Часто на школьных уроках физики преподаватель, разъясняя тему электричества, прибегает к сравнению с течением потока воды. Во многих случаях, хотя не всегда, для упрощения понимания происходящих процессов такое сравнение вполне допустимо. Собственно, даже само слово «ток» используется именно в отношении жидкостей. А что такое емкость? Это одна из характеристик предмета, его способность вмещать что-либо. Например, все знают, что емкость банки составляет 3 литра. Очевидно, что количество накопленной воды непосредственно зависит от вместительности сосуда. Так, если взять два ведра, к примеру, 8 и 12 литров, то по высоте они равны, а отличие лишь в диаметре. Понятие «электрическая емкость» в этом плане весьма похоже. Например, один из параметров, влияющий на вместимость - это габариты. Электрическая емкость (Э.Е.)- это способность накапливать и удерживать в себе определенное количество электричества. Любой проводящий материал обладает определенной Э.Е., зависящей от ряда параметров. Процесс накопления заряда возможен в том случае, когда отсутствует возможность его перетекания на другой объект, обладающий большей емкостью.

Электрическая емкость может быть выражена через формулу, учитывающую способность накапливать заряд (потенциал - v) и величиной самого заряда (q). Обозначается буквой «c»:

Электрическая емкость измеряется в фарадах. Однако так как эта величина достаточно велика, в современных электронных схемах чаще применяются микро- и пикофарады. Большие емкости используются только в специфичных устройствах и расчетах. Соответственно, приставки «микро и пико» равны 1*10 в -6 и -12 степенях. Происходящие процессы легко описать через электроемкость уединенного проводника.

Представим себе проводник, находящийся в непроводящей ток среде, в которой отсутствуют внешние поля. Подключаем его к Часть электронов попадает в структуру материала, создавая избыточный потенциал, то есть, эти заряды при определенных условиях (создать контур) могут выполнить работу. Они распределяются по поверхности с определенной плотностью, которая зависит от пространственной конфигурации проводника и его размеров. Вокруг каждого точечного заряда существует электрическое поле, которое оказывает воздействие на все другие участки проводника. Потенциал такого уединенного проводника находится в прямой зависимости от заряда. Отношение данного заряда (q) к потенциалу (Fi) для рассматриваемого проводника неизменно, так как зависит лишь от форма) и коэффициента В примере не зря указан именно уединенный проводник. При наличии рядом с ним других тел, электрическое поле единичных зарядов будет индуцировать в окружающих телах потенциал противоположного знака, влияющий на итоговое значение (оно будет меньше).

Простейший элемент, использующий свойства накапливать электрический ток - это конденсатор. Он представляет собой два проводника, разделенных диэлектрическим материалом. Его особенность в том, что генерируемое электрическое поле оказывается «связанным» между обкладками (противоположные участки проводников) и практически не воздействует на окружающие тела, а, значит, потенциал на внешнюю работу не растрачивается.

Увеличить емкость можно несколькими путями:

• уменьшить промежуток между обкладками. Бесконечное уменьшение невозможно, так как может возникнуть пробой непроводящей среды, что приведет к потере заряда;
• подобрать непроводящий материал с большим сопротивлением пробою;
• увеличить площадь обкладок. В целях сохранения приемлемых габаритов конденсатора часто изменяют пространственное расположение обкладок. Например, два проводника скручивают в кольца, разделенные изолятором.

Сообщение электрического разряда проводнику называется электризацией. Чем больший заряд принял проводник, тем больше его , или, иначе говоря, тем выше его электрический потенциал.

Между количеством электричества и потенциалом данного уединенного проводника существует линейная зависимость: отношение заряда проводника к его потенциалу есть величина постоянная:

Для какого-либо другого проводника отношение заряда к потенциалу есть также величина постоянная, но отличная от этого отношения для первого проводника.

Одной из причин, влияющих на эту разницу, являются размеры самого проводника. Один и тот же заряд, сообщенный различным проводникам, может создать различные потенциалы. Чтобы повысить потенциал какого-либо проводника на одну единицу потенциала, необходим определенный заряд.

Электрическая емкость и ее единица измерения

Свойство проводящих тел накапливать и удерживать электрический заряд, измеряемое отношением заряда уединенного проводника к его потенциалу, называется электрической , или просто емкостью, и обозначается буквой С.

Приведенная формула электрической емкости позволяет установить единицу электрической емкости.

Практически заряд измеряется в кулонах, потенциал в вольтах, а емкость в фарадах:

Емкостью в 1 фараду обладает проводник, которому сообщают заряд в 1 кулон и при этом потенциал проводника увеличивается на 1 вольт.

Единица измерения электрической емкости - (обозначается ф или F ) очень велика. Поэтому чаще пользуются более мелкими единицами - микрофарадой (мкф или μF ), составляющей миллионную часть фарады:

1 мкф = 10 -6 ф ,

и пикофарадой (пф ), составляющей миллионную часть микрофарады:

1 пф = 10 -6 мкф = 10 -12 ф .

Найдем выражение практической единицы - фарады в абсолютных единицах:

Электрический конденсатор

Устройство, предназначенное для накопления электрических зарядов, называется электрическим .

Рисунок 1. Модель простейшего конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), разделенных между собой слоем . Чтобы зарядить конденсатор, нужно его обкладки соединить с полюсами электрической машины. Разноименные заряды, скопившиеся на обкладках конденсатора, связаны между собой электрическим полем. Близко расположенные пластины конденсатора, влияя одна на другую, позволяют получить на обкладках большой электрический заряд при относительно невысокой разности потенциалов между обкладками. Электрическая емкость конденсатора есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

Как показывают измерения, емкость конденсатора увеличится, если увеличить поверхность обкладок или приблизить их одну к другой. На емкость конденсатора оказывает влияние также материал диэлектрика. Чем больше диэлектрика, тем больше емкость конденсатора по сравнению с емкостью того же конденсатора, диэлектриком в котором служит пустота (воздух). Выбирая диэлектрик для конденсатора, нужно стремиться к тому, чтобы диэлектрик обладал большой (хорошими изолирующими качествами). Плохой диэлектрик приводит к пробою его и разряду конденсатора. Несовершенный диэлектрик повлечет за собой утечку тока через него и постепенный разряд конденсатора.

Длинные линии передачи высокого напряжения можно рассматривать как своеобразные обкладки конденсатора. Емкость провода нужно рассматривать не только относительно другого провода, но также относительно земли, стен помещений и окружающих предметов. Значительной емкостью обладают подводные и подземные кабели ввиду близкого расположения токоведущих жил между собой.

Конденсатор постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Рисунок 2. Схема устройства конденсатора
постоянной емкости

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических (станиолевых) листов с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком, как схематически показано на рисунке 2. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или трубку. Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином.

Рисунок 3. Внешний вид современных конденсаторов постоянной емкости

Определим емкость плоского конденсатора. Возьмем произвольную замкнутую поверхность вокруг одной из пластин конденсатора. Тогда по теореме Гаусса поток вектора напряженности, проходящий через любую замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд, равен:

где d - расстояние между пластинами или толщина диэлектрика. Подставив значение E из формулы (2) в формулу (1), получим:

то выражение емкости плоского конденсатора примет вид:

где S - площадь пластин в м²; d - толщина диэлектрика в м; ε - относительная электрическая проницаемость диэлектрика (диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин (обкладок) S , уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика поставить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Видео об устройстве конденсатора постоянной емкости:

Конденсатор переменной емкости

Конденсаторы, емкость которых можно менять, называются конденсаторами переменной емкости.

Наиболее простой конденсатор переменной емкости имеет несколько (реже один) или алюминиевых полудисков, соединенных между собой электрически и укрепленных неподвижно. Другой ряд таких же полудисков собран на общей оси. При повороте этой оси каждый из укрепленных на ней полудисков входит меду двумя неподвижными полудисками. Поворачивая ось и меняя таким образом взаимное расположение подвижных и неподвижных полудисков, мы можем менять емкость конденсатора. На рисунке 3 показана схема устройства и на рисунке 4 - общий вид воздушного конденсатора переменной емкости.

Рисунок 3. Схема устройства конденсатора переменной емкости

Рисунок 4. Общий вид конденсатора переменной емкости

Видео об устройстве серийного конденсатора переменной емкости:

Видео о том, как можно сделать самодельный конденсатор переменной емкости своими руками:

Электролитические конденсаторы

В радиотехнике применяются также электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы изготовляются двух типов: жидкостные и сухие. В обоих типах конденсаторов употребляется оксидированный . Путем специальной электрохимической обработки на поверхности алюминия получают тонкий (порядка нескольких десятков микрон) слой оксида алюминия Al 2 O 3 , представляющий так называемую оксидную изоляцию алюминия. Оксидная изоляция обладает электроизолирующими свойствами, а также является механически прочной, нагревостойкой, но гигроскопичной.

В жидкостных электролитических конденсаторах алюминиевую оксидированную пластину помещают внутрь металлического корпуса, который служит второй пластиной. В корпус заливают электролит, состоящий из раствора борной кислоты с некоторыми примесями.

Сухие электролитические конденсаторы изготовляют путем сворачивания трех лент. Одна лента представляет собой алюминиевую оксидированную фольгу (тонко раскатанный лист металла). Другой пластиной является лента из алюминиевой фольги. Между двумя металлическими лентами помещается бумажная или марлевая лента, пропитанная вязким электролитом. Плотно свернутые ленты помещаются в алюминиевый корпус и заливаются битумом. Тонкий оксидный изолирующий слой с высокой электрической проницаемостью (ε = 9) позволяет получить дешевые конденсаторы с большой удельной емкостью.

Видео об устройстве электролитического конденсатора:

Рисунок 5. Параллельное
соединение конденсаторов

Когда емкость конденсатора мала, то соединяют несколько конденсаторов параллельно (рисунок 5).

При конденсаторов напряжение на обкладках каждого конденсатора одно и то же. Поэтому можно написать:

U 1 = U 2 = U 3 = U .

Количество электричества (заряд) каждого конденсатора:

q 1 = C 1 × U ; q 2 = C 2 × U ; q 3 = C 3 × U .

Общий заряд батареи конденсаторов:

q = q 1 + q 2 + q 3 ;

q = C 1 × U + C 2 × U + C 3 × U = U (C 1 + C 2 + C 3) .

Обозначая емкость батареи конденсаторов через C , получаем:

q = C × U ,

C × U = U × (C 1 + C 2 + C 3)

или окончательно формула емкости при параллельном соединении конденсаторов примет вид:

C = C 1 + C 2 + C 3 .

Следовательно, при параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. При параллельном соединении каждый конденсатор окажется включенным на полное напряжение сети.

q 1 = q 2 = q 3 = q .

Напряжение, приложенное ко всей батареи конденсаторов, равно сумме напряжений на обкладках каждого конденсатора:

U = U 1 + U 2 + U 3 .

для всей батареи

теперь можно написать

или, сокращая на q , получим окончательно, что емкость конденсаторов при последовательном соединении равна:

Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов обратная величина общей емкости равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов. Каждый из конденсаторов включен на меньшее напряжение, чем напряжение сети.

Конденсаторы широко применяются в радиотехнике, рентгенотехнике, высокочастотной промышленной электротехнике, для увеличения электроустановок и так далее.

Электрическая емкость характеризует способность проводника сохранять электрический заряд в электростатическом поле. Рассмотрим более подробно понятие электрической емкости.

При электризации диэлектрика заряжается только та часть его поверхности, которая подвергалась натиранию или сопри­касалась с другим заряженным телом. Электрический заряд, возбужденный на части поверхности диэлектрика, не может распространиться по всей его поверхности, так как в диэлек­триках все электрические заряды прочно связаны с молеку­лами вещества, лишенными свободы передвижения. Можно, например, зарядить один конец эбонитовой палочки отрица­тельным электричеством, а другой конец - положительным электричеством, и оба этих противоположных по знаку заряда не смогут соединиться друг с другом (Рис. 1).

Рисунок 1. Распределение зарядов в диэлектрике.

Электрические заряды на проводниках ведут себя совер­шенно иначе. Если мы поместим на проводник некоторое ко­личество электронов, они немедленно, отталкиваясь друг от друга, распространятся по всей поверхности проводника, при­чем именно по поверхности, а не по толще проводника.

Если зарядить электричеством проводник удлиненной фор­мы, например металлическую палочку, то наибольшее количе­ство зарядов сосредоточится на ее концах (рис. 2.).

Рисунок 2. Распределение зарядов в проводнике.

При за­ряде металлического шара электрические заряды распределятся по его поверхности равномерно (рис. 3.). Если этот шар будет пустотелым, то это нисколько не повлияет на распреде­ление зарядов; они также равномерно «расселятся» по наруж­ной поверхности шара, так как каждый из них будет стре­миться уйти подальше от своих одноименных соседей - заря­дов. Это в равной степени относится как к отрицательным зарядам, так и к положительным.

Рисунок 3. Распределение зарядов на прверхности металлического шара.

Свободные электрические заряды, помещенные в каком-либо месте на проводнике, расходятся по его поверхности по­добно воде, растекающейся, например, по дну какого-либо со­суда. Подобно тому, как вода будет растекаться по дну сосуда до тех пор, пока уровень ее не сделается всюду одинако­вым, так и электрические заряды будут «растекаться» по поверхности проводника до тех пор, пока электрический по­тенциал всех точек поверхности не станет одинаковым. Прак­тически этот процесс происходит мгновенно.

Легко сообразить, что потенциал положительно заряжен­ного проводника будет тем выше, чем больше заряд, сообщен­ный проводнику. Это видно хотя бы из такого рассуждения. Представим себе, что мы заряжаем положительным электри­чеством какой-либо уединенный металлический предмет (про­водник), перенося на его поверхность один за другим отдель­ные электрические заряды. По мере накопления на нем элек­тричества на перенесение новых зарядов придется затрачивать все больше и больше работы, так как при переносе каждого следующего заряда нам придется преодолевать силы отталки­вания, действующие со стороны всех предыдущих зарядов, помещенных ранее на проводник. А так как потенциал про­водника характеризуется работой, затраченной на перенесение единичного положительного заряда из бесконечно удаленной точки в какую-либо точку проводника, то с увеличением поло­жительного заряда проводника потенциал его будет повышать­ся (ясно, что потенциал проводника, заряженного отрицатель­ным зарядом, будет отрицателен и с увеличением заряда бу­дет понижаться).

Количественная связь между величиной заряда проводника и его потенциалом очень проста: потенциал проводника прямо пропорционален величине его заряда, т. е. при увеличении за­ряда проводника, например, вдвое потенциал его повышается также вдвое.

Однако, соотношение между зарядом и потенциалом раз­лично для разных проводников. Например, один проводник достаточно зарядить количеством электричества в одну милли­ардную долю кулона, чтобы довести его потенциал до одного вольта, а другому проводнику для этого потребуется заряд, например, в одну стомиллионную долю кулона. Следователь­но, для разных проводников нужны разные количества элек­тричества, чтобы довести их заряд до одного и того же «элек­трического уровня». Поэтому принято считать, что различные проводники обладают различной электрической емкостью .

Электрическая емкость проводника зависит, прежде всего, от его разме­ров, - чем больше размеры проводника, тем больше его ем­кость. Емкость проводника зависит и от других причин, о ко­торых мы еще будем говорить. За единицу электрической ем­кости принимают емкость такого проводника, которому надо сообщить заряд, равный единице количества электричества - одному кулону, чтобы потенциал его повысился также на одну единицу, т. е. на 1 вольт.

Поскольку мы сравнивали электрический потенциал с уров­нем жидкости в сосуде, можно попытаться и далее искать аналогию между емкостью проводника и свойствами сосуда.

Однако, электрическую емкость нельзя отождествлять с ем­костью (вместимостью) сосуда. Действительно, емкость сосу­да указывает, какое наибольшее количество жидкости он мо­жет вместить, между тем как электрическая емкость провод­ника ничего не говорит о том, какое количество электриче­ства может «вместить» проводник. Всякий проводник принци­пиально может вместить любое количество электричества, только с увеличением количества электричества будет повы­шаться потенциал (электрический уровень) проводника и по­вышаться тем быстрее, чем меньше емкость проводника.

Поэтому электрическую емкость проводника можно было бы сравнить с площадью дна сосуда (мы считаем, что сосуд имеет вертикальные стенки) Действительно, чем больше пло­щадь дна сосуда, тем больше нужно налить в него жидкости для того, чтобы она достигла определенного уровня (рис. 4.).

Рисунок 4. Отличие электрической емкости от обычного понятия емкости.

Итак, уединенного проводника определяется как отношение количества электричества, сообщенного проводнику, к потенциалу, который при этом приобретает проводник, т. е.

Если Q выражено в кулонах, а U в вольтах, то единица электрической емкости С получится в фарадах (обозначение Ф.).

Фарада представляет собой слишком крупную величину, никогда не встречающуюся на практике. Поэтому для измере­ния емкости приняты более мелкие единицы - микрофарада (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ).

Микрофарада составляет одну миллионную долю фарады, нанофарада одну тысячную микрофарады, а пикофарада - одну миллионную долю микрофарады (или одну тысячную долю нанофарады).

1 мкф = 10 -6 Ф;

1 нф = 10 -9 Ф;

Когда увеличивается заряд проводника, то прямо пропорционально заряду будет возрастать его потенциал . Это справедливо для проводников любой геометрической формы. Отношение заряда проводника к его потенциалу не зависит от величины заряда, находящегося на проводнике, и определяются свойствами самого проводника, а также среды, в которой он находится. Характеристикой электрических свойств проводника, определяющей возможность накопления зарядов на данном проводнике, является электрическая емкость С .

Так как заряду q проводника пропорционален потенциал j(отсчитываемый от нулевого уровня на бесконечности), то электрическая емкость С уединенного проводника равна отношению заряда проводника к потенциалу и определяется отношением:

Таким образом, чем больше электрическая емкость, тем больший заряд может накопить проводник, имеющий данный потенциал.

Численно электрическая емкость С равна заряду q , который необходимо сообщить уединенному телу для изменения его потенциала на единицу.

В системе единиц СГСЕ электрическая емкость измеряется в сантиметрах.

1 Ф = 9 . 10 11 см.

Емкость уединенного шара радиусом R , равна:

Поэтому в системе СГСЕ электрическая емкость проводящего шара в вакууме равна его радиусу. Емкостью 1 Ф обладает шар, радиус которого равен 9 . 10 6 км. Если считать Землю уединенным проводником, то ее электрическая емкость составляла бы порядка 0,7мФ.

В общем случае электрическая емкость геометрически подобных проводящих тел пропорциональна их размерам. Емкость зависит от геометрических размеров и формы проводников, взаимного расположения проводников и диэлектрической проницаемости, но не зависит от материала проводника.

Наличие вблизи проводника других тел изменяет его электрическую емкость, так как потенциал проводника зависит и от электрических полей, создаваемых наведенными в окружающих телах зарядами вследствие явления электростатической индукции .

Понятие электрической емкости относится не только к одному проводнику, но и к системе проводников, в частности к системе двух проводников, разделенных тонким слоем диэлектрика - конденсатору электрическому . Конденсаторы используют для получения нужных величин электрической емкости в технике. Емкость конденсатора характеризует не отдельную пластину, а систему двух пластин (проводников) в их взаимном расположении друг к другу. Электрическая емкость всегда характеризует систему из двух тел, между которыми установилась разность потенциалов (так как физический смысл имеет только разность потенциалов между двумя точками (см Потенциал Электростатический). Электроемкость конденсатора (взаимная емкость его обкладок), заряженных соответственно зарядами +q и –q , это физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводниками. Электрическая емкость конденсатора практически не зависит от наличия окружающих тел и может достигать очень большой величины при малых геометрических размерах конденсаторов.

Все элементы и устройства, применяемые в электрических цепях различного назначения (трансформаторы, электронные приборы) также обладают электрической емкостью, влияние которой в некоторых режимах может быть существенным.

Длина и расстояние Масса Меры объема сыпучих продуктов и продуктов питания Площадь Объем и единицы измерения в кулинарных рецептах Температура Давление, механическое напряжение, модуль Юнга Энергия и работа Мощность Сила Время Линейная скорость Плоский угол Тепловая эффективность и топливная экономичность Числа Единицы измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Угловая скорость и частота вращения Ускорение Угловое ускорение Плотность Удельный объем Момент инерции Момент силы Вращающий момент Удельная теплота сгорания (по массе) Плотность энергии и удельная теплота сгорания топлива (по объему) Разность температур Коэффициент теплового расширения Термическое сопротивление Удельная теплопроводность Удельная теплоёмкость Энергетическая экспозиция, мощность теплового излучения Плотность теплового потока Коэффициент теплоотдачи Объёмный расход Массовый расход Молярный расход Плотность потока массы Молярная концентрация Массовая концентрация в растворе Динамическая (абсолютная) вязкость Кинематическая вязкость Поверхностное натяжение Паропроницаемость Паропроницаемость, скорость переноса пара Уровень звука Чувствительность микрофонов Уровень звукового давления (SPL) Яркость Сила света Освещённость Разрешение в компьютерной графике Частота и длина волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Электрический заряд Линейная плотность заряда Поверхностная плотность заряда Объемная плотность заряда Электрический ток Линейная плотность тока Поверхностная плотность тока Напряжённость электрического поля Электростатический потенциал и напряжение Электрическое сопротивление Удельное электрическое сопротивление Электрическая проводимость Удельная электрическая проводимость Электрическая емкость Индуктивность Американский калибр проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Магнитодвижущая сила Напряженность магнитного поля Магнитный поток Магнитная индукция Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Радиоактивный распад Радиация. Экспозиционная доза Радиация. Поглощённая доза Десятичные приставки Передача данных Типографика и обработка изображений Единицы измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

фарад эксафарад петафарад терафарад гигафарад мегафарад килофарад гектофарад декафарад децифарад сантифарад миллифарад микрофарад нанофарад пикофарад фемтофарад аттофарад кулон на вольт абфарад единица емкости СГСМ статфарад единица емкости СГСЭ

Подробнее об электрической емкости

Общие сведения

Электрическая емкость - это величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд, равная отношению электрического заряда к разности потенциалов между проводниками:

C = Q/∆φ

Здесь Q - электрический заряд, измеряется в кулонах (Кл), - разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

В системе СИ электроемкость измеряется в фарадах (Ф). Данная единица измерения названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

Фарад является очень большой емкостью для изолированного проводника. Так, металлический уединенный шар радиусом в 13 радиусов Солнца имел бы емкость равную 1 фарад. А емкость металлического шара размером с Землю была бы примерно 710 микрофарад (мкФ).

Так как 1 фарад - очень большая емкость, поэтому используются меньшие значения, такие как: микрофарад (мкФ), равный одной миллионной фарада; нанофарад (нФ), равный одной миллиардной; пикофарад (пФ), равный одной триллионной фарада.

В системе СГСЭ основной единицей емкости является сантиметр (см). 1 сантиметр емкости - это электрическая емкость шара с радиусом 1 сантиметр, помещенного в вакуум. СГСЭ - это расширенная система СГС для электродинамики, то есть, система единиц в которой сантиметр, грам, и секунда приняты за базовые единицы для вычисления длины, массы и времени соответственно. В расширенных СГС, включая СГСЭ, некоторые физические константы приняты за единицу, чтобы упростить формулы и облегчить вычисления.

Использование емкости

Конденсаторы - устройства для накопления заряда в электронном оборудовании

Понятие электрической емкости относится не только к проводнику, но и к конденсатору. Конденсатор - система двух проводников, разделенных диэлектриком или вакуумом. В простейшем варианте конструкция конденсатора состоит из двух электродов в виде пластин (обкладок). Конденсатор (от лат. condensare - «уплотнять», «сгущать») - двухэлектродный прибор для накопления заряда и энергии электромагнитного поля, в простейшем случае представляет собой два проводника, разделённые каким-либо изолятором. Например, иногда радиолюбители при отсутствии готовых деталей изготавливают подстроечные конденсаторы для своих схем из отрезков проводов разного диаметра, изолированных лаковым покрытием, при этом более тонкий провод наматывается на более толстый. Регулируя число витков, радиолюбители точно настраивают контура аппаратуры на нужную частоту. Примеры изображения конденсаторов на электрических схемах приведены на рисунке.

Историческая справка

Еще 250 лет назад были известны принципы создания конденсаторов. Так, в 1745 г. в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор - «лейденскую банку» - в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки, а обкладками служили вода в сосуде и ладонь экспериментатора, державшая сосуд. Такая «банка» позволяла накапливать заряд порядка микрокулона (мкКл). После того, как ее изобрели, с ней часто проводили эксперименты и публичные представления. Для этого банку сначала заряжали статическим электричеством, натирая ее. После этого один из участников прикасался к банке рукой, и получал небольшой удар током. Известно, что 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, с ужасом вскрикнули.

В Россию «лейденская банка» пришла благодаря русскому царю Петру I, который познакомился с Мушенбруком во время путешествий по Европе, и подробнее узнал об экспериментах с «лейденской банкой». Петр I учредил в России Академию наук, и заказал Мушенбруку разнообразные приборы для Академии наук.

В дальнейшем конденсаторы усовершенствовались и становились меньше, а их емкость - больше. Конденсаторы широко применяются в электронике. Например, конденсатор и катушка индуктивности образуют колебательный контур, который может быть использован для настройки приемника на нужную частоту.

Существует несколько типов конденсаторов, отличающихся постоянной или переменной емкостью и материалом диэлектрика.

Примеры конденсаторов

Промышленность выпускает большое количество типов конденсаторов различного назначения, но главными их характеристиками являются ёмкость и рабочее напряжение.

Типичные значение ёмкости конденсаторов изменяются от единиц пикофарад до сотен микрофарад, исключение составляют ионисторы, которые имеют несколько иной характер формирования ёмкости – за счёт двойного слоя у электродов – в этом они подобны электрохимическим аккумуляторам. Суперконденсаторы на основе нанотрубок имеют чрезвычайно развитую поверхность электродов. У этих типов конденсаторов типичные значения ёмкости составляют десятки фарад, и в некоторых случаях они способны заменить в качестве источников тока традиционные электрохимические аккумуляторы.

Вторым по важности параметром конденсаторов является его рабочее напряжение . Превышение этого параметра может привести к выходу конденсатора из строя, поэтому при построении реальных схем принято применять конденсаторы с удвоенным значением рабочего напряжения.

Для увеличения значений ёмкости или рабочего напряжения используют приём объединения конденсаторов в батареи. При последовательном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение удваивается, а суммарная ёмкость уменьшается в два раза. При параллельном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается в два раза.

Третьим по важности параметром конденсаторов является температурный коэффициент изменения ёмкости (ТКЕ) . Он даёт представление об изменении ёмкости в условиях изменения температур.

В зависимости от назначения использования, конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, требования к параметрам которых некритичны, и на конденсаторы специального назначения (высоковольтные, прецизионные и с различными ТКЕ).

Маркировка конденсаторов

Подобно резисторам, в зависимости от габаритов изделия, может применяться полная маркировка с указанием номинальной ёмкости, класса отклонения от номинала и рабочего напряжения. Для малогабаритных исполнений конденсаторов применяют кодовую маркировку из трёх или четырёх цифр, смешанную цифро-буквенную маркировку и цветовую маркировку.

Соответствующие таблицы пересчёта маркировок по номиналу, рабочему напряжению и ТКЕ можно найти в Интернете, но самым действенным и практичным методом проверки номинала и исправности элемента реальной схемы остаётся непосредственное измерение параметров выпаянного конденсатора с помощью мультиметра.

Предупреждение: поскольку конденсаторы могут накапливать большой заряд при весьма высоком напряжении, во избежание поражения электрическим током необходимо перед измерением параметров конденсатора разряжать его, закоротив его выводы проводом с высоким сопротивлением внешней изоляции. Лучше всего для этого подходят штатные провода измерительного прибора.

Оксидные конденсаторы: данный тип конденсатора обладает большой удельной емкостью, то есть, емкостью на единицу веса конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторов представляет собой обычно алюминиевую ленту, покрытую слоем оксида алюминия. Второй обкладкой служит электролит. Так как оксидные конденсаторы имеют полярность, то принципиально важно включать такой конденсатор в схему строго в соответствии с полярностью напряжения.

Твердотельные конденсаторы: в них вместо традиционного электролита в качестве обкладки используется органический полимер, проводящий ток, или полупроводник.

Переменные конденсаторы: емкость может меняться механическим способом, электрическим напряжением или с помощью температуры.

Пленочные конденсаторы: диапазон емкости данного типа конденсаторов составляет примерно от 5 пФ до 100 мкФ.

Имеются и другие типы конденсаторов.

Ионисторы

В наши дни популярность набирают ионисторы. Ионистор (суперконденсатор) - это гибрид конденсатора и химического источника тока, заряд которого накапливается на границе раздела двух сред - электрода и электролита. Начало созданию ионисторов было положено в 1957 году, когда был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем на пористых угольных электродах. Двойной слой, а также пористый материал помогли увеличить емкость такого конденсатора за счет увеличения площади поверхности. В дальнейшем эта технология дополнялась и улучшалась. На рынок ионисторы вышли в начале восьмидесятых годов прошлого века.

С появлением ионисторов появилась возможность использовать их в электрических цепях в качестве источников напряжения. Такие суперконденсаторы имеют долгий срок службы, малый вес, высокие скорости зарядки-разрядки. В перспективе данный вид конденсаторов может заменить обычные аккумуляторы. Основными недостатками ионисторов является меньшая, чем у электрохимических аккумуляторов удельная энергия (энергия на единицу веса), низкое рабочее напряжение и значительный саморазряд.

Ионисторы применяются в автомобилях Формулы-1. В системах рекуперации энергии, при торможении вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в маховике, аккумуляторах или ионисторах для дальнейшего использования.

В бытовой электронике ионисторы применяются для стабилизации основного питания и в качестве резервного источника питания таких приборов как плееры, фонари, в автоматических коммунальных счетчиках и в других устройствах с батарейным питанием и изменяющейся нагрузкой, обеспечивая питание при повышенной нагрузке.

В общественном транспорте применение ионисторов особенно перспективно для троллейбусов, так как становится возможна реализация автономного хода и увеличения маневренности; также ионисторы используются в некоторых автобусах и электромобилях.

Электрические автомобили в настоящем времени выпускают многие компании, например: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Университет Торонто совместно с компанией Toronto Electric разработали полностью канадский электромобиль A2B. В нем используются ионисторы вместе с химическими источниками питания, так называемое гибридное электрическое хранение энергии. Двигатели данного автомобиля питаются от аккумуляторов весом 380 килограмм. Также для подзарядки используются солнечные батареи, установленные на крыше электромобиля.

Емкостные сенсорные экраны

В современных устройствах все чаще применяются сенсорные экраны, которые позволяют управлять устройствами путем прикосновения к панелям с индикаторами или экранам. Сенсорные экраны бывают разных типов: резистивные, емкостные и другие. Они могут реагировать на одно или несколько одновременных касаний. Принцип работы емкостных экранов основывается на том, что предмет большой емкости проводит переменный ток. В данном случае этим предметом является тело человека.

Поверхностно-емкостные экраны

Таким образом, поверхностно-емкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом. В качестве резистивного материала обычно применяется имеющий высокую прозрачность и малое поверхностное сопротивление сплав оксида индия и оксида олова. Электроды, подающие на проводящий слой небольшое переменное напряжение, располагаются по углам экрана. При касании к такому экрану пальцем появляется утечка тока, которая регистрируется в четырех углах датчиками и передается в контроллер, который определяет координаты точки касания.

Преимущество таких экранов заключается в долговечности (около 6,5 лет нажатий с промежутком в одну секунду или порядка 200 млн. нажатий). Они обладают высокой прозрачностью (примерно 90%). Благодаря этим преимуществам, емкостные экраны уже с 2009 года активно начали вытеснять резистивные экраны.

Недостаток емкостных экранов заключается в том, что они плохо работают при отрицательных температурах, есть трудности с использованием таких экранов в перчатках. Если проводящее покрытие расположено на внешней поверхности, то экран является достаточно уязвимым, поэтому емкостные экраны применяются лишь в тех устройствах, которые защищены от непогоды.

Проекционно-емкостные экраны

Помимо поверхностно-емкостных экранов, существуют проекционно-емкостные экраны. Их отличие заключается в том, что на внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод, к которому прикасаются, вместе с телом человека образует конденсатор. Благодаря сетке, можно получить точные координаты касания. Проекционно-емкостный экран реагирует на касания в тонких перчатках.

Проекционно-емкостные экраны также обладают высокой прозрачностью (около 90%). Они долговечны и достаточно прочные, поэтому их широко применяют не только в персональной электронике, но и в автоматах, в том числе установленных на улице.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.