Заряды конденсаторов при последовательном соединении: Параллельное и последовательное соединение емкостей напряжение. Соединение конденсаторов

Содержание

Емкость батареи конденсаторов при параллельном соединении. Схемы соединения конденсаторов: параллельное, последовательное

Содержание:

В электронных и радиотехнических схемах широкое распространение получило параллельное и последовательное соединение конденсаторов. В первом случае соединение осуществляется без каких-либо общих узлов, а во втором варианте все элементы объединяются в два узла и не связаны с другими узлами, если это заранее не предусмотрено схемой.

Последовательное соединение

При последовательном соединении два и более конденсаторов соединяются в общую цепь таким образом, что каждый предыдущий конденсатор соединяется с последующим лишь в одной общей точке. Ток (i), осуществляющий зарядку последовательной цепи конденсаторов будет иметь одинаковое значение для каждого элемента, поскольку он проходит только по единственно возможному пути. Это положение подтверждается формулой: i = i c1 = i c2 = i c3 = i c4 .

В связи с одинаковым значением тока, протекающего через конденсаторы с последовательным соединением, величина заряда, накопленного каждым из них, будет одинаковой, независимо от емкости. Такое становится возможным, поскольку заряд, приходящий с обкладки предыдущего конденсатора, накапливается на обкладке последующего элемента цепи. Поэтому величина заряда у последовательно соединенных конденсаторов будет выглядеть следующим образом: Q общ = Q 1 = Q 2 = Q 3 .

Если рассмотреть три конденсатора С 1 , С 2 и С 3 , соединенные в последовательную цепь, то выясняется, что средний конденсатор С 2 при постоянном токе оказывается электрически изолированным от общей цепи. В конечном итоге величина эффективной площади обкладок будет уменьшена до площади обкладок конденсатора с самыми минимальными размерами. Полное заполнение обкладок электрическим зарядом, делает невозможным дальнейшее прохождение по нему тока. В результате, движение тока прекращается во всей цепи, соответственно прекращается и зарядка всех остальных конденсаторов.

Общее расстояние между обкладками при последовательном соединении представляет собой сумму расстояний между обкладками каждого элемента. В результате соединения в последовательную цепь, формируется единый большой конденсатор, площадь обкладок которого соответствует обкладкам элемента с минимальной емкостью. Расстояние между обкладками оказывается равным сумме всех расстояний, имеющихся в цепи.

Падение напряжения на каждый конденсатор будет разным, в зависимости от емкости. Данное положение определяется формулой: С = Q/V, в которой емкость обратно пропорциональна напряжению. Таким образом, с уменьшением емкости конденсатора на него падает более высокое напряжение. Суммарная емкость всех конденсаторов вычисляется по формуле: 1/C общ = 1/C 1 + 1/C 2 + 1/C 3 .

Главная особенность такой схемы заключается в прохождении электрической энергии только в одном направлении. Поэтому в каждом конденсаторе значение тока будет одинаковым. Каждый накопитель в последовательной цепи накапливает равное количество энергии, независимо от емкости.

То есть емкость может воспроизводиться за счет энергии, присутствующей в соседнем накопителе.

Онлайн калькулятор, для расчета емкости конденсаторов соединенных последовательно в электрической цепи.

Смешанное соединение

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельным считается такое соединение, при котором конденсаторы соединяются между собой двумя контактами. Таким образом в одной точке может соединяться сразу несколько элементов.

Данный вид соединения позволяет сформировать единый конденсатор с большими размерами, площадь обкладок которого будет равна сумме площадей обкладок каждого, отдельно взятого конденсатора. В связи с тем, что находится в прямой пропорциональной зависимости с площадью обкладок, общая емкость составить суммарное количество всех емкостей конденсаторов, соединенных параллельно. То есть, С общ = С 1 + С 2 + С 3 .

Поскольку разность потенциалов возникает лишь в двух точках, то на все конденсаторы, соединенные параллельно, будет падать одинаковое напряжение. Сила тока в каждом из них будет отличаться, в зависимости от емкости и значения напряжения. Таким образом, последовательное и параллельное соединение, применяемое в различных схемах, позволяет выполнять регулировку различных параметров на тех или иных участках. За счет этого получаются необходимые результаты работы всей системы в целом.

Параллельное соединение конденсаторов – это батарея, где конденсаторы находятся под одинаковым напряжением, а суммарный ток равен полной алгебраической сумме токов указанных элементов.

Основные тезисы

При параллельном включении конденсаторов их ёмкости складываются, позволяя быстро вычислить результат. Рабочее напряжение конденсаторов одинаковое, а заряды складываются воедино. Это следует из формулы, выведенной Вольтой в XVIII веке:

C = q/U, тогда C1 + C2 + … = q1 + q2 + …/U.

Параллельное включение конденсаторов превращается в единственный конденсатор большой ёмкости.

Зачем включать конденсаторы параллельно

  • В радиоприёмниках подстройка под частоту волны выполняется коммутацией блоков конденсаторов, обеспечивая ввод резонансного контура в резонанс.
  • В фильтрах мощных блоков питания за рабочий цикл предстоит запасать массу энергии. Строить его на индуктивностях экономически нецелесообразно. Применяют параллельный набор из больших электролитических конденсаторов.
  • Параллельное включение конденсаторов встречается в измерительных схемах. Эталоны ответвляют на себя часть тока, по величине оценивается номинал — размер ёмкости исследуемого конденсатора.
  • Параллельно периодически устанавливаются компенсаторы реактивной мощности. Это устройства, блокирующие выход лишней энергии в питающую сеть. Что предотвращает образование помех, перегрузку генераторов, трансформаторов и избыточный нагрев проводки.

Реактивная мощность сети

Когда работает асинхронный двигатель, происходит расхождение тока и напряжения по фазе. Это отмечается по причине наличия обмотки, показывающей индуктивное сопротивление. Как результат, часть мощности отражается обратно в цепь. Эффект возможно устранить, если индуктивное сопротивление компенсировать ёмкостным. Иной способ – использование синхронных двигателей, эффективен при напряжениях 6 — 10 кВ.

По возможности предприятия должно потреблять всю произведённую собственную реактивную мощность. Но синхронные двигатели не всегда подходят условиям технологических процессов. Тогда ставят конденсаторные установки. Их реактивное сопротивление предвидится равным индуктивностям двигателей. Конечно, в идеале, ведь на производстве условия постоянно меняются и сложно отыскать золотую середину.

Если использовать параллельное соединение конденсаторов и коммутировать при помощи реле должным образом, задача просто решается. Отдельные предприятия за отражённую реактивную мощность тоже платят. При неиспользовании предвидятся экономические потери. Поставщиков энергии можно понять: реактивная мощность забивает линию ЛЭП, нагружает трансформаторы и тогда оборудование не способно выдавать полную нагрузку. Если каждое предприятие станет загружать канал лишним током, экономическое положение энергетиков немедленно пошатнётся.

Реле реактивной мощности массово распространены и помогут определить, какую часть конденсаторов включить в работу. Пример графика расчёта затрат приведён на рисунке. Имеется оптимальная точка, перешагивать которую экономически нецелесообразно. Но допускается сделать из-за иных мотивов.

Схема соединения компенсирующих установок

В трёхфазных сетях компенсирующие конденсаторы ставят тройками по двум общеизвестным схемам:

  1. Звезда.
  2. Треугольник.

Реактивная мощность в этих случаях вычисляется по формулам, представленным на рисунке. Через греческую омегу обозначена круговая частота сети (2 х Пи х 50 Гц). Из соотношений получается, что схема включения конденсаторов треугольником выгоднее: мощность выросла в 3 раза. Объяснение — звезда использует фазное напряжение, в 1,73 раза меньше линейного. Компенсируемая реактивная мощность зависит от квадрата этого параметра.

Из этих соображений трёхфазные конденсаторы всегда изготавливаются треугольником, а под звезду нужно выпросить индивидуальный заказ (три однофазных конденсатора).

Есть оборотная сторона медали: на вольтаж 1,05; 3,15; 6,3; 10,5 кВ все конденсаторы однофазные. Допустимо соединять, как заблагорассудится. У звезды, к примеру, меньше рабочее напряжение, значит, каждый конденсатор в отдельности выйдет дешевле. Обе схемы нельзя отнести к параллельным включениям, подобные тройки, впрочем, объединяются в:

  • группы;
  • секции;
  • установки.

И внутри объединений однофазные конденсаторы могут включаться последовательно и параллельно, а трёхфазные – исключительно параллельно. Рекомендуется номиналы всех отдельных элементов выбирать одинаковы. Это упрощает расчёт, уравнивает нагрузку по частям электрической схемы. Известны установки, где присутствует смешанное соединение по каждой фазе. Образуются параллельные ветви .

Установки выполняют однофазными или трёхфазными. В сетях с напряжением 380 В всегда применяется параллельное соединение конденсаторов. Исключением признаётся случай использования оборудования с одной фазой на 220 В (фазное) и 380 В (линейное).

Тогда под прибор ставится индивидуальная установка (или группа), компенсирующая реактивную мощность. В осветительных сетях конденсаторы по большей части ставят уже после выключателя по очевидным причинам. В прочих случаях – в зависимости от особенностей функционирования объекта.

Для напряжений 3, 6 и 10 кВ однофазные конденсаторы включаются обычной или двойной звездой (см. рис.). Один вывод бывает заземлен (глухозаземленная нейтраль). По этой причине допускается использование однофазных конденсаторов, включая с единственным изолированным выводом. В последнем случае нужно убедиться, что нулевой проводник выходит на корпус изделия.

Главный выключатель ставится в определённой секции защищаемого оборудования (территориально) и управляет цепью компенсации в общем, задействует или убирает дополнительное реактивное сопротивление. Если в конкретном секторе технологическое оборудование простаивает, главный выключатель разорвёт цепь компенсации. Конденсаторные установки обычно стоят в выделенном помещении вместе, электрически соединены параллельно.

Перед каждой стоит выключатель цепи релейной регуляции для повышения или уменьшения общей ёмкости компенсаторов.

В зависимости от оборудования, используемого предприятием, объем реактивной мощности обусловливает помощь конденсаторных установок, гибко подстраиваемых под имеющиеся нужды. В итоге:

  1. Секции оборудования включены параллельно. Это легко понять, если представить бытовые приборы, питаемые одним удлинителем. Все включены параллельно. Но установлены, к примеру, в разных цехах, секторах и пр. Встречаются случаи, когда одна крупная энергетическая установка (допустим, генератор ГЭС) делится на сравнительно независимые секции.
  2. Конденсаторные установки включены параллельно, но, как правило, в одном месте, чтобы удавалось автоматически или вручную легко регулировать общую ёмкость посредством коммутации выключателей облегчённого типа. Один конденсатор может работать для компенсации реактивной мощности любой из секций либо сразу обеих.

Особенности конденсаторной защиты

Главные выключатели, как правило, используются при авариях и вырубают сразу целую секцию оборудования. Конденсаторные установки набираются в секции параллельным включением. Тогда главный выключатель сразу вырубит подобную «батарею». А прочие секции конденсаторных установок останутся в действии. Важно понять, что защитное оборудование, как и защищаемое, удаётся группировать разными методами. В зависимости от удобства и экономической обоснованности.

Облегчённые выключатели применяются, как правило, в цепях регуляции. Управляются через реле и повышают или понижают общую ёмкость конденсаторных установок. В качестве главного выключателя выбирается вакуумный или элегазовый.

Особенностью цепей выше 10 кВ считается использование однофазных конденсаторов, собираемых по схеме звезды или треугольника, в каждой ветви которых стоит параллельно-последовательная группа ёмкостей (см. рис.). При наличии изделий с высоким рабочим напряжением допустимо делать наоборот, применять последовательно-параллельно включение. Тогда рабочие напряжения конденсаторов выбираются так, чтобы количество групп, включенных друг за другом оказалось минимальным. Напряжение на каждом из элементов, естественно, увеличивается. Для справки: .

Если сделать все по описанному распорядку, при выходе из строя любого элемента цепи компенсации реактивной мощности прочие продолжат работать в относительно щадящем режиме. Разумеется, параметры цепи нужно контролировать, а эксплуатирующий персонал, согласно методикам, ведёт проверку конденсаторных установок на исправность. При проектировании нужно учесть небольшую особенность:

Чем больше в цепи компенсации последовательных групп конденсаторов, тем сложнее для каждой обеспечить равномерное распределение напряжения. В частности, возможны частые перегрузки определённого сегмента.

Вдобавок сложные электрические соединения непросто проверять обслуживающему персоналу. Витиеватая схема плохо поддаётся монтажу, часты ошибки. Идеальным считается параллельное соединение конденсаторных блоков по каждой фазе. Тогда и монтировать легко, и методика проверки упрощается максимально.

Разряд конденсаторов

Включенные параллельно конденсаторы обладают большой ёмкостью, при прекращении работы на них остаётся заряд. Это возможно прочувствовать, если коснуться штекера только что выключенной старенькой дрели. В новых моделях фильтр устроен так, что цепь разряжается через резистор, и подобного не наблюдается.

Для снижения напряжения допустимо использовать и индуктивности, включенные параллельно конденсаторам. В этом случае сопротивление заземления переменному току весьма велико, а для постоянного — несложно преодолеть этот участок. В период работы оборудования ток здесь мал, потери невелики. После останова технологической линии заряд понемногу сливается через высокоомный резистор или индуктивность. Разумеется, не запрещено поставить в цепи заземления реле, замыкающее контакты только после выключения всех устройств. Конструкция дороже и требует автоматизации.

Процесс разряда цепи важен с точки зрения обеспечения безопасности. Представим: конденсатор, заряжённый от розетки, долго хранит разность потенциалов и представляет опасность для окружающих. В однофазных сетях с напряжением 220 В разряд выполняется через входные фильтры при условии, что корпус правильно заземлён. Сопротивление в цепи, включенной параллельно конденсаторам, определяется по формуле, представленной ниже.

Под Q подразумевается реактивная мощность установки в варах (ВАР), а Uф – фазное напряжение. Легко показать, что формула дана из расчёта времени разряда: Q зависит линейно от ёмкости, будучи перенесена в левую часть формулы, даст постоянную времени RC. За три таких периода батарея разряжается на 97%. Исходя из указанных условий можно найти и параметры индуктивности. А лучше – последовательно с нею включить резистор, как часто и делается в реальных схемах.

Под последовательным соединением подразумевают случаи, когда два или больше элемента имеют вид цепи, при этом каждый из них соединяется с другим только в одной точке. Зачем конденсаторы так размещаются? Как это правильно сделать? Что необходимо знать? Какие особенности последовательное соединение конденсаторов имеет на практике? Какая формула результата?

Что необходимо знать для правильного соединения?

Увы, но здесь не всё так легко сделать, как может показаться. Многие новички думают, что если на схематическом рисунке написано, что необходим элемент на 49 микрофарад, то достаточно его просто взять и установить (или заменить равнозначным). Но необходимые параметры подобрать сложно даже в профессиональной мастерской. И что делать, если нет нужных элементов? Допустим, есть такая ситуация: необходим конденсатор на 100 микрофарад, а есть несколько штук на 47. Поставить его не всегда можно. Ехать на радиорынок за одним конденсатором? Не обязательно. Достаточно будет соединить пару элементов. Существует два основных способа: последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Вот о первом мы и поговорим. Но если говорить про последовательное соединение катушки и конденсатора, то тут особых проблем нет.

Зачем так делают?

Когда с ними проводятся такие манипуляции, то электрические заряды на обкладках отдельных элементов будут равны: КЕ=К 1 =К 2 =К 3 . КЕ — конечная емкость, К — пропускаемое значение конденсатора. Почему так? Когда заряды поступают от источника питания на внешние обкладки, то на внутренних может быть осуществлен перенос величины, которая является значением элемента с наименьшими параметрами. То есть если взять конденсатор на 3 мкФ, а после него подсоединить на 1 мкФ — то конечный результат будет 1 мкФ. Конечно, на первом можно будет наблюдать значение в 3 мкФ. Но второй элемент не сможет столько пропустить, и он будет срезать всё, что больше необходимого значения, оставляя большую емкость на первоначальном конденсаторе. Давайте рассмотрим, что нужно рассчитать, когда делается последовательное соединение конденсаторов. Формула:

  • ОЕ — общая емкость;
  • Н — напряжение;
  • КЕ — конечная емкость.

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединить конденсаторы?

Для начала не забывайте, что кроме ёмкости они ещё обладают номинальным напряжением. Почему? Когда осуществляется последовательное соединение, то напряжение распределяется обратно пропорционально их ёмкостям между ними самими. Поэтому использовать такой подход имеет смысл только в тех случаях, когда любой конденсатор сможет предоставить минимально необходимые параметры работы. Если используются элементы, у которых одинаковая емкость, то напряжение между ними будет разделяться поровну. Также небольшое предостережение относительно электролитических конденсаторов: при работе с ними всегда внимательно контролируйте их полярность. Ибо при игнорировании этого фактора последовательное соединение конденсаторов может дать ряд нежелательных эффектов. И хорошо, если всё ограничится только пробоем данных элементов. Помните, что конденсаторы копят ток, и если что-то пойдёт не так, в зависимости от схемы может случиться прецедент, в результате которого из строя выйдут другие составляющие схемы.

Ток при последовательном соединении

Из-за того, что у него существует только один возможный путь протекания, он будет иметь одно значение для всех конденсаторов. При этом количество накопленного заряда везде обладает одинаковым значением. От емкости это не зависит. Посмотрите на любую схему последовательного соединения конденсаторов. Правая обкладка первого соединена с левой второго и так далее. Если используется больше 1 элемента, то часть из них будет изолированной от общей цепи. Таким образом, эффективная площадь обкладок становится меньшей и равняется параметрам самого маленького конденсатора. Какое физическое явление лежит в основе этого процесса? Дело в том, что как только конденсатор наполняется электрическим зарядом, то он перестаёт пропускать ток. И он тогда не может протекать по всей цепи. Остальные конденсаторы в таком случае тоже не смогут заряжаться.

Падение напряженности и общая емкость

Каждый элемент понемногу рассеивает напряжение. Учитывая, что емкость ему обратно пропорциональна, то чем она меньше, тем большим будет падение. Как уже упоминалось ранее, последовательно соединённые конденсаторы обладают одинаковым электрическим зарядом. Поэтому при делении всех выражений на общее значение можно получить уравнение, которое покажет всю емкость. В этом последовательное и параллельное соединение конденсаторов сильно разнятся.

Пример № 1

Давайте воспользуемся представленными в статье формулами и рассчитаем несколько практических задач. Итак, у нас есть три конденсатора. Их емкость составляет: С1 = 25 мкФ, С2 = 30 мкФ и С3 = 20 мкФ. Они соединены последовательно. Необходимо найти их общую емкость. Используем соответствующее уравнение 1/С: 1/С1 + 1/С2 + 1/С3 = 1/25 + 1/30 + 1/20 = 37/300. Переводим в микрофарады, и общая емкость конденсатора при последовательном соединении (а группа в данном случае считается как один элемент) составляет примерно 8,11 мкФ.

Пример № 2

Давайте, чтобы закрепить наработки, решим ещё одну задачу. Имеется 100 конденсаторов. Емкость каждого элемента составляет 2 мкФ. Необходимо определить их общую емкость. Нужно их количество умножить на характеристику: 100*2=200 мкФ. Итак, общая емкость конденсатора при последовательном соединении составляет 200 микрофарад. Как видите, ничего сложного.

Заключение

Итак, мы проработали теоретические аспекты, разобрали формулы и особенности правильного соединения конденсаторов (последовательно) и даже решили несколько задачек. Хочется напомнить, чтобы читатели не упускали из внимания влияние номинального напряжения. Также желательно, чтобы подбирались элементы одного типа (слюдяные, керамические, металлобумажные, плёночные). Тогда последовательное соединение конденсаторов сможет дать нам наибольший полезный эффект.

Практически на любой электронной плате применяются конденсаторы, устанавливаются они и в силовых схемах. Для того чтобы компонент мог выполнять свои функции, он должен обладать определёнными характеристиками. Иногда возникает ситуация, когда необходимого элемента нет в продаже или его цена неоправданно завышена.

Выйти из сложившегося положения можно, используя несколько элементов, а необходимые характеристики получают, применяя параллельное и последовательное соединения конденсаторов между собой.

Немного теории

Конденсатор — пассивный электронный компонент, с переменной или постоянной величиной ёмкости, которое предназначено для накопления заряда и энергии электрического поля.

При выборе этих электронных компонентов руководствуются двумя основными характеристиками:

Условное обозначение неполярного постоянного конденсатора на схеме, показано на рис. 1, а. Для полярного электронного компонента дополнительно отмечают положительный вывод — рис. 1, б.

Способы соединения конденсаторов

Составление батарей конденсаторов позволяет изменить суммарную ёмкость или рабочее напряжение. Для этого могут применяться такие способы соединения:

  • последовательное;
  • параллельное;
  • смешанное.

Последовательное соединение

Последовательное подключение конденсаторов показано на рис. 1, в. Применяют такое соединение в основном для увеличения рабочего напряжения. Дело в том, что диэлектрики каждого из элементов расположены друг за другом, поэтому при таком соединении напряжения складываются.

Суммарная ёмкость последовательно соединённых элементов можно рассчитать по формуле, которая для трёх компонентов будет иметь вид, показанный на рис. 1, е.

После преобразования в более привычную для нас форму, формула примет вид рис. 1, ж.

Если, соединённые последовательно, компоненты имеют одинаковые ёмкости, то расчёт значительно упрощается. В этом случае суммарную величину можно определить, разделив номинал одного элемента на их количество. Например, если требуется определить, какова ёмкость при последовательном соединении двух конденсаторов по 100 мкФ, то эту величину можно рассчитать, разделив 100 мкФ на два, то есть суммарная ёмкость равна 50 мкФ.

Максимально упростить расчёты последовательно соединённых компонентов , позволяет использование онлайн-калькуляторов, которые без проблем можно найти в сети.

Параллельное подключение

Параллельное подключение конденсаторов показано на рис. 1, г. При таком соединении рабочее напряжение не изменяется, а ёмкости складываются. Поэтому для получения батарей большой ёмкости, используют параллельное соединение конденсаторов. Калькулятор для расчёта суммарной ёмкости не понадобится, так как формула имеет простейший вид:

С сум = С 1 + С 2 + С 3.

Собирая батарею для запуска трёхфазных асинхронных электродвигателей, часто применяют параллельное соединение электролитических конденсаторов. Обусловлено это большой ёмкостью этого типа элементов и небольшим временем запуска электродвигателя. Такой режим работы электролитических компонентов допустим, но следует выбирать те элементы, у которых номинальное напряжение минимум в два раза превышает напряжение сети.

Смешанное включение

Смешанное подключение конденсаторов — это сочетание параллельного и последовательного соединений .

Схематически такая цепочка может выглядеть по-разному. В качестве примера рассмотрим схему, изображённую на рис. 1, д. Батарея состоит из шести элементов, из которых С1, С2, С3, соединены параллельно, а С4, С5, С6 — последовательно.

Рабочее напряжение можно определить сложением номинальных напряжений С4, С5, С6 и напряжения одного из параллельно подключённых конденсаторов. Если параллельно соединённые элементы имеют разные номинальные напряжения, то для расчёта берут меньшее из трёх.

Для определения суммарной ёмкости, схему разбивают на участки с одинаковым соединением элементов, производят расчёт для этих участков, после чего определяют общую величину.

Для нашей схемы последовательность вычислений следующая:

  1. Определяем ёмкость параллельно соединённых элементов и обозначаем её С 1-3.
  2. Рассчитываем ёмкость последовательно соединённых элементов С 4-6.
  3. На этом этапе можно начертить упрощённую эквивалентную схему, в которой вместо шести элементов изображаются два — С 1-3 и С 4-6. Эти элементы схемы соединены последовательно. Остаётся произвести расчёт такого соединения и мы получим искомую.

В жизни подробные знания о смешанном соединении могут только пригодится радиолюбителям.

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

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.

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

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


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

Физика — 11

ПРИМЕНЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 2
Как меняются характеристики конденсатора?
Задача 2. Два плоских конденсатора, ёмкости которых равны C1 = 3C и C2 = 4C, соединены параллельно. Зная, что напряжение на концах первого конденсатора равно 12 В, а его энергия равна 96 мДж, вычислите:
  1. напряжение на концах второго конденсатора;
  2. общую ёмкость этой батареи конденсаторов;
  3. энергию второго конденсатора.
Обсуждение результата:
  • В каком случае энергия батареи конденсаторов, подключенных к источнику постоянного напряжения больше: при последовательном соединении конденсаторов или при параллельном? Почему?

   

СВЯЖИТЕ С ЖИЗНЬЮ

Ученик 11-го класса Ариф по просьбе дедушки отнес радиоприемник в сервис для устранения неполадок в нем. Выяснилось, что в радиоприемнике перегорел конденсатор ёмкостью 12,5 мкФ. В сервисе конденсатора такого номинала не оказалось. Однако мастер соединил четыре конденсатора ёмкостями C1 = 2 мкФ, C2 = мкФ, C3 = 6 мкФ и C4 = 6 мкФ таким образом, что полученная батарея конденсаторов дала требуемый номинал. Радиоприемник заработал.

  • Как мастер соединил 4 конденсатора различной ёмкости, чтобы получить общую ёмкость 12,5 мкФ? Можете ли вы нарисовать схему этого соединения?

   

ОЦЕНИТЕ СВОИ ЗНАНИЯ
Вопросы Знаю
слабо средне хорошо
1 Чем отличается последовательное и параллельное соединения конденсаторов от аналогичных соединений резисторов?
2

Напряжение между точками А и В равно 9В. Емкости конденсаторов равны c1 = 3 мкФ и C2 = 6 мкФ. Вычислите: а) заряды конденсаторов a) q1 и q2; b) напряжения U1 и U2 на концах конденсаторов.

3 Вычислите общую ёмкость батареи конденсаторов, ёмкость каждого из которых равна С = 1 мкФ.

Перераспределение электрических зарядов в системе пары конденсаторов. Методические материалы

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы средней школы (базового и профильного уровней).

Компьютерная программа иллюстрирует процессы, происходящие при параллельном соединении конденсаторов.

Краткая теория

Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q1 и q2, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от значений зарядов и геометрии проводников. Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U. Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q1 = –q2 = q. В этом случае вводится понятие электрической емкости.

Электрической емкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В СИ единица электрической емкости называется фарад (Ф):

Значение электрической емкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, – обкладками.

Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским.

Электрическая емкость плоского конденсатора может быть рассчитана по формуле:

Конденсаторы могут соединяться между собой, образуя батареи конденсаторов. При параллельном соединении конденсаторов напряжения на конденсаторах одинаковы: U1 = U2 = U, а заряды равны q1 = С1U и q2 = C2U. Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электрической емкости C, заряженный зарядом q = q1 + q2 при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует:

Таким образом, при параллельном соединении электрические емкости складываются.

В компьютерной модели рассматриваются процессы перераспределения зарядов, происходящие при соединении конденсаторов.

Работа с моделью

Модель не предусматривает изменения условий демонстрации. При нажатии кнопки старт происходит замыкание ключей на схеме, и пользователь имеет возможность следить за перераспределением зарядов в системе конденсаторов. Кнопка возвращает систему в исходное состояние.

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала в 10 классе по теме «Соединения конденсаторов». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися распределение зарядов, потенциалов, напряжений при соединении конденсаторов.

Пример планирования урока с использованием модели

Тема «Соединения конденсаторов»

Цель урока: рассмотреть последовательное и параллельное соединения конденсаторов, отработать решение задач.

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы
1 Организационный момент 2
2 Проверка домашнего задания по теме «Электроемкость. Конденсатор» 10 Индивидуальный опрос
3 Объяснение нового материала по теме «Соединения конденсаторов» 15 Объяснение нового материала с применением компьютерной модели «Перераспределение зарядов в системе пары конденсаторов»
4 Решение задач по теме «Конденсаторы» 15 Решение задач на доске с пояснениями
5 Объяснение домашнего задания 3

Таблица 1. 

Примеры вопросов и заданий

1.

На одной пластине конденсатора электрический заряд +0,4 мкКл, на другой –0,4 мкКл. Определите напряжение между пластинами конденсатора, если его электроемкость 0,2 мкФ.

2.

Как изменится электроемкость плоского воздушного конденсатора при увеличении расстояния между его пластинами в 2 раза и введении между пластинами диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, равной 4?

3.

К незаряженному конденсатору электроемкостью C параллельно присоединили второй конденсатор такой же емкости с зарядом q. Определите энергию электрического поля полученной системы.


Конденсаторы. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Если к заряженному проводнику при­ближать другие тела, то на них возникают индуцированные (на проводнике) или свя­занные (на диэлектрике) заряды, причем ближайшими к наводящему заряду Q бу­дут заряды противоположного знака. Эти заряды ослабляют поле, соз­даваемое зарядом Q, т. е. понижают по­тенциал проводника, что приводит к повышению его электро­емкости.

Конденсатор состоит из двух провод­ников (обкладок), разделенных диэлект­риком. На емкость конденсатора недолжны, оказывать влияния окружающие тела, поэ­тому проводникам придают такую форму, чтобы поле, создаваемое накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Этому условию удовлетворяют: две плоские пластины; два коакси­альных цилиндра; две концентрические сферы. Поэтому в зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские, цилиндрические и сферические.

Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке и кончают­ся на другой, поэтому свободные заряды, возникающие на разных обкладках, явля­ются равными по модулю разноименными зарядами. Емкостью конденсатора называется физическая величина, равная отношению заряда, накопленного в кон­денсаторе, к разности потенциалов между его обкладками:

(1)

Если расстояние между пластинами конденсатора мало по сравнению с их линейными разме­рами, то краевыми эффектами можно пре­небречь и поле между обкладками считать однородным. При наличии диэлектрика между обкладками разность потенциалов между ними равна

(2)

где ε — диэлектрическая проницаемость.

Емкость плоского конденсатора:

Емкость цилиндрического конденсатора:

,

где l – длина конденсатора, r1, r2 – радиусы внутренней и внешней обкладок.

Емкость сферического конденсатора:

Конденсаторы характеризуются про­бивным напряжением — разностью потен­циалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой — элек­трический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение зависит от формы обкладок, свойств ди­электрика и его толщины.

Для увеличения емкости и варьирова­ния ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом использу­ется их параллельное и последовательное соединение.

Параллельное соединение конденса­торов

У параллельно соединен­ных конденсаторов разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна  А- В. Если емкости отдельных конденсаторов C1, C2, …., Сn, то их заряды равны

………………………

,

а заряд батареи конденсаторов

Полная емкость батареи равна сумме емкостей отдельных конденсаторов

Допустимое напряжение определяется допустимым напряжением меньшего конденсатора.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заказать работу

Последовательное соединение кон­денсаторов

У последовательно соединенных конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, а разность потенциалов на зажимах батареи

где для любого из рассматриваемых кон­денсаторов

С другой стороны,

откуда

т. е. при последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, об­ратные емкостям. Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость С всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее.

Конденсаторы

— learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

Теория конденсаторов

Примечание : Материал на этой странице не совсем критичен для понимания новичками в электронике … и к концу все становится немного сложнее. Мы рекомендуем прочитать раздел Как делается конденсатор , остальные, вероятно, можно было бы пропустить, если они вызывают у вас головную боль.

Как делается конденсатор

Схематический символ конденсатора на самом деле очень похож на то, как он сделан.Конденсатор состоит из двух металлических пластин и изоляционного материала, называемого диэлектриком . Металлические пластины расположены очень близко друг к другу, параллельно, но между ними установлен диэлектрик, чтобы они не соприкасались.

Ваш стандартный конденсаторный сэндвич: две металлические пластины, разделенные изолирующим диэлектриком.

Диэлектрик может быть изготовлен из любых изоляционных материалов: бумаги, стекла, резины, керамики, пластика или всего, что препятствует прохождению тока.

Пластины изготовлены из проводящего материала: алюминия, тантала, серебра или других металлов. Каждый из них подключен к клеммному проводу, который в конечном итоге подключается к остальной части схемы.

Емкость конденсатора — сколько в нем фарад — зависит от того, как он устроен. Для большей емкости требуется конденсатор большего размера. Пластины с большей площадью перекрытия поверхности обеспечивают большую емкость, в то время как большее расстояние между пластинами означает меньшую емкость. Материал диэлектрика даже влияет на то, сколько фарад имеет колпачок.Полная емкость конденсатора может быть рассчитана по формуле:

, где ε r — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (постоянное значение, определяемое материалом диэлектрика), A — площадь перекрытия пластин друг с другом, а d — расстояние между пластинами.

Как работает конденсатор

Электрический ток — это поток электрического заряда, который электрические компоненты используют, чтобы загораться, вращаться или делать то, что они делают.Когда ток течет в конденсатор, заряды «застревают» на пластинах, потому что не могут пройти через изолирующий диэлектрик. Электроны — отрицательно заряженные частицы — засасываются одной из пластин, и она становится в целом отрицательно заряженной. Большая масса отрицательных зарядов на одной пластине отталкивает, как заряды, на другой пластине, делая ее положительно заряженной.

Положительный и отрицательный заряды на каждой из этих пластин притягиваются друг к другу, потому что это то, что делают противоположные заряды.Но с диэлектриком, сидящим между ними, как бы они ни хотели соединиться, заряды навсегда останутся на пластине (до тех пор, пока им не будет куда-то идти). Неподвижные заряды на этих пластинах создают электрическое поле, которое влияет на электрическую потенциальную энергию и напряжение. Когда заряды группируются на конденсаторе таким образом, крышка накапливает электрическую энергию так же, как батарея может накапливать химическую энергию.

Зарядка и разрядка

Когда на пластинах конденсатора сливаются положительный и отрицательный заряды, конденсатор становится на заряженным .Конденсатор может сохранять свое электрическое поле — удерживать свой заряд, потому что положительный и отрицательный заряды на каждой из пластин притягиваются друг к другу, но никогда не достигают друг друга.

В какой-то момент пластины конденсатора будут настолько заряжены, что просто не смогут больше принимать их. На одной пластине достаточно отрицательных зарядов, чтобы они могли отразить любые другие, которые попытаются присоединиться. Здесь вступает в игру емкость (фарад) конденсатора, которая говорит вам о максимальном количестве заряда, которое может хранить конденсатор.

Если в цепи создается путь, который позволяет зарядам найти другой путь друг к другу, они покинут конденсатор, и он разрядит .

Например, в схеме ниже можно использовать аккумулятор для создания электрического потенциала на конденсаторе. Это вызовет нарастание одинаковых, но противоположных зарядов на каждой из пластин, пока они не станут настолько полными, что оттолкнут ток от протекания. Светодиод, расположенный последовательно с крышкой, может обеспечивать путь для тока, а энергия, запасенная в конденсаторе, может использоваться для кратковременного освещения светодиода.

Расчет заряда, напряжения и тока

Емкость конденсатора — сколько в нем фарад — говорит вам, сколько заряда он может хранить. Уровень заряда конденсатора , который в настоящее время хранится , зависит от разности потенциалов (напряжения) между его пластинами. Это соотношение между зарядом, емкостью и напряжением можно смоделировать с помощью следующего уравнения:

Заряд (Q), накопленный в конденсаторе, является произведением его емкости (C) и приложенного к нему напряжения (V).

Емкость конденсатора всегда должна быть постоянной известной величиной. Таким образом, мы можем регулировать напряжение, чтобы увеличивать или уменьшать заряд крышки. Больше напряжения означает больше заряда, меньше напряжения … меньше заряда.

Это уравнение также дает нам хороший способ определить значение одного фарада. Один фарад (F) — это способность хранить одну единицу энергии (кулоны) на каждый вольт.

Расчет тока

Мы можем пойти дальше по уравнению заряда / напряжения / емкости, чтобы выяснить, как емкость и напряжение влияют на ток, потому что ток — это скорость потока заряда.Суть отношения конденсатора к напряжению и току такова: величина тока , проходящего через конденсатор , зависит как от емкости, так и от того, как быстро напряжение растет или падает . Если напряжение на конденсаторе быстро растет, через конденсатор будет индуцироваться большой положительный ток. Более медленный рост напряжения на конденсаторе означает меньший ток через него. Если напряжение на конденсаторе стабильное и неизменное, через него не будет проходить ток.

(Это некрасиво и касается вычислений. Это не все, что нужно, пока вы не перейдете к анализу во временной области, разработке фильтров и прочим грубым вещам, так что переходите к следующей странице, если вам не нравится это уравнение. .) Уравнение для расчета тока через конденсатор:

Часть этого уравнения dV / dt представляет собой производную (причудливый способ сказать мгновенная скорость ) напряжения во времени, это эквивалентно тому, «насколько быстро напряжение растет или падает в этот самый момент».Большой вывод из этого уравнения заключается в том, что если напряжение стабильно, , производная равна нулю, что означает, что ток также равен нулю . Вот почему ток не может течь через конденсатор, поддерживающий постоянное постоянное напряжение.



← Предыдущая страница
Условные обозначения и единицы

Зарядка и разрядка конденсатора от постоянного тока. источник — Конденсаторы — Higher Physics Revision

Показанная схема используется для исследования заряда и разряда конденсатора.Источник имеет незначительное внутреннее сопротивление.

Конденсатор изначально не заряжен. Когда переключатель перемещается в положение \ (1 \), электроны перемещаются от отрицательного вывода источника питания к нижней пластине конденсатора. Этому движению заряда противодействует резистор \ (R \), поэтому начальный ток в цепи равен \ (I = \ frac {E} {R} \)

Зарядка

Во время зарядки конденсатора:

  • зарядный ток уменьшается от начального значения \ (\ frac {E} {R} \) до нуля
  • разность потенциалов на пластинах конденсатора увеличивается от нуля до максимального значения \ (E \), когда конденсатор полностью заряжен
  • все время сумма разности потенциалов на конденсаторе и разности потенциалов на резисторе равна ЭДС источника питания
  • разности потенциалов на резисторе (определяется как \ ({V_R} = IR \ )) уменьшается от начального значения \ (E \) до нуля, когда конденсатор полностью заряжен

Когда переключатель перемещается в положение \ (2 \), электроны перемещаются от нижней пластины через резистор к верхней пластине. конденсатора.

Электроны через амперметр движутся в направлении, противоположном зарядке.

Разрядка

Во время разряда конденсатора:

  • ток разряда уменьшается от начального значения \ (- \ frac {E} {R} \) до нуля
  • разность потенциалов на обкладках конденсатора уменьшается с \ (E \) до нуля, когда конденсатор полностью разряжен
  • , разность потенциалов на конденсаторе всегда равна разности потенциалов на резисторе
  • разности потенциалов на резисторе (определяется как \ ({V_R} = IR \)) уменьшается от начального значения \ (E \) до нуля, когда конденсатор полностью разряжен

Конденсаторы и диэлектрики — MCAT Physical

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или больше 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 качестве 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 Varsity 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; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему утверждению, 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 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:

Как рассчитать последовательно включенные конденсаторы? — MVOrganizing

Как рассчитать последовательно включенные конденсаторы?

Соединения серии

дают общую 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 C = QV C = Q V для V дает V = QC V = Q C.

Конденсаторы работают последовательно?

Когда конденсаторы подключаются один за другим, говорят, что они включены последовательно. Для конденсаторов, соединенных последовательно, общую емкость можно найти, сложив величины, обратные величине отдельных емкостей, и взяв обратную величину от суммы.

Зачем вам включать конденсаторы последовательно?

Их последовательное соединение увеличивает допустимое напряжение (добавьте пределы напряжения для всех последовательно соединенных конденсаторов).Для устойчивости к короткому замыканию специально предназначены керамические конденсаторы, которые подключаются к линиям электропередач. Короткое замыкание конденсатора может привести к сгоранию следа печатной платы или, что еще хуже, к возгоранию.

Можно ли поставить два конденсатора последовательно?

Если два или более конденсатора соединены последовательно, общий эффект будет таким, как у одного (эквивалентного) конденсатора, имеющего сумму расстояний между пластинами отдельных конденсаторов. При параллельном подключении конденсаторов общая емкость складывается из емкостей отдельных конденсаторов.

Постоянный ли заряд последовательно соединенных конденсаторов?

Конденсаторы в серии Сводка Два или более конденсатора, подключенных последовательно, всегда будут иметь равные количества кулоновского заряда на своих пластинах. Поскольку заряд (Q) равен и постоянен, падение напряжения на конденсаторе определяется номиналом конденсатора только как V = Q ÷ C.

На последовательно соединенных конденсаторах напряжение одинаково?

Когда конденсаторы соединены последовательно и на это соединение подается напряжение, напряжения на каждом конденсаторе обычно не равны, но зависят от значений емкости.

Почему последовательно подключенные конденсаторы уменьшают емкость?

Конденсаторы ведут себя точно так же, как резисторы. Импеданс двух последовательно соединенных конденсаторов равен сумме индивидуальных сопротивлений двух конденсаторов. Поскольку импеданс пропорционален обратной величине емкости, больший импеданс последовательной цепи означает меньшую емкость.

Какова формула конденсатора?

Основное уравнение для конструкции конденсатора: C = εA / d, В этом уравнении C — емкость; ε — диэлектрическая проницаемость, термин, обозначающий, насколько хорошо диэлектрический материал сохраняет электрическое поле; А — площадь параллельной пластины; и d — расстояние между двумя токопроводящими пластинами.

Когда следует использовать конденсатор?

Конденсаторы

широко используются в электронных схемах для блокировки постоянного тока и пропускания переменного тока. В сетях аналоговых фильтров они сглаживают выходной сигнал источников питания. В резонансных цепях они настраивают радио на определенные частоты.

Какие четыре типа конденсаторов?

Конденсаторы различных типов

  • Конденсатор электролитический.
  • Слюдяной конденсатор.
  • Бумажный конденсатор.
  • Пленочный конденсатор.
  • Неполяризованный конденсатор.
  • Керамический конденсатор.

Как конденсаторы влияют на ток?

Таким образом, конденсатор пропускает больший ток при увеличении частоты напряжения источника. Кажущееся сопротивление конденсатора в цепи переменного тока меньше его сопротивления постоянному току. Это кажущееся сопротивление переменному току называется емкостным реактивным сопротивлением, и его значение уменьшается с увеличением приложенной частоты.

Конденсаторы понижают напряжение?

Поскольку конденсаторы накапливают энергию, они могут увеличивать кажущееся напряжение в некоторых цепях.Конденсаторы могут снизить пиковый ток, потребляемый источниками питания, обеспечивая накопленную энергию во время пиковых нагрузок, которые могут вызвать падение напряжения от источника питания. Вот почему конденсаторы имеют номинальное напряжение.

Протекает ли ток через конденсаторы?

Да. В цепях постоянного тока, когда конденсатор заряжается или разряжается, ток течет в него и выходит из него. Для цепей переменного тока конденсатор может действовать почти как «резистор», но вместо этого он называется реактивным сопротивлением.

Конденсаторы постоянного или переменного тока?

Поскольку постоянный ток течет только в одном направлении, как только конденсатор полностью заряжен, ток больше не течет.Поскольку пластины разряжаются во время изменения направления, выходной ток конденсатора чередуется по фазе с переменным напряжением. Именно так конденсаторы «пропускают» переменный ток.

Конденсаторы увеличивают ток?

Конденсаторы — это накопители энергии. Конденсаторы напрямую связаны с током: если вы увеличиваете емкость цепи, вы увеличиваете переменный ток. С другой стороны, диоды используются для преобразования переменного тока в постоянный. Когда это происходит, увеличивается постоянный ток.

Конденсатор снижает ток?

Если напряжение на конденсаторе быстро растет, через конденсатор будет индуцироваться большой положительный ток. Более медленный рост напряжения на конденсаторе означает меньший ток через него. Если напряжение на конденсаторе стабильное и неизменное, через него не будет проходить ток.

Как конденсаторы работают в цепях переменного тока?

Конденсатор подключается непосредственно к источнику переменного тока. Когда напряжение питания увеличивается и уменьшается, конденсатор заряжается и разряжается в соответствии с этим изменением.Ток будет течь по цепи сначала в одном направлении, затем в другом. Однако на самом деле через конденсатор ток не течет.

Как заряжаются конденсаторы?

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрической цепи. При включении питания на пластинах постепенно накапливается электрический заряд. Одна пластина получает положительный заряд, а другая пластина — равный и противоположный (отрицательный) заряд.

Проводит ли конденсатор постоянный ток?

Самый последний ответ Конденсатор действует как эластичная мембрана, он допускает колебания, но блокирует прохождение постоянного тока.

Почему конденсатор используется в цепи постоянного тока?

При использовании в цепи постоянного или постоянного тока конденсатор заряжается до напряжения питания, но блокирует прохождение тока через него, потому что диэлектрик конденсатора непроводящий и, по сути, является изолятором.

Почему конденсатор блокирует переменный ток и пропускает постоянный ток?

Когда конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, сначала положительный вывод источника постоянного тока отводит электроны от одного вывода и подталкивает электроны ко второму выводу.Теперь при увеличении постоянного напряжения конденсатор выйдет из строя. …

Почему в двигателе постоянного тока используется конденсатор?

Конденсатор помогает поддерживать постоянный ток двигателя постоянного тока и сглаживать скорость двигателя. Как мы знаем, очень часто соединение и разъединение происходит между щетками и коммутатором внутри двигателя постоянного тока. Итак, двигатель потребляет от источника питания часто меняющийся ток. Тут помогает конденсатор!

Какой конденсатор используется в двигателе постоянного тока?

, если мы внимательно заметим, у него есть какой-то электронный компонент, который подключен параллельно с клеммой питания, компонент известен как керамический конденсатор, который связан с двигателем.Есть несколько причин, по которым этот керамический конденсатор используется с этим двигателем постоянного тока или мотор-редуктором.

Как работают конденсаторы? — Объясни, что это за штука

Смотрите в небо большую часть времени, и вы увидите огромные конденсаторы парит над твоей головой. Конденсаторы (иногда называемые конденсаторами) устройства хранения энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемники и другое электронное оборудование.Настройте радио на станции, сделайте снимок со вспышкой с помощью цифрового камеру или щелкни каналы на вашем HDTV, и вы хорошо использование конденсаторов. В конденсаторы, которые дрейфуют по небу, более известны как облака и, хотя они совершенно гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике они точно так же накапливают энергию. Давайте подробнее рассмотрим конденсаторы и как они работают!

Фотография: Типичный конденсатор, используемый в электронных схемах. Этот называется электролитическим конденсатором и имеет рейтинг 4.7 мкФ (4,7 мкФ), с рабочим напряжением 350 вольт (350 В).

Что такое конденсатор?

Возьмем два электрических проводника (то, что пропускает электричество через них) и разделите их изолятором (материал что не пропускает электричество очень хорошо) и вы делаете конденсатор: то, что может хранить электрическую энергию. Добавление электрической энергии к конденсатору называется зарядный ; высвобождая энергию из конденсатор известен как разрядный .

Фото: Малый конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Конденсатор немного похож на батарею, но у него другая работа делать. Батарея использует химические вещества для хранения электрической энергии и высвобождения это очень медленно через цепь; иногда (в случае кварца смотреть) это может занять несколько лет. Конденсатор обычно высвобождает это энергия намного быстрее — часто за секунды или меньше. Если вы берете например, снимок со вспышкой, вам понадобится камера, чтобы огромная вспышка света за доли секунды.Конденсатор прилагается к вспышке заряжается в течение нескольких секунд, используя энергию вашего батарейки фотоаппарата. (Для зарядки конденсатора требуется время, и это почему обычно приходится немного подождать.) Как только конденсатор полностью заряжен, он может высвободить всю эту энергию. в мгновение ока через ксеноновую лампочку. Зап!

Конденсаторы

бывают всех форм и размеров, но обычно они те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины, , в основном по историческим причинам) и между ними есть изолятор. их (называемый диэлектриком ).Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединения на внешней стороне называются клеммами , которые похожи на тонкие металлические ножки можно подключить в электрическую цепь.

Фото: Внутри электролитический конденсатор немного похож на швейцарский рулет. «Пластины» — это два очень тонких листа металла; диэлектрик — маслянистая пластиковая пленка между ними. Все это упаковано в компактный цилиндр и покрыто металлическим защитным футляром. ВНИМАНИЕ: вскрытие конденсаторов может быть опасным.Во-первых, они могут выдерживать очень высокое напряжение. Во-вторых, диэлектрик иногда состоит из токсичных или едких химикатов, которые могут обжечь кожу.

Изображение: как электролитический конденсатор изготавливается путем скатывания листов алюминиевой фольги (серого цвета) и диэлектрического материала (в данном случае бумаги или тонкой марли, пропитанной кислотой или другим органическим химическим веществом). Листы фольги подключаются к клеммам (синим) наверху, поэтому конденсатор можно подключить в цепь. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США из патента США 2089683: Электрический конденсатор Фрэнка Кларка, General Electric, 10 августа 1937 г.

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрическая цепь. При включении питания электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина получает положительный заряд а другая пластина получает равный и противоположный (отрицательный) заряд. Если вы отключаете питание, конденсатор держит заряд (хотя со временем он может медленно вытекать). Но если подключить конденсатор ко второй цепи, содержащей что-то вроде электрического электродвигателя или лампочки-вспышки, заряд будет стекать с конденсатора через двигатель или лампу, пока на пластинах не останется ничего.

Хотя конденсаторы фактически выполняют только одну работу (хранение заряда), их можно использовать для самых разных целей в электротехнике. схемы. Их можно использовать в качестве устройств отсчета времени (потому что для этого требуется определенное, предсказуемое количество времени для их зарядки), как фильтры (схемы, которые пропускают только определенные сигналы), для сглаживания напряжение в цепях, для настройки (в радиоприемниках и телевизорах), а также для множество других целей. Большие суперконденсаторы также могут быть используется вместо батареек.

Что такое емкость?

Количество электроэнергии, которое может хранить конденсатор, зависит от его емкость .Емкость конденсатора немного похожа на размер ведра: чем больше ведро, тем больше воды оно может вместить; чем больше емкость, тем больше электричества может выдержать конденсатор. хранить. Есть три способа увеличить емкость конденсатор. Один из них — увеличить размер тарелок. Другой — сдвиньте пластины ближе друг к другу. Третий способ — сделать диэлектрик как можно лучше изолятор. Конденсаторы используют диэлектрики из всевозможных материалов. В транзисторных радиоприемниках настройка осуществляется большим переменным конденсатором , который между пластинами нет ничего, кроме воздуха.В большинстве электронных схем конденсаторы представляют собой герметичные компоненты с диэлектриками из керамики. такие как слюда и стекло, бумага, пропитанная маслом, или пластмассы, такие как майлар.

Фотография: Этот переменный конденсатор прикреплен к главной шкале настройки в транзисторном радиоприемнике. Когда вы поворачиваете циферблат пальцем, вы поворачиваете ось, проходящую через конденсатор. Это вращает набор тонких металлических пластин, так что они перекрываются в большей или меньшей степени с другим набором пластин, продетых между ними.Степень перекрытия пластин изменяет емкость, и это то, что настраивает радио на определенную станцию.

Как измерить емкость?

Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарадами (F), названный в честь английского пионера электротехники Майкла Фарадея (1791–1867). Один фарад — это огромная емкость так что на практике большинство конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, просто доли фарада — обычно микрофарады (миллионные доли фарада, пишется мкФ), нанофарады (тысячные доли фарада, записанные нФ), и пикофарады (миллионные доли фарада, написано пФ).Суперконденсаторы хранят гораздо большие заряды, иногда оценивается в тысячи фарадов.

Почему конденсаторы накапливают энергию?

Если вы находите конденсаторы загадочными и странными, и они на самом деле не имеют для вас смысла, вместо этого попробуйте подумать о гравитации. Предположим, вы стоите внизу какой-то ступеньки. и вы решаете начать восхождение. Вы должны поднять свое тело против земного притяжения, которая является притягивающей (тянущей) силой. Как говорят физики, чтобы подняться, нужно «работать». лестница (работать против силы тяжести) и использовать энергию.Энергия, которую вы используете, не теряется, но хранится в вашем теле в виде гравитационной потенциальной энергии, которую вы могли бы использовать для других целей (например, спуск вниз по горке на уровень земли).

То, что вы делаете, когда поднимаетесь по ступеням, лестницам, горам или чему-то еще, работает против Земли. гравитационное поле. Очень похожая вещь происходит с конденсатором. Если у вас положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу, как противоположное полюса двух магнитов — или как ваше тело и Земля.Если вы их разделите, вам придется «поработать» против этого электростатического заряда. сила. Опять же, как и при подъеме по ступенькам, энергия, которую вы используете, не теряется, а накапливается зарядами, когда они отдельный. На этот раз она называется электрической потенциальной энергией . И это, если вы не догадались к настоящему времени это энергия, которую накапливает конденсатор. Две его пластины содержат противоположные заряды и разделение между ними создает электрическое поле. Вот почему конденсатор накапливает энергию.

Работа: Разделение положительных и отрицательных зарядов сохраняет энергию.Это основная принцип конденсатора.

Почему у конденсаторов две пластины?

Фото: Очень необычный регулируемый конденсатор с параллельными пластинами, который Эдвард Беннетт Роза и Ноа Эрнест Дорси из Национального бюро стандартов (NBS) использовали для измерения скорости света в 1907 году. Точное расстояние между ними. пластины можно регулировать (и измерять) с помощью микрометрического винта. Фотография любезно предоставлена ​​Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Как мы уже видели, конденсаторы имеют две проводящие пластины. разделены изолятором. Чем больше тарелки, тем ближе они являются, и чем лучше изолятор между ними, тем больше заряда конденсатор можно хранить. Но почему все это правда? Почему бы не у конденсаторов всего одна большая пластина? Попробуем найти простой и удовлетворительное объяснение.

Предположим, у вас есть большой металлический шар, установленный на изоляционном деревянная подставка. Вы можете хранить определенное количество электрического заряда на сфера; чем он больше (чем больше радиус), тем больше заряда вы можете хранить, и чем больше заряда вы храните, тем больше потенциал (напряжение) сферы.Однако в конце концов вы достигнете точка, в которой, если вы добавите хотя бы один дополнительный электрон ( наименьшая возможная единица заряда) конденсатор перестанет работать. Воздух вокруг него разрушится, превратившись из изолятора в проводник: заряд будет лететь по воздуху на Землю (землю) или другой ближайший проводник в виде искры — электрического тока — в мини заряд молнии. Максимальный заряд, который вы можете хранить на сфера — это то, что мы подразумеваем под ее емкостью. Напряжение (В), заряд (Q), и емкость связаны очень простым уравнением:

C = Q / V

Таким образом, чем больше заряда вы можете сохранить при данном напряжении, не вызывая воздух для разрушения и искры, тем выше емкость.Если бы ты мог как-то хранить больше заряда на сфере, не доходя до точки там, где вы создали искру, вы бы эффективно увеличили ее емкость. Как ты мог это сделать?

Забудьте о сфере. Предположим, у вас есть плоская металлическая пластина с максимально возможный заряд, хранящийся на нем, и вы обнаружите, что пластина находится на определенное напряжение. Если вы поднесете вторую идентичную тарелку поближе к это, вы обнаружите, что можете хранить гораздо больше заряда на первой пластине для такое же напряжение. Это потому, что первая пластина создает электрический поле вокруг него, которое «индуцирует» равный и противоположный заряд на второй тарелке.Таким образом, вторая пластина снижает напряжение. первой пластины. Теперь мы можем хранить больше заряда на первой пластине не вызывая искры. Мы можем продолжать делать это, пока не достигнем исходное напряжение. С большим зарядом (Q), хранящимся точно так же напряжение (В), уравнение C & равно; Q / V сообщает нам, что мы увеличили емкость нашего устройства накопления заряда, добавив вторую пластину, и именно поэтому конденсаторы имеют две пластины, а не одну. На практике дополнительная пластина дает огромную разницу в , что Вот почему все конденсаторы на практике имеют две пластины.

Как увеличить емкость?

Интуитивно очевидно, что если вы сделаете тарелки больше, вы сможете хранить больше заряда (так же, как если бы вы сделали шкаф больше, вы можете набить больше вещи внутри него). Так что увеличение площади пластин также увеличивает емкость. Менее очевидно, если мы уменьшим расстояние между пластинами, что также увеличивает емкость. Это ведь чем короче расстояние между пластинами, тем больше эффект пластины располагаются одна на другой.Вторая тарелка, будучи ближе, еще больше снижает потенциал первой пластины, и это увеличивает емкость.

Изображение: диэлектрик увеличивает емкость конденсатора за счет уменьшения электрического поле между пластинами, таким образом уменьшая потенциал (напряжение) каждой пластины. Это означает, что вы можете хранить больше заряд на пластинах при одинаковом напряжении. Электрическое поле в этом конденсаторе исходит от положительной пластины. слева к отрицательной пластине справа.Поскольку противоположные заряды притягиваются, полярные молекулы (серые) диэлектрика выстраиваются в линию в противоположном направлении — и это то, что уменьшает поле.

Последнее, что мы можем сделать, чтобы увеличить емкость, — это изменить диэлектрик (материал между пластинами). Воздух работает неплохо, но другие материалы даже лучше. Стекло как минимум в 5 раз больше эффективнее воздуха, поэтому самые ранние конденсаторы (Leyden банки, используя обычное стекло в качестве диэлектрика) работали так хорошо, но это тяжело, непрактично, и его трудно втиснуть в небольшие помещения.Вощеный бумага примерно в 4 раза лучше воздушной, очень тонкая, дешевая, легко изготавливать крупными кусками и легко скатывать, что делает его отличным, практический диэлектрик. Лучшие диэлектрические материалы сделаны из полярных молекулы (с более положительным электрическим зарядом с одной стороны и с другой стороны, больше отрицательного электрического заряда). Когда они сидят в электрическое поле между двумя пластинами конденсатора, они совпадают со своими заряды направлены напротив поля, что эффективно его уменьшает. Это снижает потенциал на пластинах и, как и раньше, увеличивает их емкость.Теоретически вода, состоящая из крошечных полярные молекулы, будут отличным диэлектриком, примерно в 80 раз лучше воздуха. На практике, правда, не все так хорошо (протекает и высыхает и превращается из жидкости в лед или пар при относительно умеренные температуры), поэтому в реальных конденсаторах он не используется.

Диаграмма: Из разных материалов получаются лучшие или худшие диэлектрики в зависимости от того, насколько хорошо они изолируют пространство между пластинами конденсатора и уменьшают электрическое поле между ними.Измерение, называемое относительной диэлектрической проницаемостью, говорит нам, насколько хорошим будет диэлектрик. Вакуум является наихудшим диэлектриком, и его относительная диэлектрическая проницаемость равна 1. Другие диэлектрики измеряются относительно (путем их сравнения) с вакуумом. Воздух примерно такой же. Бумага примерно в 3 раза лучше. Спирт и вода, имеющие полярные молекулы, являются особенно хорошими диэлектриками.

Электрические свойства цепей RC:

В простейшей форме цепь R-C содержит сопротивление, R, конденсатор, C, и электродвижущую силу, ЭДС (обычно аккумулятор).Принципиальная схема цепи R-C выглядит так:

Когда тумблер находится в разомкнутом положении, показанном на схеме, конденсатор не подключен к электродвижущей силе, ЭДС, и, если конденсатор не был ранее заряжен, в конденсаторе не будет никаких зарядов (т. Е. Q = 0). и разность потенциалов между пластинами конденсатора, соответственно, также будет равна нулю.
Если переключатель переключен так, что он соединяет конденсатор с электродвижущей силой, заряды будут накапливаться на пластинах конденсатора, + на одной пластине, _ на другой.Это будет продолжаться до тех пор, пока накопленный заряд не создаст разность потенциалов (V c ) между двумя пластинами, которая численно равна электродвижущей силе. То есть, когда:

V c = e,

ток через соединительные провода прекратится (т. Е. I = 0).
Когда переключатель переведен в свое альтернативное положение, (i) ЭДС обходится, (ii) две пластины конденсатора соединены, и (iii) заряды, накопленные на конденсаторе, будут стремиться пройти через соединительный провод к конденсатору. противоположная пластина.Другими словами, заряженный конденсатор разрядится.
Об электрических свойствах цепей R-C следует помнить две важные вещи:

1. Когда конденсатор (C) полностью заряжен, выполняется следующее соотношение:

q = Ce Уравнение 1a

где q — общее количество заряда, накопленного конденсатором, C — емкость конденсатора, а e — электродвижущая сила, которая фактически заряжает конденсатор.Обратите внимание, что q = 0, когда конденсатор разряжен. Также обратите внимание, что уравнение можно переставить так:

q / C = e = V c Уравнение 1b

Это означает, что размещение избытка + на одной пластине конденсатора и избытка на другой пластине создаст разность потенциалов между пластинами.

2. Из-за наличия сопротивления (R) в цепи ток через цепь замедляется. В результате для изменения количества заряда, хранящегося на пластинах конденсатора, требуется время. Например, если вы начнете с полностью разряженного конденсатора (т.е. q = 0 и V c = 0) и подключите его к батарее, зарядка конденсатора будет описана экспоненциальным уравнением ,

q t = Ce (1 e -t / RC ) Уравнение 2a

и если C = 1, e = 10 и R = 1 график зависимости q t отвремя будет выглядеть так:

Точно так же, если бы вы начали с того же конденсатора в полностью заряженном состоянии (т.е. q = Ce и V c = e ) и соедините две его пластины друг с другом, разряд конденсатора будет описан экспоненциальным уравнением:

q t = Ce e -t / RC Уравнение 2b

и график q t vs.время будет выглядеть так:

Осуществления:

1. Имея в виду уравнения 1b, 2a и 2b и определение тока, можете ли вы предсказать внешний вид графиков V c и тока (I) в зависимости от времени для той же цепи R-C?

2. Запустите моделирование электрических свойств RC-цепи и получите качественное представление о влиянии изменения e на электрическое поведение RC-цепи.

3. Величина RC называется постоянной времени цепи R-C и иногда обозначается как t (= RC).Изучите влияние изменения t на электрическое «поведение» RC-цепи, повторив упражнение 2, на этот раз меняя R и / или C. плазматическая мембрана возбудимых клеток (подсказка: вспомните модель эквивалентного контура)?

Энергия в конденсаторе> Лаборатория поддержки лекций по физике и астрономии> USC Dana and David Dornsife College of Letters, Arts and Sciences

C.4 (1) — Привод двигателя


Энергия, накопленная в конденсаторе, используется для приведения в действие небольшого двигателя, который вращает пропеллер. Схема состоит из восьми параллельно включенных конденсаторов с эквивалентной емкостью 30 000 мкФ, соединенных последовательно с пятью последовательно соединенными резисторами номиналом Ом по 500 Ом. Постоянная времени для контура 75 секунд . Аппарат подключен к источнику высокого напряжения, установленному на 250 вольт . он установлен на доске размером 25 см x 25 см .

Верх


C.4 (2) — Выгрузка металлическим стержнем

Конденсатор (100 мкФ, 3000 В постоянного тока) заряжается за несколько минут. Конденсатор подключен к источнику питания. После зарядки выключите питание и мультиметр (будьте осторожны при отключении мультиметра). Затем конденсатор замыкается большой металлической перемычкой с изолированной ручкой, вызывая сильную искру.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх


C.4 (3a) — Wire Exploder (старый)


Большой конденсатор (240 микрофарад, 5000 В) используется в качестве опорной стойки для устройства, которое неожиданно показывает энергию, запасенную в конденсаторе. Листы толстого оргстекла помещаются поверх него и вокруг установки, состоящей из: электромагнитного переключателя, небольшого измерителя, резисторов и стойки, которая надежно удерживает очень тонкий металлический провод, как показано на рисунке.Рядом с ним установлен блок питания и длинный проводной выключатель. Конденсатор заряжается в течение 5-10 минут при 2000 В постоянного тока через резистор R = 1,8 x 106 Ом (или пока счетчик не покажет не менее 15-20 минут). Выключите источник питания. Возьмите выключатель и отойдите от аппарата. Закройте и откройте дистанционный переключатель. Когда цепь замкнута, конденсатор разряжается через тонкую проволоку, измельчая его. Это вызывает сильный взрыв, большую искру и даже немного дыма. Постоянная времени для этой схемы составляет 432 секунды.После зарядки в течение 5 минут на конденсаторе накоплено около 0,24 кулона, а общая энергия, выделяемая в момент взрыва, составляет около 173 Дж. Это очень громко и очень удивительно. Имейте в виду, что конденсатор все еще может быть заряжен, поскольку взрыв провода обычно не разряжает его полностью. Разрядник с длинными ручками используется для полного разряда конденсатора, за которым следуют другие более мелкие взрывы и искры.

Верх

С.4 (3b) — Wire Exploder (новый)

Эта обновленная демонстрация состоит из: большого конденсатора (240 мкФ; 5 кВ), электромагнитного переключателя, небольшого измерителя и стойки, которая прочно удерживает очень тонкий металлический провод, если смотреть через экран из оргстекла. Рядом с ним установлен блок питания и длинный проводной выключатель.

Конденсатор заряжается напрямую до 3 кВ постоянного тока в течение примерно 15 минут. После этого заряд, накопленный на конденсаторе, составляет около 0.24 кулоны, а общая энергия, выделяемая при коротком замыкании, составляет около 173 Дж. Когда цепь замкнута, конденсатор разряжается через тонкий провод, превращая его в пыль. Это вызывает громкий взрыв и большие искры. Имейте в виду, что конденсатор все еще может быть заряжен, поскольку взрыв провода обычно не разряжает его полностью. Разрядник с длинными ручками используется для полного разряда конденсатора.

Можно использовать два типа проволоки:

  • Медный магнитный провод
  • Никель-хромовая проволока без покрытия

Щелкните здесь, чтобы увидеть видео о новой демонстрации Wire Exploder в действии.

Верх

C.4 (4) — Ультраконденсатор

Эта демонстрация состоит из одного конденсатора 16 В / 58 Ф по сравнению с одним ультраконденсатором 16 В / 210000 мкФ.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.