Электрическая емкость. Конденсаторы

Электрическая емкостьпроводника или устройства, состоящего из двух проводников, разделенных диэлектриком, характеризует их способность накапливать электрические заряды.

Рис.4.Кондесаторы а)плоский б) цилиндрический

В технике широко применяют конденсаторы — устройства, которые при сравнительно малых размерах способны накапливать значительные электрические заряды. Конденсаторы имеют боль­шую электрическую емкость и используются в энергетических установках, устройствах электроники, автоматики и др. Простейший конденсатор состоит из двух близко расположенных металлических пластин (обкладок), между которыми находится диэлектрик (воздух, слюда, фарфор, бумага и т.д.). Для увеличения площади электродов конденсатора его обычно делают многослойным.

Схематический вид плоского конденсатора приведен на рис..4,а а цилиндрического - на рис.4,б. Различные виды конденсаторов представлены на рис.5.

.Рис.5 .Различные виды конденсаторов

Электрическая емкость конденсатора определяется отношением величины заряда на его пластинах к напряжению между ними:

Электрическая емкость измеряется в фарадах (Ф). Емкость конденсатора равна 1 Ф, если увеличение его заряда на 1 Кл электричества вызывает повышение напряжения между его обкладками на 1 В (вольт):

Фарад — очень крупная единица емкости, которая практически не применяется. Обычно используют более мелкие единицы емкости — микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ) и пикофарад (пФ):

Опытным путем установлено, что емкость конденсатора прямо пропорциональна электрической проницаемости диэлектрика, находящегося между пластинами конденсатора, а также зависит от расстояния между пластинами. Конденсатор, у которого пластины находятся на большом расстоянии друт от друга, обладает меньшей емкостью.

Пластины конденсатора, которые имеют большую площадь, заряжаются большим количеством электричества и соответственно обладают большей емкостью. Все сказанное позволяет записать следующую формулу для определения емкости плоского конденсатора, Ф:

где — относительная электрическая проницаемость вакуума; его относительная электрическая проницаемость диэлектрика; S — площадь одной из пластин конденсатора, d — расстояние между пластинами, м.

Пример. 3. Конденсатор имеет две пластины. Площадь каждой пластины составляет 15см2. Между пластинами помещен диэлектрик — пропарафинированная бумага толщиной 0,02 см. Определить емкость этого конденсатора.

Решение

Следует, что диэлектрическая проницаемость пропарафинированной бумаги = 2,2. Емкость конденсатора

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 . Что называется электрической емкостью конденсатора?

2. От каких параметров зависит емкость конденсатора?

3. Как диэлектрическая проницаемость материала влияет на размеры конденсатора?

Соединение конденсаторов

На практике используют три вида соединений конденсаторов: последовательное ,параллельное и смешанное. Обозначения конденсаторов на электрических схемах даны на рис..6.

Последовательное соединение конденсаторов. При последовательном соединении конденсаторов (рис.7) правая пластина первого конденсатора соединяется с левой пластиной второго, правая пластина второго — с левой пластиной третьего и т. д. В этом случае их эквивалентная (общая) емкость уменьшается. Так происходит

потому, что общая толщина диэлектрика увеличивается, что при­

водит к уменьшению общей емкости. Эквивалентную емкость при

последовательном соединении конденсаторов определяют по формуле

Если последовательно включено несколько одинаковых конденсаторов, то их эквивалентную емкость вычисляют по формуле

Рис.6.Обозначение конденсаторов

на электрических схемах: а)конденсатор постоянный емкости

б) поляризованный конденсатор в) подстроечный конденсатор

Рис.7. Схема последовательного соединения конденсаторов.

где С — емкость одного конденсатора, Ф; n — число последовательно включенных конденсаторов.

Общее напряжение, приложенное к последовательно соединенным конденсаторам, равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах

Запомните

■ Последовательное соединение конденсаторов применяется

в том случае, если напряжение в цепи больше рабочего напряжения одного конденсатора.

■ При последовательном соединении эквивалентная емкость

меньше самой малой из соединенных емкостей.

Например, если напряжение в цепи равен 600 В, а в распоряжении имеются три одинаковых конденсатора, причем рабочее напряжение каждого из них составляет 200В, то их можно включить в цепь, соединив предварительно последовательно. Это дает возможность, даже не рассчитывая общую емкость, приблизительно

оценить ее величину. В частности, если соединены последовательно три конденсатора емкостью 0,1, 3 и 10 мкФ, то заранее можно сказать, что их общая емкость будет меньше 0,1 мкФ. Подсчет по формуле дает значение общей емкости 0,096 мкФ.

Параллельное соединение конденсаторов. Схема параллельного соединения конденсаторов приведена на рис..8.

Эквивалентную емкость при параллельном соединении конденсаторов определяют

по формуле.

+ +…

т. е. эквивалентная емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей всех включенных конденсаторов. Это объясняется тем, что при параллельном соединении конденсаторов происходит как бы увеличение площади пластин, что приводит к увеличению емкости.

Рис.8.Схема параллельного соединения конденсаторов

Если параллельно включено п одинаковых конденсаторов, то эквивалентную емкость можно рассчитать по следующей формуле:

Напряжение на каждом из параллельно включенных конденсаторов Uс равно напряжению цепи

Запомните

К параллельно соединенным конденсаторам можно подвести напряжение, не превышающее рабочее напряжение каждого из них.

Смешанное соединение конденсаторов. Такое соединение конденсаторов представляет собой совокупность последовательного и параллельного соединений (рис. 9). Его применяют в том случае, когда необходимо использовать положительные свойства последовательного и параллельного соединений конденсаторов.

Пример.4. В цепь напряжением 600 В необходимо включить емкость 2 мкФ. В распоряжении имеются четыре конденсатора емкостью 2 мкФ каждый. Рабочее напряжение каждого из них равно 300 В. Как нужно включить конденсаторы для включения их в цепь?

Решение

Рабочее напряжение конденсаторов меньше напряжения цепи в два раза, поэтому конденсаторы необходимо соединить последовательно (см. рис.9). При этом напряжение на каждом конденсаторе будет составлять 300 В, а эквивалентная емкость.

Чтобы получить необходимую мощность 2 мкФ, параллельно конденсаторам и включим еще два последовательно соединенных конденсатора и. Эквивалентную емкость конденсаторов и определим по формуле

Емкости и соединены параллельно, поэтому эквивалентная емкость четырех конденсаторов составит:

Рис.9.Схема смешаного соединения конденсаторов

= 2мкФ

Соответственно и напряжение на каждом конденсаторе будет равно 300 В.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы единицы измерения электрической емкости и их соотношение?

2. Как влияет диэлектрик на емкость конденсатора?

3. При каком соединении конденсаторов общая емкость уменьшается?

4. В каких случаях применяется параллельное соединение конденсаторов?

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО

ТОКА

Электрическая цепь — это совокупность устройств, образующих замкнутый путь для электрического тока. Электрическая цепь состоит из источников электрической энергии, приемников, соединенных проводами, вспомогательных и измерительных устройств.

Источниками электрической энергии являются аккумуляторы термоэлектрические элементы, электрические генераторы, Фотоэлектрические элементы и другие устройства, в которых происходит преобразование различного вида энергии (энергии химических реакций, тепловой, механической, световой энергии и т.д.) в электрическую энергию (рис.1).

Рис. 1. Условные обозначения источников постоянного тока на электрических схемах:

а — гальванический элемент; б — генератор постоянного тока; в — термопара;

г — фотоэлемент

Рис. .2. Условные обозначения приемников электрической энергии на схемах:

а — двигатель постоянного тока;

б — электрическая печь; в — резистор; г — лампа накаливания

Приемниками электрической энергии являются электролампы, электропечи, электродвигатели и другие устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию какого-либо другого вида (тепловую, механическую, световую и т. д.). Условные обозначения некоторых приемников электрической энергии приведены на рис. 2.

В качестве соединительных элементов используют соединительные провода, воздушные линии электропередачи, электрические кабели.

Вспомогательные устройства служат для управления режимом электрической сети и ее защиты. К ним относятся: выключатели, переключатели, штепсельные разъемы, предохранители и др.

В качестве измерительных устройств используют амперметры и вольтметры, ваттметры, предназначенные для измерения токов, напряжений и мощности на участках электрической цепи. Простейшая электрическая цепь постоянного тока приведена

на рис..3

Рис. 3. Схема электрической цепи постоянного тока:

Г — генератор постоянного тока; R — приемник (резистор); А — амперметр;

V — вольтметр; К — выключатель.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 . Что называется электрической цепью?

2. Из каких элементов состоит электрическая цепь?

3 . Для чего нужны вспомогательные устройства?