, замкнувши ключ (вимикач).

У цей момент між кулями буде утворена різниця потенціалів, яка призведе до генерації електромагнітного поля.

Після відключення від джерела живлення між ними буде збережений заряд. Він буде прямо пропорційний площі поперечного перерізу електрода (кульки) і напрузі, а також обернено пропорційний відстані між кулями.

Іншими словами, при збільшенні напруги і зменшенні відстані відбудеться стрімке зростання електромагнітної складової (напруженості). Крім того, на кулях будуть генеруватися негативний і позитивний заряди. Якщо напругу збільшити у два рази, то і заряд (позначається літерою q) теж збільшиться у два рази.

Слід зазначити, що q куль ще залежить від середовища між ними, тобто сила взаємодії (Fq) зменшується або збільшується. Наприклад, якщо між кулями знаходиться вакуум, то Fq буде мати одне значення. Коли між елементами знаходиться нейлон, то Fq збільшиться рівно в три рази.

Далі потрібно ознайомитися з одиницею виміру ємності і співвідношенням для її знаходження.

Одиниця вимірювання електроємності

Характеристика тіл, що здатні проводити, накопичувати і утримувати електричний заряд, що вимірюється відношенням величини заряду відокремленого провідника до потенціалу, є електричною ємністю (позначення літерою «С»).

Її можна знайти за такою формулою (математичний запис попереднього формулювання):

Слід зазначити, що співвідношення дозволяє встановити одиницю виміру ємності провідника, тобто с = Кл/В. У міжнародній системі вона називається фарадою (Ф). Однак в електричних схемах такий показник може просто вивести з ладу радіокомпоненти, оскільки є дуже великим. У цьому випадку застосовуються елементи зі значно меншими величинами, тобто мкФ (1 мкФ = 10 -6 Ф), нФ (1 нФ=10 -9 Ф) і т. д.

Інформація про конденсатори

Конденсатор – це радіодеталь, що призначена для накопичення електричної енергії. Вони бувають двох видів:

Перші мають постійне значення електричної ємності, яке не змінюється з плином часу або в результаті впливу будь-якого характеру (механічного, термічного, електричного). Як правило, при проєктуванні електричного кола необхідно точно розраховувати значення радіоелемента.

До другої групи належать пристрої, що володіють змінною ємнісною характеристикою. Регулювання здійснюється механічним або електричним способом. У першому випадку у конденсатора винесена спеціальна ручка, призначена для зменшення або збільшення ємностей. Вони, в основному, застосовуються в радіоакустиці для налаштування контурів.

Останні представляють систему, що складається з котушки індуктивності і змінного конденсатора.

Елементи з електронним регулюванням називаються варисторами. Їх ємність залежить від поданої на них величини напруги.

Однак конденсатори за типом підключається струму також класифікуються на дві групи.

До них відносяться наступні:

Перші, в основному, виконують роль фільтрів, які поглинають різні коливання хвилі змінного струму, що впливають згубно на пристрої. Крім того, для компенсації повного імпедансу в мережі (сукупність активного і реактивного опорів) іноді необхідно зменшувати значення ємнісного опору. Останнє негативно впливає на електродвигуни, трансформатори та інші пристрої, що складаються з елементів індуктивності.

Однак найбільш часто застосовуються конденсатори електролітичного типу. Це пов’язано з тим, що практично вся апаратура живиться тільки постійним струмом. Для накопичення заряду необхідно використовувати елементи для постійного струму.

Слід зазначити, що при їх монтажі в електричну схему необхідно строго дотримуватися полярності. В іншому випадку радіоелемент може вибухнути. При цьому можуть вийти з ладу самі незахищені і найдорожчі елементи (транзистори, сімістори, інтегральні мікросхеми і т. д.).

Конструкція конденсатора

Конденсатор – це радіоелемент, що складається з декількох компонентів.

До них відносяться наступні:

Корпус призначений для захисту електродів від механічних впливів і електричних перешкод, що впливають на ємність. Крім того, на нього наноситься спеціальне маркування, по якому можна отримати інформацію про технічні характеристики пристрою.

Для збільшення ємності два електроди виготовляються з фольги. Остання змотується у вигляді циліндра у два шари, між якими розташовується діелектрик — матеріал (прокладка), що не пропускає електрострум.

Для підключення в електричну схему до електродів прикріплюються два дроти. Їх називають “ніжками”.

Визначення характеристик конденсатора

Для використання конденсатора в ланцюзі потрібно знати його основні технічні характеристики. До них відносяться наступні:

Перша є основною, оскільки цей радіоелемент використовується для накопичення заряду. Однак пристрої, розраховані на низькі струми і напруги, можуть вийти з ладу при підвищеному параметрі ємності. Наприклад, комп’ютерна техніка. У ній все розраховано, і найменше перевищення заряду може не відкрити необхідний транзистор.

Останній потрібен для кодування інформації в нулі і одиниці.

Однак не у всіх пристроях пильної уваги заслуговує параметр ємності. Іноді ключовий момент представлений напругою пробою. Наприклад, в блоках живлення конденсатори використовуються як фільтрувальні елементи. Проєктувальник радіоапаратури використовують тільки розрахункові значення характеристик.

Наприклад, зі згладжуванням пульсацій струму після діодного моста легко справляється конденсатор ємністю 1000 мкФ і напругою (U) 25 В. Однак допускається використання радіодеталі із завищеними параметрами, тобто с =2200 мкФ і U = 50 В.

Цей підхід поліпшить схему, оскільки істотно “згладить” пульсації, і не вийде з ладу при перевищенні величини напруги пробою.

Однак не у всіх випадках можна визначити характеристики конденсатора. Іноді маркування може бути стерте. Характеристики конденсатора можна вимірюватися за допомогою спеціального приладу — мультиметра. Однак в ньому повинна підтримуватися ця функція.

Цей спосіб володіє істотним недоліком – ним неможливо вимірювати радіокомпоненти великої ємності, оскільки крони буде недостатньо для повної зарядки елемента (джерело живлення мультиметра — крона).

Таким чином, кожен провідник електричного струму має ємнісну характеристику, що здатна накопичувати електричний заряд. На цьому принципі побудовані конденсатори, без яких не буде працювати жодна сучасна апаратура.

Що таке Електроємність

досліди показують, що у кожного провідника потенціал змінюється пропорційно заряду, а відношення заряду до потенціалу для даного провідника — величина стала, залежна від його розмірів і форми, й називається електроємністю провідника.

Електроємність відокремленого провідника — скалярна фізична величина, яка характеризує здатність провідника накопичувати заряд і дорівнює відношенню значення електричного заряду відокремленого провідника до його потенціалу :

Отже, електроємністю відокремленого провідника ми називатимемо величину, яка дорівнює відношенню заряду, наданого провіднику, до його потенціалу.

Одиницею електроємності в СІ є:

На честь англійського фізика М. Фарадея ця одиниця названа фарадом.

1 фарад — ємність провідника, у якого зміна заряду на 1 Кл спричиняє зміну потенціалу на 1 В.

Через те що заряд у 1 Кл дуже великий, ємність 1 Ф дуже велика. Тому на практиці часто використовують частинні одиниці:

1пФ = 10 -12 Ф; 1 нФ = 10 -9 Ф; 1 мкФ = 10 -6 Ф і т. д.

Конденсатори.

Приєднавши до одного з електрометрів замість кулі металевий диск, заряджають його так само, як і в першому досліді, й іще раз спостерігають, що із збільшенням заряду на диску пропорційно збільшується також його потенціал. Далі беруть другий диск, заземляють його та, розташувавши паралельно першому, зменшують відстань між дисками. При цьому стрілка електрометра показує зменшення потенціалу (рис. 99).

Зближуючи диски до відстані, що трохи перевищує товщину наявної пластини з діелектрика , вставляють її в зазор між дисками. Електрометр знов показує ще більше зменшення потенціалу. У разі віддалення пластини потенціал відновлюється до колишньої величини.

Цей дослід показує, що електроємність залежить не тільки від розмірів і форми провідника. Вона збільшується в разі наближення іншого провідника, а також у разі збільшення діелектричної проникності середовища.

Конденсатор — два провідники, що мають рівні й протилежні за знаком заряди, причому конфігурація провідників є такою, що поле, ними створюване, зосереджене в основному між провідниками.

Конденсатор (з підручника) — це пристрій, що являє собою систему з двох провідних обкладок, розділених шаром діелектрика, товщина якого є малою порівняно з розмірами об кладок. (Найдавніший тип конденсатора — лейденську банку (рис. 7.1 в підручнику) — уперше було створено в середині XVIII ст. у голландському місті Лейден.

Електроємність конденсатора (з підручника) — скалярна фізична величина, яка характеризує здатність конденсатора накопичувати заряд і дорівнює відношенню значення заряду однієї з обкладок конденсатора до різниці потенціалів між цією обкладкою і сусідньою:

Чим більша ємність, тим більший заряд можна помістити на обкладки конденсатора за тієї ж різниці потенціалів між ними. Значить, електроємність характеризує здатність двох провідників накопичувати електричний заряд .

Очевидно, що одиниця електроємності конденсатора в СІ збігається з одиницею електроємності відокремленого провідника — фарад (Ф).

1 Ф — це електроємність конденсатора, між обкладками якого виникає різниця потенціалів 1 В, якщо заряд на кожній із обкладок становить 1 Кл.