Господа, сегодня я решил начать разговор про электрическую емкость и конденсаторы. На эту тему будет несколько статей. Некоторое время я колебался к какой же рубрике их отнести: к постоянному току или к переменному току, но потом решил, что каждая статья будет помещена в ту рубрику, к которой она ближе. Сегодняшняя статья – ознакомительная, она будет в рубрике постоянного тока.
Что вообще такое конденсатор? Конденсатор – это два проводника, разделённые слоем диэлектрика. При этом желательно, чтобы толщина слоя диэлектрика была меньше размеров пластин.
Что, неужели вот прям так вот все просто? Неужели можно взять две металлические пластинки (чем не проводники?), расположить их рядом друг с другом (воздух чем не диэлектрик?) и будет прям-таки конденсатор? Да, это действительно так! Между двумя пластинками в воздухе будет некоторая емкость и в общем случае эта система попадает под определение конденсатора. Другое дело, насколько хороши параметры будут у такого самопального конденсатора... Впрочем, про параметры потом. Давайте сейчас разберемся, какие процессы происходят в конденсаторе при подсоединении его к источнику постоянного напряжения.
Господа, прошу вас сейчас устремить ваше внимание на рисунок 1.
Рисунок 1 – Процессы в конденсаторе
Да, внешне выглядит как-то немного стремно, но сейчас все обсудим и станет понятнее. Итак, мы там видим две пластины конденсатора: красную и синюю. Красную пластину мы подключаем к плюсу источника постоянного напряжения, а синюю – к минусу. После этого мы включаем источник. Что при этом произойдет? В первый момент возникнет некоторый электрический ток: электрончики побегут от минуса источника по синему проводу. Бегут они бегут себе, добегают до синей пластины и тут бац – внезапно диэлектрик (который между обкладками конденсатора)! Что делать? А ничего не делать. Через диэлектрик им не пробраться. Для них это непреодолимая стена. Поэтому они начинают накапливаться на синей пластине. При этом растет отрицательный заряд -q синей пластины, обусловленный избытком электронов. Пусть они себе там копятся пока что, а мы пока рассмотрим, что же делается на красной пластине.
Там происходят похожие процессы, только чуть наизнанку. На самом деле электрончики с нее начинают постепенно убегать и на красной пластине начинает формироваться некоторый положительный заряд +q, обусловленный дефицитом электронов. Они бегут с нее по красному проводу на плюс источника питания. И самое интересное то, что сколько электрончиков убежало с минуса источника через синий провод, ровно столько же возвратиться через красный провод на плюс источника (заряды +q и -q будут равны между собой). Еще раз! Сколько убежало с минуса источника, столько же придет на плюс источника. И это не смотря на то, что цепь фактически разомкнута: между обкладками конденсатора диэлектрик, который не проводит ток! Как же так выходит-то? Что бы хорошо это понять, рекомендую вам ознакомиться вот с этой моей статьей про электрическое поле. Здесь физика процесса похожая. Электроны, которые добегают до минуса и упираются в диэлектрик не могут бежать дальше, это да. Но они могут и создают электрическое поле, которое через этот слой диэлектрика воздействует на электроны на красной обкладке и как бы выталкивают их с нее дальше по проводу. Силовые линии этого поля показаны на рисунке 1 черными линиями. Таким образом, ток течек как в синем проводе, так и в красном и оба эти тока равны между собой. Что же касается электрического поля, то оно в основном оказывается сосредоточенным между обкладками конденсатора. В идеале оно вообще все внутри, но на деле, конечно, такого не получается.
Но давайте снова вернемся к процессу накопления заряда на обкладках конденсатора. До какой поры ему там копиться? Не до бесконечности же? Конечно нет! Вспомним статью про напряжение. Чем больше у нас избыток электронов на синей обкладке конденсатора и чем болше их недостаток на красной, тем больше напряжение на конденсаторе. То есть одновременно с тем, как электроны накапливаются на одной обкладке конденсатора и убегают с другой, на конденсаторе растет напряжение. И этот процесс остановится тогда, когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением на источнике питания. Вообще говоря, если подходить к вопросу формально, то напряжение на конденсаторе никогда не станет точно равным напряжению источника, оно будет бесконечно к нему стремиться, но все-таки всегда будет чуть-чуть меньше. Почему так – обсудим позднее. Сейчас скажу лишь что на практике практически всегда этим пренебрегают, считая, что конденсатор заряжается полностью до напряжения, равного напряжению питания. Итак, как только прибежит такое количество электронов, что напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением источника питания, ток в цепи прекратится. Одновременно с этим прекратится дальнейший заряд конденсатора. Здесь опять же, уже в который раз, уместно привести аналогию с гидравликой. С водичкой, в общем. Представим себе, что к крану (аналог источника напряжения) подключен через шланг (аналог проводов) какой-либо резервуар. Подключение должно быть герметичным, иначе аналогия не будет верна. Мы открываем кран и водичка по шлангу побежит в резервуар и будет там скапливаться (аналогично электроны бегут к конденсатору и там образуется заряд). Вода прекратит течь ровно тогда, когда давление воды в резервуаре станет равным давлению воды в трубах (аналогично заряд конденсатора прекратится, когда напряжение на нем сравнится с напряжением источника). При перекрытии крана и отсоединении шланга вода, само собой, останется в резервуаре.
И теперь самое интересное. Мы берем и отсоединяем конденсатор от источника питания. При этом избыток электронов на синей пластине по сравнению с красной пластиной сохранится. А это значит, что при отсоединении конденсатора от источника он сам, будет выдавать напряжение, до которого он зарядился! Он может работать как источник напряжения. То есть, если мы присоединим к его обкладкам какой-либо резистор, то через него потечет ток. Правда есть одно большое и важное отличие заряженного конденсатора от полноценного источника напряжения. При работе на нагрузку напряжение на конденсаторе будет падать, причем чем больше течет ток, тем быстрее будет происходить падение напряжения. Причина я думаю понятна – при протекании электрического тока электроны с синей обкладки будут возвращаться на красную до тех пор, пока заряд каждой из обкладок не станет равным нулю. Тогда ток прекратится. В отличии от полноценного источника напряжения здесь нет сторонних сил, за счет которых напряжение может поддерживаться на постоянном уровне.
А вообще как долго может поддерживаться этот самый ток разрядки изолированного конденсатора? И от чего зависит количество накопленных электронов на обкладках? Разумно предположить, что это как-то должно зависеть от конфигурации конденсатора. Может быть от расстояния между пластинами? Или от их размера? Да и чем вообще характеризовать конденсатор? На все эти вопросы ответы есть. Конденсатор в первую очередь характеризуется электрической емкостью. Электрическая емкость – это отношение заряда конденсатора к напряжению на нем.
Под зарядом q конденсатора здесь понимается заряд +q или -q любой из обкладок, поскольку они равны между собой.
Измеряется емкость в Фарадах (Ф):
Емкость в 1 Ф считается очень большой. Емкостями такого порядка обладает только особый тип конденсаторов – ионисторы. Обычно на практике конденсаторы имеют емкость от единиц пикофарад (10-12) до единиц милифарад (10-3).
Вообще это определение емкости может показаться немного странным. Откуда нам взять заряд? Что еще за напряжение, чему оно, собственно, равно? Господа, фишка тут в том, что напряжение на конденсаторе прямо пропорционально накопленному в нем заряду:
В принципе, это логично. Чем больше электронов скопилось на синей обкладке и чем больше убежало с красной, тем больше будет напряжение. А вот какова именно эта зависимость, какой на деле коэффициент пропорциональности между зарядом и напряжением – это уже определяется самим устройством конденсатора, то есть его емкостью.
Нетерпеливый читатель сейчас вполне может сказать что-то вроде «Ну да, да, все замечательно, я понял, что заряд прямо пропорционален напруге. Но вот я уже взял два куска фольги с кухни, проложил между ними целлофановый пакет и мне не терпится узнать, какую я получил емкость? Мне что, предлагается зарядить это добро от батарейки до какого-то напряжения и потом каким-то неведомым образом считать число переизбытка электронов на минусовом куске фольги? 
» Нет, конечно, нет, господа. Никакие электроны мы не будем пересчитывать, еще не хватало. Приведенная нами формула – это лишь формальное определение емкости, тем не менее иногда оно будет нам полезно. Саму же емкость считаем по другой формуле. Она весьма проста и с вашего позволения я не буду приводить ее вывод. Итак, формула для расчета емкости вот такого вот плоского конденсатора выглядит следующим образом
где
С – наша емкость, которую мы ищем;
ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Того самого, которые между двумя пластинами. Про нее мы упоминали вот в этой статье. Тем, кто пропустил, напоминаю – величина табличная, для каждого материала своя. Если нужна для какого-либо вашего материала – гугл в помощь;
ε0 = 8,85·10-12 – электрическая постоянная. Что сие такое мы кратко рассмотрели здесь. Если лень углубляться, но надо посчитать емкость – просто берите ее равной 8,85·10-12 и все 
;
S – площадь пластины конденсатора. Любой на выбор – синей или красной, полагается, что они одинаковые;
d – расстояние между пластинами конденсатора.
Если мы подставим площадь в квадратных метрах, а расстояние между пластинами просто в метрах, то получим емкость в фарадах. Теперь зная конфигурацию вашего конденсатора вы легко сможете рассчитать его емкость.
В моей инженерной практике приходилось самому проектировать подобного рода конденсаторы и сейчас я расскажу про этот процесс. Для работы узла одного устройства надо было организовать конденсатор емкостью примерно в 1 пФ, рассчитанный на напряжение порядка 300 В. Необходимо было обеспечить минимально возможные габариты и по возможности не использовать буржуйскую элементную базу. Поэтому было принято решение сделать такой конденсатор на печатной плате. Взгляните на рисунок 2.
Рисунок 2 – Самодельный конденсатор
В качестве диэлектрика конденсатора здесь выступает, собственно, само основание печатной платы. Оно у меня было из стеклотекстолита марки FR-4 с диэлектрической проницаемостью ε = 4,5. Толщина стеклотекстолита была 1,5 мм. В качестве обкладок конденсатора – площадки из медной фольги, расположенные одна над другой. Итак, у нас задана емкость, расстояние между обкладками конденсатора и диэлектрическая проницаемость диэлектрника. Остается рассчитать площадь медных полигонов, которые нам надо будет заложить в нашу печатную плату. Для этого просто выражаем S из нашей формулы для емкости и подставляем циферки.
То есть в качестве обкладок конденсатора могут выступать медные полигоны квадратной формы с размерами сторон
Вполне себе адекватные размеры, которые не сложно организовать. Хочу отметить, что устройство с такими вот самодельными конденсаторами было изготовлено и вполне себе успешно работает до сих пор.
В заключении хотелось бы сказать, что при проектировании вот таких вот самодельных конденсаторов следует иметь ввиду, что такой подход позволяет получить конденсаторы с весьма примерными и относительно нестабильными параметрами. Дело в том, что диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита величина не постоянная от партии к партии и может претерпевать изменения в диапазоне температур. В моем применении величина этой емкости была некритичной величиной, она могла изменяться на десятки процентов в процессе работы без серьезных последствий для изделия. Если же требуется большая точность и стабильность конденсатора, безусловно, следует отдать предпочтение конденсаторам промышленного производства с качественным диэлектриком.
На этом мы заканчиваем первую статью про конденсаторы. Продолжение следует. Всем вам огромной удачи, и пока!
Вступайте в нашу группу Вконтакте
Вопросы и предложения админу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.