Постоянный ток не проходит через конденсатор. Почему переменный ток проходит через конденсатор, а постоянный не проходит

>>Физика 11 класс >> Конденсатор в цепи переменного тока

§ 33 КОНДЕНСАТОР В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Постоянный ток не может идти по цепи, содержащей конденсатор. Ведь фактически при этом цепь оказывается разомкнутой, так как обкладки конденсатора разделены диэлектриком .

Переменный же ток может идти по цепи, содержащей конденсатор. В этом можно убедиться с помощью простого опыта.

Пусть у нас имеются источники постоянного и переменного напряжений, причем постоянное напряжение на зажимах источника равно действующему значению переменного напряжения. Цепь состоит из конденсатора и лампы накаливания (рис. 4.13), соединенных последовательно. При включении постоянного напряжения (переключатель повернут влево, цепь подключена к точкам АА") лампа не светится. Но при включении переменного напряжения (переключатель повернут вправо, цепь подключена к точкам ВВ") лампа загорается, если емкость конденсатора достаточно велика.

Как же переменный ток может идти по цепи, если она фактически разомкнута (между пластинами конденсатора заряды перемещаться не могут)? Все дело в том, что происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора под действием переменного напряжения. Ток, идущий в цепи при перезарядке конденсатора , нагревает нить лампы.

Установим, как меняется со временем сила тока в цепи, содержащей только конденсатор, если сопротивлением проводов и обкладок конденсатора можно пренебречь (рис. 4.14).

Напряжение на конденсаторе

Сила тока, представляющая собой производную заряда по времени, равна:

Следовательно, колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на конденсаторе на (рис. 4.15).

Амплитуда силы тока равна:

I m = U m C. (4.29)

Если ввести обозначение

и вместо амплитуд силы тока и напряжения использовать их действующие значения, то получим

Величину X c , обратную произведению С циклической частоты на электрическую емкость конденсатора, называют емкостным сопротивлением. Роль этой величины аналогична роли активного сопротивления R в законе Ома (см. формулу (4.17)). Действующее значение силы тока связано с действующим значением напряжения на конденсаторе точно так же, как связаны согласно закону Ома сила тока и напряжение для участка цепи постоянного тока. Это и позволяет рассматривать величину Х с как сопротивление конденсатора переменному току (емкостное сопротивление).

Чем больше емкость конденсатора, тем больше ток перезарядки. Это легко обнаружить по увеличению накала лампы при увеличении емкости конденсатора. В то время как сопротивление конденсатора постоянному току бесконечно велико, его сопротивление переменному току имеет конечное значение X c . С увеличением емкости оно уменьшается. Уменьшается оно и с увеличением частоты .

В заключение отметим, что на протяжении четверти периода, когда конденсатор заряжается до максимального напряжения, энергия поступает в цепь и запасается в конденсаторе в форме энергии электрического поля. В следующую четверть периода, при разрядке конденсатора, эта энергия возвращается в сеть.

Сопротивление цепи с конденсатором обратно пропорционально произведению циклической частоты на электроемкость. Колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на .

1. Как связаны между собой действующие значения силы тока и напряжения на конденсаторе в цепи переменного тока!
2. Выделяется ли энергия в цепи, содержащей только конденсатор, если активным сопротивлением цепи можно пренебречь!
3. Выключатель цепи представляет собой своего рода конденсатор. Почему же выключатель надежно размыкает цепь!

Что такое переменный ток

Если рассматривать постоянный ток, то он не всегда может быть идеально постоянным: напряжение на выходе источника может зависеть от нагрузки или от степени разряда аккумулятора или гальванической батареи. Даже при постоянном стабилизированном напряжении ток во внешней цепи зависит от нагрузки, что и подтверждает закон Ома. Получается, что это тоже не совсем постоянный ток, но переменным такой ток назвать тоже нельзя, поскольку направления он не меняет.

Переменным обычно называют напряжение или ток, направление и величина которого меняются не под действием внешних факторов, например нагрузки, а вполне «самостоятельно»: именно таким его вырабатывает генератор. К тому же, эти изменения должны быть периодическими, т.е. повторяющимися через определенный промежуток времени, называемый периодом.

Если же напряжение или ток меняется как попало, не заботясь о периодичности и иной закономерности, такой сигнал называется шумом. Классический пример - «снег» на экране телевизора при слабом эфирном сигнале. Примеры некоторых периодических электрических сигналов показаны на рисунке 1.

Для постоянного тока имеется всего две характеристики: это полярность и напряжение источника. В случае с переменным током этих двух величин явно недостаточно, поэтому появляются еще несколько параметров: амплитуда, частота, период, фаза, мгновенное и действующее значение.

Рисунок 1.

Наиболее часто в технике приходится сталкиваться с колебаниями синусоидальной формы, причем, не только в электротехнике. Представьте себе автомобильное колесо. При равномерном движении по хорошей ровной дороге центр колеса описывает прямую, параллельную дорожному покрытию. В то же время, любая точка на периферии колеса перемещается по синусоиде относительно только что упомянутой прямой.

Сказанное может подтвердить рисунок 2, на котором показан графический метод построения синусоиды: кто хорошо учил черчение, тот прекрасно представляет, как выполняются подобные построения.

Рисунок 2.

Из школьного курса физики известно, что синусоида является наиболее распространенной и пригодной для изучения периодической кривой. В точности также синусоидальные колебания получаются в генераторах переменного тока, что обусловлено их механическим устройством.

На рисунке 3 показан график синусоидального тока.

Рисунок 3.

Нетрудно заметить, что величина тока изменяется по времени, поэтому ось ординат обозначена на рисунке как i(t), - функция тока от времени. Полный период тока обозначен сплошной линией и имеет период T. Если начать рассмотрение от начала координат, то видно, что сначала ток увеличивается, доходит до Imax, переходит через нуль, уменьшается до -Imax, после чего увеличивается и доходит до нуля. Далее начинается следующий период, что показано пунктирной линией.

В виде математической формулы поведение тока записывается так: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).

Здесь i(t) - мгновенное значение тока, зависящее от времени, Imax -амплитудное значение (максимальное отклонение от состояния равновесия), ω - круговая частота (2*π*f), φ - фазовый угол.

Круговая частота ω измеряется в радианах в секунду, фазовый угол φ - в радианах или градусах. Последний имеет смысл лишь в том случае, когда имеется два синусоидальных тока. Например, в цепях с ток опережает напряжение на 90˚ или ровно на четверть периода, что и показано на рисунке 4. Если синусоидальный ток один, то можно двигать его по оси ординат как угодно, и от этого ничего не изменится.

Рисунок 4. В цепях с конденсатором ток опережает напряжение на четверть периода

Физический смысл круговой частоты ω в том, какой угол в радианах «пробежит» синусоида за одну секунду.

Период - T время, за которое синусоида совершит одно полное колебание. То же относится и к колебаниям другой формы, например, прямоугольным или треугольным. Период измеряется в секундах или более мелких единицах: миллисекундах, микросекундах или наносекундах.

Еще один параметр любого периодического сигнала, в том числе и синусоиды это частота, сколько колебаний проделает сигнал за 1 секунду. Единицей измерения частоты является герц (Гц), названный по имени ученого XIX века Генриха Герца. Итак, частота 1Гц это есть ни что иное, как одно колебание/секунду. Например, частота осветительной сети 50Гц, то есть за секунду проходит ровно 50 периодов синусоиды.

Если известен период тока (можно ), то частоту сигнала поможет узнать формула: f=1/T. При этом, если время выражено в секундах, то результат получится в Герцах. И наоборот, T=1/f, частота в Гц, время получается в секундах. Например, при период получится 1/50=0,02сек, или 20 миллисекунд. В электричестве чаще применяются более высокие частоты: КГц - килогерцы, МГц - мегагерцы (тысячи и миллионы колебаний в секунду) и т.д.

Все сказанное для тока справедливо и для переменного напряжения: достаточно на рис 6 просто поменять букву I на U. Формула будет выглядеть вот так: u(t)=Umax*sin(ω*t±φ).

Этих разъяснений вполне достаточно для того, чтобы вернуться к опытам с конденсаторами и объяснить их физический смысл.

Конденсатор проводит переменный ток, что было показано в схеме на рисунке 3 (см. статью - ). Яркость свечения лампы увеличивается при подключении дополнительного конденсатора. При параллельном включении конденсаторов их емкости просто складываются, поэтому можно предположить, что емкостное сопротивление Xc зависит от емкости. Кроме того оно зависит еще от частоты тока, и поэтому формула выглядит так: Xc=1/2*π*f*C.

Из формулы следует, что с увеличением емкости конденсатора и частоты переменного напряжения реактивное сопротивление Xc уменьшается . Эти зависимости показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от емкости

Если подставить в формулу частоту в Герцах, а емкость в Фарадах, то результат получится в Омах.

Будет ли греться конденсатор?

Теперь вспомним опыт с конденсатором и электросчетчиком, почему он не крутится? Дело в том, что счетчик считает активную энергию, когда потребителем является чисто активная нагрузка, например, лампы накаливания, электрочайник или электроплита. У таких потребителей напряжение и ток совпадают по фазе, имеют один знак: если перемножить два отрицательных числа (напряжение и ток во время отрицательного полупериода) результат по законам математики все равно положительный. Поэтому мощность таких потребителей всегда положительна, т.е. уходит в нагрузку и выделяется в виде тепла, как показано на рисунке 6 пунктирной линией.

Рисунок 6.

В случае, когда в цепь переменного тока включен конденсатор ток и напряжение по фазе не совпадают: ток опережает по фазе напряжение на 90˚, что приводит к тому, что получается сочетание, когда ток и напряжение имеют разные знаки.

Рисунок 7.

В эти моменты мощность получается отрицательной. Другими словами, когда мощность положительная, конденсатор заряжается, а когда отрицательная - запасенная энергия отдается обратно в источник. Поэтому в среднем получается по нулям и считать тут просто нечего.

Конденсатор, если конечно он исправный, не будет даже нисколько нагреваться. Поэтому, часто конденсатор называют безваттным сопротивлением , что позволяет применять его в бестрансформаторных маломощных блоках питания. Хотя такие блоки не рекомендуется использовать ввиду их опасности, все-таки иногда это делать приходится.

Перед тем, как устанавливать в такой блок гасящий конденсатор , его следует проверить простым включением в сеть: если за полчаса конденсатор не нагрелся, то его смело можно включать в схему. В противном случае его придется просто без сожаления выбросить.

Что показывает вольтметр?

При изготовлении и ремонте различных устройств, хоть и не очень часто, но приходится мерить переменные напряжения и даже токи. Если синусоида ведет себя так неспокойно, то вверх, то вниз, что будет показывать обычный вольтметр?

Среднее значение периодического сигнала, в данном случае синусоиды, подсчитывается как площадь, ограниченная осью абсцисс и графическим изображением сигнала, деленная на 2*π радиан или период синусоиды. Поскольку верхняя и нижняя часть абсолютно одинаковы, но имеют разные знаки, среднее значение синусоиды равно нулю, и мерить его совсем не нужно, и даже просто бессмысленно.

Поэтому измерительный прибор показывает нам среднеквадратичное значение напряжения или тока. Среднеквадратичным называется такое значение периодического тока, при котором на одной и той же нагрузке выделяется то же количество теплоты, что и на постоянном токе. Иными словами лампочка светит с той же яркостью.

Формулами это описывается вот так: Iсрк=0,707*Imax= Imax/√2 для напряжения формула та же, достаточно поменять одну букву Uсрк=0,707*Umax=Umax/√2. Именно эти значения показывает измерительный прибор. Их можно подставлять в формулы при расчете по закону Ома или при расчете мощности.

Но это далеко не всё, на что способен конденсатор в сети переменного тока. В следующей статье будет рассмотрено использование конденсаторов в импульсных схемах, фильтрах верхних и нижних частот, в генераторах синусоиды и прямоугольных импульсов.

Быстрое изменение силы тока и его направления, характеризующее переменный ток, приводит к ряду важнейших особенностей, отличающих действие переменного тока от тока постоянного. Некоторые из этих особенностей отчетливо выступают при следующих опытах.

1. Прохождение переменного тока через конденсатор. Пусть в нашем распоряжении имеется источник постоянного тока с напряжением 12 В (аккумуляторная батарея) и источник переменного тока с напряжением также 12 В. Присоединив к каждому из этих источников маленькую лампочку накаливания, мы увидим, что обе лампочки горят одинаково ярко (рис. 298,а). Включим теперь в цепь как первой, так и второй лампочки конденсатор большой емкости (рис. 298,б). Мы обнаружим, что в случае постоянного тока лампочка не накаливается вовсе, а в случае переменного тока накал ее остается почти таким же, как раньше. Отсутствие накала в цепи постоянного тока легко понять: между обкладками конденсатора имеется изолирующая прослойка, так что цепь разомкнута. Накал же лампочки в цепи переменного тока кажется поразительным.

Рис. 298. Прохождение переменного тока через конденсатор: а) лампочки, включенные в цепь тока постоянного (справа) или переменного (слева), накаливаются одинаково; б) при включении в цепь конденсатора емкости постоянный ток прекращается, переменный ток продолжает идти и накаливать лампочку

Однако если вдуматься, то в этом нет ничего загадочного. Мы имеем здесь только частое повторение хорошо знакомого нам процесса зарядки и разрядки конденсатора. Когда мы присоединяем (рис. 299,а) конденсатор к источнику тока (повернув рычаг переключателя налево), то по проводам идет ток до тех пор, пока заряды, накопившиеся на обкладках конденсатора, не создадут разность потенциалов, уравновешивающую напряжение источника. В конденсаторе при этом создается электрическое поле, в котором сосредоточен определенный запас энергии. Когда же мы соединим обкладки заряженного конденсатора проводником, отсоединив источник тока (повернув рычаг переключателя направо), заряд будет по проводнику стекать с одной обкладки на другую, и в проводнике, включающем лампочку, пройдет кратковременный ток. Поле в конденсаторе исчезает, и запасенная в нем энергия тратится на накал лампочки.

Рис. 299. При каждой перезарядке конденсатора лампочка вспыхивает: а) зарядка конденсатора (ключ – налево) и его разрядка через лампочку (ключ – направо); б) быстрая зарядка и разрядка конденсатора при поворотах ключа, лампочка вспыхивает; в) конденсатор и лампочка в цепи переменного тока

То, что происходит при прохождении переменного тока через конденсатор, очень наглядно поясняет опыт, изображенный на рис. 299,б. Поворачивая рычаг переключателя направо, мы соединяем конденсатор с источником тока, причем обкладка 1 заряжается положительно, а обкладка 2 – отрицательно. При среднем положении переключателя, когда цепь разомкнута, конденсатор разряжается через лампочку. При повороте ручки переключателя налево конденсатор снова заряжается, но на этот раз обкладка 1 заряжается отрицательно, а обкладка 2 положительно. Двигая быстро рычаг переключателя то в одну сторону, то в другую, мы увидим, что при каждой смене контакта лампочка на мгновение вспыхивает, т. е. через нее проходит кратковременный ток. Если производить переключения достаточно быстро, то вспышки лампочки следуют настолько быстро друг за другом, что она будет гореть непрерывно; при этом через нее течет ток, часто меняющий свое направление. В конденсаторе при этом все время будет меняться электрическое поле: оно будет то создаваться, то исчезать, то вновь создаваться с обратным направлением. То же происходит и тогда, когда мы включаем конденсатор в цепь переменного тока (рис. 299,в).

2. Прохождение переменного тока через катушку с большой индуктивностью. Включим в цепь, изображенную на рис. 298,б, вместо конденсатора катушку из медной проволоки с большим числом витков, внутрь которых помещен железный сердечник (рис. 300). Такие катушки обладают, как известно, большой индуктивностью (§ 144). Сопротивление же такой катушки при постоянном токе будет невелико, так как она сделана из довольно толстой проволоки. В случае постоянного тока (рис. 300,а) лампочка горит ярко, в случае же переменного тока (рис. 300,б) накала почти незаметно. Опыт с постоянным током понятен: так как сопротивление катушки мало, то присутствие ее почти не изменяет тока, и лампочка горит ярко. Почему же катушка ослабляет переменный ток? Будем постепенно вытягивать из катушки железный сердечник. Мы обнаружим, что лампочка накаливается все сильнее и сильнее, т. е. что по мере выдвижения сердечника ток в цепи возрастает. При полном удалении сердечника накал лампочки может дойти почти до нормального, если число витков катушки не очень большое. Но выдвижение сердечника уменьшает индуктивность катушки. Таким образом, мы видим, что катушка с малым сопротивлением, но с большой индуктивностью, включенная в цепь переменного тока, может значительно ослабить этот ток.

Рис. 300. Лампочка включена в цепь постоянного (а) и переменного (б) тока. Последовательно с лампочкой включена катушка. При постоянном токе лампочка горит ярко, при переменном – тускло

Влияние катушки с большой индуктивностью на переменный ток также легко объяснить. Переменный ток представляет собой ток, сила которого быстро изменяется, то увеличиваясь, то уменьшаясь. При этих изменениях в цепи возникает э. д. с. самоиндукции, которая зависит от индуктивности цепи. Направление этой э. д. с. (как мы видели в § 139) таково, что ее действие препятствует изменению тока, т. е. уменьшает амплитуду тока, а следовательно, и его действующее значение. Пока индуктивность проводов мала, эта добавочная э. д. с. тоже мала и действие ее практически незаметно. Но при наличии большой индуктивности эта добавочная э. д. с. может значительно влиять на силу переменного тока.

Много написано про конденсаторы, стоит ли добавлять еще пару тысяч слов к тем миллионам, что уже есть? Таки добавлю! Верю, что моё изложение принесёт пользу. Ведь оно будет сделано с учётом .

Что такое электрический конденсатор

Если говорить по-русски, то конденсатор можно обозвать "накопитель". Так даже понятнее. Тем более именно так переводится на наш язык это название. Стакан тоже можно обозвать конденсатором. Только он накапливает в себе жидкость. Или мешок. Да, мешок. Оказывается тоже накопитель. Накапливает в себе всё, что мы туда засунем. Причем тут электрический кондесатор? Он такой же как стакан или мешок, но только накапливает электрический заряд.

Представь себе картину: по цепи проходит электрический ток, на его пути встречаются резисторы, проводники и, бац, возник конденсатор (стакан). Что случится? Как ты знаешь, ток -- это поток электронов, а каждый электрон имеет электрический заряд. Таким образом, когда кто-то говорит, что по цепи проходит ток, ты предствляешь себе как по цепи бегут миллионы электронов. Именно вот эти самые электрончики, когда на их пути возникает конденсатор, и накапливаются. Чем больше запихнем в конденсатор электронов, тем больше будет его заряд.

Возникает вопрос, а сколько можно таким образом накопить электронов, сколько влезет в конденсатор и когда он "наестся"? Давай выяснять. Очень часто для упрощенного объяснения простых электрических процессов используют сравнение с водой и трубами. Воспользуемся таким подходом тоже.

Представь, трубу, по которой течет вода. На одном конце трубы насос, который с силой закачивает воду в эту трубу. Затем поперек трубы мысленно поставь резиновую мембрану. Что произойдёт? Мембрана станет растягиваться и напрягаться под действием силы давления воды в трубе (давление создаётся насосом). Она будет растягиваться, растягиваться, растягиваться и в итоге сила упругости мембраны либо уравновесит силу насоса и поток воды остановится, либо мембрана порвётся (Если так непонятно, то представь себе воздушный шарик, который лопнет, если его накачать слишком сильно) ! Тоже самое происходит и в электрических конденсаторах. Только там вместо мембраны используется электрическое поле, которое растёт по мере зарядки конденсатора и постепенно уравновешивает напряжение источника питания.

Таким образом, у конденсатора есть некоторый предельный заряд, который он может накопить и после превышения которого произойдёт пробой диэлектрика в конденсаторе он сломается и перестанет быть конденсатором. Самое время, видимо, рассказать как устроен конденсатор.

Как устроен электрический конденсатор

В школе тебе рассказывали, что конденсатор -- это такая штуковина, которая состоит из двух пластин и пустоты между ними. Пластины эти называли обкладками конденсатора и к ним подключали проводки, чтобы подать напряжение на конденсатор. Так вот современные конденсаторы не сильно отличаются. Они все также имеют обкладки и между обкладками находится диэлектрик. Благодаря наличию диэлектрика улучшаются харктеристики конденсатора. Например, его ёмкость.

В современных конденсаторах используются разные виды диэлектриков (об этом ниже) , которые запихиваются между обкладок конденсаторов самыми изощренными способами для достижения опредлённых характеристик.

Принцип работы

Общий принцип работы достаточно прост: подали напряжение -- заряд накопился. Физические процессы, которые при этом происходят сейчас тебя не сильно должны интересовать, но если захочешь, то можешь об этом прочитать в любой книге по физике в разделе электростатики.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Если поместить наш конденсатор в электрическую цепь (рис. ниже), включить последовательно с ним амперметр и подать в цепь постоянный ток, то стрелка амперметра кратковременно дёрнется, а затем замрет и будет показывать 0А -- отсутствие тока в цепи. Что случилось?

Будем считать, что до того, как был подан ток в цепь, конденсатор был пуст (разряжен), а когда подали ток, то он очень быстро стал заряжаться, а когда зарядился (эл. поле между обкладками конденсатора уравновесило источник питания), то ток прекратился (здесь график заряда конденсатора).

Именно поэтому говорят, что конденсатор не пропускает постоянный ток. На самом деле пропускает, но очень короткое время, которое можно посчитать по формуле t = 3*R*C (Время зарядки конденсатора до объёма 95% от номинального. R- сопротивление цепи, C - ёмкость конденсатора) Так конденсатор ведёт себя в цепи постоянного тока. Совсем иначе он себя ведёт в цепи переменного!

Конденсатор в цепи переменного тока

Что такое переменный ток? Это когда электроны "бегут" сначала туда, потом назад. Т.е. направление их движения все время меняется. Тогда, если по цепи с конденсатором побежит переменный ток, то на каждой его обкладке будет скапливаться то "+" заряд, то "-". Т.е. фактически будет протекать переменный ток. А это значит, что переменный ток "беспрепятственно" проходит через конденсатор.

Весь этот процесс можно смоделировать с помощью метода гидравлических аналогий. На картинке ниже аналог цепи переменного тока. Поршень толкает жидкость то вперёд, то назад. Это заставляет крутится крыльчатку вперёд-назад. Получается как бы переменный поток жидкости (читаем переменный ток).

Давай теперь поместим между источником силы (поршнем) и крыльчаткой меодель конденсатора в виде мембраны и проанализируем, что изменится.

Похоже, что ничего не изменится. Как жидкость совершала колебательные движения, так она их и совершает, как из-за этого колебалась крыльчатка, так и будет колебаться. А значит наша мембрана не является препятствием для переменного потока. Также будет и для электронного конденсатора.

Дело в том, что хоть электроны, которые бегут поцепи и не пересекают диэлектрик (мембрану) между обкладками конденсатора, но за пределами конденсатора их движение колебательное (туда-сюда), т.е. протекает переменный ток. Эх!

Таким образом конденсатор пропускает переменный ток и задерживает постоянный. Это очень удобно, когда требуется убрать постоянную составляющую в сигнале, например, на выходе/входе аудиоусилителя или, когда требуется посмотреть только переменную часть сигнала (пульсации на выходе источника постоянного напряжения).

Реактивное сопротивление конденсатора

Конденсатор обладает сопротивлением! В принципе, это можно было предположить уже из того, что через него не проходит постоянный ток, как если бы это был резистор с оооочень большим сопротивлением.

Другое дело ток переменный -- он проходит, но испытывает со стороны конденсатора сопротивление:

f - частота, С - ёмкость конденсатора. Если внимательно посмотреть на формулу, то станет видно, что если ток постоянный, то f = 0 и тогда (да простят меня воинствующие математики!) X c = бесконечность. И постоянного тока через конденсатор нет.

А вот сопротивление переменному току будет менять в зависимости от его частоты и ёмкости конденсатора. Чем больше частота тока и емкость конденсатора, тем меньше сопротивляется он этому току и наоборот. Чем быстрее меняется напряже-
напряжение, тем больше ток через конденсатор, этим и объясняется уменьшение Хс с ростом частоты.

Кстати, ещё одной особенность конденсатора заключается в том, что на нём не выделяется мощность, он не нагревается! Поэтому его иногда используют для гашения напряжения там, где резистор бы задымился. Например для понижения напряжения сети с 220В до 127В. И ещё:

Ток в конденсаторе пропорционален скорости приложенного к его выводам напряжения

Где используются конденсаторы

Да везде где требуются их свойства (не пропускать постоянный ток, умение накапливать электрическую энергию и менять свое сопротивление в зависимости от частоты), в фильтрах, в колебательных контурах, в умножителях напряжения и т.д.

Какие бывают конденсаторы

Промышленность выпускает множество разных видов конденсаторов. Каждый из них обладает опредлёнными преимуществами и недостатками. У одних малый ток утечки, у других большая ёмкость, у третьих что-нибудь ещё. В зависимости от этих показателей и выбирают конденсаторы.

Радиолюбители, особенно как мы -- начинающие -- особо не заморачиваются и ставят, что найдут. Тем не менее следует знать какие основные виды конденсаторов существуют в природе.

На картинке показано весьма условное разделение конденсаторов. Я его составил на свой вкус и нравится оно мне тем, что сразу понятно существуют ли переменные конденсаторы, какие бывают постоянные конденсаторы и какие диэлектрики используются в распространённых конденсаторах. В общем-то всё, что нужно радиолюбителю.

Обладают малым током утечки, малыми габаритами, малой индуктивность, способны работать на высоких частотах и в цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока.

Выпускаются в широком диапазоне рабоичх напряжений и ёмкостей: от 2 до 20 000 пФ и в зависимости от исполнения выдерживают напряжение до 30кВ. Но чаще всего ты встретишь керамические конденсаторы с рабочим напряжением до 50В.

Честно скажу не знаю выпускают ли их сейчас. Но раньше в таких конденсаторах в качестве диэлектрика использовалась слюда. А сам конденсатор состоял из пачки слюдяных, на каждой из которых с обеих сторон наносились обкладки, а потом такие платсинки собирались в "пакет" и запаковывались в корпус.

Обычно они имели ёмкость от нескольких тысяч до десятков тысяч пикофорад и работали в диапазоне напряжений от 200 В до 1500 В.

Бумажные конденсаторы

Такие конденсаторы в качестве диэлектрика имеют конденсаторную бумагу, а в качестве обкладок -- алюминиевые полоски. Длинные ленты алюминиевой фольги с проложенной между ними лентой бумаги сворачиваются в рулон и пакуются в корпус. Вот и весь фокус.

Такие конденсаторы бывают ёмкостью от тысяч пикофорад до 30 микрофорад, и могут выдерживать напряжение от 160 до 1500 В.

Поговаривают, что сейчас они ценятся аудиофиалами. Не удивлен -- у них и провода односторонней проводимости бывают...

В принципе обычные кондесаторы с полиэстером в качестве диэлектрика. Разброс ёмкостей от 1 нФ до 15 мФ при рабочем напряжении от 50 В до 1500 В.

У конденсаторов этого типа есть два неоспоримых преимущества. Первое -- можно их делать с очень маленьким допуском всего в 1%. Так что, если на таком написано 100 пФ, то значит его ёмкость 100 пФ +/- 1%. И второе -- это то, что их рабочее напряжение может достигать до 3 кВ (а ёмкость от 100 пФ, до 10 мФ)

Электролитические кондесаторы

Эти конденсаторы отличаются от всех других тем, что их можно включать только цепь постоянного или пульсирующего тока. Они полярные. Имеют плюс и минус. Связано это с их конструкцией. И если такой конденсатор включить наоборот, то он скорее всего вздуется. А раньше они еще и весело, но небезопасно взрывались. Бывают электролитические конденсаторы алюминиевые и танталовые.

Алюминиевые электролитические конденсаторы устроены почти как бумажные с той лишь разницей, что обкладками такого конденсатора являются бумажная и алюминиевые полосы. Бумага пропитана электролитом, а на алюминиевыую полосу нанесен тонкий слой окисла, который и выступает в роли диэлектрика. Если подать на такой конденсатор переменный ток или включить обратно полярностям вывода, то электролит закипает и конденсатор выходит из строя.

Электролитические конденсаторы обладают достаточно большой ёмкостью, благодаря чему их, к примеру, часто используют в выпрямительных цепях.

На этом наверно всё. За кадром остались конденсаторы с диэлектриком из полкарбоната, полистирола и наверно ещё многие другие виды. Но думаю, что это уже будет лишним.

Продолжение следует...

Во второй части я планирую показать примеры типичного использования конденсаторов..

О заряде конденсатора.

Замкнем цепь. В цепи пойдет ток заряда конденсатора. Это значит что с левой обкладки конденсатора часть электронов уйдет в провод, а из провода на правую обкладку зайдет такое же количество электронов. Обе обкладки будут заряжены разноименными зарядами одинаковой величины.

Между обкладками в диэлектрике будет электрическое поле.

А теперь разомкнем цепь. Конденсатор останется заряженным. Закоротим куском провода его обкладки. Конденсатор мгновенно разрядится. Это значит что с правой обкладки уйдет в провод избыток электронов, а из провода на левую обкладку войдет недостаток электронов. На обоих обкладках электронов будет одинаково, конденсатор разрядится.

До какого напряжения заряжается конденсатор?

Он заряжается до такого напряжения, которое к нему приложено с источника питания.

Сопротивление конденсатора.

Замкнем цепь. Конденсатор начал заряжаться и сразу стал источником тока, напряжения, Э. Д. С.. На рисунке видно что Э. Д. С. конденсатора направлена против заряжающего его источника тока.

Противодействие электродвижущей силы заряжаемого конденсатора заряду этого конденсатора называется емкостным сопротивлением.

Вся энергия затрачиваемая источником тока на преодоление емкостного сопротивления превращается в энергию электрического поля конденсатора. Когда конденсатор будет разряжаться вся энергия электрического поля вернется обратно в цепь в виде энергии электрического тока. Таким образом емкостное сопротивление является реактивным, т.е. не вызывающим безвозвратных потерь энергии.

Почему постоянный ток не проходит через конденсатор, а переменный ток проходит?

Включим цепь постоянного тока. Лампа вспыхнет и погаснет, почему? Потому что в цепи прошел ток заряда конденсатора. Как только конденсатор зарядится до напряжения батареи ток в цепи прекратится.

А теперь замкнем цепь переменного тока. В I четверти периода напряжение на генераторе возрастает от 0 до максимума. В цепи идет ток заряда конденсатора. Во II четверти периода напряжение на генераторе убывает до нуля. Конденсатор разряжается через генератор. После этого конденсатор вновь заряжается и разряжается. Таким образом в цепи идут токи заряда и разряда конденсатора. Лампочка будет гореть постоянно.

В цепи с конденсатором ток проходит во всей замкнутой цепи, в том числе и в диэлектрике конденсатора. В заряжающемся конденсаторе образуется электрическое поле которое поляризует диэлектрик. Поляризация это вращение электронов в атомах на вытянутых орбитах.

Одновременная поляризация огромного количества атомов образует ток, называемый током смещения. Таким образом в проводах идет ток и в диэлектрике причем одинаковой величины.

Емкостное сопротивление конденсатора определяется по формуле

Рассматривая график делаем вывод: ток в цепи с чисто емкостным сопротивлением опережает напряжение на 90 0 .

Возникает вопрос каким образом ток в цепи может опережать напряжение на генераторе? В цепи идет ток от двух источников тока поочередно, от генератора и от конденсатора. Когда напряжение на генераторе равно нулю ток в цепи максимален. Это ток разряда конденсатора.

О реальном конденсаторе

Реальный конденсатор имеет одновременно два сопротивления: активное и емкостное. Их следует считать включенными последовательно.

Напряжение приложенное генератором к активному сопротивлению и ток идущий по активному сопротивлению совпадают по фазе.

Напряжение приложенное генератором к емкостному сопротивлению и ток идущий по емкостному сопротивлению сдвинуты по фазе на 90 0 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору можно определить по правилу параллелограмма.

На активном сопротивлении напряжение U акт и ток I совпадают по фазе. На емкостном сопротивлении напряжение U c отстает от тока I на 90 0 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору определяется по правилу параллелограмма. Это результирующее напряжение отстает от тока I на какой то угол φ всегда меньший 90 0 .

Определение результирующего сопротивления конденсатора

Результирующее сопротивление конденсатора нельзя находить суммируя величины его активного и емкостного сопротивлений. Это делается по формуле