При параллельном соединении конденсаторов эквивалентная емкость: Соединение конденсаторов — Основы электроники

Соединение конденсаторов — Основы электроники

В электрических цепях применяются различные способы соединения конденсаторов. Соединение конденсаторов может производиться: последовательно, параллельно и последовательно-параллельно (последнее иногда называют смешанное соединение конденсаторов). Существующие виды соединения конденсаторов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Способы соединения конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов.

Если группа конденсаторов включена в цепь таким обра­зом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов (рисунок 2.).

Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.

При заряде группы конденсаторов, соединенных параллель­но, между пластинами всех конденсаторов будет одна и та же разность потенциалов, так как все они заряжаются от одного и того же источника тока.

Общее же количе­ство электричества на всех конденсаторах будет равно сумме количеств электричества, помещающихся на каждом из кон­денсаторов, так как заряд каждого их конденсаторов проис­ходит независимо от заряда других конденсаторов данной группы. Исходя из этого, всю систему параллельно соединен­ных конденсаторов можно рассматривать как один эквива­лентный (равноценный) конденсатор. Тогда общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов.

Обозначим суммарную емкость соединенных в батарею конденсаторов бук­вой Собщ, емкость первого конденсатора С1 емкость второго С2 и емкость третьего С3. Тогда для параллельного соединения конденсаторов будет справедлива следующая формула:

Последний знак + и многоточие указывают на то, что этой формулой можно пользоваться при четырех, пяти и во­обще при любом числе конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов.

Если же соединение конденсаторов в батарею производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов называется последо­вательным (рисунок 3).

Рисунок 2. Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении все конденса­торы заряжаются одинаковым количеством электричества, так как непосредственно от источника тока заряжаются только крайние пластины (1 и 6), а остальные пластины (2, 3, 4 и 5) заря­жаются через влияние. При этом заряд пла­стины 2 будет равен по величине и противо­положен по знаку за­ряду пластины 1, заряд пластины 3 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пла­стины 2 и т. д.

Напряжения на различных конденсаторах будут, вообще говоря, различными, так как для заряда одним и тем же количеством электричества конденсаторов различной емкости всегда требуются различные напряжения. Чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение необходимо для того, чтобы зарядить этот конденсатор требуемым количеством электричества, и наоборот.

Таким образом, при заряде группы конденсаторов, соединенных последовательно, на конденсаторах малой емкости напряжения будут больше, а на конденсаторах большой емкости — меньше.

Аналогично предыдущему случаю можно рассматривать всю группу конденсаторов, соединенных последовательно, как один эквивалентный конденсатор, между пластинами которого существует напряжение, равное сумме напряжений на всех конденсаторах группы, а заряд которого равен заряду любого из конденсаторов группы.

Возьмем самый маленький конденсатор в группе. На нем должно быть самое большое напряжение. Но напряжение на этом конденсаторе составляет только часть общего напряже­ния, существующего на всей группе конденсаторов. Напря­жение на всей группе больше напряжения на конденсаторе, имеющем самую малую емкость. А отсюда непосредственно следует, что общая емкость группы конденсаторов, соединен­ных последовательно, меньше емкости самого малого конден­сатора в группе.

Для вычисления общей емкости при последовательном со­единении конденсаторов удобнее всего пользоваться следую­щей формулой:

Для частного случая двух последовательно соединенных конденсаторов формула для вычисления их общей емкости будет иметь вид:

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов

Последовательно-параллельным соединением конденсаторов называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.

На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.

Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.

При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:

1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.

2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.

3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.

4. Рассчитывают емкость полученной схемы.

Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.

Подробнее о расчетах соединения конденсаторов можно узнать в мультимедийном учебнике по основам электротехники и электроники:

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов применяют в зависимости от поставленной цели. При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость и увеличивается общее напряжение конденсаторов.
Емкость набора при последовательном соединении конденсаторов будет вычисляться по формуле:

	1	=	1	+	1	+	1	+ . ..
	C		C1		C2		C3

А общее напряжение будет равняться сумме напряжений всех конденсаторов.
Например: мы имеем три конденсатора по 30 мкФ x 100 В каждый. При их последовательном соединении общий конденсатор будет иметь следующие данные: 10 мкФ x 300 В.

При параллельном соединении общая емкость конденсаторов складывается, а допустимое напряжение всего набора будет равно напряжению конденсатора, имеющего самое низкое значение допустимого напряжения из всего набора.

C = C1 + C2 + C3 + C4 + …

Например: мы имеем три конденсатора 30 мкФ x 100 В, соединённые параллельно. Параметры всего набора конденсаторов в этом случае будут следующие: 90 мкФ x 100 В.

Соединение более двух конденсаторов последовательно редко встречается в реальных схемах. Хотя для увеличения общего напряжения такой набор может встретиться в высоковольтных источниках питания. А вот в низковольтных источниках довольно часто встречается параллельное соединение нескольких конденсаторов для сглаживания пульсаций после выпрямления при больших токах потребления.

Обратите внимание, формулы вычисления емкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов в точности обратны формулам вычисления сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

Когда в нашем распоряжении нет конденсатора нужной емкости или напряжение на конденсаторе превышает допускаемое, возникает необходимость использовать параллельное и последовательное соединение конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов

Сообщим равные по величине разноименные заряды крайним обкладкам (внешним электродам) цепочке из двух последовательно соединенных конденсаторов с емкостью С1 и С2.

В результате взаимодействия зарядов на соединенных проводником внутренних обкладках возникнут также равные по величине и обратные по знаку заряды, так что на каждой из четырех обкладок будут одинаковые по величине заряды Q. Согласно формуле C = Q/U напряжения между обкладками каждого конденсатора будут:

U = Q/C1 и U2 = Q/C2,
т. е. при различных значениях емкостей напряжения на конденсаторах будут различны.
Сложив напряжения U1 и U2, мы получим напряжение U между внешними обкладками (напряжение на зажимах цепочки). Таким образом,
U = U1 + U2. (1-9)
Подставив в выражение (1-9) вместо напряжений отношение зарядов к емкостям, получим:
Q/C = Q/C1 + Q/C2
где С — общая или эквивалентная емкость.
Сокращая на Q, будем иметь:
1/C = 1/C1 + 1/C2,                          (1-10)
откуда емкость конденсатора, заменяющая цепочку, или общая емкость двух последовательно соединенных конденсаторов.
1/C = C2 + C1 / C1C2 или C = C1C2 / C1+C2               (1-11)

В случае последовательного соединения трех конденсаторов общую емкость можно найти из формулы, аналогичной (1-10):
1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3                   (1-12)

Тем же путем можно вычислить общую емкость любого числа последовательно соединенных конденсаторов.

 

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении, например, трех конденсаторов (рис. 1-11) получаются две группы обкладок разных конденсаторов. Каждая группа обкладок представляет собой равнопотенциальное проводящее тело, поэтому разности потенциалов (или напряжения) между обкладками отдельных конденсаторов будут одинаковы. Заряды на обкладках при неодинаковых емкостях конденсаторов имеют разные значения:
Ql = C1U;  Q2 = C2U;  Q3 = C3U.
Заряд на группе объединенных обкладок
Q = Q1 + Q2 + Q3,
откуда емкость конденсатора, заменяющего три параллельно соединенных конденсатора, или общая емкость
С = Q/U = Q1 + Q2 + Q3/U = C1 + C2 + C3, (1-13)
т. е. равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. Это и есть формула при параллельном соединение конденсаторов.

При другом числе параллельно соединенных конденсаторов общая емкость вычисляется аналогично.
Пример:
Определить общую емкость двух конденсаторов при последовательном и параллельном их соединении, если С1 = 2 мкф, а С2 = 4 мкф.
Емкость при последовательном соединении
C = C1C2/C1+C2 = 2×4/2+4 = 1,33 мкф.
Емкость при параллельном соединении
С = С1 + С2 = 2 + 4 = 6 мкф.

Видеофильм о последовательном и параллельном их соединении конденсаторов смотрите ниже:

Соединение конденсаторов

Конденсаторы, как и резисторы, можно соединять последовательно и параллельно. Рассмотрим соединение конденсаторов: для чего применяются каждая из схем, и их итоговые характеристики.

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельное соединение конденсаторов

Эта схема – самая распространенная. В ней обкладки конденсаторов соединяются между собой, образуя эквивалентную емкость, равную сумме соединяемых емкостей.

При параллельном соединении электролитических конденсаторов необходимо, чтобы между собой соединялись выводы одной полярности.

Особенность такого соединения – одинаковое напряжение на всех соединяемых конденсаторах. Номинальное напряжение группы параллельно соединенных конденсаторов равно рабочему напряжению конденсатора группы, у которого оно минимально.

Токи через конденсаторы группы протекают разные: через конденсатор с большей емкостью потечет больший ток.

На практике параллельное соединение применяется для получения емкости нужной величины, когда она выходит за границы диапазона, выпускаемого промышленностью, или не укладываются в стандартный ряд емкостей. В системах регулирования коэффициента мощности (cos ϕ) изменение емкости происходит за счет автоматического подключения или отключения конденсаторов в параллель.

Последовательное соединение конденсаторов

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении обкладки конденсатором соединяются друг к другу, образуя цепочку. Крайние обкладки подключаются к источнику, а ток по всем конденсаторам группы потечет одинаковый.

Эквивалентная емкость последовательно соединенных конденсаторов ограничена самой маленькой емкостью в группе. Объясняется это тем, что как только она полностью зарядится, ток прекратится. Подсчитать общую емкость двух последовательно соединенных конденсаторов можно по формуле

а трех –

Но применение последовательного соединения для получения нестандартных номиналов емкостей не так распространено, как параллельного.

При последовательном соединении напряжение источника питания распределяется между конденсаторами группы. Это позволяет получить батарею конденсаторов, рассчитанную на большее напряжение, чем номинальное напряжение входящих в нее компонентов. Так из дешевых и небольших по размерам конденсаторов изготавливаются блоки, выдерживающие высокие напряжения.

Еще одна область применения последовательного соединения конденсаторов связана с перераспределением напряжений между ними. Если емкости одинаковы, напряжение делится пополам, если нет – на конденсаторе большей емкости напряжение получается большим. Устройство, работающее на этом принципе, называют емкостным делителем напряжения.

Смешанное соединение конденсаторов

Пример смешанного соединения конденсаторов

Такие схемы существуют, но в устройствах специального назначения, требующие высокой точности получения величины емкости, а также для их точной настройки.

Оцените качество статьи:

Способы подключения конденсаторов в электрическую цепь

Схемы в электротехнике состоят из электрических элементов, в которых способы соединения конденсаторов могут быть разными. Надо понимать, как правильно подключить конденсатор. Отдельные участки цепи с подключенными конденсаторами можно заменить одним эквивалентным элементом. Он заменит ряд конденсаторов, но должно выполняться обязательное условие: когда напряжение, подводимое к обкладкам эквивалентного конденсатора, равняется напряжению на входе и выходе группы заменяющихся конденсаторов, тогда заряд емкости будет такой же, как и на группе емкостей. Для понимания вопроса, как подключить конденсатор в любой схеме, рассмотрим виды его включения.

Параллельное включение конденсаторов в цепь

Параллельное соединение конденсаторов — это когда все пластины подключаются к точкам включения цепи, образовывая батарею емкостей.

Параллельное соединение конденсаторов:

Параллельное соединение конденсаторов

Разность потенциалов на пластинах накопителей емкости будет одинаковая, так как они все заряжаются от одного источника тока. В этом случае каждый заряжающийся конденсатор имеет собственный заряд при одинаковой величине, подводимой к ним энергии.

Параллельные конденсаторы, общий параметр количества заряда полученной батареи накопителей, рассчитывается, как сумма всех зарядов, помещающихся на каждой емкости, потому что каждый заряд емкости не зависит от заряда другой емкости, входящей в группу конденсаторов, параллельно включенных в схему.

При параллельном соединении конденсаторов емкость равняется:

Формула и расшифровка

Из представленной формулы можно сделать вывод, что всю группу накопителей можно рассматривать как один равноценный им конденсатор.

Конденсаторы, соединенные параллельно, имеют напряжение:

Формула

Последовательное включение конденсаторов в цепь

Когда в схеме выполнено последовательное соединение конденсаторов, оно выглядит как цепочка емкостных накопителей, где пластина первого и последнего накопителя емкости (конденсатора) подключены к источнику тока.

Последовательное соединение конденсатора:

Формула

При последовательном соединении конденсаторов все устройства этого участка берут одинаковое количество электроэнергии, потому что в процессе участвует первая и последняя пластинка накопителей, а пластины 2, 3 и другие до N проходят зарядку посредством влияния. По этой причине заряд пластины 2 накопителя емкости равняется по значению заряду 1 пластины, но имеет обратный знак. Заряд пластины накопителя 3 равняется значению заряда пластины 2, но так же с обратным знаком, все последующие накопители имеет аналогичную систему заряда.

Формула нахождения заряда на конденсаторе, схема подключения конденсатора:

Последовательное соединение конденсаторов

Когда выполняется последовательное соединение конденсаторов, напряжение на каждом накопители емкости будет различное, так как в зарядке одинаковым количеством электрической энергии участвуют разные емкости. Зависимость емкости от напряжения такова: чем она меньше, тем большее напряжение необходимо подать на пластины накопителя для его зарядки. И обратная величина: чем выше емкость накопителя, тем меньше требуется напряжения для его зарядки. Можно сделать вывод, что емкость последовательно соединенных накопителей имеет значение для величины напряжения на пластинах — чем она меньше, тем больше напряжения требуется, а также накопители большой емкости требуют меньшего напряжения.

Основное отличие схемы последовательного соединения накопителей емкости в том, что электроэнергия протекает только в одном направлении, а это означает, что в каждом накопителе емкости составленной батареи ток будет одинаковым. В этом виде соединений конденсаторов обеспечивается равномерное накопление энергии независимо от емкости накопителей.

Группу накопителей емкости можно также на схеме рассматривать как эквивалентный накопитель, на пластины которого подается напряжение, определяемое формулой:

Основные моменты

Заряд общего (эквивалентного) накопителя группы емкостных накопителей последовательного соединения равен:

Формула

Общему значению емкости последовательно соединенных конденсаторов соответствует выражение:

Формула

Смешанное включение емкостных накопителей в схему

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов на одном из участков цепи схемы называется специалистами смешанным соединением.

Участок цепи подсоединенных смешанным включением накопителей емкости:

Схема подключения конденсаторов

Смешанное соединение конденсаторов в схеме рассчитывается в определенном порядке, который можно представить следующим образом:

• разбивается схема на простые для вычисления участки, это последовательное и параллельное соединение конденсаторов;
• вычисляем эквивалентную емкость для группы конденсаторов, последовательно включенных на участке параллельного соединения;
• проводим нахождение эквивалентной емкости на параллельном участке;
• когда эквивалентные емкости накопителей определены, схему рекомендуется перерисовать;
• рассчитывается емкость получившейся после последовательного включения эквивалентных накопителей электрической энергии.

Последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов

Накопители емкостей (двухполюсники) включены разными способами в цепь, это дает несколько преимуществ в решении электротехнических задач по сравнению с традиционными способами включения конденсаторов:

1. Использование для подключения электрических двигателей и другого оборудования в цехах, в радиотехнических устройствах.
2. Упрощение вычисления величин электросхемы. Монтаж выполняется отдельными участками.
3. Технические свойства всех элементов не меняются, когда изменяется сила тока и магнитное поле, это применяется для включения разных накопителей. Характеризуется постоянной величиной емкости и напряжения, а заряд пропорционален потенциалу.

Вывод

Разного вида включения конденсаторов в цепь применяются для решения электротехнических задач, в частности, для получения полярных накопителей из нескольких неполярных двухполюсников. В этом случае решением будет соединение группы однополюсных накопителей емкости по встречно-параллельному способу (треугольником). В этой схеме минус соединяется с минусом, а плюс — с плюсом. Происходит увеличение емкости накопителя, и меняется работа двухполюсника.

Не отображаются имеющиеся вхождения: последовательное параллельное и смешанное соединение конденсаторов, последовательное и параллельное соединение конденсаторов, при параллельном соединении конденсаторов емкость.

Похожие статьи:

Соединение конденсаторов последовательное и параллельное физика

В электрических цепях применяются различные способы соединения конденсаторов. Соединение конденсаторов может производиться: последовательно, параллельно и последовательно-параллельно (последнее иногда называют смешанное соединение конденсаторов). Существующие виды соединения конденсаторов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Способы соединения конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов.

Если группа конденсаторов включена в цепь таким обра­зом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов (рисунок 2.).

Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.

При заряде группы конденсаторов, соединенных параллель­но, между пластинами всех конденсаторов будет одна и та же разность потенциалов, так как все они заряжаются от одного и того же источника тока. Общее же количе­ство электричества на всех конденсаторах будет равно сумме количеств электричества, помещающихся на каждом из кон­денсаторов, так как заряд каждого их конденсаторов проис­ходит независимо от заряда других конденсаторов данной группы. Исходя из этого, всю систему параллельно соединен­ных конденсаторов можно рассматривать как один эквива­лентный (равноценный) конденсатор. Тогда общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов.

Обозначим суммарную емкость соединенных в батарею конденсаторов бук­вой Собщ, емкость первого конденсатора С1 емкость второго С2 и емкость третьего С3. Тогда для параллельного соединения конденсаторов будет справедлива следующая формула:

Последний знак + и многоточие указывают на то, что этой формулой можно пользоваться при четырех, пяти и во­обще при любом числе конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов.

Если же соединение конденсаторов в батарею производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов называется последо­вательным (рисунок 3).

Рисунок 2. Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении все конденса­торы заряжаются одинаковым количеством электричества, так как непосредственно от источника тока заряжаются только крайние пластины (1 и 6), а остальные пластины (2, 3, 4 и 5) заря­жаются через влияние. При этом заряд пла­стины 2 будет равен по величине и противо­положен по знаку за­ряду пластины 1, заряд пластины 3 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пла­стины 2 и т. д.

Напряжения на различных конденсаторах будут, вообще говоря, различными, так как для заряда одним и тем же количеством электричества конденсаторов различной емкости всегда требуются различные напряжения. Чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение необходимо для того, чтобы зарядить этот конденсатор требуемым количеством электричества, и наоборот.

Таким образом, при заряде группы конденсаторов, соединенных последовательно, на конденсаторах малой емкости напряжения будут больше, а на конденсаторах большой емкости — меньше.

Аналогично предыдущему случаю можно рассматривать всю группу конденсаторов, соединенных последовательно, как один эквивалентный конденсатор, между пластинами которого существует напряжение, равное сумме напряжений на всех конденсаторах группы, а заряд которого равен заряду любого из конденсаторов группы.

Возьмем самый маленький конденсатор в группе. На нем должно быть самое большое напряжение. Но напряжение на этом конденсаторе составляет только часть общего напряже­ния, существующего на всей группе конденсаторов. Напря­жение на всей группе больше напряжения на конденсаторе, имеющем самую малую емкость. А отсюда непосредственно следует, что общая емкость группы конденсаторов, соединен­ных последовательно, меньше емкости самого малого конден­сатора в группе.

Для вычисления общей емкости при последовательном со­единении конденсаторов удобнее всего пользоваться следую­щей формулой:

Для частного случая двух последовательно соединенных конденсаторов формула для вычисления их общей емкости будет иметь вид:

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов

Последовательно-параллельным соединением конденсаторов называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.

На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.

Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.

При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:

1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.

2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.

3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.

4. Рассчитывают емкость полученной схемы.

Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.

Подробнее о расчетах соединения конденсаторов можно узнать в мультимедийном учебнике по основам электротехники и электроники:

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Практическая работа по физике «Последовательное и параллельное соединение конденсаторов» Раздел 3 «Электродинамика» Тема 3.1 «Электростатика»

Просмотр содержимого документа
«Практическая работа «Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Эквивалентные схемы»»

Практическая работа № 24

Раздел 3 Электродинамика

Тема 3.1 Электростатика

Название практической работы: Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Эквивалентные схемы

Учебная цель: изучить распределение напряжения, зарядов в схемах с последовательным и параллельным соединением конденсаторов

Учебные задачи: определять эквивалентную ёмкость, заряд и энергию батареи конденсаторов по схеме. Определить напряжения и заряды на конденсаторах.

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

уметь: вычерчивать схемы, определять эквивалентную ёмкость и заряд конденсаторов. Рассчитывать энергию батареи конденсаторов

знать: законы последовательного и параллельного соединения конденсаторов в батарею. Расчётные формулы ёмкости, заряда, напряжения, единицы измерения. Применение конденсаторов

– методические указания по выполнению практического занятия

– лабораторно-практическая тетрадь, карандаш, линейка

Порядок проведения занятия:

Для выполнения практической работы учебная группа распределяется по вариантам.

Конденсатор – система двух проводников (обкладок) разделённых слоем диэлектрика. Служит для накопления (конденсации) разделённых зарядов.

Плоский конденсатор – две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделённые слоем диэлектрика. Обозначение конденсатора на электрических схемах соответствует его принципиальному устройству.

Электроёмкость конденсатора показывает, как много заряда может «натечь» в конденсатор, подключённый к источнику, разделяющему заряды.

Если это источник ЭДС равный ,то при соединении конденсатора и источника тока по схеме, рисунок 1, натекание заряда прекратиться,

когда напряжение на обкладках станет равно

Коэффициент пропорциональности между зарядом на конденсаторе Q и разностью потенциалов U на его обкладках называется электрической ёмкостью конденсатора С. Заряд на обкладках конденсатора тем больше, чем больше ЭДС источника

Важнейшей характеристикой любого конденсатора является его электрическая ёмкость С – физическая величина, равная отношению заряда Q конденсатора к разности потенциалов U между его обкладками:

Выражается в СИ в фарадах (Ф).

Ёмкость реальных конденсаторов гораздо меньше, и для её измерения обычно используют более мелкие единицы: 1 микрофарада (мкФ),

1нанофарада (нФ), 1 пикофарада (пФ)

Эквивалентной ёмкостью батареи конденсаторов называют такую ёмкость

С _общ которая при подключении к тому же источнику тока принимает на себя такой же заряд, что и батарея конденсаторов.

Два конденсатора соединены параллельно, если обкладки обоих попарно соединены друг с другом, рисунок 2

Рисунок 2 Рисунок 4

У параллельного соединения конденсаторов ёмкости и заряды складываются, рисунок 2:

Для последовательного соединения конденсаторов, рисунок 4.

На практике конденсаторы включают только параллельно, можно представить это так, как будто площади их пластин складываются, складываются и их ёмкости. Последовательное соединение не имеет практического смысла, знание сложения необходимо только при анализе цепей переменного тока.

Проверка конденсаторов – перед проверкой конденсатор разряжают, то есть закорачивают его выводы на металлический предмет.

Энергия конденсатора. При зарядке конденсатора между обкладками скапливаются разделённые заряды (энергия электрического поля)

Эта энергия может быть высвобождена, если обкладки заряжённого конденсатора соединить через лампу накаливания. После того, как все заряды противоположного знака, скопленные на обкладках, протекут через спираль лампочки и прорекомбинируют, лампочка погаснет. Энергия конденсатора перейдёт во внутреннюю и световую энергию.

Для увеличения ёмкости радиотехнические конденсаторы изготавливают в виде двух слоёв алюминиевой фольги, проложенных промасленной бумагой (диэлектрик) и скрученных в многослойную пачку, упакованную в прочный корпус

Важной характеристикой конденсатора является максимальное напряжение U_макс указанное на корпусе, при котором он сохраняет работоспособность. При больших напряжениях диэлектрик, проложенный между обкладками, пробивается, и обкладки замыкаются накоротко, составляя единый проводник. Чем больше напряжение, тем меньше ёмкость. В электролитических конденсаторах важно соблюдать полярность, иначе конденсатор выйдет из строя или возможен разрыв корпуса.

Конденсаторы используются в радиотехнике (излучение и приём электромагнитных волн, преобразование электромагнитных колебаний). В устройствах, где нужно медленно накопить энергию, а затем быстро высвободить (фотовспышка, импульсный лазер).

Вопросы для закрепления теоретического материала к занятию:

1.Что такое эквивалентная ёмкость батареи конденсаторов?

2.Что значит, если два конденсатора соединены параллельно, последовательно?

3. Как рассчитываются ёмкости и заряды при параллельном и последовательном соединении конденсаторов?

4. Как рассчитывается энергия конденсатора?
5. Что значит закоротить конденсатор?

6. В каком случае необходимо применять последовательное соединение конденсаторов?

7. Что является важной характеристикой конденсатора, как технического устройства?

8. Где используется конденсатор?

9. Виды конденсаторов.

Содержание и Последовательность выполнения практической работы:

Задачи практической работы:

Вычертить схему №1 с учётом данных в таблице для своего варианта.

Определить эквивалентную ёмкость С, заряд Q батареи и энергию W, накопленную батареей.

Вычислить напряжение и заряд на каждом конденсаторе. Как изменятся найденные величины, если один из конденсаторов закоротить? Напряжение на зажимах цепи U, взять из таблицы №1

Соединения конденсаторов .

Параллельное соединение конденсаторов

Обкладки конденсаторов соединяют попарно, т.е. в системе остается два изолированных проводника, которые и представляют собой обкладки нового конденсатора

Вывод: При параллельном соединении конденсаторов

• заряды складываются,
• напряжения одинаковые,
• емкости складываются.

Т.о., общая емкость больше емкости любого из параллельно соединенных конденсаторов

Последовательное соединение конденсаторов

Производят только одно соединение, а две оставшиеся обкладки – одна от конденсатора С₁ другая от конденсатора С₂ – играют роль обкладок нового конденсатора.

Вывод: При последовательном соединении конденсаторов

• напряжения складываются,
• заряды одинаковы,
• складываются величины, обратные емкости.

Т.о., общая емкость меньше емкости любого из последовательно соединенных конденсаторов.

Энергия электрического поля конденсатора.

Под энергией электрического поля конденсатора будем понимать энергию одной его обкладки, находящейся в поле, созданном другой обкладкой. Тогда:

Формулы справедливы для любого конденсатора.

Пример: С=2мкФ; U=1000В.

t=10-6c.W=1 Дж – опасно для жизни!

– плотность энергии (энергия единицы объема).

Формула справедлива для полей любых конденсаторов и, кроме того, для полей, меняющихся со временем (неэлектростатических).

Как найти емкость последовательно соединенных конденсаторов

Как правильно соединять конденсаторы?

У многих начинающих любителей электроники в процессе сборки самодельного устройства возникает вопрос: “Как правильно соединять конденсаторы?”

Казалось бы, зачем это надо, ведь если на принципиальной схеме указано, что в данном месте схемы должен быть установлен конденсатор на 47 микрофарад, значит, берём и ставим. Но, согласитесь, что в мастерской даже заядлого электронщика может не оказаться конденсатора с необходимым номиналом!

Похожая ситуация может возникнуть и при ремонте какого-либо прибора. Например, необходим электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад, а под рукой лишь два-три на 470 микрофарад. Ставить 470 микрофарад, вместо положенных 1000? Нет, это допустимо не всегда. Так как же быть? Ехать на радиорынок за несколько десятков километров и покупать недостающую деталь?

Как выйти из сложившейся ситуации? Можно соединить несколько конденсаторов и в результате получить необходимую нам ёмкость. В электронике существует два способа соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

В реальности это выглядит так:

Параллельное соединение

Принципиальная схема параллельного соединения

Последовательное соединение

Принципиальная схема последовательного соединения

Также можно комбинировать параллельное и последовательное соединение. Но на практике вам вряд ли это пригодиться.

Как рассчитать общую ёмкость соединённых конденсаторов?

Помогут нам в этом несколько простых формул. Не сомневайтесь, если вы будете заниматься электроникой, то эти простые формулы рано или поздно вас выручат.

Общая ёмкость параллельно соединённых конденсаторов:

С₁ – ёмкость первого;

С₂ – ёмкость второго;

С₃ – ёмкость третьего;

С_N – ёмкость N-ого конденсатора;

C_общ – суммарная ёмкость составного конденсатора.

Как видим, при параллельном соединении ёмкости нужно всего-навсего сложить!

Внимание! Все расчёты необходимо производить в одних единицах. Если выполняем расчёты в микрофарадах, то нужно указывать ёмкость C₁, C₂ в микрофарадах. Результат также получим в микрофарадах. Это правило стоит соблюдать, иначе ошибки не избежать!

Чтобы не допустить ошибку при переводе микрофарад в пикофарады, а нанофарад в микрофарады, необходимо знать сокращённую запись численных величин. Также в этом вам поможет таблица. В ней указаны приставки, используемые для краткой записи и множители, с помощью которых можно производить пересчёт. Подробнее об этом читайте здесь.

Ёмкость двух последовательно соединённых конденсаторов можно рассчитать по другой формуле. Она будет чуть сложнее:

Внимание! Данная формула справедлива только для двух конденсаторов! Если их больше, то потребуется другая формула. Она более запутанная, да и на деле не всегда пригождается .

Или то же самое, но более понятно:

Если вы проведёте несколько расчётов, то увидите, что при последовательном соединении результирующая ёмкость будет всегда меньше наименьшей, включённой в данную цепочку. Что это значить? А это значит, что если соединить последовательно конденсаторы ёмкостью 5, 100 и 35 пикофарад, то общая ёмкость будет меньше 5.

В том случае, если для последовательного соединения применены конденсаторы одинаковой ёмкости, эта громоздкая формула волшебным образом упрощается и принимает вид:

Здесь, вместо буквы M ставиться количество конденсаторов, а C₁ – его ёмкость.

Стоит также запомнить простое правило:

При последовательном соединении двух конденсаторов с одинаковой ёмкостью результирующая ёмкость будет в два раза меньше ёмкости каждого из них.

Таким образом, если вы последовательно соедините два конденсатора, ёмкость каждого из которых 10 нанофарад, то в результате она составит 5 нанофарад.

Не будем пускать слов по ветру, а проверим конденсатор, замерив ёмкость, и на практике подтвердим правильность показанных здесь формул.

Возьмём два плёночных конденсатора. Один на 15 нанофарад (0,015 мкф.),а другой на 10 нанофарад (0,01 мкф.) Соединим их последовательно. Теперь возьмём мультиметр Victor VC9805+ и замерим суммарную ёмкость двух конденсаторов. Вот что мы получим (см. фото).

Замер ёмкости при последовательном соединении

Ёмкость составного конденсатора составила 6 нанофарад (0,006 мкф.)

А теперь проделаем то же самое, но для параллельного соединения. Проверим результат с помощью того же тестера (см. фото).

Измерение ёмкости при параллельном соединении

Как видим, при параллельном соединении ёмкость двух конденсаторов сложилась и составляет 25 нанофарад (0,025 мкф.).

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединять конденсаторы?

Во-первых, не стоит забывать, что есть ещё один немаловажный параметр, как номинальное напряжение.

При последовательном соединении конденсаторов напряжение между ними распределяется обратно пропорционально их ёмкостям. Поэтому, есть смысл при последовательном соединении применять конденсаторы с номинальным напряжением равным тому, которое имеет конденсатор, взамен которого мы ставим составной.

Если же используются конденсаторы с одинаковой ёмкостью, то напряжение между ними разделится поровну.

Для электролитических конденсаторов.

При соединении электролитических конденсаторов (электролитов) строго соблюдайте полярность! При параллельном соединении всегда подключайте минусовой вывод одного конденсатора к минусовому выводу другого,а плюсовой вывод с плюсовым.

Параллельное соединение электролитов

Схема параллельного соединения

В последовательном соединении электролитов ситуация обратная. Необходимо подключать плюсовой вывод к минусовому. Получается что-то вроде последовательного соединения батареек.

Последовательное соединение электролитов

Схема последовательного соединения

Также не забывайте про номинальное напряжение. При параллельном соединении каждый из задействованных конденсаторов должен иметь то номинальное напряжение, как если бы мы ставили в схему один конденсатор. То есть если в схему нужно установить конденсатор с номинальным напряжением на 35 вольт и ёмкостью, например, 200 микрофарад, то взамен его можно параллельно соединить два конденсатора на 100 микрофарад и 35 вольт. Если хоть один из них будет иметь меньшее номинальное напряжение (например, 25 вольт), то он вскоре выйдет из строя.

Желательно, чтобы для составного конденсатора подбирались конденсаторы одного типа (плёночные, керамические, слюдяные, металлобумажные). Лучше всего будет, если они взяты из одной партии, так как в таком случае разброс параметров у них будет небольшой.

Конечно, возможно и смешанное (комбинированное) соединение, но в практике оно не применяется (я не видел ). Расчёт ёмкости при смешанном соединении обычно достаётся тем, кто решает задачи по физике или сдаёт экзамены 🙂

Тем же, кто не на шутку увлёкся электроникой непременно надо знать, как правильно соединять резисторы и рассчитывать их общее сопротивление!

Для достижения нужной емкости или при напряжении, превышающем номинальное напряжение, конденсаторы, могут соединяться последовательно или параллельно. Любое же сложное соединение состоит из нескольких комбинаций последовательного и параллельного соединений.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении, конденсаторы подключены таким образом, что только первый и последний конденсатор подключены к источнику ЭДС/тока одной из своих пластин. Заряд одинаков на всех пластинах, но внешние заряжаются от источника, а внутренние образуются только за счет разделения зарядов ранее нейтрализовавших друг друга. При этом заряд конденсаторов в батарее меньше, чем, если бы каждый конденсатор подключался бы отдельно. Следовательно, и общая емкость батареи конденсаторов меньше.

Напряжение на данном участке цепи соотносятся следующим образом:

Зная, что напряжение конденсатора можно представить через заряд и емкость, запишем:

Сократив выражение на Q, получим знакомую формулу:

Откуда эквивалентная емкость батареи конденсаторов соединенных последовательно:

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках одинаковое, а заряды разные.

Величина общего заряда полученного конденсаторами, равна сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов. В случае батареи из двух конденсаторов:

Так как заряд конденсатора

А напряжения на каждом из конденсаторов равны, получаем следующее выражение для эквивалентной емкости двух параллельно соединенных конденсаторов

Пример 1

Какова результирующая емкость 4 конденсаторов включенных последовательно и параллельно, если известно что С₁ = 10 мкФ, C₂ = 2 мкФ, C₃ = 5 мкФ, а C₄ = 1 мкФ?

При последовательном соединении общая емкость равна:

При параллельном соединении общая емкость равна:

Пример 2

Определить результирующую емкость группы конденсаторов подключенных последовательно-параллельно, если известно, что С₁ = 7 мкФ, С₂ = 2 мкФ, С₃ = 1 мкФ.

Сначала найдем общую емкость параллельного участка цепи:

Затем найдем общую емкость для всей цепи:

По сути, расчет общей емкости конденсаторов схож с расчетом общего сопротивления цепи в случае с последовательным или параллельным соединением, но при этом, зеркально противоположен.

В электрических цепях применяются различные способы соединения конденсаторов. Соединение конденсаторов может производиться: последовательно, параллельно и последовательно-параллельно (последнее иногда называют смешанное соединение конденсаторов). Существующие виды соединения конденсаторов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Способы соединения конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов.

Если группа конденсаторов включена в цепь таким обра­зом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов (рисунок 2. ).

Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.

При заряде группы конденсаторов, соединенных параллель­но, между пластинами всех конденсаторов будет одна и та же разность потенциалов, так как все они заряжаются от одного и того же источника тока. Общее же количе­ство электричества на всех конденсаторах будет равно сумме количеств электричества, помещающихся на каждом из кон­денсаторов, так как заряд каждого их конденсаторов проис­ходит независимо от заряда других конденсаторов данной группы. Исходя из этого, всю систему параллельно соединен­ных конденсаторов можно рассматривать как один эквива­лентный (равноценный) конденсатор. Тогда общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов.

Обозначим суммарную емкость соединенных в батарею конденсаторов бук­вой Собщ, емкость первого конденсатора С1 емкость второго С2 и емкость третьего С3. Тогда для параллельного соединения конденсаторов будет справедлива следующая формула:

Последний знак + и многоточие указывают на то, что этой формулой можно пользоваться при четырех, пяти и во­обще при любом числе конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов.

Если же соединение конденсаторов в батарею производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов называется последо­вательным (рисунок 3).

Рисунок 2. Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении все конденса­торы заряжаются одинаковым количеством электричества, так как непосредственно от источника тока заряжаются только крайние пластины (1 и 6), а остальные пластины (2, 3, 4 и 5) заря­жаются через влияние. При этом заряд пла­стины 2 будет равен по величине и противо­положен по знаку за­ряду пластины 1, заряд пластины 3 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пла­стины 2 и т. д.

Напряжения на различных конденсаторах будут, вообще говоря, различными, так как для заряда одним и тем же количеством электричества конденсаторов различной емкости всегда требуются различные напряжения. Чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение необходимо для того, чтобы зарядить этот конденсатор требуемым количеством электричества, и наоборот.

Таким образом, при заряде группы конденсаторов, соединенных последовательно, на конденсаторах малой емкости напряжения будут больше, а на конденсаторах большой емкости — меньше.

Аналогично предыдущему случаю можно рассматривать всю группу конденсаторов, соединенных последовательно, как один эквивалентный конденсатор, между пластинами которого существует напряжение, равное сумме напряжений на всех конденсаторах группы, а заряд которого равен заряду любого из конденсаторов группы.

Возьмем самый маленький конденсатор в группе. На нем должно быть самое большое напряжение. Но напряжение на этом конденсаторе составляет только часть общего напряже­ния, существующего на всей группе конденсаторов. Напря­жение на всей группе больше напряжения на конденсаторе, имеющем самую малую емкость. А отсюда непосредственно следует, что общая емкость группы конденсаторов, соединен­ных последовательно, меньше емкости самого малого конден­сатора в группе.

Для вычисления общей емкости при последовательном со­единении конденсаторов удобнее всего пользоваться следую­щей формулой:

Для частного случая двух последовательно соединенных конденсаторов формула для вычисления их общей емкости будет иметь вид:

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов

Последовательно-параллельным соединением конденсаторов называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.

На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.

Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.

При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:

1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.

2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.

3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.

4. Рассчитывают емкость полученной схемы.

Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.

Подробнее о расчетах соединения конденсаторов можно узнать в мультимедийном учебнике по основам электротехники и электроники:

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

8.3: Последовательные и параллельные конденсаторы

Несколько конденсаторов могут быть соединены вместе для использования в различных приложениях. Несколько подключений конденсаторов ведут себя как один эквивалентный конденсатор. Общая емкость этого эквивалентного одиночного конденсатора зависит как от отдельных конденсаторов, так и от способа их подключения. Конденсаторы могут быть организованы в два простых и распространенных типа соединений, известных как серии и параллельно , для которых мы можем легко вычислить общую емкость.Эти две основные комбинации, последовательная и параллельная, также могут использоваться как часть более сложных соединений.

Серия конденсаторов

На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показано последовательное сочетание трех конденсаторов, расположенных в ряд внутри схемы. Как и в случае любого конденсатора, емкость комбинации связана как с зарядом, так и с напряжением:

\ [C = \ dfrac {Q} {V}. \]

Когда эта последовательная комбинация подключена к батарее с напряжением В , каждый из конденсаторов получает идентичный заряд Q . Чтобы объяснить, сначала обратите внимание, что заряд на пластине, подключенной к положительной клемме батареи, равен \ (+ Q \), а заряд на пластине, подключенной к отрицательной клемме, равен \ (- Q \). Затем на других пластинах индуцируются заряды, так что сумма зарядов на всех пластинах и сумма зарядов на любой паре пластин конденсатора равна нулю. Однако падение потенциала \ (V_1 = Q / C_1 \) на одном конденсаторе может отличаться от падения потенциала \ (V_2 = Q / C_2 \) на другом конденсаторе, потому что, как правило, конденсаторы могут иметь разные емкости.Последовательная комбинация двух или трех конденсаторов напоминает один конденсатор с меньшей емкостью. Как правило, любое количество последовательно соединенных конденсаторов эквивалентно одному конденсатору, емкость которого (называемая эквивалентной емкостью ) меньше наименьшей из емкостей в последовательной комбинации. Заряд этого эквивалентного конденсатора такой же, как заряд любого конденсатора в последовательной комбинации: то есть , все конденсаторы последовательной комбинации имеют одинаковый заряд . Это происходит из-за сохранения заряда в цепи. Когда заряд Q в последовательной цепи удаляется с пластины первого конденсатора (который мы обозначаем как \ (- Q \)), он должен быть помещен на пластину второго конденсатора (который мы обозначаем как \ ( + Q \)) и т. Д.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Три конденсатора соединены последовательно. Величина заряда на каждой пластине равна Q. (b) Сеть конденсаторов на (a) эквивалентна одному конденсатору, который имеет меньшую емкость, чем любая из отдельных емкостей на (a), а заряд на его пластинах равен В.

Мы можем найти выражение для полной (эквивалентной) емкости, рассматривая напряжения на отдельных конденсаторах. Потенциалы на конденсаторах 1, 2 и 3 равны, соответственно, \ (V_1 = Q / C_1 \), \ (V_2 = Q / C_2 \) и \ (V_3 = Q / C_3 \). Эти потенциалы должны в сумме равняться напряжению батареи, давая следующий баланс потенциалов:

\ [V = V_1 + V_2 + V_3. \]

Потенциал \ (V \) измеряется на эквивалентном конденсаторе, который держит заряд \ (Q \) и имеет эквивалентную емкость \ (C_S \). Вводя выражения для \ (V_1 \), \ (V_2 \) и \ (V_3 \), получаем

\ [\ dfrac {Q} {C_S} = \ dfrac {Q} {C_1} + \ dfrac {Q} {C_2} + \ dfrac {Q} {C_3}. \]

Отменяя заряд Q , мы получаем выражение, содержащее эквивалентную емкость \ (C_S \) трех последовательно соединенных конденсаторов:

\ [\ dfrac {1} {C_S} = \ dfrac {1} {C_1} + \ dfrac {1} {C_2} + \ dfrac {1} {C_3}. \]

Это выражение можно обобщить на любое количество конденсаторов в последовательной сети.

Комбинация серии

Для конденсаторов, соединенных последовательно, эквивалентная емкость, обратная величине, равна сумме обратных величин индивидуальных емкостей:

\ [\ dfrac {1} {C_S} = \ dfrac {1} {C_1} + \ dfrac {1} {C_2} + \ dfrac {1} {C_3} + \ dots \ label {capseries} \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \): эквивалентная емкость последовательной сети

Найдите общую емкость для трех последовательно соединенных конденсаторов, учитывая, что их отдельные емкости равны \ (1. 000 мкФ \), \ (5.000 мкФ \) и \ (8.000 мкФ \).

Стратегия

Поскольку в этой сети всего три конденсатора, мы можем найти эквивалентную емкость, используя уравнение \ ref {capseries} с тремя членами.

Решение

Вводим указанные емкости в уравнение \ ref {capseries}:

\ [\ begin {align *} \ dfrac {1} {C_S} & = \ dfrac {1} {C_1} + \ dfrac {1} {C_2} + \ dfrac {1} {C_3} \\ [4pt] & = \ dfrac {1} {1.000 \ mu F} + \ dfrac {1} {5.000 \ mu F} + \ dfrac {1} {8.000 \ mu F} \\ [4pt] & = \ dfrac {1.325} {\ mu F}. \ End {align *} \]

Теперь инвертируем этот результат и получаем

\ [\ begin {align *} C_S & = \ dfrac {\ mu F} {1.325} \\ [4pt] & = 0.755 \ mu F. \ end {align *} \ nonumber \]

Значение

Обратите внимание, что в последовательной сети конденсаторов эквивалентная емкость всегда меньше наименьшей отдельной емкости в сети.

Параллельная комбинация конденсаторов

Параллельная комбинация трех конденсаторов, одна пластина каждого конденсатора подключена к одной стороне цепи, а другая пластина подключена к другой стороне, показана на рисунке \ (\ PageIndex {2a} \). Поскольку конденсаторы соединены параллельно, все они имеют одинаковое напряжение V на своих пластинах . Однако каждый конденсатор в параллельной сети может накапливать свой заряд. Чтобы найти эквивалентную емкость \ (C_p \) параллельной сети, отметим, что общий заряд Q , хранящийся в сети, является суммой всех отдельных зарядов:

\ [Q = Q_1 + Q_2 + Q_3. \]

В левой части этого уравнения используется соотношение \ (Q = C_pV \), которое выполняется для всей сети.В правой части уравнения мы используем соотношения \ (Q_1 = C_1 V \), \ (Q_2 = C_2V \) и \ (Q_3 = C_3V \) для трех конденсаторов в сети. Таким образом получаем

\ [C_pV = C_1V + C_2V + C_3V. \]

Это уравнение в упрощенном виде представляет собой выражение для эквивалентной емкости параллельной сети из трех конденсаторов:

\ [C_p = C_1 + C_2 + C_3. \]

Это выражение легко обобщается на любое количество конденсаторов, включенных параллельно в сеть.

Параллельная комбинация

Для конденсаторов, соединенных параллельно, эквивалентная (полезная) емкость представляет собой сумму всех индивидуальных емкостей в сети,

\ [C_p = C_1 + C_2 + C_3 + … \ label {capparallel} \]

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): (a) Три конденсатора подключены параллельно. Каждый конденсатор подключен напрямую к батарее. (b) Заряд эквивалентного конденсатора представляет собой сумму зарядов отдельных конденсаторов.

Пример \ (\ PageIndex {2} \): эквивалентная емкость параллельной сети

Найдите полезную емкость для трех конденсаторов, соединенных параллельно, учитывая, что их индивидуальные емкости равны \ (1.0 \ mu F \), \ (5.0 \ mu F \) и \ (8.0 \ mu F \).

Стратегия

Поскольку в этой сети всего три конденсатора, мы можем найти эквивалентную емкость, используя уравнение \ ref {capparallel} с тремя членами.

Решение

Ввод заданных емкостей в уравнение \ ref {capparallel} дает

\ [\ begin {align *} C_p & = C_1 + C_2 + C_3 \\ [4pt] & = 1. 0 \ mu F + 5.0 \ mu F + 8.0 \ mu F \\ [4pt] & = 14.0 \ mu F.\ end {align *} \]

Значение

Обратите внимание, что в параллельной сети конденсаторов эквивалентная емкость всегда больше, чем любая из отдельных емкостей в сети.

Конденсаторные сети обычно представляют собой комбинацию последовательных и параллельных соединений, как показано на Рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Чтобы найти чистую емкость таких комбинаций, мы определяем части, которые содержат только последовательные или только параллельные соединения, и находим их эквивалентные емкости.Мы повторяем этот процесс, пока не сможем определить эквивалентную емкость всей сети. Следующий пример иллюстрирует этот процесс.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): (a) Эта схема содержит как последовательные, так и параллельные соединения конденсаторов. (b) \ (C_1 \) и \ (C_2 \) идут последовательно; их эквивалентная емкость равна \ (C_S \) c) Эквивалентная емкость \ (C_S \) подключена параллельно с \ (C_3 \). Таким образом, эквивалентная емкость всей сети является суммой \ (C_S \) и \ (C_3 \).

Пример \ (\ PageIndex {3} \): эквивалентная емкость сети

Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Предположим, что емкости известны с точностью до трех десятичных знаков (\ (C_1 = 1.000 мкФ, C_2 = 5.000 мкФ, C_3 = 8.000 мкФ \)). Округлите ответ до трех десятичных знаков.

Стратегия

Сначала мы определяем, какие конденсаторы включены последовательно, а какие — параллельно. Конденсаторы \ (C_1 \) и \ (C_2 \) включены последовательно.Их комбинация, обозначенная \ (C_S \), параллельна \ (C_3 \).

Решение

Поскольку \ (C_1 \) и \ (C_2 \) включены последовательно, их эквивалентная емкость \ (C_S \) получается с помощью уравнения \ ref {capseries}:

\ [\ begin {align *} \ dfrac {1} {C_S} & = \ dfrac {1} {C_1} + \ dfrac {1} {C_2} \\ [4pt] & = \ dfrac {1} {1. 000 \ mu F} + \ dfrac {1} {5.000 \ mu F} \\ [4pt] & = \ dfrac {1.200} {\ mu F} \ end {align *} \]

Для этого

\ [C_S = 0,833 \ mu F. \ nonumber \]

Емкость

\ (C_S \) соединена параллельно с третьей емкостью \ (C_3 \), поэтому мы используем уравнение \ ref {capparallel}, чтобы найти эквивалентную емкость C всей сети:

\ [\ begin {align *} C & = C_S + C_3 \\ [4pt] & = 0.833 \ mu F + 8.000 \ mu F \\ [4pt] & = 8.833 \ mu F. \ end {align *} \]

Сеть конденсаторов

Определите чистую емкость C комбинации конденсаторов, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), когда емкости равны \ (C_1 = 12,0 мкФ, C_2 = 2,0 мкФ \) и \ (C_3 = 4,0 мкФ \). Когда на комбинации поддерживается разность потенциалов 12,0 В, найдите заряд и напряжение на каждом конденсаторе.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): (a) Комбинация конденсаторов.(b) Эквивалентная комбинация из двух конденсаторов. Стратегия

Сначала мы вычисляем чистую емкость \ (C_ {23} \) параллельного соединения \ (C_2 \) и \ (C_3 \). Тогда C — это чистая емкость последовательного соединения \ (C_1 \) и \ (C_ {23} \). Мы используем соотношение \ (C = Q / V \), чтобы найти заряды \ (Q_1, Q_2 \) и \ (Q_3 \), а также напряжения \ (V_1, V_2 \) и \ (V_3 \) на конденсаторы 1, 2 и 3 соответственно.

Решение Эквивалентная емкость для \ (C_2 \) и \ (C_3 \) составляет

\ [C_ {23} = C_2 + C_3 = 2.0 мк F + 4,0 мк F = 6,0 мк F. \]

Вся комбинация из трех конденсаторов эквивалентна двум последовательно включенным конденсаторам,

\ [\ dfrac {1} {C} = \ dfrac {1} {12.0 \ mu F} + \ dfrac {1} {6.0 \ mu F} = \ dfrac {1} {4.0 \ mu F} \ Rightarrow C = 4,0 мкм F. \]

Рассмотрим эквивалентную комбинацию из двух конденсаторов на рисунке \ (\ PageIndex {2b} \). Поскольку конденсаторы включены последовательно, они имеют одинаковый заряд, \ (Q_1 = Q_ {23} \). Кроме того, конденсаторы разделяют разность потенциалов 12,0 В, поэтому

\ [12.0 V = V_1 + V_ {23} = \ dfrac {Q_1} {C_1} + \ dfrac {Q_ {23}} {C_ {23}} = \ dfrac {Q_1} {12.0 \ mu F} + \ dfrac {Q_1 } {6.0 \ mu F} \ Rightarrow Q_1 = 48.0 \ mu C. \]

Теперь разность потенциалов на конденсаторе 1 равна

.

\ [V_1 = \ dfrac {Q_1} {C_1} = \ dfrac {48.0 \ mu C} {12.0 \ mu F} = 4.0 V. \]

Поскольку конденсаторы 2 и 3 подключены параллельно, они имеют одинаковую разность потенциалов:

\ [V_2 = V_3 = 12,0 В — 4,0 В = 8,0 В. \]

Следовательно, заряды на этих двух конденсаторах равны, соответственно,

\ [Q_2 = C_2V_2 = (2.0 мкФ) (8,0 В) = 16,0 мкФ, \]

\ [Q_3 = C_3V_3 = (4,0 мкФ) (8,0 В) = 32,0 мкФ \]

Значение Как и ожидалось, чистая плата за параллельную комбинацию \ (C_2 \) и \ (C_3 \) составляет \ (Q_ {23} = Q_2 + Q_3 = 48,0 \ mu C. \)

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Определите чистую емкость C каждой сети конденсаторов, показанной ниже. Предположим, что \ (C_1 = 1,0 пФ, C_2 = 2,0 пФ, C_3 = 4,0 пФ \) и \ (C_4 = 5,0 пФ \). Найдите заряд на каждом конденсаторе, предполагая, что разность потенциалов равна 12.0 В в каждой сети.

Ответьте на

\ (C = 0,86 пФ, Q_1 = 10 пКл, Q_2 = 3,4 пКл, Q_3 = 6,8 пКл \)

Ответ b

\ (C = 2,3 пФ, Q_1 = 12 пКл, Q_2 = Q_3 = 16 пКл \)

Ответ c

\ (C = 2,3 пФ, Q_1 = 9,0 пКл, Q_2 = 18 пКл, Q_3 = 12 пКл, Q_4 = 15 пКл \)

Компоненты схемы — AP Physics 2

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или несколько ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

19,6 конденсаторов, подключенных последовательно и параллельно — College Physics: OpenStax

Сводка

• Выведите выражения для полной емкости последовательно и параллельно.
• Обозначение последовательной и параллельной частей в комбинации подключения конденсаторов.
• Рассчитайте эффективную емкость последовательно и параллельно с учетом индивидуальных емкостей.

Несколько конденсаторов могут быть соединены вместе в различных приложениях. Несколько подключений конденсаторов действуют как один эквивалентный конденсатор. Общая емкость этого эквивалентного одиночного конденсатора зависит как от отдельных конденсаторов, так и от способа их подключения.Существует два простых и распространенных типа соединений, называемых , , , и , , параллельными, , , для которых мы можем легко вычислить общую емкость. Некоторые более сложные соединения также могут быть связаны с комбинациями последовательного и параллельного.

На рисунке 1 (а) показано последовательное соединение трех конденсаторов с приложенным напряжением. Как и для любого конденсатора, емкость комбинации связана с зарядом и напряжением [латекс] \ boldsymbol {C = \ frac {Q} {V}} [/ latex].

Обратите внимание на рис. 1, что противоположные заряды величиной [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] текут по обе стороны от первоначально незаряженной комбинации конденсаторов при приложении напряжения [латекс] \ boldsymbol {V} [/ латекс] . Для сохранения заряда необходимо, чтобы на пластинах отдельных конденсаторов создавались заряды одинаковой величины, поскольку заряд разделяется только в этих изначально нейтральных устройствах. Конечным результатом является то, что комбинация напоминает одиночный конденсатор с эффективным разделением пластин больше, чем у отдельных конденсаторов.(См. Рисунок 1 (b).) Чем больше расстояние между пластинами, тем меньше емкость. Общей особенностью последовательного соединения конденсаторов является то, что общая емкость меньше любой из отдельных емкостей.

Рисунок 1. (a) Конденсаторы, подключенные последовательно. Величина заряда на каждой пластине составляет Q . (b) Эквивалентный конденсатор имеет большее расстояние между пластинами d . При последовательном соединении общая емкость меньше, чем у любого из отдельных конденсаторов.

Мы можем найти выражение для общей емкости, рассматривая напряжение на отдельных конденсаторах, показанных на рисунке 1. Решение [latex] \ boldsymbol {C = \ frac {Q} {V}} [/ latex] для [latex] \ boldsymbol {V} [/ latex] дает [латекс] \ boldsymbol {V = \ frac {Q} {C}} [/ latex]. Таким образом, напряжения на отдельных конденсаторах составляют [латекс] \ boldsymbol {V_1 = \ frac {Q} {C_1}} [/ latex], [латекс] \ boldsymbol {V_2 = \ frac {Q} {C_2}} [/ латекс ] и [латекс] \ boldsymbol {V_3 = \ frac {Q} {C_3}} [/ latex]. Общее напряжение складывается из отдельных напряжений:

[латекс] \ boldsymbol {V = V_1 + V_2 + V_3}.[/ латекс]

Теперь, называя общую емкость [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex] для последовательной емкости, примите во внимание, что

[латекс] \ boldsymbol {V =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {= V_1 + V_2 + V_3}. [/ Латекс ]

Вводя выражения для [latex] \ boldsymbol {V_1} [/ latex], [latex] \ boldsymbol {V_2} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {V_3} [/ latex], получаем

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q} {C_S} = \ frac {Q} {C_1} + \ frac {Q} {C_2} + \ frac {Q} {C_3}}.[/ латекс]

Отменяя [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] s, мы получаем уравнение для полной емкости в серии [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex] равным

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_1}} [/ латекс ] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_2}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol { \ frac {1} {C_3}} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {+ \ cdots}, [/ latex]

, где «…» означает, что выражение действительно для любого количества конденсаторов, соединенных последовательно.Выражение этой формы всегда приводит к общей емкости [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex], которая меньше любой из отдельных емкостей [латекс] \ boldsymbol {C_1} [/ latex], [латекс] \ boldsymbol {C_2} [/ latex],…, как показано в следующем примере.

Общая емкость в серии,

C _с

Общая емкость в серии: [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3} + \ cdots } [/ latex]

Пример 1: Что такое последовательная емкость?

Найдите общую емкость для трех последовательно соединенных конденсаторов, учитывая, что их отдельные емкости равны 1.000, 5.000 и 8.000 [латекс] \ mu \ textbf {F} [/ latex].

Стратегия

Имея данную информацию, общую емкость можно найти, используя уравнение для емкости в серии.

Решение

Ввод заданных емкостей в выражение для [latex] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] дает [latex] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S} = \ frac {1} { C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3}} [/ латекс].

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {1.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {+} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {1} {5.000 \; \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {8.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol { =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1.325} {\ mu \ textbf {F}}} [/ latex]

Инвертирование для поиска [latex] \ boldsymbol {C_S} [/ latex] дает [latex] \ boldsymbol {C_S = \ frac {\ mu \ textbf {F}} {1.325} = 0.755 \; \ mu \ textbf {F} }[/латекс].

Обсуждение

Общая последовательная емкость [латекс] \ boldsymbol {C_s} [/ latex] меньше наименьшей индивидуальной емкости, как было обещано.При последовательном соединении конденсаторов сумма меньше деталей. На самом деле это меньше, чем у любого человека. Обратите внимание, что иногда возможно и более удобно решить уравнение, подобное приведенному выше, путем нахождения наименьшего общего знаменателя, который в данном случае (показаны только целочисленные вычисления) равен 40. Таким образом,

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {40} {40 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {8} {40 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {5} {40 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {53} {40 \; \ mu \ textbf {F}}}, [/ латекс]

, так что

[латекс] \ boldsymbol {C_S =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {40 \; \ mu \ textbf {F}} {53}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {= 0 .755 \; \ mu \ textbf {F}}. [/ latex]

На рис. 2 (а) показано параллельное соединение трех конденсаторов с приложенным напряжением. Здесь общую емкость найти легче, чем в последовательном случае. Чтобы найти эквивалентную общую емкость [латекс] \ boldsymbol {\ textbf {C} _ {\ textbf {p}}} [/ latex], сначала отметим, что напряжение на каждом конденсаторе составляет [латекс] \ boldsymbol {V} [ / latex], то же самое, что и у источника, поскольку подключаются к нему напрямую через проводник. (Проводники являются эквипотенциальными, поэтому напряжение на конденсаторах такое же, как и на источнике напряжения.Таким образом, конденсаторы имеют такой же заряд, как и при индивидуальном подключении к источнику напряжения. Общий заряд [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] равен сумме индивидуальных сборов:

[латекс] \ boldsymbol {Q = Q_1 + Q_2 + Q_3}. [/ Latex]

Рис. 2. (a) Конденсаторы, включенные параллельно. Каждый из них подключен непосредственно к источнику напряжения, как если бы он был полностью один, поэтому общая параллельная емкость — это просто сумма отдельных емкостей. (b) Эквивалентный конденсатор имеет большую площадь пластины и поэтому может удерживать больше заряда, чем отдельные конденсаторы.

Используя соотношение [латекс] \ boldsymbol {Q = CV} [/ latex], мы видим, что общий заряд составляет [латекс] \ boldsymbol {Q = C _ {\ textbf {p}} V} [/ latex], и индивидуальные расходы: [латекс] \ boldsymbol {Q_1 = C_1 V} [/ latex] , [латекс] \ boldsymbol {Q_2 = C_2 V} [/ latex] , и [латекс] \ boldsymbol {Q_3 = C_3 V} [/ латекс]. Ввод их в предыдущее уравнение дает

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} V = C_1 V + C_2 V + C_3 V}. [/ Latex]

Исключая [латекс] \ boldsymbol {V} [/ latex] из уравнения, мы получаем уравнение для полной емкости в параллельном [латексе] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}}} [/ latex]:

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = C_1 + C_2 + C_3 \ cdots} [/ latex].

Общая емкость при параллельном подключении — это просто сумма отдельных емкостей. (И снова «… » указывает на то, что выражение действительно для любого количества конденсаторов, подключенных параллельно.) Так, например, если конденсаторы в приведенном выше примере были подключены параллельно, их емкость была бы

.

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = 1.000 \; \ mu \ textbf {F} + 5.000 \; \ mu \ textbf {F} + 8.000 \; \ mu \ textbf {F} = 14.000 \; \ mu \ textbf {F}}. [/ latex]

Эквивалентный конденсатор для параллельного соединения имеет значительно большую площадь пластины и, следовательно, большую емкость, как показано на Рисунке 2 (b).

Общая емкость параллельно,

C _p [латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}}} [/ latex]

Общая емкость параллельно [латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = C_1 + C_2 + C_3 + \ cdots} [/ latex]

Более сложные соединения конденсаторов иногда могут быть последовательными и параллельными. (См. Рис. 3.) Чтобы найти общую емкость таких комбинаций, мы идентифицируем последовательные и параллельные части, вычисляем их емкости, а затем находим общую.

Рисунок 3. (a) Эта схема содержит как последовательное, так и параллельное соединение конденсаторов. См. Пример 2 для расчета общей емкости цепи. (b) C ₁ и C ₂ идут последовательно; их эквивалентная емкость C _S меньше, чем у любого из них. (c) Обратите внимание, что C _S находится параллельно с C ₃ .Таким образом, общая емкость равна сумме C _S и C ₃ .

Смесь последовательной и параллельной емкости

Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке 3. Предположим, что емкости на рисунке 3 известны с точностью до трех десятичных знаков ([латекс] \ boldsymbol {C_1 = 1.000 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex ], [латекс] \ boldsymbol {C_2 = 5.000 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] и [латекс] \ boldsymbol {C_3 = 8.000 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex]) и округлите ответ до трех десятичных знаков.

Стратегия

Чтобы найти общую емкость, мы сначала определяем, какие конденсаторы включены последовательно, а какие — параллельно. Конденсаторы [латекс] \ boldsymbol {C_1} [/ latex] и [латекс] \ boldsymbol {C_2} [/ latex] включены последовательно. Их комбинация, обозначенная на рисунке [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex], параллельна [латексу] \ boldsymbol {C_3} [/ latex].

Решение

Поскольку [латекс] \ boldsymbol {C_1} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {C_2} [/ latex] включены последовательно, их общая емкость определяется выражением [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S } = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3}} [/ latex].Ввод их значений в уравнение дает

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_1}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_2}} [/ латекс ] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {1.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {+} [ / latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {5.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ гидроразрыв {1.200} {\ mu \ textbf {F}}}. [/ latex]

Инвертирование дает

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {S}} = 0.833 \; \ mu \ textbf {F}}. [/ Latex]

Эта эквивалентная последовательная емкость подключена параллельно третьему конденсатору; Таким образом, общая сумма составляет

[латекс] \ begin {array} {r @ {{} = {}} l} \ boldsymbol {C _ {\ textbf {tot}}} & \ boldsymbol {C_S + C_S} \\ [1em] & \ boldsymbol { 0.833 \; \ mu \ textbf {F} + 8.000 \; \ mu \ textbf {F}} \\ [1em] & \ boldsymbol {8.833 \; \ mu \ textbf {F}}. \ end {array} [/ latex]

Обсуждение

Этот метод анализа комбинаций конденсаторов по частям, пока не будет получена общая сумма, может быть применен к более крупным комбинациям конденсаторов.

• Общая емкость последовательно [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C _ {\ textbf {S}}} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1 } {C_3} + \ cdots} [/ латекс]
• Общая емкость параллельно [латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = C_1 + C_2 + C_3 + \ cdots} [/ latex]
• Если схема содержит комбинацию конденсаторов, включенных последовательно и параллельно, определите последовательную и параллельную части, вычислите их емкости, а затем найдите общую сумму.

Концептуальные вопросы

1: Если вы хотите хранить большое количество энергии в конденсаторной батарее, подключите ли вы конденсаторы последовательно или параллельно? Объяснять.

Задачи и упражнения

1: Найдите общую емкость комбинации конденсаторов на рисунке 4.

Рисунок 4. Комбинация последовательного и параллельного подключения конденсаторов.

2: Предположим, вам нужна конденсаторная батарея с общей емкостью 0,750 Ф и у вас есть множество конденсаторов 1,50 мФ. Какое наименьшее число вы могли бы связать вместе, чтобы достичь своей цели, и как бы вы их связали?

3: Какую общую емкость можно получить, подключив символ [латекс] \ bold {5.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] и конденсатор [latex] \ boldsymbol {8.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] вместе?

4: Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке 5.

Рисунок 5. Комбинация последовательного и параллельного подключения конденсаторов.

5: Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке 6.

Рисунок 6. Комбинация последовательного и параллельного подключения конденсаторов.

6: Необоснованные результаты

(a) Конденсатор [латекс] \ boldsymbol {8.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] подключен параллельно другому конденсатору, что дает общую емкость [латекс] \ boldsymbol {5.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс]. Какая емкость у второго конденсатора? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

Решения

Задачи и упражнения

1: [латекс] \ boldsymbol {0.293 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс]

3: [латекс] \ boldsymbol {3.08 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] в последовательной комбинации, [латекс] \ boldsymbol {13.0 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс ] в параллельной комбинации

4: [латекс] \ boldsymbol {2.79 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс]

6: (a) [латекс] \ boldsymbol {-3.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex]

(b) У вас не может быть отрицательного значения емкости.

(c) Предположение, что конденсаторы были подключены параллельно, а не последовательно, было неверным.Параллельное соединение всегда дает большую емкость, в то время как здесь предполагалась меньшая емкость. Это могло произойти, только если конденсаторы подключены последовательно.

19.6 Последовательные и параллельные конденсаторы — College Physics chapters 1-17

Сводка

• Выведите выражения для полной емкости последовательно и параллельно.
• Обозначение последовательной и параллельной частей в комбинации подключения конденсаторов.
• Рассчитайте эффективную емкость последовательно и параллельно с учетом индивидуальных емкостей.

Несколько конденсаторов могут быть соединены вместе в различных приложениях. Несколько подключений конденсаторов действуют как один эквивалентный конденсатор. Общая емкость этого эквивалентного одиночного конденсатора зависит как от отдельных конденсаторов, так и от способа их подключения. Существует два простых и распространенных типа соединений, называемых , , , и , , параллельными, , , для которых мы можем легко вычислить общую емкость. Некоторые более сложные соединения также могут быть связаны с комбинациями последовательного и параллельного.

На рисунке 1 (а) показано последовательное соединение трех конденсаторов с приложенным напряжением. Как и для любого конденсатора, емкость комбинации связана с зарядом и напряжением [латекс] \ boldsymbol {C = \ frac {Q} {V}} [/ latex].

Обратите внимание на рис. 1, что противоположные заряды величиной [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] текут по обе стороны от первоначально незаряженной комбинации конденсаторов при приложении напряжения [латекс] \ boldsymbol {V} [/ латекс] . Для сохранения заряда необходимо, чтобы на пластинах отдельных конденсаторов создавались заряды одинаковой величины, поскольку заряд разделяется только в этих изначально нейтральных устройствах.Конечным результатом является то, что комбинация напоминает одиночный конденсатор с эффективным разделением пластин больше, чем у отдельных конденсаторов. (См. Рисунок 1 (b).) Чем больше расстояние между пластинами, тем меньше емкость. Общей особенностью последовательного соединения конденсаторов является то, что общая емкость меньше любой из отдельных емкостей.

Рисунок 1. (a) Конденсаторы, подключенные последовательно. Величина заряда на каждой пластине составляет Q .(b) Эквивалентный конденсатор имеет большее расстояние между пластинами d . При последовательном соединении общая емкость меньше, чем у любого из отдельных конденсаторов.

Мы можем найти выражение для общей емкости, рассматривая напряжение на отдельных конденсаторах, показанных на рисунке 1. Решение [latex] \ boldsymbol {C = \ frac {Q} {V}} [/ latex] для [latex] \ boldsymbol {V} [/ latex] дает [латекс] \ boldsymbol {V = \ frac {Q} {C}} [/ latex]. Таким образом, напряжения на отдельных конденсаторах составляют [латекс] \ boldsymbol {V_1 = \ frac {Q} {C_1}} [/ latex], [латекс] \ boldsymbol {V_2 = \ frac {Q} {C_2}} [/ латекс ] и [латекс] \ boldsymbol {V_3 = \ frac {Q} {C_3}} [/ latex].Общее напряжение складывается из отдельных напряжений:

[латекс] \ boldsymbol {V = V_1 + V_2 + V_3}. [/ Latex]

Теперь, называя общую емкость [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex] для последовательной емкости, примите во внимание, что

[латекс] \ boldsymbol {V =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {= V_1 + V_2 + V_3}. [/ Латекс ]

Вводя выражения для [latex] \ boldsymbol {V_1} [/ latex], [latex] \ boldsymbol {V_2} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {V_3} [/ latex], получаем

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q} {C_S} = \ frac {Q} {C_1} + \ frac {Q} {C_2} + \ frac {Q} {C_3}}.[/ латекс]

Отменяя [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] s, мы получаем уравнение для полной емкости в серии [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex] равным

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_1}} [/ латекс ] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_2}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol { \ frac {1} {C_3}} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {+ \ cdots}, [/ latex]

, где «…» означает, что выражение действительно для любого количества конденсаторов, соединенных последовательно.Выражение этой формы всегда приводит к общей емкости [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex], которая меньше любой из отдельных емкостей [латекс] \ boldsymbol {C_1} [/ latex], [латекс] \ boldsymbol {C_2} [/ latex],…, как показано в следующем примере.

Общая емкость в серии,

C _с

Общая емкость в серии: [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3} + \ cdots } [/ latex]

Пример 1: Что такое последовательная емкость?

Найдите общую емкость для трех последовательно соединенных конденсаторов, учитывая, что их отдельные емкости равны 1.000, 5.000 и 8.000 [латекс] \ mu \ textbf {F} [/ latex].

Стратегия

Имея данную информацию, общую емкость можно найти, используя уравнение для емкости в серии.

Решение

Ввод заданных емкостей в выражение для [latex] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] дает [latex] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S} = \ frac {1} { C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3}} [/ латекс].

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {1.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {+} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {1} {5.000 \; \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {8.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol { =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1.325} {\ mu \ textbf {F}}} [/ latex]

Инвертирование для поиска [latex] \ boldsymbol {C_S} [/ latex] дает [latex] \ boldsymbol {C_S = \ frac {\ mu \ textbf {F}} {1.325} = 0.755 \; \ mu \ textbf {F} }[/латекс].

Обсуждение

Общая последовательная емкость [латекс] \ boldsymbol {C_s} [/ latex] меньше наименьшей индивидуальной емкости, как было обещано.При последовательном соединении конденсаторов сумма меньше деталей. На самом деле это меньше, чем у любого человека. Обратите внимание, что иногда возможно и более удобно решить уравнение, подобное приведенному выше, путем нахождения наименьшего общего знаменателя, который в данном случае (показаны только целочисленные вычисления) равен 40. Таким образом,

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {40} {40 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {8} {40 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {5} {40 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {53} {40 \; \ mu \ textbf {F}}}, [/ латекс]

, так что

[латекс] \ boldsymbol {C_S =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {40 \; \ mu \ textbf {F}} {53}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {= 0 .755 \; \ mu \ textbf {F}}. [/ latex]

На рис. 2 (а) показано параллельное соединение трех конденсаторов с приложенным напряжением. Здесь общую емкость найти легче, чем в последовательном случае. Чтобы найти эквивалентную общую емкость [латекс] \ boldsymbol {\ textbf {C} _ {\ textbf {p}}} [/ latex], сначала отметим, что напряжение на каждом конденсаторе составляет [латекс] \ boldsymbol {V} [ / latex], то же самое, что и у источника, поскольку подключаются к нему напрямую через проводник. (Проводники являются эквипотенциальными, поэтому напряжение на конденсаторах такое же, как и на источнике напряжения.Таким образом, конденсаторы имеют такой же заряд, как и при индивидуальном подключении к источнику напряжения. Общий заряд [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] равен сумме индивидуальных сборов:

[латекс] \ boldsymbol {Q = Q_1 + Q_2 + Q_3}. [/ Latex]

Рис. 2. (a) Конденсаторы, включенные параллельно. Каждый из них подключен непосредственно к источнику напряжения, как если бы он был полностью один, поэтому общая параллельная емкость — это просто сумма отдельных емкостей. (b) Эквивалентный конденсатор имеет большую площадь пластины и поэтому может удерживать больше заряда, чем отдельные конденсаторы.

Используя соотношение [латекс] \ boldsymbol {Q = CV} [/ latex], мы видим, что общий заряд составляет [латекс] \ boldsymbol {Q = C _ {\ textbf {p}} V} [/ latex], и индивидуальные расходы: [латекс] \ boldsymbol {Q_1 = C_1 V} [/ latex] , [латекс] \ boldsymbol {Q_2 = C_2 V} [/ latex] , и [латекс] \ boldsymbol {Q_3 = C_3 V} [/ латекс]. Ввод их в предыдущее уравнение дает

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} V = C_1 V + C_2 V + C_3 V}. [/ Latex]

Исключая [латекс] \ boldsymbol {V} [/ latex] из уравнения, мы получаем уравнение для полной емкости в параллельном [латексе] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}}} [/ latex]:

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = C_1 + C_2 + C_3 \ cdots} [/ latex].

Общая емкость при параллельном подключении — это просто сумма отдельных емкостей. (И снова «… » указывает на то, что выражение действительно для любого количества конденсаторов, подключенных параллельно.) Так, например, если конденсаторы в приведенном выше примере были подключены параллельно, их емкость была бы

.

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = 1.000 \; \ mu \ textbf {F} + 5.000 \; \ mu \ textbf {F} + 8.000 \; \ mu \ textbf {F} = 14.000 \; \ mu \ textbf {F}}. [/ latex]

Эквивалентный конденсатор для параллельного соединения имеет значительно большую площадь пластины и, следовательно, большую емкость, как показано на Рисунке 2 (b).

Общая емкость параллельно,

C _p [латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}}} [/ latex]

Общая емкость параллельно [латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = C_1 + C_2 + C_3 + \ cdots} [/ latex]

Более сложные соединения конденсаторов иногда могут быть последовательными и параллельными. (См. Рис. 3.) Чтобы найти общую емкость таких комбинаций, мы идентифицируем последовательные и параллельные части, вычисляем их емкости, а затем находим общую.

Рисунок 3. (a) Эта схема содержит как последовательное, так и параллельное соединение конденсаторов. См. Пример 2 для расчета общей емкости цепи. (b) C ₁ и C ₂ идут последовательно; их эквивалентная емкость C _S меньше, чем у любого из них. (c) Обратите внимание, что C _S находится параллельно с C ₃ .Таким образом, общая емкость равна сумме C _S и C ₃ .

Смесь последовательной и параллельной емкости

Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке 3. Предположим, что емкости на рисунке 3 известны с точностью до трех десятичных знаков ([латекс] \ boldsymbol {C_1 = 1.000 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex ], [латекс] \ boldsymbol {C_2 = 5.000 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] и [латекс] \ boldsymbol {C_3 = 8.000 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex]) и округлите ответ до трех десятичных знаков.

Стратегия

Чтобы найти общую емкость, мы сначала определяем, какие конденсаторы включены последовательно, а какие — параллельно. Конденсаторы [латекс] \ boldsymbol {C_1} [/ latex] и [латекс] \ boldsymbol {C_2} [/ latex] включены последовательно. Их комбинация, обозначенная на рисунке [латекс] \ boldsymbol {C_S} [/ latex], параллельна [латексу] \ boldsymbol {C_3} [/ latex].

Решение

Поскольку [латекс] \ boldsymbol {C_1} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {C_2} [/ latex] включены последовательно, их общая емкость определяется выражением [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_S } = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3}} [/ latex].Ввод их значений в уравнение дает

[латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_1}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {+} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C_2}} [/ латекс ] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {1.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {+} [ / latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {5.000 \; \ mu \ textbf {F}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {=} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ гидроразрыв {1.200} {\ mu \ textbf {F}}}. [/ latex]

Инвертирование дает

[латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {S}} = 0.833 \; \ mu \ textbf {F}}. [/ Latex]

Эта эквивалентная последовательная емкость подключена параллельно третьему конденсатору; Таким образом, общая сумма составляет

[латекс] \ begin {array} {r @ {{} = {}} l} \ boldsymbol {C _ {\ textbf {tot}}} & \ boldsymbol {C_S + C_S} \\ [1em] & \ boldsymbol { 0.833 \; \ mu \ textbf {F} + 8.000 \; \ mu \ textbf {F}} \\ [1em] & \ boldsymbol {8.833 \; \ mu \ textbf {F}}. \ end {array} [/ latex]

Обсуждение

Этот метод анализа комбинаций конденсаторов по частям, пока не будет получена общая сумма, может быть применен к более крупным комбинациям конденсаторов.

• Общая емкость последовательно [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {C _ {\ textbf {S}}} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1 } {C_3} + \ cdots} [/ латекс]
• Общая емкость параллельно [латекс] \ boldsymbol {C _ {\ textbf {p}} = C_1 + C_2 + C_3 + \ cdots} [/ latex]
• Если схема содержит комбинацию конденсаторов, включенных последовательно и параллельно, определите последовательную и параллельную части, вычислите их емкости, а затем найдите общую сумму.

Концептуальные вопросы

1: Если вы хотите хранить большое количество энергии в конденсаторной батарее, подключите ли вы конденсаторы последовательно или параллельно? Объяснять.

Задачи и упражнения

1: Найдите общую емкость комбинации конденсаторов на рисунке 4.

Рисунок 4. Комбинация последовательного и параллельного подключения конденсаторов.

2: Предположим, вам нужна конденсаторная батарея с общей емкостью 0,750 Ф и у вас есть множество конденсаторов 1,50 мФ. Какое наименьшее число вы могли бы связать вместе, чтобы достичь своей цели, и как бы вы их связали?

3: Какую общую емкость можно получить, подключив символ [латекс] \ bold {5.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] и конденсатор [latex] \ boldsymbol {8.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] вместе?

4: Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке 5.

Рисунок 5. Комбинация последовательного и параллельного подключения конденсаторов.

5: Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке 6.

Рисунок 6. Комбинация последовательного и параллельного подключения конденсаторов.

6: Необоснованные результаты

(a) Конденсатор [латекс] \ boldsymbol {8.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] подключен параллельно другому конденсатору, что дает общую емкость [латекс] \ boldsymbol {5.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс]. Какая емкость у второго конденсатора? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

Решения

Задачи и упражнения

1: [латекс] \ boldsymbol {0.293 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс]

3: [латекс] \ boldsymbol {3.08 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex] в последовательной комбинации, [латекс] \ boldsymbol {13.0 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс ] в параллельной комбинации

4: [латекс] \ boldsymbol {2.79 \; \ mu \ textbf {F}} [/ латекс]

6: (a) [латекс] \ boldsymbol {-3.00 \; \ mu \ textbf {F}} [/ latex]

(b) У вас не может быть отрицательного значения емкости.

(c) Предположение, что конденсаторы были подключены параллельно, а не последовательно, было неверным.Параллельное соединение всегда дает большую емкость, в то время как здесь предполагалась меньшая емкость. Это могло произойти, только если конденсаторы подключены последовательно.

Конденсаторы комбинированные

В некоторых цепях конденсаторы соединены последовательно и параллельно. Чтобы определить, например, общий заряд, накопленный набором конденсаторов, мы должны найти единственную эквивалентную емкость набора.Это делается путем идентификации пары конденсаторов в наборе, которые включены последовательно или параллельно друг другу, замены этой пары эквивалентным конденсатором (тем самым уменьшая количество конденсаторов на один) и повторения до тех пор, пока у нас не останется один. конденсатор, который является эквивалентом набора.

Возьмем, к примеру, ситуацию, описанную выше. Четыре конденсатора имеют следующие значения:

C ₁ = C ₂ = 90 пФ.
C ₃ = 45 пФ
C ₄ = 120 пФ

Какова разность потенциалов на каждом конденсаторе? Сколько заряда у каждого конденсатора?

Чтобы решить эту проблему, нам нужно найти эквивалентную емкость набора конденсаторов.Первый шаг — перерисовать схему так, чтобы C ₁ был нарисован вертикально — это делает более очевидным, что идет параллельно или последовательно.

Теперь сократите цепь с 4 конденсаторов до 1.

Шаг 1 — C ₂ и C ₃ идут последовательно. Замените эту пару одним конденсатором C ₂₃ :

1 / C ₂₃ = 1 / C ₂ + 1 / C ₃ = 1/90 + 1/45 = 3/90.

Следовательно, C ₂₃ = 90/3 = 30 пФ.

Шаг 2 — C ₁ и C ₂₃ параллельно. Замените эту пару одним конденсатором C ₁₂₃ = 90 + 30 = 120 пФ.

Шаг 3 — C ₄ и C ₁₂₃ последовательно. Замените эту пару одним конденсатором C _eq :

1 / C _экв = 1 / C ₄ + 1 / C ₁₂₃ = 1/120 + 1/120 = 2/120

C _экв = 120/2 = 60 пФ

Шаг 4 — Определите заряд на C _eq .

Q = C _экв ΔV = 60 пФ * 12 В = 720 пКл.

Теперь нам нужно расширить схему до четырех исходных конденсаторов и определить заряд и разность потенциалов на каждом из них по мере продвижения.

Шаг 1 — C _eq представляет C ₄ и C ₁₂₃ последовательно. Последовательные конденсаторы имеют одинаковый заряд, но разделяют разность потенциалов.

Q ₄ = Q ₁₂₃ = 720 пКл.

Конденсаторы одинаковые, поэтому на каждый из них подается по 6 вольт.

Шаг 2 — C ₁₂₃ представляет собой C ₁ и C ₂₃ параллельно. Параллельно подключенные устройства имеют одинаковую разность потенциалов (в данном случае 6 В).

Q ₁ = C ₁ * 6 = 540 пКл.
Q ₂₃ = C ₂₃ * 6 = 180 пКл.

Они добавляют к 720 пКл, как и должно быть.

Шаг 3 — C ₂₃ представляет последовательно C ₂ и C ₃ .

Q ₂ = Q ₃ = 180 пКл.

ΔV ₂ = Q ₂ / C ₂ = 180/90 = 2 В.
ΔV ₃ = Q ₃ / C ₃ = 180/45 = 4 В.

Они добавляют к 6 вольт, как должны.

Шаг 4. Хороший способ проверить согласованность — пометить потенциал в разных точках. Выберите некоторую точку в качестве ориентира (скажем, 0 В на отрицательном полюсе батареи) и пометьте другие точки, относящиеся к ней.Убедитесь, что разность потенциалов на конденсаторах соответствует этим значениям потенциала.

2.6 Конденсаторы, подключенные последовательно и параллельно

Конденсаторы, подключенные параллельно

На рис. 2.27 (а) показано параллельное соединение трех конденсаторов с приложенным напряжением. Здесь общую емкость найти легче, чем в последовательном случае. Чтобы найти эквивалентную общую емкость Cp, Cp, размер 12 {{C} rSub {size 8 {p}}} {}, сначала отметим, что напряжение на каждом конденсаторе равно V, V, размер 12 {V} {} то же самое как у источника, поскольку они подключены к нему напрямую через проводник.Проводники являются эквипотенциальными, поэтому напряжение на конденсаторах такое же, как и на источнике напряжения. Таким образом, конденсаторы имеют такой же заряд, как и при индивидуальном подключении к источнику напряжения. Суммарный размер QQ 12 {Q} {} — это сумма отдельных сборов.

2,67 Q = Q1 + Q2 + Q3Q = Q1 + Q2 + Q3 размер 12 {Q = {Q} rSub {размер 8 {1}} + {Q} rSub {размер 8 {2}} + {Q} rSub {размер 8 {3}}} {}

Рисунок 2.27 (a) Параллельное соединение конденсаторов. Каждый из них подключен непосредственно к источнику напряжения, как если бы он был полностью один, поэтому общая параллельная емкость — это просто сумма отдельных емкостей.(b) Эквивалентный конденсатор имеет большую площадь пластины и поэтому может удерживать больше заряда, чем отдельные конденсаторы.

Используя соотношение Q = CV, Q = CV, размер 12 {Q = ital «CV»} {}, мы видим, что общий заряд равен Q = CpV, Q = CpV, размер 12 {Q = {C} rSub {size 8 {p}} V} {}, а индивидуальные расходы равны Q1 = C1V, Q1 = C1V, размер 12 {{Q} rSub {size 8 {1}} = {C} rSub {size 8 {1}} V} {} Q2 = C2V, Q2 = C2V, размер 12 {{Q} rSub {размер 8 {2}} = {C} rSub {размер 8 {2}} V} {} и Q3 = C3V.Q3 = C3V. размер 12 {{Q} rSub {размер 8 {3}} = {C} rSub {размер 8 {3}} V} {} Ввод их в предыдущее уравнение дает

2.68 CpV = C1V + C2V + C3V.CpV = C1V + C2V + C3V. размер 12 {{C} rSub {размер 8 {p}} V = {C} rSub {размер 8 {1}} V + {C} rSub {размер 8 {2}} V + {C} rSub {размер 8 {3} } V} {}

Исключая VV размера 12 {V} {} из уравнения, мы получаем уравнение для полной емкости в параллельном Cp.Cp. размер 12 {C rSub {размер 8 {p}}} {}

2.69 Cp = C1 + C2 + C3 + …. Cp = C1 + C2 + C3 + …. размер 12 {{C} rSub {size 8 {p}} = {C} rSub {size 8 {1}} + {C} rSub {размер 8 {2}} + {C} rSub {размер 8 {3}} + «.» «.» «.» } {}

Общая емкость при параллельном подключении — это просто сумма отдельных емкостей.И снова « … » указывает, что выражение действительно для любого количества конденсаторов, подключенных параллельно. Так, например, если конденсаторы в приведенном выше примере были подключены параллельно, их емкость была бы

. 2,70 Cp = 1.000 мкФ + 5.000 мкФ + 8.000 мкФ = 14000 мкФ. Cp = 1.000 мкФ + 5.000 мкФ + 8.000 мкФ = 14000 мкФ. размер 12 {{C} rSub {размер 8 {p}} = 1 «.» «00» мкФ + 5 «.» «00» мкФ + 8 «.» «00» µF = «14» «.» 0 мкФ} {}

Эквивалентный конденсатор для параллельного подключения имеет значительно большую площадь пластины и, следовательно, большую емкость, как показано на рисунке 2.27 (б).

Общая емкость параллельно, CpCp, размер 12 {C rSub {size 8 {p}}} {}

Общая емкость параллельно Cp = C1 + C2 + C3 + … Cp = C1 + C2 + C3 + … размер 12 {{C} rSub {размер 8 {p}} = {C} rSub {размер 8 {1} } + {C} rSub {размер 8 {2}} + {C} rSub {размер 8 {3}} + «.» «.» «.» } {}

Более сложные соединения конденсаторов иногда могут быть последовательными и параллельными (см. Рисунок 2.28). Чтобы найти общую емкость таких комбинаций, мы идентифицируем последовательные и параллельные части, вычисляем их емкости, а затем находим общую.

Рисунок 2.28 (a) Эта схема содержит как последовательные, так и параллельные соединения конденсаторов. См. Пример 2.10 для расчета общей емкости цепи. (b) C1C1 размера 12 {{C} rSub {размер 8 {1}}} {} и C2C2 размера 12 {{C} rSub {размер 8 {2}}} {} расположены последовательно; их эквивалентная емкость CSCS размером 12 {{C} rSub {size 8 {S}}} {} меньше, чем у любого из них. (c) Обратите внимание, что CSCS размера 12 {{C} rSub {size 8 {S}}} {} работает параллельно с C3.C3. size 12 {{C} rSub {size 8 {3}}} {} Таким образом, общая емкость равна сумме размера CSCS 12 {{C} rSub {size 8 {S}}} {} и C3.C3. размер 12 {{C} rSub {размер 8 {3}}} {}

Пример 2.10 Смесь последовательной и параллельной емкостей

Найдите общую емкость комбинации конденсаторов, показанной на рисунке 2.28. Предположим, что емкости на рисунке 2.28 известны с точностью до трех десятичных знаков (C1 = 1.000 мкФ, (C1 = 1.000 мкФ, C2 = 5.000 мкФ, C2 = 5.000 мкФ и C3 = 8.000 мкФ), C3 = 8.000 мкФ), и округлите ответ до трех знаков после запятой.

Стратегия

Чтобы найти общую емкость, мы сначала определяем, какие конденсаторы включены последовательно, а какие — параллельно.Конденсаторы C1C1 размера 12 {{C} rSub {размер 8 {1}}} {} и C2C2 размера 12 {{C} rSub {размер 8 {2}}} {} включены последовательно. Их комбинация, обозначенная на рисунке CSCS size 12 {{C} rSub {size 8 {S}}} {}, работает параллельно с C3.C3. размер 12 {{C} rSub {размер 8 {3}}} {}

Решение

Поскольку C1C1 размер 12 {{C} rSub {размер 8 {1}}} {} и C2C2 размер 12 {{C} rSub {размер 8 {2}}} {} включены последовательно, их общая емкость определяется 1CS = 1C1 + 1C2 + 1C3. 1CS = 1C1 + 1C2 + 1C3. размер 12 {{{1} больше {{C} rSub {size 8 {S}}}} = {{1} больше {{C} rSub {size 8 {1}}}} + {{1} больше {{ C} rSub {размер 8 {2}}}} + {{1} over {{C} rSub {size 8 {3}}}}} {} Ввод их значений в уравнение дает

2.71 1CS = 1C1 + 1C2 = 11.000 мкФ + 15.000 мкФ = 1.200 мкФ. 1CS = 1C1 + 1C2 = 11.000 мкФ + 15.000 мкФ = 1.200 мкФ. размер 12 {{{1} больше {{C} rSub {size 8 {S}}}} = {{1} больше {{C} rSub {size 8 {1}}}} + {{1} больше {{ C} rSub {size 8 {2}}}} = {{1} более {1 «.» «000» «мкФ»}} + {{1} более {5 «.» «000» «мкФ»}} = {{1 «.» «200»} больше {«мкФ»}}} {}

Инвертирование дает

2,72 CS = 0,833 мкФ. CS = 0,833 мкФ. размер 12 {{C} rSub {размер 8 {S}} = 0 «.» «833» мкФ} {}

Эта эквивалентная последовательная емкость подключена параллельно третьему конденсатору; таким образом, общая сумма есть сумма.

2,73 Ctot = CS + CS = 0,833 мкФ +8,000 мкФ = 8,833 мкFtot = CS + CS = 0,833 мкФ +8,000 мкФ = 8,833μFalignl {stack {size 12 {C rSub {size 8 {«tot»}} = C rSub {size 8 {S}} + C rSub {size 8 {S}}} {} # = 0 «.» «833» «мкФ» + 8 «.» «000» «мкФ» {} # = 8 «.» «833» «мкФ» {}}} {}

Обсуждение

Этот метод анализа комбинаций конденсаторов по частям, пока не будет получена общая сумма, может быть применен к более крупным комбинациям конденсаторов.

Работа конденсаторов в последовательной и параллельной цепях

Конденсаторы являются стандартными компонентами электронных схем.В схемах практически используются разные комбинации конденсаторов. В этой статье рассказывается о последовательной и параллельной комбинациях конденсаторов.

Последовательные конденсаторы

Как последовательно соединить конденсаторы?

«Последовательные конденсаторы» означает два или более конденсатора, соединенных в одну линию. Положительная пластина одного конденсатора соединена с отрицательной пластиной следующего конденсатора.

Здесь

QT = Q1 = Q2 = Q3 = ———- = Q

IC = I1 = I2 = I3 = ——— = IN

Когда конденсаторы соединены последовательно Заряд и ток то же самое на всех конденсаторах.

Почему заряд последовательно соединенных конденсаторов одинаков?

Для последовательных конденсаторов одинаковое количество электронов будет проходить через каждый конденсатор, потому что заряд на каждой пластине исходит от соседней пластины. Итак, кулоновский заряд такой же. Поскольку ток — это не что иное, как поток электронов, ток такой же.

Какая эквивалентная емкость?

Эквивалентная емкость — это общая емкость конденсаторов. Давайте посмотрим, как рассчитать емкость, когда они включены последовательно.

На рисунке ниже показаны три конденсатора, последовательно подключенные к батарее. Когда конденсаторы соединены последовательно, соседние пластины заряжаются за счет электростатической индукции.

Каждая пластина будет иметь разный потенциал. Но величина заряда на пластинах такая же.

Первая пластина C1 будет иметь потенциал V1, равный напряжению батареи, а вторая пластина будет иметь потенциал меньше V1. Пусть это будет V2.

Теперь первая пластина C2 будет иметь потенциал, равный V2, а вторая пластина будет иметь потенциал меньше V3, пусть это будет V4.
Первая пластина C3 будет иметь потенциал V5 (V5 = V4), а потенциал второй пластины меньше V5. Пусть это будет V6.

Но общая разность потенциалов между пластинами равна ЭДС АКБ.

Итак, VT = V1 + V2 + V3

Но мы знаем, что Q = CV

C = Q / V

Ceq = Q / V1 + Q / V2 + Q / V3 (поскольку плата такая же)

1 / Ceq = (V1 + V2 + V3) / Q

VT = Q / Ceq = Q / C1 + Q / C2 + Q / C3

Следовательно, 1 / Ceq = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3

Если N конденсаторов подключены последовательно, то эквивалентная емкость может быть указана ниже.

1 / Ceq = 1 / C1 + 1 / C2 + ……… + 1 / CN

Таким образом, когда конденсаторы включены последовательно, величина, обратная эквивалентной емкости, равна сумме обратных величин индивидуальной емкости конденсаторов в цепи.

Конденсаторы в серии Пример

Рассчитайте эквивалентную емкость, и отдельные падения напряжения на наборе из двух последовательно соединенных конденсаторов имеют 0,1 мкФ и 0,2 мкФ соответственно при подключении к источнику переменного тока 12 В. поставлять.

Эквивалентная емкость,

1 / Ceq = 1 / C1 + 1 / C2

Ceq = (C1C2) / (C1 + C2)

Ceq = (0.1 мкФ * 0,2 мкФ) / (0,1 мкФ + 0,2 мкФ)

Ceq = 0,066 мкФ = 66 нФ

Падение напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах составляет,

V1 = (C2 * VT) / (C1 + C2) = (0,2 мкФ * 12 В) / (0,1 мкФ + 0,2 мкФ) = 8 Вольт

V2 = (C1 * VT) / (C1 + C2) = (0,1 мкФ * 12 В) / (0,1 мкФ + 0,2 мкФ) = 4 В

Из этих результатов мы заметили, что эквивалентная емкость 66 нФ меньше наименьшей емкости 0,1 мкФ из данных двух конденсаторов. Отдельные падения напряжения на данных двух конденсаторах различны.

Но сумма отдельных падений напряжения на обоих конденсаторах равна общему напряжению. т.е. 8 В + 4 В = 12 В.

Теперь мы вычисляем заряд, накопленный в отдельном конденсаторе,

Q1 = V1 * C1 = 8V * 0.1uF = 0.8uC

Q2 = V2 * C2 = 4V * 0.2uF = 0.8uC

Здесь мы наблюдали, что равный заряд 0,8 мкКл хранится в конденсаторах C1 и C2, которые соединены последовательно.

Конденсаторы в серии Сводка

• Заряд конденсаторов одинаков при последовательном соединении.

• Эквивалентная емкость конденсаторов меньше наименьшей емкости в серии.

• Эквивалентная емкость n конденсаторов, соединенных последовательно, задается как

1 / Ceq = 1 / C1 + 1 / C2 + ……… + 1 / CN

Конденсаторы в параллельных цепях

Почему мы подключаем конденсаторы параллельно?

Параллельное соединение конденсаторов дает преимущество, чем последовательное. При параллельном подключении конденсаторов общее значение емкости увеличивается.В некоторых приложениях требуются более высокие значения емкости.

Как подключить конденсаторы параллельно?

На рисунке ниже показано параллельное соединение конденсаторов. Все положительные клеммы подключены к одной точке, а отрицательные клеммы — к другой точке.

Какая эквивалентная емкость конденсаторов, подключенных параллельно?

• Все конденсаторы, которые соединены параллельно, имеют одинаковое напряжение и равное ТН, приложенному между входными и выходными клеммами схемы.
• Тогда на параллельные конденсаторы подается «общее напряжение». VT = V1 = V2 и т. Д.
• Эквивалентная емкость Ceq цепи, в которой конденсаторы соединены параллельно, равна сумме всех индивидуальных емкостей конденсаторов, сложенных вместе.
• Это связано с тем, что верхняя пластина каждого конденсатора в цепи соединена с верхней пластиной соседних конденсаторов. Таким же образом нижняя пластина каждого конденсатора в цепи соединена с нижней пластиной соседних конденсаторов.

Давайте посмотрим, как рассчитать эквивалентную емкость конденсаторов при параллельном подключении. Рассмотрим два конденсатора, подключенных, как показано на схеме ниже.

Общий заряд (Q) в цепи делится между двумя конденсаторами, это означает, что заряд Q распределяется между конденсаторами, подключенными параллельно. Заряд Q равен сумме всех зарядов отдельных конденсаторов.

Таким образом, Q = Q1 + Q2

Где Q1, Q2 — заряды на конденсаторах C1 и C2.

Мы знаем, что

Q = Ceq VT

Здесь Q = Q1 + Q2

Ceq VT = C1xV1 + C2xV2

Поскольку VT = V1 = V2 = V

Ceq VT = C1xV + C2xV

Ceq VT = (C1 + C2) V

Следовательно, Ceq = C1 + c2

Если N конденсаторов подключены параллельно, то Ceq = C1 + C2 + C3 + —— Cn

Таким образом, эквивалентная емкость конденсаторов, соединенных параллельно, равна равна сумме индивидуальных емкостей конденсаторов в цепи.

Конденсаторы в параллельном соединении Пример №1

Рассмотрим значения емкости двух конденсаторов C1 = 0.2 мкФ и C2 = 0,3 мкФ, которые показаны на рисунке 4 выше. Теперь вычислите эквивалентную емкость цепи.

Мы знаем, что эквивалентная емкость,

Ceq = C1 + C2

Ceq = 0,2 мкФ + 0,3 мкФ

Ceq = 0,5 мкФ

Один важный момент, который следует помнить о параллельных цепях конденсаторов, эквивалентная емкость (Ceq) любых двух или более конденсаторов, соединенных вместе параллельно, всегда будет больше, чем значение самого большого конденсатора в цепи, поскольку мы складываем значения.Таким образом, в нашем примере выше Ceq = 0,5 мкФ, тогда как емкость самого большого конденсатора в цепи составляет всего 0,3 мкФ.

Когда конденсаторы подключены параллельно?

Вот несколько приложений, в которых конденсаторы подключаются параллельно.

• В некоторых источниках постоянного тока для лучшей фильтрации используются конденсаторы небольшой емкости с превосходным коэффициентом пульсации. Они подключаются параллельно для увеличения значения емкости.
• Может использоваться в автомобильной промышленности в больших транспортных средствах, таких как трамваи, для рекуперативного торможения.Для этих приложений могут потребоваться большие значения емкости, чем емкость, обычно доступная на рынке.

Параллельно подключенные конденсаторы Сводка

• Напряжение на конденсаторах одинаковое при параллельном подключении. Эквивалентное напряжение параллельных конденсаторов равно наименьшему номинальному напряжению конденсатора, подключенного параллельно.