| | Проводники и системы, состоящие из нескольких проводников, обладают свойством накапливать электрический заряд. Во многих электротехнических и радиотехнических приборах используют устройства, способные при малых размерах накапливать достаточно большой по абсолютной величине электрический заряд. Выясним, как это можно осуществить. Лейденская банка — первый электрический конденсатор, изобретённый голландскими учёными Мушенбруком в 1745 в Лейдене. Параллельно и независимо от них сходный аппарат, под названием «медицинская банка» изобрёл немецкий учёный Клейст. Лейденская банка представляла собой закупоренную наполненную водой стеклянную банку, оклеенную внутри и снаружи фольгой. Сквозь крышку в банку был, воткнут металлический стержень. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона. Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых материалов. Выяснилось, что металлы и вода, лучшие проводники электричества. Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным путем получить электрическую искру. | Конденсатор (от лат. condensator— тот, кто уплотняет, сгущает) — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсаторы состоят из двух или более близко расположенных друг к другу проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, причем толщина слоя диэлектрика между проводниками значительно меньше размеров самих проводников. Широко распространённый тип конденсаторов представляет собой две ленты металлической фольги, разделённые тонкой парафинированной бумагой, полистиролом, слюдой или другим диэлектриком, которые свёрнуты в тугую спираль и запаяны. Используют и так называемые воздушные конденсаторы, в которых изолирующим слоем, отделяющим проводники, является воздух. При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников. Обозначение конденсатора на схемах электрических цепей.  Существуют разные способы зарядки конденсатора. Можно, например, соединить его обкладки с источником постоянного напряжения. При этом обкладки конденсатора заряжаются равными по величине, но противоположными по знаку зарядами. Под зарядом конденсатора понимается модуль заряда одной из его обкладок. Заряд конденсатора прямо пропорционален напряжению между его обкладками.  Коэффициент пропорциональности называется электрической емкостью (электроемкостью или просто емкостью) конденсатора. Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками. Единица электроемкости в СИ — Ф (фарад) — получила свое название в честь Майкла Фарадея, внесшего большой вклад в развитие электромагнетизма.  1 Фарад равен емкости такого конденсатора, между обкладками которого возникает напряжение 1 Вольт при сообщении конденсатору заряда 1 Кулон. Опыты показывают, что чем больше площадь перекрытия пластин и чем меньше расстояние между ними, тем больше емкость плоского конденсатора. При внесении в пространство между обкладками стеклянной пластины емкость конденсатора увеличивается, следовательно, она зависит и от свойств используемого диэлектрика. Исходя из опытных данных, можно вывести математическую зависимость емкости плоского конденсатора:  Где — диэлектрическая постоянная; — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — это площадь обкладки конденсатора; d — расстояние между ними. В ряде случаев для получения требуемой емкости несколько конденсаторов соединяют в батареи, применяя при этом параллельное, последовательное и смешанное соединения. Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам: – по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости; – по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.; – по типу диэлектрика — бумажные, керамические, электролитические и т.д. В бумажном конденсаторе обкладками служат две одинаковые бумажные ленты из металлической фольги, между которыми в качестве диэлектрика проложена лента из парафинированной бумаги. Все три ленты плотно скручены в рулон и помещены в металлический корпус. При сравнительно небольших габаритах бумажный конденсатор обладает довольно большой емкостью за счет большой площади пластин. В оксидно-электролитическом конденсаторе диэлектриком является очень тонкая оксидная пленка, нанесенная на металлическую пластину, являющуюся одной из обкладок. Роль второй обкладки играет электролит, контактирующий с металлическим корпусом. В миниатюрных керамических конденсаторах тонкий проводящий слой (обкладки) наносят на керамический цилиндр (изолятор). Необходимо знать, что чем тоньше изоляция, тем меньшее напряжение она выдерживает. Поэтому на корпусе конденсатора обычно указывается его номинальное напряжение. Указывается также емкость конденсатора. Конденсаторы применяют, например, в лампах-вспышках, лазерах и других устройствах. Широкое применение они нашли в радиотехнике. В радиотехнических устройствах часто используются конденсаторы переменной емкости. Изменение емкости в таком конденсаторе достигается изменением площади перекрытия обкладок. Он состоит из системы неподвижных пластин — статора и системы подвижных пластин — ротора, которые поворотом ручки можно вращать вокруг оси. Для увеличения емкости пластины ротора вдвигают в пространство между пластинами статора, увеличивая площадь перекрытия; для уменьшения емкости пластины выдвигают.  Единицей измерения электроёмкости является фарад, в честь Майкла Фарадея:  1 Ф — это очень большая ёмкость для конденсатора. Чаще всего конденсаторы имеют электроёмкость порядка одного мкФ или нФ. Надо сказать, что конденсатор, как и любое заряженное тело, обладает определенной энергией. Ведь, чтобы разделить положительные и отрицательные заряды для зарядки конденсатора, нужно совершить работу. Эта работа и будет равна энергии конденсатора, исходя из закона сохранения энергии:  Как мы помним, работа электрического поля равна  Но дело в том, что в процессе разрядки конденсатора напряжение не постоянно, поэтому для расчетов следует использовать среднее напряжение:  Для нахождения среднего напряжения используется довольно сложная математическая функция, которую мы не будем рассматривать на данном этапе, и просто примем, так сказать, на веру, формулу по которой рассчитывается энергия конденсатора:  В этой формуле мы можем вместо количества заряда подставить произведение напряжения и электроёмкости. Тогда получим, что энергия конденсатора прямо пропорциональна электроёмкости и квадрату напряжения между пластинами:   Несмотря на то, что конденсаторы могут достаточно долго накапливать энергию, отдают они эту энергию очень быстро. Это свойство конденсаторов широко используется людьми. Почти в любой аппаратуре есть конденсаторы. Например, в радиоэлектронике конденсаторы используются для того, чтобы настраиваться на ту или иную частоту. Только там используются конденсаторы с переменной электроёмкостью. Применение конденсаторов В современной технике конденсаторы находят себе исключительно широкое и разностороннее применение, прежде всего в областях электроники. Здесь можно отметить их применение для следующих основных целей: В радиотехнической и телевизионной аппаратуре – для создания колебательных контуров, их настройки, блокировки, разделения цепей с различной частотой, в фильтрах выпрямителей и т.д. В радиолокационной технике – для получения импульсов большей мощности, формирования импульсов и т.д. В телефонии и телеграфии – для разделения цепей переменного и постоянного токов, разделения токов различной частоты, гашения искр в контактах, симметрирования кабельных линий и т.д. В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на емкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующего токов, гашения искр в контактах и т.д. В технике счетно-решающих устройств – в специальных запоминающих устройствах и т.д. В электроизмерительной технике – для создания образцов емкости, получения переменной емкости (магазины емкости и лабораторные переменные конденсаторы), создания измерительных приборов на емкостном принципе и т. д. В лазерной технике – для получения мощных импульсов. Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других не электротехнических областях техники и промышленности для следующих основных целей: В металлопромышленности - в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов, в электроэрозионных (электроискровых) установках, для магнитоимпульсной обработки металлов и т.д. В добывающей промышленности (угольной, металлорудной и т.п.) – в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных), в электровзрывных устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д. В автотракторной технике – в схемах зажигания для искрогашения в контактах и для подавления радиопомех. В медицинской технике – в рентгеновской аппаратуре, в устройствах электротерапии и т.д. В технике использования атомной энергии для мирных целей – для изготовления дозиметров, для кратковременного получения больших токов и т.д. В фотографической технике – для аэрофотосъемки, получения вспышки света при обычном фотографировании и т.д. Зависимость электроёмкости конденсатора от расстояния между его пластинами используют в схемах кодирования клавиатуры персонального компьютера. Под каждой клавишей находится конденсатор, электроёмкость которого изменяется при нажатии на клавишу. Микросхема, подключённая к каждой клавише, при изменении электроёмкости выдаёт кодированный сигнал, соответствующий данной букве. На схемах номинальную электроёмкость конденсаторов обычно указывают в микрофарадах и пикофарадах. Однако реальная электроёмкость конденсатора может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором его можно использовать в заданных условиях в течение срока службы. Это напряжение может находиться в пределах от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение уменьшается. |