Електротехніка

1.Електрична емність. Конденсатори. Ємність плоского конденсатора.

Провідник, який дістав електричний заряд, стає джере лом електричного поля. При зміні електричного заряду провідника здійснюється певна робота, а тому й енергетична характеристика провідника (потенціал) змінюється. Властивість провідника накопичувати електричний заряд залежить від розмірів і форми його поверхні та від середовища, в якому знаходиться провідник. Ця залеж ність виражається за допомогою поняття електричної ємності С. Електрична ємність — це фізична величина, яка харак теризує здатність провідника накопичувати електричний заряд при зміні потенціалу на один вольт. Чисельно вона дорівнює відношенню заряду провідника до його потен ціалу: . Одиницею електричної ємності є фарад (Ф). Навколо зарядженої пластини утворюється електричне поле з напруженістю Е. При різнойменних за рядах двох близько () розміщених пластин з перпендикуляр ними силовими ями електричні поля між пл астинами додаються, і напруженість поля подвоюється, а поза пластинами — взаємно компенсуються, і напруженiсть поля дорівнює нулю. Для утворення електричної ємності застосовують кон денсатори. Конденсатор у найпростішому вигляді є систе мою двох паралельних металевих пластин, відокремлених шаром діелектрика, можливо й повітрям. Такий конденсатор називається плоским, а його електрична ємність визначається так: , де С — ємність конденсатора, Ф; Q — заряд конденсатора, Кл; ₁ , ₂ — потенціали пластин, U — різниця потенціа лів, В.  У зарядженому конденсаторі електричні силові лінії починаються на пластині з позитивним зарядом і закін чуються на пластині з негативним зарядом. Електричне поле майже повністю зосереджено між пластинами. Зов нішні тіла й поля на нього не діють. Одиниця електричної ємності. . Електрична ємність конденсатора дорівнює одному фа раду, якщо при наданні йому заряду в один кулон напруга між пластинами збільшиться на один вольт. Фарад дуже велика одиниця, тому застосовують мікро фарад (мкФ), пікофарад (пФ): Ф= 10⁶ мкФ= 10¹² пФ. Щоб уявити величину 1 Ф, зазначимо, що електрична ємність Землі дорівнює 709 мкФ, або 709 • 10^-6 Ф. Електрична ємність плоских конденсаторiв визначається формулою , де С — ємність конденсатора, (Ф); _а — абсолютна діелектрична проникність діелектрика, Ф/м; S — площа однієї пластини, (м²); d — відстань між пластинами,(м). Електрична ємність конденсатора прямо пропорційна площі пластин або обкладок. Чим більша площа пластин, тим більша величина заряду міститься на них, оскільки в кожній конструкції конденсатора на одиниці площі мі ститься певна величина заряду. Електрична ємність конденсатора обернено пропорційна відстані між пластинами. Чим менша ця відстань, тим біль ша взаємодія між протилежними зарядами, а тому й більша електрична ємність. Електрична ємність конденсатора прямо пропорційна діелектричній проникності діелектрика. Чим більша ді електрична проникність, тим більша в діелектрику поляри зація, тим менша взаємодія зарядів пластин і діелектри ків, а тому більша електрична ємність. Для збільшення ємності конденсаторів застосовують відповідні діелектрики, певні розміри пластин і відстань між ними. Крім того, виготовляють багатопластинні кон денсатори. Ємність такого конденсатора визнача ється формулою , де п — кількість пластин у конденсаторі.

Конденсатори, залежно від матеріалу діелектриків, поділяються на повітряні, керамічні, слюдяні, паперові, металопаперові та плівкові. Діелектрики можуть бути: повітряні, тверді та рідинні. Розрізняють також конденсатори постійної та змінної електричної ємності.

У слюдяних конденсаторах пластини виготовляють з тонкого шару срібла, а в паперових — із стрічки фольги. У плівкових конденсаторах діелектриком є плівка з орга­нічного високомолекулярного з'єднання, вона наносить­ся на стрічки з алюмінієвої фольги і акручується в ру­лон. Електролітичні конденсатори виготовляються з двох алюмінієвих стрічок, між якими знаходиться просочений електролітом папір або тонкий шар матерії. При виготовлен­ні конденсатора через нього пропускають постійний струм, внаслідок чого відбувається електроліз і окислення елект­рода. Утворюється тонкий шар оксидної плівки — ді­електрик. Однією обкладкою такого конденсатора є пла­стина і електроліт, які утворюють позитивний електрод, а друга пластина є негативним електродом. Завдяки тонко­му шару діелектрика, конденсатор може мати велику елект­ричну ємність. Застосовуються ці конденсатори тільки в колах постійного струму, а в колах змінного струму при U  (0,1  0,15) Upaб оксидна плівка зникає і конденса­тор виходить з ладу.

Для діелектриків існує певна границя напруженості, при якій електрони залишаються зв'язаними зі своїми атомами. Якщо напруженість перевищує цю границю, то електрони зриваються з орбіти, вибивають електрони ін­ших атомів і наступає лавинний потік електронів. Внаслі­док цього відбувається місцеве порушення діелектрика, він стає провідником, через нього йде струм електронної про­відності. Конденсатор втрачає свої властивості.

Явище виникнення в діелектрику конденсатора струму електронної провідності з порушенням його міцності називається пробоєм діелектрика. На виникнення пробою впливають теплові та електрохімічні процеси. У місці пробою опір ізоляції зменшується або зникає зовсім. Пла­стини конденсатора виявляються з'єднаними між собою.

Максимальна напруженість електричного поля, яку може витримати діелектрик без пробою, називається грани­цею напруженості. Гранична напруженість, або електрична міцність, позначається Ем.

Напруга, при якій відбувається пробій діелектрика, називається пробивною, Uпроб. Величина пробивної напруги залежить від діелектрика конденсатора. Найбіль­шу електричну міцність мають керамічні конденсатори. Для надійної роботи конденсатора без пробою необхідно, щоб його напруга була меншою від пробивної. Номіналь­ною або робочою напругою конденсатора є напруга, при якій він може довго (5—10 тис. год) надійно експлуату­ватися, не змінюючи своїх характеристик.

Відношення пробивної напруги до номінальної назива­ється запасом міцності діелектрика конденсатора:

,