Электроемкость — основные понятия, формулы и определение с примерами

Одним из важных параметров, учитываемых в электрических цепях, является электрическая емкость – способность проводников накапливать заряды. Понятие емкости применяется как для уединенного проводника, так и для системы, состоящей из двух и более проводников. В частности, емкостью обладают конденсаторы, состоящие из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком или электролитом.

Для накопления зарядов широко применяютсяаккумуляторы, используемые в качестве источников постоянного тока для питания различных устройств. Количественной характеристикой, определяющей время работы аккумулятора, является его электроемкость.

Определение

Если диэлектрик, например, эбонитовую палочку, наэлектризовать трением то электрические заряды сконцентрируются в местах соприкосновения с электризующим материалом. При этом, другой конец палочки можно насытить зарядами противоположно знака и такая наэлектризованность будет сохраняться.

Совсем по-другому ведут себя проводники, помещенные электрическое поле. Заряды распределяются по их поверхности, образуя некий электрический потенциал. Если поверхность ровная, как у палочки, то заряды распределятся равномерно. Под действием внешнего электрического поля в проводнике происходит такое распределение электронов, чтобы внутри его сохранялся баланс взаимной компенсации негативных и позитивных зарядов.

Внешнее электрическое поле притягивает электроны на поверхность проводника, компенсируя при этом положительные заряды ионов. По отношению к проводнику имеет место электростатическая индукция, а заряды на его поверхности называются индуцированными. При этом на концах проводника плотность зарядов будет несколько выше.

На металлическом шаре заряды распределяются равномерно по всей поверхности. Наличие полости любой конфигурации абсолютно не влияет на процесс распределения.

Однако, если проводник убрать из зоны действия поля, то его заряды перераспределятся таким образом, что он снова станет электрически нейтральным.

На рисунке 1 изображена схема заряженного разнополюсного диэлектрика и проводника, удалённого из зоны действия электростатического поля. Благодаря тому, что диэлектрик сохраняет полученные заряды, уединенный проводник восстановил свою нейтральность.

Рис. 1. Распределение зарядов

Интересное явление наблюдается с двумя проводниками, разделенными диэлектриком. Если одному из них сообщить положительный заряд, а другому – отрицательный, то после убирания источника электризации заряды на поверхности проводников сохранятся. Заряженные таким образом проводники обладают разностью потенциалов.

Заряды, накопившиеся на диэлектрике, уравновешивают внутренние взаимодействие в каждом из проводников, не позволяя им разрядиться. Величина заряда зависит от площади поверхности параллельных проводников и от свойства диэлектрика, расположенного между ними.

Свойство сохранять накопленный заряд называется электроемкостью. Точнее говоря, – это характеристика проводника, физическая величина определяющая меру его способности в накоплении электрического заряда.

Накопленное электричество можно снять с проводников путем короткого замыкания их или через нагрузку. С целью увеличения емкости на практике применяют параллельные пластины или же длинные полоски тонкой фольги, разделённой диэлектриком. Полоски сворачивают в тугой цилиндр для уменьшения объема. Такие конструкции называют конденсаторами.

На рисунке 2 изображена схема простейшего конденсатора с плоскими обкладками.

Рис. 2. Схема простого конденсатора

Существуют конденсаторы других типов:

• переменные;
• электролитические;
• оксидные;
• бумажные;
• комбинированные и другие.

Важной характеристикой конденсатора, как и других накопительных систем, является его электрическая емкость.

Как измерить емкость

Существует некоторое количество способов измерения емкости конденсатора с помощью приборов и различных методик. В статье описывается использование мультиметра, осциллографа, тестера и мостовых измерителей.

Мультиметром

В начале, прежде чем начать измерение емкости конденсатора, его необходимо разрядить до полного исчезновения тока.

Как пример: сделать это с путем замыкания выводов отверткой.

Если пренебречь этим нюансом, то мультиметр может поломаться.

Измерить емкость с помощью мультиметра можно следующим образом: активируйте режим «Сх» и установите предел замера 2000 пФ, если он есть. На стандартном устройстве он равный 20 мкФ; Установите конденсатор в соответствующие гнезда в мультиметре или используйте щупы для подключения конденсатора. На экране прибора будет отображено значение емкости.

Осциллографом

Для измерения понадобиться кроме осциллографа собрать схему из тестируемого конденсатора, резистора и генератора синусоидальных колебаний.

Точки подключения осциллографа к схеме находятся до резистора и после конденсатора.

Частота колебаний генератора изменяется до получения на экране осциллографа одинаковых по амплитуде синусоидальных кривых. Это делается для точности измерений. Представьте как рассчитать емкость конденсатора с помощью амплитудных значений напряжений? Для этого требуется воспользоваться формулой UR/UC*2πfR подставив в нее измеренные значения. С его помощью также рассчитывается ток утечки конденсатора косвенным способом – через снижение напряжения на предварительно известном сопротивлении. Осциллограф способен вычислить емкость конденсаторов от 20 pF до 200 mkF.

Тестером не имеющим прямой функции

Для нахождения варианта, как определить емкость с помощью тестера без функции замера емкости, следует обратить внимание на формулу мгновенного значения тока во время его зарядки или разрядки i = С dU/dt.

Здесь дело в том, что кроме тестера и секундомера следует собрать схему с источником питания,

конденсатором и резистором с большим сопротивлением для увеличения длительности процесса зарядки или разрядки. После снятия всех показаний с тестера и секундомера можно, достаточно приближенно вычислить и узнать емкость. Зная, как определить емкость конденсатора современными приборами, будет несложно разобраться и с устройством со времен СССР. На экране происходит вывод не цифр, а отклонения стрелки, за которой важно внимательно следить. Измерение емкости осуществляется только на разряженном конденсаторе. Щупы выведите к контактам конденсатора, если он рабочий, то стрелка изначально отклонится, после чего по мере заряда займет исходную позицию. Скорость передвижения стрелки зависит от объема емкости. Если стрелка тестера не сдвинулась с места, либо эта величина минимальная или отклонилась и зависла в одном положении – это показатель неисправности конденсатора.

Мостовыми измерителями

Емкость конденсатора измеряется методом сравнения с эталонной емкостью. Для чего выполняется мостовая схема, где одно плечо работает с образцовым электрическим устройством, другое с тестируемым. Показания моста могут быть реализованы на цифровых носителях.

Формулы

На рисунке 3 наглядно показано формулы для определения емкости, в т. ч. и для сферы.

Рис. 3. Электроёмкость проводника

По отношению к конденсатору, для определения его емкости применяют формулу: C = q/U. То есть, эта величина прямо пропорциональна заряду одной из обкладок и обратно пропорциональна разнице потенциалов между обкладками (см. рис. 4).

Ёмкость конденсатора

О других способах определения ёмкости конденсатора читайте в нашей статье:

Единица измерения емкости

Емкость конденсатора: формула

Измерять емкостные показатели принято в фарадах. В России в вычислениях принято сокращать название единицы до заглавной буквы Ф, в международных документах она именуется латинской литерой – F. Названа она по имени английского физика Майкла Фарадея. За значение 1 Ф принимается такая емкость, при которой при транспортировке однокулонного заряда от одной обкладки к другой (или из одной точки в другую) напряжение между ними изменится на величину одного вольта.

Единица измерения электроёмкости в других системах

В систему СИ использование фарада для описания емкости внедрено в 1960 году. В гауссовой системе для этого используется статфарад. Сокращать такую единицу на письме принято как статФ. 1 статФ приблизительно равен 1,11 пикофарада и описывает емкость сферы, имеющей радиус 1 сантиметр и помещенной в вакуумную среду. Перевести значения той или иной величины во внесистемных единицах в принятые в СИ можно с помощью специальных калькуляторов.

Уединенный проводник и его емкость

Уединенным называют проводник, влиянием на который других элементов цепей можно пренебречь. Предполагается, что все другие проводники бесконечно удалены от него, а как известно, потенциал точки, бесконечно удаленной в пространстве, равен 0.

Электрическую емкость C уединенного проводника, определяют как количество электричества q, которое требуется для повышения электрического потенциала на 1 В: С = q/ϕ. Параметр не зависит от материала, из которого изготовлен проводник.

Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе

Напряжение, подаваемое на конденсатор, не должно превышать максимальное, так как может произойти пробой диэлектрика и выход элемента из строя.

Для анализа работы конденсатора в цепи переменного тока критерием для сравнения со значением максимально возможного следует брать амплитудную величину напряжения.

Это значит, что если на нем обозначено какое то максимальное напряжение DC WV , то в действительности при включении в сеть оно должно быть на 1,4 меньше.

Конденсаторы постоянной и переменной емкости

Эра накопителей электричества началась с воздушных конденсаторов. Благодаря плоскому конденсатору с большой площадью обкладок физики смогли понять, как взаимная емкость регулируется площадями пластин, что позволило им создать конденсаторы с переменной емкостью (см. рис. 5).

Рис. 5. Конденсатор переменной емкости

Идея изменения емкости состояла в том, чтобы путем поворота плоской обкладки изменять площадь поверхности, которая располагается напротив другой пластины. Если обкладки располагались точно друг против друга, то напряженность поля между ними была максимальной. При смещении одной из пластин на некоторый угол, напряженность уменьшалась, что приводило к изменению емкости. Таким образом, можно было плавно управлять накопительной способностью конденсатора.

Детали с переменной емкостью нашли применение в первых радиоприемниках для поиска частоты нужной станции. Данный принцип используется по сегодняшний день в различных аналоговых электрических схемах.

Большую популярность приобрели электролитические конденсаторы. В качестве одной из обкладок у них используется электролит, обладающий высокими показателями диэлектрической проницаемости. Благодаря диэлектрическим свойствам электролитов такие конденсаторы обладают большими емкостями.

Главные их преимущества электролитического конденсатора:

• высокие показатели емкости при малом объеме;
• применение в цепях с постоянным током.

Недостатки:

• необходимо соблюдать полярность;
• ограниченный срок службы;
• чувствительность к повышенным напряжениям.

Высокую электрическую прочность имеют плоские конденсаторы, у которых в качестве диэлектрического материала применяется керамика. Они используются в цепях с переменным током и выдерживают большие напряжения.

Сегодня промышленность поставляет на рынок множество конденсаторов различных типов, с высокими показателями проницаемости диэлектриков.

Конденсаторы различных типов

Конденсатор

Чтобы экспериментально определить электроемкость проводника, как и его потенциал, нужно создать условия, исключающие влияние всех окружающих тел, которые, влияя па тело, изменяют его потенциал и электроемкость.

Это утверждение можно проверить опытом. Укрепим на стержне электрометра металлический шар и сообщим ему определенный заряд. Стрелка прибора отклонится от положения равновесия и покажет определенное значение потенциала относительно земли.

Поднесем к шару металлическую пластину, соединенную проводником с землей (рис. 1.32).

Pиc. 132. Заземленная металлическая пластина влияет на электроемкость шара

Показания стрелки электрометра уменьшатся. Поскольку заряд шара в опыте не изменялся, то уменьшение потенциала свидетельствует об увеличении электроемкости шара. Изменение потенциала и соответственно электроемкости шара будет наблюдаться и в случае изменения расстояния между шаром и пластиной.

Таким образом, определяя электроемкость тела, необходимо учитывать также наличие окружающих тел. Поскольку на практике это сделать трудно, то применяют систему из двух или более проводников произвольной формы, разделенных диэлектриком. В этом случае электрические свойства такой системы проводников и диэлектрика не зависят от окружающих тел. Такую систему называют конденсатором. Простейшим для изучения и расчетов является конденсатор из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком.

Электроемкость конденсатора, в отличие от обособленного тела, определяется по разности потенциалов между пластинами:

где Q — заряд одной пластины; (φl- φ2) и ∆φ — разность потенциалов между пластинами.

Слово конденсатор обозначает накопитель. В электричестве понимают как «накопитель электрических зарядов».

Пример:

Какую электроемкость имеет конденсатор, если на его обкладках накапливается заряд 50 нКл при разности потенциалов 2,5 кВ?

Подставим значения физических величин:

Ответ: электроемкость данного конденсатора 20 пФ.

Первый конденсатор был создан в 1745 г. голландским ученым Питером ван Мушенбруком, профессором Лейденского университета. Проводя опыты по электризации различных тел, он опустил проводник от кондуктора электрической машины в стеклянный графин с водой (рис. 1.33).

Pиc. 133. Из истории открытия простейшего конденсатора лейденской банки

Случайно коснувшись пальцем этого проводника, ученый ощутил сильный электрический удар. В дальнейшем жидкость заменили металлическими проводниками, укрепленными на внутренней и внешней поверхностях банки. Такой конденсатор назвали лейденской банкой. В таком первозданном виде она использовалась в лабораториях более 200 лет.

Более совершенные конденсаторы применяются в современной электротехнике и радиоэлектронике. Их можно найти в преобразователях напряжения (адаптерах), питающих постоянным электрическим током электронные приборы, в радиоприемниках и радиопередатчиках как поставные части колебательных контуров. Они применяются практически во всех функциональных узлах электронной аппаратуры. В фотовспышках конденсаторы накапливают большие заряды, необходимые для действия вспышки.

В электротехнике конденсаторы обеспечивают необходимый режим работы электродвигателей, автоматических и релейных приборов, линий электропередач и т. п.

Во многих широкодиапазонных радиоприемниках конденсаторы переменной емкости (рис. 1.34) позволяют плавно изменять собственную частоту колебательного контура н процессе поиска передачи определенной радиостанции.

Рис. 134. Конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком

Весьма распространены конденсаторы варикапы, электроемкость которых можно изменять электрическим способом. Конструктивно они весьма схожи с полупроводниковыми диодами.

Конденсаторы могут быть плоскими, трубчатыми, дисковыми. В качестве диэлектрика в них используют парафинированную бумагу, слюду, воздух, пластмассы, керамику (рис. 1.35).

Рис. 1.35. Различные типы конденсаторов

Искусственно созданные диэлектрические материалы позволяют создавать конденсаторы больших емкостей при небольших размерах.

Аккумуляторы и электроемкость

Накопители электричества большой емкости (аккумуляторы) состоят из положительных и негативных пластин, погруженных в электролит. Во время зарядки часть атомов электролита распадается на ионы, которые оседают на пластине. Образуется разность потенциалов между пластинами, что является причиной возникновения ЭДС при подключении нагрузки.

С целью увеличения напряжения аккумуляторы последовательно соединяют в батареи. Разница потенциалов одной секции около 2 В. Для получения аккумулятора на 6 В необходимо создать батарею из трех секций, а на 12 В – батарею из 6 секций.

Для характеристики аккумуляторов (батарей) используются параметры:

• емкости;
• номинального напряжения;
• максимального тока разряда.

Единицей емкости аккумулятора является ампер-час (А*ч) или кратные ей миллиампер-часы (мА*ч). Емкость аккумулятора зависит от площади пластин. Увеличить емкость можно путем параллельного подключения нескольких секций, но такой способ почти не применяется, так как проще и надежнее создать аккумулятор с большими пластинами.

Выводы

1. Электроемкость батареи важнейший показатель количества электрической энергии и продолжительности ее работы, выраженные в числовых значениях. Ее можно определить, подсчитать, увеличить используя различные методы.
2. Емкость батареи (объем) может быть различной как для первичных источников, так и для вторичных, но вторые можно повторно заряжать с помощью ЗУ (зарядных устройств).
3. Емкость батарейки зависит от типа элемента, химической реакции, внешних условий, тока нагрузки, срока годности и способа эксплуатации. При нарушении правил использования можно быстро испортить батарейку, а при грамотном подходе время ее использования можно значительно продлить.
4. Батарейки или аккумуляторы, изготовленные известными производителями, как правило, хорошо зарекомендовали себя на потребительском рынке, тем, что гарантируют заявленные технические характеристики и качественную бесперебойную службу в устройствах длительное время.

Маркировка конденсаторов в зависимости от ёмкости

При приобретении элементов, соответствующих расчетным данным для той или иной цепи, пользователю нужно уметь расшифровывать обозначения на корпусах устройств, информирующие, сколько емкости они способны накопить. У различных производителей приняты разные системы маркировки радиодеталей.

Кодировка маленьких по размерам устройств

На корпусах советских радиодеталей было принято обозначать пикофарады целым числом (например, 25). Если на такой детали параметр указан числом, содержащим десятичную дробную часть, подразумеваются микрофарады. Сами буквенные обозначения (пФ, мкФ и им подобные) прописывать на корпусах было не принято.

Важно! Что касается российских изделий, нанофарады и микрофарады указываются традиционными сокращениями, в которых редуцируется буква Ф (получается «н» и «мк», соответственно). Емкость, исчисляющуюся в пикофарадах, указывают только числом, как и у советских деталей.

Когда латинская приставка, указывающая кратную единицу, находится перед числом, последнее нужно считать как сотые доли. К примеру, n45 означает 0,45 нанофарад. Когда приставка находится в середине числа, на ее месте полагается быть запятой: 4u3 – 4,3 микрофарад. Применяется и трехзначная пикофарадная кодировка: когда последняя из цифр не больше 6, чтобы получить емкостное значение, к первым двум цифрам нужно приписать число нулей, соответствующее этой цифре (340 – 34 пикофарада, 342 – 3400). Цифры 7, 8 и 9 соответствуют перемножениям двузначного числа на 0,001, 0,01 и 0,1, соответственно.

Используется также обозначение номиналов изделий цветными полосами. Указание емкостного параметра регламентируется стандартом EIA.

Кодировка больших по размерам устройств

У крупногабаритных компонентов, к примеру, электролитических из алюминия, данные о параметрах, включая емкостной показатель, указываются на поверхности корпуса. Обычно емкость таких деталей выражается в микрофарадах. Буквы M или MFD символизируют именно эту единицу. Трехзначная аббревиатура может указываться и строчными буквами – mfd.

Маркировка крупных деталей

Кратные единицы ёмкости

Единица измерения силы тока

В большинстве случаев в электротехнике оперируют деталями с малыми значениями емкостей. Иногда можно увидеть такие обозначения, как 10uf конденсатор. Малоопытный человек может не сразу понять, что значит аббревиатура uf. Следует усвоить, что наиболее распространенными в описании емкостных элементов являются следующие единицы: пикофарад (или пФ, он равен 10-12 Ф), нанофарад (нФ, 10-9 Ф) и микрофарад (мкФ, 10-6 Ф). Указание емкости конденсатора в uf обозначает именно микрофарады. Целесообразно приобрести таблицу перевода измерительных единиц разных масштабов друг в друга.

Кратные единицы на практике применяются не настолько часто. У некоторых ионисторных деталей с бинарным электрическим слоем емкостной показатель может измеряться килофарадами (кФ, 1000 Ф). Значение у стандартных конденсаторных элементов обычно не превышает сотни фарад.

Ионистор номиналом в 1 фарад

Проверка

Как отмечалось ранее, емкость устройства проставляется на его корпусе. Проверить паспортную величину и имеющуюся емкость устройства можно при помощи тестера с режимом «СХ». Например, для этого подойдут популярные модели M890D, AM-1083, DT9205A, UT139C, другие. Далее надо будет:

1. Выпаять и разрядить устройство. Разрядка проводится строго изолированным металлическим предметом.
2. Вставить ножки конденсатора в пазы «СХ», соблюдая полярность.
3. Прибор отобразит на табло результат измерений. Его нужно будет сравнить с тем, который прописан в маркировке на его корпусе. Если значения между собой сильно отличаются, то это говорит о том, что элемент неисправный и требует замены.

Если мультиметр показал наличие бесконечной емкости, то это говорит о коротком замыкании внутри корпуса устройства и оно так же признается неисправным, требующим замены. Кроме того неисправность всегда можно определить визуально по трещинам или вздутию корпуса.