Что такое емкость конденсатора?

Конденсатор является одной из самых важных частей любой мало-мальски сложной схемы. Наибольшую ценность для нас представляет его емкость. Что это такое? Как она измеряется? Какие есть нюансы? Эти, а также и другие вопросы будут рассмотрены в рамках статьи.

Что такое электрическая емкость конденсатора?

Это название характеристики проводника, которая обозначает возможность накопления электрического заряда. В теории электрических цепей так называют взаимную ёмкость, существующую между двумя разными проводниками. Она определяется как соотношение размера заряда к разности потенциалов между ними.

Измерение емкости

Международная система единиц для обозначения использует фарады, а СГС – сантиметры. Одиночный проводник имеет ёмкость, которая равна отношению заряда к потенциалу. При этом считается, что все другие подобные устройства находятся на бесконечном расстоянии и что их потенциал равен нулю.

Что такое конденсатор?

Это двухполюсник, обладающий переменным или определенным значением ёмкости и малой проводимостью. Данное устройство может копить заряд и энергию электрического поля. Конденсатор относится к пассивным электронным компонентам. Его примитивная конструкция может иметь два электрода, выполненных в форме пластин, которые разделены диэлектриком. Последний имеет малую толщину (если сравнивать его с обкладками). Но на практике широкое распространение нашли устройства, которые обладают многослойными диэлектриками и электродами. Они могут быть выполнены в виде ленты, где чередуются обе части, или сворачиваются в параллелепипед, у которого скруглены четыре ребра, или цилиндр.

Ёмкость

Давайте более детально рассмотрим этот параметр. Напомню, что он характеризирует возможность накапливания конденсатором электрического заряда. На приборы всегда наносят номинальную ёмкость. А вот реальная может сильно варьироваться в зависимости от многих факторов. Данный показатель говорит о реальных электрических свойствах. Он может быть размером как в несколько единиц пикофарад, так и в тысячи микрофарад. Отдельный класс конденсаторов (ионисторы) могут похвастаться значениями вообще в несколько фарад. Отдельного внимания заслуживает каждый тип, но в конце будет рассмотрен только плоский как пример реализации. Чтобы получить большую емкость, чем есть в наличных конденсаторах, их соединяют параллельно. Напряжение между обкладками у них всегда одинаковое. Чтобы получить ёмкость батареи, необходимо просуммировать характеристики каждого из конденсаторов. Если устройства, расположенные параллельно, имеют ещё и одинаковое расстояние между своими обкладками, и их диэлектрики действуют по одному принципу, то они все рассматриваются как одно целое. Для достижения одинаковых зарядов необходимо устройства соединять последовательно. В таких случаях емкость будет всегда меньше, чем у конденсатора с минимальным значением. Но и возможность пробоя значительно уменьшается благодаря тому, что на одно устройство приходится только часть потенциала источника напряжения. При одинаковой площади обкладок все конденсаторы представляются в виде одного большого прибора.

Удельная ёмкость

Это соотношение ёмкости к массе или объему диэлектрика. Чем он тоньше, тем выше будет показатель. Негативной стороной повышения удельной ёмкости является то, что возрастают риски пробоя.

Плотность энергии

Она зависит от особенностей конструктивного исполнения электролитического конденсатора. Максимальная плотность бывает исключительно у больших конденсаторов. Это возможно благодаря тому, что масса корпуса является небольшой сравнительно с весом электролита и обкладок.

Давайте рассмотрим конденсатор EPCOS B4345. Он обладает емкостью в 12 000 мкФ. Максимально допустимое напряжение составляет 450 В. А общая масса равняется 1 килограмму и 900 граммам! При этом плотность энергии достигает показателя в 639 (845) Дж/кг (Дж/л). Где же могут найти себе применение конденсаторы с такими характеристиками? Иметь параметры указанного размера нужно там, где устройство необходимо использовать как накопитель энергии, чтобы в последующем резко её освободить. Пример использования – пушка Гаусса.

Емкость плоского конденсатора

Как и было обещано ранее, сейчас рассмотрим пример. Для начала давайте ознакомимся с одной небольшой формулой:

ЕПК=ДП*ЭП*П/Р, где

• ЕПК – емкость плоского конденсатора.
• ДП – диэлектрическая проницаемость среды, которая заполняет пространство, находящееся между пластинами. В вакууме этот показатель равен единице.
• Р – расстояние между пластинами конденсатора.
• ЭП – электрическая постоянная. Численно она равна 8,854187817·10⁻¹² Ф/м (справедливо в случаях, когда Р значительно меньше линейного размера пластин).
• П – площадь металлической пластины, которая расположена в конденсаторе.

Давайте подведём итог уравнения. Из преведенной выше формулы можно сделать заключение, что емкость у плоских конденсатором напрямую зависит от размера устройства, его формы, а также диэлектрической проницаемости. Учтобы создать прибор с большей характеристикой, необходимо будет сделать два действия:

• уменьшить толщину слоя диэлектрика в устройстве;
• увеличить площадь пластин, которые используются в конденсаторе.

Опасность разрушения

Взрывом электролитического конденсатора опытного практика удивить сложно. В качестве причины выхода из строя чаще всего называют перегрев устройства, который происходит из-за утечки или увеличения последовательного эквивалентного сопротивления. В повседневной жизни часто с таким встречаются владельцы компьютеров, у которых конденсаторы находятся около источников повышенного тепловыделения (в роли которых часто выступают радиаторы охлаждения). Чтобы избежать повреждения других деталей, а также травматизма, во многих моделях имеется вышибной предохранительный клапан. Также может быть нанесена насечка корпуса. Когда происходит повышение внутреннего давления, то пробой совершается, как правило, в помеченном месте. Это из-за того, что вырваться в данной точке энергии значительно легче. При этом обычно обходится без взрыва.

Применение на практике

Какую особенность имеет емкость конденсатора на практике? Она необходима в случаях, когда необходимо выбросить значительное количество энергии. В видимом для нас спектре их практическое применение обычно является незаметным. Но всё же можно убедится, что всё именно так. Примером этого являются случаи, когда емкость конденсатора используется в рельсотронах или других подобных устройствах. Главное в них – высвободить за доли секунд значительные объемы энергии, которые при этом будут двигаться в направлении, указанном человеком.

Заключение

Вот и закончен обзор ёмкости конденсатора – самого важного параметра данного устройства. Чем большая ёмкость конденсатора используется, тем осторожнее требуется работать с ним на практике. Так, старые устройства, которые изготавливались в герметичных оболочках, при внезапном выходе из строя могут нанести значительные повреждения человеку. Подобные замечания можно высказать и относительно дешевых конденсаторов, которые привозят к нам из Китая.