Напряжение конденсаторе цепи переменного тока. Сопротивление конденсатора переменному току. Схема замещения конденсатора с параллельным соединением элементов

В которой генератор переменного тока создает синусоидальное напряжение. Разберем последовательно, что произойдет в цепи, когда мы замкнем ключ. Начальным будем считать тот момент, когда напряжение генератора равно нулю.

В первую четверть периода напряжение на зажимах генератора будет возрастать, начиная от нуля, и конденсатор начнет заряжаться. В цепи появится ток, однако в первый момент заряда конденсатора, несмотря на то, что напряжение на его пластинах только что появилось и еще очень мало, ток в цепи (ток заряда) будет наибольшим. По мере же увеличения заряда конденсатора ток в цепи убывает и доходит до нуля в момент, когда конденсатор полностью зарядится. При этом напряжение на пластинах конденсатора, строго следуя за напряжением генератора, становится к этому моменту максимальным, но обратного знака, т. е. направлено навстречу напряжению генератора.

Рис. 1. Изменение тока и напряжения в цепи с емкостью

Таким образом, ток с наибольшей силой устремляется в свободный от заряда конденсатор, но тут же начинает убывать по мере заполнения зарядами пластин конденсатора и падает до нуля, полностью зарядив его.

Сравним это явление с тем, что происходит с потоком воды в трубе, соединяющей два сообщающихся сосуда (рис. 2),один из которых наполнен, а другой пустой. Стоит только выдвинуть заслонку, преграждающую путь воде, как вода сразу же из левого сосуда под большим напором устремится по трубе в пустой правый сосуд. Однако тотчас же напор воды в трубе начнет постепенно ослабевать, вследствие выравнивания уровней в сосудах, и упадет до нуля. Течение воды прекратится.

Рис. 2. Изменение напора воды в трубе, соединяющей сообщающиеся сосуды, сходно с изменением тока в цепи во время заряда конденсатора

Подобно этому и ток сначала устремляется в незаряженный конденсатор, а затем постепенно ослабевает по мере его заряда.

С началом второй четверти периода, когда напряжение генератора начнет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее убывать, заряженный конденсатор будет разряжаться на генератор, что вызовет в цепи ток разряда. По мере убывания напряжения генератора конденсатор все больше и больше разряжается и ток разряда в цепи возрастает. Направление тока разряда в этой четверти периода противоположно направлению тока заряда в первой четверти периода. Соответственно этому кривая тока, пройдя нулевое значение, располагается уже теперь ниже оси времени.

К концу первого полупериода напряжение на генераторе, а также и на конденсаторе быстро приближается к нулю, а ток в цепи медленно достигает своего максимального значения. Вспомнив, что величина тока в цепи тем больше, чем больше величина переносимого по цепи заряда, станет ясным, почему ток достигает максимума тогда, когда напряжение на пластинах конденсатора, а следовательно, и заряд конденсатора быстро убывают.

С началом третьей четверти периода конденсатор вновь начинает заряжаться, но полярность его пластин, так же как и полярность генератора, изменяется «а обратную, а ток, продолжая течь в том же направлении, начинает по мере заряда конденсатора убывать, В конце третьей четверти периода, когда напряжения на генераторе и конденсаторе достигают своего максимума, ток становится равным нулю.

В последнюю четверть периода напряжение, уменьшаясь, падает до нуля, а ток, изменив свое направление в цепи, достигает максимальной величины. На этом и заканчивается период, за которым начинается следующий, в точности повторяющий предыдущий, и т. д.

Итак, под действием переменного напряжения генератора дважды за период происходят заряд конденсатора (первая и третья четверти периода) и дважды его разряд (вторая и четвертая четверти периода). Но так как чередующиеся один за другим сопровождаются каждый раз прохождением по цепи зарядного и разрядного токов, то мы можем заключить, что по цепи с емкостью проходит .

Убедиться в этом можно на следующем простом опыте. Подключите к сети переменного тока через лампочку электрического освещения мощностью 25 Вт конденсатор емкостью 4-6 мкф. Лампочка загорится и не погаснет до тех пор, пока не будет разорвана цепь. Это говорит о том, что по цепи с емкостью проходил переменный ток. Однако проходил он, конечно, не сквозь диэлектрик конденсатора, а в каждый момент времени представлял собой или ток заряда или ток разряда конденсатора.

Диэлектрик же, как нам известно, поляризуется под действием электрического поля, возникающего в нем при заряде конденсатора, и поляризация его исчезает, когда конденсатор разряжается.

При этом диэлектрик с возникающим в нем током смещения служит для переменного тока своего рода продолжением цепи, а для постоянного разрывает цепь. Но ток смещения образуется только в пределах диэлектрика конденсатора, и поэтому сквозного переноса зарядов по цепи не происходит.

Сопротивление, оказываемое конденсатором переменному току, зависит от величины емкости конденсатора и от частоты тока.

Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд переносится по цепи за время заряда и разряда конденсатора, а следовательно, и тем больший будет ток в цепи. Увеличение же тока в цепи свидетельствует о том, что уменьшилось ее сопротивление.

Следовательно, с увеличением емкости уменьшается сопротивление цепи переменному току.

Увеличение увеличивает величину переносимого по цепи заряда, так как заряд (а равно и разряд) конденсатора должен произойти быстрее, чем при низкой частоте. В то же время увеличение величины переносимого в единицу времени заряда равносильно увеличению тока в цепи, а следовательно, уменьшению ее сопротивления.

Если же мы каким-либо способом будем постепенно уменьшать частоту переменного тока и сведем ток к постоянному, то сопротивление конденсатора, включенного в цепь, будет постепенно возрастать и станет бесконечно большим (разрыв цепи) к моменту появления в .

Следовательно, с увеличением частоты уменьшается сопротивление конденсатора переменному току.

Подобно тому как сопротивление катушки переменному току называют индуктивным, сопротивление конденсатора принято называть емкостным.

Таким образом, емкостное сопротивление тем больше, чем меньше емкость цепи и частота питающего ее тока.

Емкостное сопротивление обозначается через Хс и измеряется в омах.

Зависимость емкостного сопротивления от частоты тока и емкости цепи определяется формулой Хс = 1/ ωС, где ω - круговая частота, равная произведению 2 πf , С-емкость цепи в фарадах.

Емкостное сопротивление, как и индуктивное, является реактивным по своему характеру, так как конденсатор не потребляет энергии источника тока.

Формула для цепи с емкостью имеет вид I = U/Xc , где I и U - действующие значения тока и напряжения; Хс - емкостное сопротивление цепи.

Свойство конденсаторов оказывать большое сопротивление токам низкой частоты и легко пропускать токи высокой частоты широко используется в схемах аппаратуры связи.

С помощью конденсаторов, например, достигается необходимое для работы схем разделение постоянных токов и токов низкой частоты от токов высокой частоты.

Если нужно преградить путь току низкой частоты в высокочастотную часть схемы, последовательно включается конденсатор небольшой емкости. Он оказывает большое сопротивление низкочастотному току и в то же время легко пропускает ток высокой частоты.

Если же надо не допустить ток высокой частоты, например, в цепь питания радиостанции, то используется конденсатор большой емкости, включаемый параллельно источнику тока. Ток высокой частоты в этом случае проходит через конденсатор, минуя цепь питания радиостанции.

Активное сопротивление и конденсатор в цепи переменного тока

На практике часто встречаются случаи, когда в цепи последовательно с емкостью Общее сопротивление цепи в этом случае определяется по формуле

Следовательно, полное сопротивление цепи, состоящей из активного и емкостного сопротивлений, переменному току равно корню квадратному из суммы квадратов активного и емкостного сопротивлений этой цепи.

Закон Ома остается справедливым и для этой цепи I = U/Z .

На рис. 3 приведены кривые, характеризующие фазовые соотношения между током и напряжением в цепи, содержащей емкостное и активное сопротивления.

Рис. 3. Ток, напряжение и мощность в цепи с конденсатором и активным сопротивлением

Как видно из рисунка, ток в этом случае опережает напряжение уже не на четверть периода, а меньше, так как активное сопротивление нарушило чисто емкостный (реактивный) характер цепи, о чем свидетельствует уменьшенный сдвиг фаз. Теперь уже напряжение на зажимах цепи определится как сумма двух слагающих: реактивной слагающей напряжения u с, идущей на преодоление емкостного сопротивления цепи, и активной слагающей напряжения преодолевающей активное ее сопротивление.

Чем больше будет активное сопротивление цепи, тем меньший сдвиг фаз получится между током и напряжением.

Кривая изменения мощности в цепи (см. рис. 3) дважды за период приобрела отрицательный знак, что является, как нам уже известно, следствием реактивного характера цепи. Чем менее реактивная цепь, тем меньше сдвиг фаз между током и напряжением и тем большую мощность источника тока эта цепь потребляет.

Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то такая цепь будет разомкнутой, так как обкладки конденсатора разделяет диэлектрик, и ток в цепи идти не будет. Иначе происходит в цепи переменного тока. Переменный ток способен течь в цепи, если она содержит конденсатор. Это происходит не из-за того, что заряды вдруг получили возможность перемещаться между пластинами конденсатора. В цепи переменного тока происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора, который в нее включен благодаря действию переменного напряжения.

Рассмотрим цепь на рис.1, которая включает конденсатор. Будем считать, что сопротивление проводов и обкладок конденсатора не существенно, напряжение переменного тока изменяется по гармоническому закону:

По определению емкость на конденсаторе равна:

Следовательно, напряжение на конденсаторе:

Из выражения (3), очевидно, что заряд на конденсаторе будет изменяться по гармоническому закону:

Сила тока равна:

Сравнивая законы колебаний напряжения на конденсаторе и силы тока, видим, что колебания тока опережают напряжение на . Этот факт отражает то, что в момент начала зарядки конденсатора сила тока в цепи является максимальной при равенстве нулю напряжения. В момент времени, когда напряжение достигает максимума, сила тока падает до нуля.

В течение периода, при зарядке конденсатора до максимального напряжения, энергия, поступающая в цепь, запасается на конденсаторе, в виде энергии электрического поля. За следующую четверть периода данная энергия возвращается обратно в цепь, когда конденсатор разряжается.

Амплитуда силы тока (), исходя из выражения (5), равна:

Емкостное сопротивление конденсатора

Физическую величину, равную обратному произведению циклической частоты на емкость конденсатора называют его емкостным сопротивлением ():

Роль емкостного сопротивления уподобляют роли активного сопротивления (R) в законе Ома:

где - амплитудное значение силы тока; - амплитуда напряжения. Для емкостного сопротивления действующая величина силы тока имеет связь с действующим значением напряжения аналогичную выражению (8) (как сила тока и напряжение для постоянного тока):

На основании (9) говорят, что сопротивление конденсатора переменному току.

При увеличении емкости конденсатора растет ток перезарядки. Тогда как сопротивление конденсатора постоянному току является бесконечно большим (в идеальном случае), ёмкостное сопротивление конечно. С увеличением емкости и (или) частоты уменьшается.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Это легко подтвердить опытами. Можно зажечь лампочку, присоединив ее к сети переменного тока через конденсатор. Громкоговоритель или телефонные трубки будут продолжать работать, если их присоединить к приемнику не непосредственно, а через конденсатор.

Конденсатор представляет собой две или несколько металлических пластин, разделенных диэлектриком. Этим диэлектриком чаще всего бывает слюда, воздух или керамика, являющиеся наилучшими изоляторами. Вполне естественно, что постоянный ток не может пройти через такой изолятор. Но почему же проходит через него переменный ток? Это кажется тем более странным, что такая же самая керамика в виде, например, фарфоровых роликов прекрасно изолирует провода переменного тока, а слюда прекрасно выполняет функции изолятора в ах, электроутюгах и других нагревательных приборах, исправно работающих от переменного тока.

Посредством некоторых опытов мы могли бы «доказать» еще более странный факт: если в конденсаторе заменить диэлектрик со сравнительно плохими изоляционными свойствами другим диэлектриком, который является лучшим изолятором, то свойства конденсатора изменятся так, что прохождение переменного тока через конденсатор будет не затруднено, а, наоборот, облегчено. Например, если включить лампочку в цепь переменного тока через конденсатор с бумажным диэлектриком и затем заменить бумагу таким прекрасным изолятором; как стекло или фарфор такой же толщины, то лампочка начнет гореть ярче. Подобный опыт позволит прийти к заключению, что переменный ток не только проходят через конденсатор, но что он к тому же проходит тем легче, чем лучшим изолятором является его диэлектрик.

Однако, несмотря на всю кажущуюся убедительность подобных опытов, электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Диэлектрик, разделяющий пластины конденсатора, служит надежной преградой на пути тока, каким бы он ни был — переменным или постоянным. Но это еще не означает, что тока не будет и во всей той цепи, в которую включен конденсатор.

Конденсатор обладает определенным физическим свойством, которое мы называем емкостью. Это свойство состоит в способности накапливать на обкладках электрические заряды. Источник электрического тока можно грубо уподобить насосу, перекачивающему в цепи электрические заряды. Если ток постоянный, то электрические заряды перекачиваются все время в одну сторону.

Как же будет вести себя в цепи постоянного тока конденсатор?

Наш «электрический насос» будет качать заряды на одну его обкладку и откачивать их с другой обкладки. Способность конденсатора удерживать на своих обкладках (пластинах) определенную разницу количества зарядов и называется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше электрических зарядов может быть на одной обкладке по сравнению с другой.

В момент включения тока конденсатор не заряжен — количество зарядов на его обкладках одинаково. Но вот ток включен. «Электрический насос» заработал. Он погнал заряды на одну обкладку и начал откачивать их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней начал протекать ток. Ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не зарядится полностью. По достижении этого предела ток прекратится.

Следовательно, если в цепи постоянного тока есть конденсатор, то после ее замыкания ток в ней будет течь столько времени сколько нужно для полного заряда конденсатора.

Если сопротивление цепи, через которую заряжается конденсатор, сравнительно невелико, то время заряда оказывается очень коротким: оно длится ничтожные доли секунды, после чего течение тока прекращается.

Иное дело в цепи переменного тока. В этой цепи «насос» перекачивает электрические заряды то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора превышение количества зарядов по сравнению с количеством их на другой обкладке, насос начинает перекачивать их в обратно направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на присутствие не проводящего ток конденсатора, будет существовать ток — ток заряда и разряда конденсатора.

От чего будет зависеть величина этого тока?

Под величиной тока мы понимаем количество электрических зарядов, протекающих в единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем, больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется для его «заполнения», значит тем сильнее будет ток в цепи. Емкость конденсатора зависит от ве-, личины пластин, расстояния между ними и рода разделяющего их диэлектрика, его диэлектрической проницаемости. У фарфора диэлектрическая проницаемсклъ больше, чем у бумаги, поэтому при замене в конденсаторе бумаги фарфором ток в цепи увеличивается, хотя фарфор является лучшим изолятором, чем бумага.

Величина тока зависит также от его частоты. Чем выше частота, тем больше будет ток. Легко понять, почему это происходит, представив себе, что мы наполняем водой через трубку сосуд емкостью, например, 1 л и затем выкачиваем ее оттуда. Если этот процесс будет повторяться 1 раз в секунду, то по трубке в секунду будет проходить 2 л воды: 1 л в одну сторону и 1 л — в другую. Но если мы удвоим частоту^ процесса: будем наполнять и опорожнять сосуд 2 раза в секунду, то по трубке в секунду пройдет уже 4 л воды — увеличение частоты процесса при неизменной емкости сосуда привело к соответствующему увеличению количества воды, протекающей по трубке.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводк: электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Но в цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течет ток заряда и разряда этого конденсатора. Чем больше емкость конденсатора и выше частота тока, тем сильнее будет этот ток.

Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике. На ней основано и излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует емкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.

Рассмотрим процессы, протекающие в электрической цепи переменного тока с конденсатором. Если подключить конденсатор к источнику постоянного тока, то в цепи возникнет кратковременный импульс тока, который зарядит конденсатор до напряжения источника, а затем ток прекратится. Если заряженный конденсатор отключить от источника постоянного тока и соединить его обкладки с выводами лампы накаливания, то конденсатор будет разряжаться, при этом наблюдается кратковременная вспышка лампы.

При включении конденсатора в цепь переменного тока процесс его зарядки длится четверть периода. После достижения амплитудного значения напряжение между обкладками конденсатора уменьшается и конденсатор в течение четверти периода разряжается. В следующую четверть периода конденсатор вновь заряжается, но полярность напряжения на его обкладках изменяется на противоположную и т.д. Процессы зарядки и разрядки конденсатора чередуются с периодом, равным периоду колебаний приложенного переменного напряжения.

Как и в цепи постоянного тока, через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, электрические заряды не проходят. Но в результате периодически повторяющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора по проводам, соединенным с его выводами, течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная последовательно с конденсатором в цепь переменного тока (рис. 6), кажется горящей непрерывно, так как человеческий глаз при высокой частоте колебаний силы тока не замечает периодического ослабления свечения нити лампы.

Установим связь между амплитудой колебаний напряжения на обкладках конденсатора и амплитудой колебаний силы тока. При изменениях напряжения на обкладках конденсатора по гармоническому закону

заряд на его обкладках изменяется по закону:

Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора: i = q’. Поэтому колебания силы тока в цепи происходят по закону:

Следовательно, колебания напряжения на обкладках конденсатора в цепи переменного тока отстают по фазе от колебаний силы тока на р/2 или колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на р/2 (рис. 7). Это означает, что в момент, когда конденсатор начинает заряжаться, сила тока максимальна, а напряжение равно нулю. После того как напряжение достигает максимума, сила тока становится равной нулю и т.д.

Произведение U m ⋅щ⋅C является амплитудой колебаний силы тока:

Отношение амплитуды колебаний напряжения на конденсаторе к амплитуде колебаний силы тока называют емкостным сопротивлением конденсатора (обозначается Х C):

Связь между амплитудным значением силы тока и амплитудным значением напряжения по форме совпадает с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока, в котором вместо электрического сопротивления фигурирует емкостное сопротивление конденсатора:

Емкостное сопротивление конденсатора, как и индуктивное сопротивление катушки, не является постоянной величиной. Оно обратно пропорционально частоте переменного тока. Поэтому амплитуда колебаний силы тока в цепи конденсатора при постоянной амплитуде колебаний напряжения на конденсаторе возрастает прямо пропорционально частоте.

Продолжаем изучать электронику, и на очереди у нас разбор того, как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока, постоянного тока, для чего он нужен, а также несколько примеров практического применения.

Конденсатор является пассивным элементом электронной схемы, состоящей их двух токопроводящих обкладок, которые разделены каким-нибудь диэлектриком.

Свойства и выполняемые функции

Основной задачей конденсатора является накопление определенного объема электростатического заряда на обкладках, после включения его в цепь под напряжением. Когда питание отключается, конденсатор сохраняет полученный заряд.

• Если конденсатор подключен к замкнутой цепи, но уже без питания, или напряжение в ней будет ниже, чем то, что накоплено в конденсаторе, то произойдет полная либо частичная разрядка элемента с высвобождение накопленной энергии.

• Тут же введем понятие о емкости конденсатора. Простыми словами – это количество электрической энергии, которую способен накопить элемент, включенный в сеть. Обозначается этот параметр латинской буквой «С», а измеряется он в Фарадах (F).

Интересно знать! Конденсаторы переменного тока большой емкости способны создавать при быстром разряде очень мощные импульсы. Использовать их можно, к примеру, в мощных фотовспышках.

• Рассчитывается емкость по следующей формуле: C=q/U, где q – это заряд на одной обкладке в Кулонах (количество энергии, прошедшей через проводник за 1 сек при силе тока в 1 Ампер); а U – Напряжение в Вольтах между оболочками.

• На корпусе любого конденсатора содержатся данные о его основных параметрах, среди которых есть и емкость. На фото выше выделено красным, такое обозначение. Там же можно узнать рабочие напряжение и температуру.
• Все просто, однако стоит учитывать, что указанная емкость является номинальной, тогда как реальная ее величина может довольно сильно отличаться, на что оказывает влияние множество факторов.
• Емкость конденсатором может разниться от единиц пикофарад до десятков фарад, что зависит от площади электрода (чаще алюминиевой фольги).

Интересно знать! Чтобы увеличить полезную емкость фольгу сворачивают в рулоны – так получаются цилиндрические конденсаторы.

Если в схеме требуется большая емкость конденсаторов, то их подключают параллельно. В таком случае сохраняется рабочее напряжение, но емкость будет увеличиваться прямопропорционально, то есть составит сумму емкостей подключенных конденсаторов.

Если конденсаторы соединить последовательно, то емкость изменяться не будет, точнее она будет немного меньше, чем минимальная емкость, включенная в цепь. Для чего же нужно такое подключение? При нем вероятность пробоя одного из конденсаторов сводится минимуму, то есть они как бы распределяют нагрузку.

• Для конденсаторов характерен и такой параметр, как удельная емкость. Это прямое отношение емкости электро детали к массе или объему диэлектрика. Максимальные значения этого параметра могут быть достигнуты при наименьшей толщине диэлектрической прокладки, однако для пробоя такого конденсатора требуется меньшее напряжение, про которое мы сейчас и поговорим.
• Маркировка детали также указывает номинальное напряжение. Тут все предельно просто – это значение показывает максимальный уровень напряжения в цепи, при которой радиодеталь сможет отработать весь свой срок службы, не меняя при этом сильно своих заданных параметров.
• Отсюда простой вывод – напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального, иначе его может пробить.
• На уровень номинального напряжения влияют материалы, из которых конденсатор собран.

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Интересно знать! У многих типов конденсаторов допустимое напряжение будет уменьшаться по мере его нагрева, поэтому на корпусах изделий также указывается и максимальная рабочая температура.

Выход из строя конденсаторов очень распространенная поломка в электротехнике. «Умирать» они могут по-тихому, просто вздувшись, или под канонаду нехилого взрыва, заливая все ближайшие детали электролитом, под «сценический дым» и прочие эффекты.

Именно поэтому диагностировать выход из строя этого элемента можно чисто визуально, без применения тестовой аппаратуры, но не всегда.

Многие электролитические конденсаторы (с оксидным диэлектриком), из-за особенностей взаимодействия диэлектрика и электролита, способны работать только при соблюдении определенной полярности, о чем обязательно гласит соответствующая маркировка на корпусе детали.

• При попытке включить их в цепь в обратной полярности, конденсаторы обычно моментально выходят из строя – разрушается диэлектрик, закипает электролит, в результате чего произойдет тот самый взрыв.
• Взрываются конденсаторы довольно часто, особенно в импульсных устройствах. Происходит это из-за перегрева, по причине утечки или увеличения эквивалентного последовательного сопротивления по мере старения детали.
• Не секрет, что поврежденная деталь в любой схеме может быть заменена на новую, и устройство будет функционировать как и раньше, однако последствия взрыва могут быть достаточно серьезны — повредятся соседние элементы, что сильно осложнит ремонт, плюс возрастет его цена.

Для уменьшения последствий на корпусах конденсаторов большой емкости устанавливают клапан или же делают насечку с торца в виде букв «Х, К, и Т». Такие конденсаторы взрываются очень редко, из-за того, что либо клапан, либо разрушившийся по насечке корпус выпускают электролит в виде едких испарений, то есть давление внутри корпуса снижается.

Прочие параметры

Помимо тех параметров, что мы уже разобрали, конденсаторы обладают индуктивностью и собственным сопротивлением, поэтому схему реального конденсатора можно представить следующим образом.

К таковым относятся (обозначаем как в схеме выше):

Типы конденсаторов

Классифицируются конденсаторы, прежде всего, по типу используемого в них диэлектрика, который и определяет все электрические параметры элемента.

• Вакуумные конденсаторы – строение их таково, что несколько коаксиальных цилиндров, которые встроены один в один, располагаются во внешнем стеклянном цилиндре. Для этих устройств характерна наибольшая мощность в единице объема.

• Воздушные или газовые конденсаторы – бывают постоянной и переменной емкости. Применяются они в основном в электроизмерительном оборудовании, радиоприемниках и передатчиках, так как позволяют настраивать колебательные контуры.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком;

• Конденсаторы с твердыми неорганическими диэлектриками – к ним относятся модели на стеклоэмалях, стеклокерамике, стеклопленках, слюде, керамике и прочем. Для таких конденсаторов характерна очень большая емкость, несмотря на их скромные габариты.

• Конденсаторы с твердыми органическими диэлектриками – здесь разнообразие тоже велико: бумажные и металлобумажные, пленочные и комбинированные.

• Отдельно можно выделить конденсаторы электролитические и оксидно-полупроводниковые , так как их отличает большая удельная емкость. В качестве диэлектрика в них используется слой оксида вокруг металлического анода. Вторая обкладка в нем – это либо электролит, в первом случае, либо полупроводник – во втором. Анод, в зависимости от конденсатора, может быть изготовлен из танталовой, ниобиевой или алюминиевой фольги, а также из спеченного порошка.

Такая классификация не единственная и различают конденсаторы и по возможности изменения их емкости:

• Постоянные – это конденсаторы, емкость которых является постоянной в течение срока службы, не считая изменений связанных со старением детали.

• Переменные – этот вид способен менять свою емкость во время работы оборудования. Управление такими конденсаторами реализуется через механику, электрическое напряжение, а также температуру.

• Подстроечные – емкость этих конденсаторов также может меняться, но происходит это не во время работы аппаратуры, а разово, при установке или настройке. Применяются они в основном при выравнивании начальных емкостей у сопрягаемых контуров, а также для регулировки параметров цепей схем.

Применение конденсаторов

Заканчивая первую часть статьи, не можем не обратить внимание на сферы применения этих элементов электрических цепей. А применяются они повсеместно.

• Их комбинируют с катушками индуктивности и резисторами, чтобы получать цепи, в которых свойства тока будут зависеть от его частоты, например, фильтр частот или цепь обратной связи колебательного контура.
• В системах, где требуется создание мощного импульса, про которые мы уже сегодня упоминали – вспышки фотоаппаратов, импульсные лазеры, генераторы Маркса и прочее.
• Применяются конденсаторы и в качестве элемента памяти, так как способны сохранять заряд достаточно длительное время. Это же свойство применяется в устройствах, предназначенных для хранения энергии.
• Если говорить об электротехнике промышленного уровня, то конденсаторы применяются для компенсации реактивной мощности и в качестве фильтров высших гармоник.

И это далеко не все сферы, но мы думаем, что этого пока достаточно. Давайте лучше перейдем к опытам и посмотрим, что же происходит с током, когда он проходит через конденсатор.

Конденсатор в цепях электрического тока

Итак, мы приблизительно поняли, что такое конденсатор, но как работает сей элемент, еще толком не разобрали.

Цепь постоянного тока

Если говорить простыми словами, то конденсатор, или «кондер», как его называют в народе – это небольшой элемент, который словно аккумулятор способен накапливать в себе некий заряд, который он готов разрядить за считанные доли секунды

Интересно знать! В отличие от аккумулятора в конденсаторе отсутствует источник ЭДС.

Чтобы кондеру разрядиться, ему нужно замкнуть контакты напрямую, либо через цепь. Вроде бы все ясно, но как происходит течение тока в конденсаторе при подключении его в сеть.

• Начнем с постоянного тока, и проведем один небольшой опыт. Для этого нам понадобятся сам конденсатор, источник постоянного тока на 12 Вольт и лампочка с проводами, тоже на 12 Вольт.

• Подключаем все это вместе, как показано на фото выше, и видим, что ничего не происходит – лампочка не горит.

• Меняем положение «крокодила» так, чтобы пустить ток в обход конденсатора. И, о чудо! Лампочка загорелась! Почему же так происходит?
• Все просто, достаточно помнить, что ток через конденсатор протекает, только когда он заряжается и разряжается, причем напряжение всегда будет отставать от тока.
• Разряженный конденсатор сродни короткому замыканию в цепи – при его подключении к источнику напряжения, в первый момент времени напряжения в нем нет, но зато имеется ток, который в этот момент времени является максимальным (вот вам и отставание).
• Ток течет через конденсатор, и тот начинает накапливать заряд, увеличивая свое внутреннее напряжение до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением источника питания и кондер не заполнит всю свою емкость.
• В этот момент времени ток перестает течь, а так как конденсатор не может разрядиться, то, соответственно, и лампочка гореть не будет.
• Сравнить этот процесс можно с водяной системой в виде сообщающегося сосуда, разделенного заслонкой, при том, что одна часть пустая, а вторая полная. Уберите препятствие, и вода потечет во второй сосуд, пока давления не выровняются, то есть напор не спадет до нуля.
• А что было бы, если бы конденсатор отсоединился от цепи и закоротился? Да все то же самое! В первый момент времени ток будет максимальным при неизменном напряжении. Ток побежит вперед, а напряжение вслед за ним, пока весь заряд не уйдет.
• Снова в качестве примера берем водяную систему, состоящую из полного бачка, который будет играть роль конденсатора, и краника на нем, через который можно осуществить слив воды. Открывает кран и видим, что вода тут же потекла, при этом давление (напряжение) будет падать плавно, по мере опустошения емкости.

Эти же закономерности характерны и для синусоидального тока, о чем мы сейчас и поговорим.

Цепь переменного тока

Давайте для начала проведем некоторый опыт, а потом так же его объясним простым языком.

Нам понадобятся: конденсатор емкостью 1 микрофарад, обычный резистор на 100 Ом и генератор частот. Соединяем это все, как показано на следующем фото.

Далее по схеме подключаем цифровой осциллограф, который будет работать в двухканальном режиме, чтобы видеть сигналы на входе и на выходе: первый канал (красный) – это то, что выдает генератор, а второй (желтый) – снимаемый с нагрузки, то есть с резистора.

• Итак, то, что конденсатор постоянный ток (ток с нулевой частотой) не пропускает, мы уже убедились. А что будет, если подать частоту в 100 Гц?

• С генератора подается сигнал с амплитудой в 2 Вольта и частотой в 100Гц. На втором канале мы видим ту же частоту, но значительно меньшую амплитуду в 136 миливольта. Сигнал при этом искажают помехи, которые ловятся из окружающего пространства.
• Желтый график сместился влево, опережая красный. Перед вами тот самый сдвиг фаз.

Совет! Тут стоит понимать, что опережает только фаза, а не сигнал. В противном случае перед нами бы была простейшая машина времени, а так все в пределах понимания.

• То есть, имеется в виду разница между начальными фазами напряжений, имеющих одинаковую частоту.

• Теперь увеличим частоту до 500 Гц. Видим, что амплитуда сигнала возросла до 560 миливольт, а сдвиг фаз стал меньшим.

• Наращиваем частоту до 2 кГц – тенденция сохраняется.

• Теперь выставляем частоту в 10 кГц, и видим, что амплитуда практически сравнялась, а сдвиг фаз практически незаметен.

• Даем на генераторе максимальную частоту и видим, что показатели каналов практически выровнялись.

Что же это все означает? Сопротивление конденсатора в цепи переменного тока тем меньше, чем выше его частота. При этом уходит и сдвиг фаз.

Интересно знать! При подключении постоянного тока, частота которого равна нулю, величина фазового сдвига составляет π/2 или 90 градусов.

Но только ли частота влияет на сопротивление конденсаторов в цепи переменного тока? Давайте повторим наш опыт, но уже с конденсатором меньшей емкости, скажем – 0,1 микрофарад.

• Начинаем, как и в прошлый раз, с частоты в 100 Гц. Сразу заметно, что амплитуда уменьшилась до 101 миливольта, тогда как ранее она составляла 136.

• Амплитуда по-прежнему меньше.

• На максимальных частотах сопротивление уже малое, но и сдвиг фаз и меньшая амплитуда остаются.

Делаем нехитрые выводы, и понимаем, что сопротивление конденсатора еще зависит и от его емкости – чем она больше, тем ниже сопротивление.

В попытке ответить на вопрос, как рассчитать сопротивление конденсатора переменному току, математики и физики вывели следующую формулу:

Поставьте в эту формулу частоту равную нулю, и вы получите ноль, или бесконечное сопротивление. На практике мы имеем фактический фильтр высоких частот – впаяйте конденсатор перед динамиком, и вы услышите, что он воспроизводит только высокие частоты. Поставить такой фильтр легко своими руками – инструкция нужна лишь при расчете параметров сопротивления.

Ну, а что же происходит внутри самого конденсатора в этот момент?

Вспоминаем, что есть синусоидальный ток. Состоит такой ток из повторяющегося периода, первую половину которого он течет в одном направлении, а вторую – в обратном. Периоды делятся на полупериоды, каждый из которых имеет фазы возрастания, пика и убывания напряжения.

• Итак, первый четвертьпериод мы фактически разобрали на примере постоянного тока – конденсатор заряжается, пока его напряжение не достигнет пикового значения.
• В начале второго четвертьпериода, напряжение на генераторе начинает, ускоряясь, убывать. Образующаяся разница напряжений заставляет конденсатор разряжаться, отдавая ток в направлении генератора, то есть в обратном, чем он тек при заряде — оказывает сопротивление.
• В момент, когда заканчивается первый полупериод, напряжение в цепи и конденсаторе становится нулевым, тогда как ток, наоборот – максимальным (эту зависимости мы разобрали выше).
• Начинается третья четверть, и конденсатор снова заряжается, только уже в обратной полярности. При этом ток, продолжая течь в ту же сторону, начиная убывать, с ростом напряжения внутри конденсатора.
• Четвертая четверть аналогична второй – конденсатор разряжается, и ток течет в обратном направлении. То есть два полупериода являются буквально зеркальными копиями друг друга.

По итогу мы имеем, что за один период конденсатор дважды успевает зарядиться и разрядиться, что говорит о постоянном прохождении в цепи зарядный и разрядных токов, то есть что ток здесь переменный.

Если бы мы в нашем опыте вместо резистора использовали лампочку, то увидели бы ее свечение. Однако ток ее питающий был бы током заряда и разряда, а не проходящим сквозь диэлектрик конденсатора.

Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд передается в цепи во время циклов заряда и разряда этого элемента, а, следовательно, сопротивление становится меньше. Увеличение частоты дает такой же эффект, но уже за счет количества передачи заряда за то же время, отчего ток тоже растет. Это как два коммерсанта – один получает доход, сделав большую накрутку продав разово вещь, а второй имеет то же самое, но за счет большего оборота с меньшей наценкой.

Из-за этой простой зависимости, сопротивление, которое оказывает конденсатор току в цепи, называется емкостным.

На этом, пожалуй, закончим. Мы популярно объяснили, что представляет собой электрическая цепь переменного тока с реальным конденсатором. Да, материал не прост в освоении, но если разобраться – все не так страшно. В дополнение обязательно посмотрите подобранное нами видео, чтобы снять все возможные вопросы окончательно.