Конденсатор последовательное соединение

Электрическая ёмкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Сообщённый проводнику заряд q распределяется по его поверхности так, что напряжённость поля внутри проводника равна нулю. Если проводнику сообщить такой же заряд q, то он распределится по поверхности проводника. Отсюда вытекает, что потенциал проводника пропорционален находящемуся на нём заряду:

q = Cφ (12.49)

Коэффициент пропорциональности С называют электроёмкостью:

(12.50)

Электроёмкость проводника или системы проводников – физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрические заряды.

v Единица электроёмкости – фарад (Ф).

Для примера рассчитаем электроёмкость уединённого проводника, имеющего форму сферы. Используя соотношение между потенциалом и напряжённостью электростатического поля, запишем

(12.51)

R – радиус сферы.

При вычислении полагаем, что φ∞=0. Получаем, что электроёмкость уединённой сферы равна

(12.52)

Из соотношения видно, что электроёмкость зависит как от геометрии проводника, так и от относительной диэлектрической проницаемости среды.

Конденсаторы – это система из двух проводников, обкладок, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Тогда электрическое поле, создаваемое зарядами на конденсаторе, будет практически целиком сосредоточено между его обкладками (рис.12.33). Электроёмкость определяется геометрией конденсатора и диэлектрическими свойствами среды, заполняющей пространство между обкладками.

По форме исполнения различают плоские, цилиндрические, сферические и слоистые конденсаторы.

ü Плоские конденсаторы (рис.12.34). Электроёмкость плоского конденсатора

(12.53)

(S – площадь обкладка конденсатора, d — расстояние между обкладками, ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между обкладками).

ü Цилиндрические конденсаторы (рис.12.35). Электроёмкость цилиндрического конденсатора

(12.54)

(R1 и R2 – радиусы аксиальных цилиндров, ℓ- длина образующей цилиндров).


ü Сферические конденсаторы(рис.12.36).Электроёмкость сферического конденсатора

(12.55)

(R2 и R1 – радиусы сферы; ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между сферами).

ü Слоистые конденсаторы. Электроёмкость слоистого конденсатора, т.е. конденсатора, имеющего слоистый диэлектрик,

(12.56)

Для получения необходимой электроёмкости конденсаторы соединяют в батарею. Различают два соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

ü При параллельном соединении конденсаторов общий заряд батареи равен

q = q1+q2+q3, но так как q1 = UABC1; q2 = UABC2; qn = UABCn, то q = UAB (C1+ C2+…+ Cn), откуда т.е.

С= C1+ C2+ C3

При параллельном соединении конденсаторов электроёмкость батареи равна сумме электроёмкостей, включённых в неё:

(12.57)

ü При последовательном соединении заряд батареи равен

q = q1 = q2 = q3

напряжению между точками А и В

откуда

При последовательном соединении конденсаторов электроёмкость батареи

(12.58)

§ 12.13 Энергия электростатического поля. Объёмная плотность энергии электростатического поля

ü Энергия неподвижных точечных зарядов

Пусть два заряда q1 и q2 находятся на расстоянии r друг от друга. Каждый из зарядов, находясь в поле другого заряда, обладает потенциальной энергией П. Используя П=qφ, определим

П1=W1=q1φ12 П2=W2=q2φ21

(φ12 и φ21 – соответственно потенциалы поля заряда q2 в точке нахождения заряда q1 и заряда q1 в точке нахождения заряда q2).

Согласно определению потенциала точечного заряда

Следовательно.

или

Таким образом,

Энергия электростатического поля системы точечных зарядов равна

(12.59)

(φі- потенциал поля, создаваемого n -1 зарядами (за исключением qi ) в точке, в которой находится заряд qi).

ü Энергия уединённого заряженного проводника

Уединённый незаряженный проводник можно зарядить до потенциала φ, многократно перенося порции заряда dq из бесконечности на проводник. Элементарная работа, которая совершается против сил поля, в этом случае равна

δA= φdq

Перенос заряда dq из бесконечности на проводник изменяет его потенциал на

dφ, тогда

dq = C dφ

(С – электроёмкость проводника).

Следовательно,

δA= Cφdφ

т.е. при переносе заряда dq из бесконечности на проводник увеличиваем потенциальную энергию поля на

dП = dW =δA= Cφdφ

Проинтегрировав данное выражение, находим потенциальную энергию электростатического поля заряженного проводника при увеличении его потенциала от 0 до φ:

(12.60)

Применяя соотношение , получаем следующие выражения для потенциальной энергии:

(12.61)

(q — заряд проводника).

ü Энергия заряженного конденсатора

Если имеется система двух заряженных проводников (конденсатор), то полная энергия системы равна сумме собственных потенциальных энергий проводников и энергии их взаимодействия:

(12.62)

(q — заряд конденсатора, С – его электроёмкость.

С учётом того, что Δφ=φ1 –φ2 = U — разность потенциалов (напряжение) между обкладками), получим формулу

(12.63)

Формулы справедливы при любой форме обкладок конденсатора.

Физическая величину, численно равную отношению потенциальной энергии поля, заключённой в элементе объёма, к этому объёму, называют объёмной плотностью энергии.

Для однородного поля объёмная плотность энергии

(12.64)

Для плоского конденсатора, объём которого V=Sd , где S — площадь пластины, d — расстояние между пластинами,

Но , тогда

(12.65)

Или

(12.66)

( Е – напряжённость электростатического поля в среде с диэлектрической проницаемостью ε, D = ε ε 0E — электрическое смещение поля).

Следовательно, объёмная плотность энергии однородного электростатического поля определяется напряжённостью Е или смещением D.

Следует отметить, что выражение и справедливы только для изотропного диэлектрика, для которого выполняется соотношение p= ε 0χE.

Выражение соответствует теории поля – теории близкодействия, согласно которой носителем энергии является поле.

Пондеромоторные силы

Обкладки конденсатора, заряженные разноимённо, притягиваются друг к другу.

Механические силы, действующие на макроскопические заряженные тела, называют пондеромоторными.

Рассчитаем пондеромоторные силы, действующие на обкладки плоского конденсатора. При этом возможны два варианта:

1) Конденсатор заряжен и отключён от заряженной батареи ( в этом случае количество зарядов на пластинах остаётся постоянным q = const).

При удалении одной обкладки конденсатора от другой совершается работа

dA=Fdx

за счёт которой увеличивается потенциальная энергия системы:

При этом dA = dW . Приравнивая правые части этих выражений, получаем

(12.67)

В данном случае при дифференцировании расстояние между пластинами обозначилось х.

2. Конденсатор заряжен, но не отключён от батареи (в этом случае при перемещении одной из пластин конденсатора будет сохраняться постоянным напряжение (U = const ). В этом случае при удалении одной пластины от другой потенциальная энергия поля конденсатора уменьшается, так как происходит «утечка» зарядов с пластин, поэтому

Откуда

Но , тогда

Полученное выражение совпадает с формулой . Оно может быть представлено и в другом виде, если вместо заряда q ввести поверхностную плотность:

(12.68)

Поле однородно. Напряжённость поля конденсатора равна , где х – расстояние между пластинами. Подставив в формулу U2=E2x2, получим, что сила притяжения пластин плоского конденсатора

(12.69)

Эти силы действуют не только на пластины. Так как пластины, в свою очередь, давят на диэлектрик, помещённый между ними, и деформируют его, то в диэлектрике возникает давление

(S — площадь каждой пластины).

Давление, возникающее в диэлектрике, равно

(12.70)

Примеры решения задач

Пример 12. 5. К пластинам плоского воздушного конденсатора приложена разность потенциалов 1,5 кВ. Площадь пластин 150см2 и расстояние между ними 5 мм. После отключения конденсатора от источника напряжения в пространство между пластинами вставили стекло (ε2=7).Определите:

1) разность потенциалов между пластинами после внесения диэлектрика; 2) ёмкость конденсатора до и после внесения диэлектрика; 3) поверхностную плотность заряда на пластинах до и после внесения диэлектрика.

Дано: U1=1,5кВ=1,5∙103В; S=150см2=1,5∙10-2 м2; ε1=1; d=5мм=5∙10-3 м.

Найти: 1) U2; 2) С1 С2; 3) σ1, σ2

Решение. Так как (σ- поверхностная плотность зарядов на обкладках конденсатора), то до внесения диэлектрика σd=U1ε0ε1 и после внесения диэлектрика σd=U2ε0ε2, поэтому

Ёмкость конденсатора до и после внесения диэлектрика

и

Заряд пластин после отключения от источника напряжения не меняется, т.е. q=const. Поэтому Поверхностная плотность заряда на пластинах до и после внесения диэлектрика

Ответ: 1) U2=214В; 2) С1=26,5пФ; С2=186пФ; 3) σ1= σ2=2.65 мкКл/м2.

Пример 12.7. Зазор между обкладками плоского конденсатора заполнен анизотропным диэлектриком, проницаемость ε которого изменяется в перпендикулярном к обкладкам направлении по линейному закону ε = α + βх от ε1 до ε2, причём ε2 > ε1. Площадь каждой обкладки S, расстояние между ними d. Найти ёмкость конденсатора.

Дано: S; d; ε1; ε2

Найти: С.

Решение. Диэлектрическая проницаемость εизменяется по линейному закону , ε = α + βх, где х отсчитывается от обкладки, у которой проницаемость равна ε1. Учитывая, что ε (0) = ε1 , ε (d) = ε2, получаем зависимость . Найдём разность потенциалов между обкладками:

Ёмкость конденсатора будет равна

Ответ:

Пример 12.7. Между пластинами плоского конденсатора, заряженного до разности потенциалов U , параллельно его обкладкам помещены два слоя диэлектриков. Толщина слоёв и диэлектрическая проницаемость диэлектриков соответственно равны d1, d2, ε1, ε2. Определите напряжённость электростатических полей в слоях диэлектриков.

Дано: U; d1, d2, ε1, ε2

Найти: E1, E2.

Решение. Напряжение на пластинах конденсатора, учитывая, что поле в пределах каждого из диэлектрических слоёв однородно,

U=E1d1+ E2 d2. (1)

Электрическое смещение в обоих слоях диэлектрика одинаково, поэтому можем записать

D=D1= D2 = ε0 ε1E1= ε0 ε2E2 (2)

Из выражения (1) и (2) найдём искомое

(3)

Из формулы (2) следует, что

Ответ: ;

Пример 12.7. Площадь пластин S плоского конденсатора равна 100см2. Пространство между пластинами заполнено вплотную двумя слоями диэлектриков – слюдяной пластинкой (ε1=7) толщиной d1=3,5 мм и парафина (ε2=2) толщиной d2=5 мм. Определите ёмкость этого конденсатора..

Дано: S=100см2=10-2м2; ε1=7; d1=3,5мм=3.5∙10-3м;, ε1=2; d1=3,5мм=5∙10-3м;

Найти: С.

Решение. Ёмкость конденсатора

где = — заряд на пластинах конденсатора ( — поверхностная плотность заряда на пластинах); =- разность потенциалов пластин, равная сумме напряжений на слоях диэлектрика: U=U1+U2. Тогда

(1)

Напряжения U1 и U2 найдём по формулам

; (2)

где Е1 и Е2 – напряжённость электростатического поля в первом и втором слоях диэлектрика; D — электрическое смещение в диэлектриках (в обоих случаях одинаково). Приняв во внимание, что

D = σ,

И учитывая формулу (2), из выражения (1) найдём искомую ёмкость конденсатора

Ответ: С=29,5пФ.

Пример 12.7. Батарея из трёх последовательно соединённых конденсаторов С1=1мкФ; С2=2мкФ и С3=4мкФ подсоединены к источнику ЭДС. Заряд батареи конденсаторов q =40мкКл. Определите: 1) напряжения U1, U2 и U3 на каждом конденсаторе; 2) ЭДС источника; 3) ёмкость батареи конденсаторов.

Дано: С1=1мкФ=1∙10-6Ф; С2=2мкФ=2∙10-6Ф и С3=4мкФ=4∙10-6Ф; q=40мкКл=40∙10-6Ф.

Найти: 1) U1, U2, U3; 2) ξ; 3) С.

Решение. При последовательном соединении конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, поэтому

q1=q2=q3=q.

Напряжение на конденсаторах

ЭДС источника равна сумме напряжений каждого из последовательно соединённых конденсаторов:

ξ = U1+ U2 +U3

При последовательном соединении суммируются величины, обратные ёмкостям каждого из конденсаторов:

Откуда искомая ёмкость батареи конденсаторов

Ответ: 1) U1= 40В; U2= 20В, U3= 10В; 2) Ɛ= 70В; 3) С= 0,571мкФ.

Пример 12.7. Два плоских воздушных конденсатора одинаковой ёмкости соединены последовательно и подключены к источнику ЭДС. Как и во сколько раз изменится заряд конденсаторов, если один из них погрузить в масло с диэлектрической проницаемостью ε=2,2 .

Дано: С1=С2= С; q=40мкКл=40∙10-6Ф; ε1=1; ε2=2,2.

Найти: .

Решение. При последовательном соединении конденсаторов заряды обоих конденсаторов равны по модулю. До погружения в диэлектрик (в масло) заряд каждого конденсатора

где ξ = U1+ U2 (при последовательном соединении конденсаторов ЭДС источника равна сумме напряжений каждого из конденсаторов).

После погружения одного из конденсаторов в диэлектрик заряды конденсаторов опять одинаковы и соответственно на первом и втором конденсаторах равны

q= CU1=ε2CU2

(учли, что ε1=1), откуда, если учесть, что ξ = U1+ U2, найдём

(2)

Поделив (2) на (1), найдём искомое отношение

Ответ: , т.е. заряд конденсаторов возрастает в 1,37 раз.

Пример 12.7. Конденсаторы ёмкостями С каждый соединены так, как указано на рис.а. определите ёмкость Собщ этого соединения конденсаторов. .

Решение. Если отключить от цепи конденсатор С4, то получится соединение конденсаторов, которое легко рассчитывается. Поскольку ёмкости всех конденсаторов одинаковы (С2=С3 и С5=С6), обе параллельные ветви симметричны, поэтому потенциалы точек А и В, одинаково расположенные в ветвях, должны быть равны. Конденсатор С4 подключен, таким образом, к точкам с нулевой разностью потенциалов. Следовательно, конденсатор С4 не заряжен, т.е. его можно исключить и схему, представленную в условии задачи, упростить (рис.б).

Эта схема- из трёх параллельных ветвей, две из которых содержат по два последовательно включённых конденсаторов

Ответ: Собщ=2С.

Пример 12.7. Плоский воздушный конденсатор ёмкостью С1=4пФ заряжен до разности потенциалов U1=100В. После отключения конденсатора от источника напряжения расстояние между обкладками конденсатора увеличили в два раза. Определите: 1) разность потенциалов U2 на обкладках конденсатора после их раздвижения; 2) работу внешних сил по раздвижению пластин.

Дано: С1=4пФ=4∙10-12Ф; U1=100В; d2 =2d1.

Найти: 1)U2; 2) A.

Решение. Заряд обкладок конденсатора после отключения от источника напряжения не меняется, т.е. Q=const. Поэтому

С1U1= С2U2, (1)

где С2 и U2 — соответственно ёмкость и разность потенциалов на обкладках конденсатора после их раздвижения.

Учитывая, что ёмкость плоского конденсатора , из формулы (1) получим искомую разность потенциалов

(2)

После отключения конденсатора от источника напряжения систему двух заряженных обкладок можно рассматривать как замкнутую, для которой выполняется закон сохранения энергии: работа А внешних сил равна изменению энергии системы

А= W2 — W1 (3)

где W1 и W2 – соответственно энергия поля конденсатора в начальном и конечном состояниях.

Учитывая, что и (q – const), из формулы (3) получим искомую работу внешних сил

А=W2-

Ответ: 1) U2=200В; 2) A=40нДж.

Пример 12.7. Сплошной шар из диэлектрика радиусом R=5см заряжен равномерно с объёмной плотностью ρ=5нКл/м3. Определите энергию электростатического поля, заключённую в окружающем шар пространстве.

Дано: R=5см=5∙10-2м; ρ=5нКл/м3=5∙10-9 Кл/м3.

Найти: W.

Решение. Поле заряженного шара сферически симметрично, поэтому объёмная плотность заряда одинакова во всех точках, расположенных на равных расстояниях от центра шара.

Энергия в элементарном сферическом слое (он выбран за пределами диэлектрика, где следует определить энергию) объёмом dV (см. рисунок)

dW=ωdV, (1)

где dV=4πr2dr (r – радиус элементарного сферического слоя; dr — его толщина); (ε=1 – поле в вакууме; Е – напряженность электростатического поля).

Напряжённость Е найдём по теореме Гаусса для поля в вакууме, причём в качестве замкнутой поверхности мысленно выберем сферу радиусом r (см. рисунок). В данном случае внутрь поверхности попадает весь заряд шара, создающий рассматриваемое поле, и, по теореме Гаусса,

Откуда

Подставив найденные выражения в формулу (1), получим

Энергия, заключённая в окружающем шар пространстве,

Ответ: W=6,16∙10-13Дж.

Пример 12.7. Плоскому конденсатору с площадью обкладок S и расстоянием между ними ℓ сообщён заряд q , после чего конденсатор отключён от источника напряжения. Определите силу притяжения F между обкладками конденсатора, если диэлектрическая проницаемость среды между обкладками равна ε.

Дано: S; ℓ; q; ε.

Найти: F.

Решение. Заряд обкладок конденсатора после отключения от источника напряжения не меняется, т.е. q=const. Предположим, что под действием силы притяжения F расстояние между обкладками конденсатора изменилось на d ℓ. Тогда сила F совершает работу

dA=Fdℓ (1)

Согласно закону сохранения энергии, эта работа равна убыли энергии конденсатора, т.е.

dA=-dW, (2)

откуда, исходя из выражений (1) и (2), получим

. (3)

Подставив в формулу для энергии заряженного конденсатора выражение для ёмкости плоского конденсатора , получим

(4)

Подставив в формулу (3) значение энергии (4) и выполнив дифференцирование, найдём искомую силу притяжения между обкладками конденсатора

где знак «-» указывает на то, что сила F является силой притяжения.

Ответ:

Пример 12.7. Плоский конденсатор площадью обкладок S и расстоянием между ними ℓ подключен к источнику постоянного напряжения U. Определите силу притяжения F между обкладками конденсатора, если диэлектрическая проницаемость среды между обкладками равна ε.

Дано: S; ℓ; U; ε.

Найти: F.

Решение. Согласно условию задачи, на обкладках конденсатора поддерживается постоянное напряжение, т.е. U=const. Предположим, что под действием силы притяжения F расстояние между обкладками конденсатора изменилось на dℓ. Тогда сила F совершает работу

dA=Fdℓ (1)

Согласно закону сохранения энергии, эта работа в данном случае идёт на увеличение энергии конденсатора (сравните с предыдущей задачей), т.е.

dA=dW (2)

откуда, исходя из выражений (1) и (2), получим

(3)

Подставив в формулу для энергии конденсатора выражение для ёмкости плоского конденсатора , получим

Последовательное соединение

При последовательном соединении два и более конденсаторов соединяются в общую цепь таким образом, что каждый предыдущий конденсатор соединяется с последующим лишь в одной общей точке. Ток (i), осуществляющий зарядку последовательной цепи конденсаторов будет иметь одинаковое значение для каждого элемента, поскольку он проходит только по единственно возможному пути. Это положение подтверждается формулой: i = ic1 = ic2 = ic3 = ic4.

В связи с одинаковым значением тока, протекающего через конденсаторы с последовательным соединением, величина заряда, накопленного каждым из них, будет одинаковой, независимо от емкости. Такое становится возможным, поскольку заряд, приходящий с обкладки предыдущего конденсатора, накапливается на обкладке последующего элемента цепи. Поэтому величина заряда у последовательно соединенных конденсаторов будет выглядеть следующим образом: Qобщ= Q1 = Q2 = Q3.

Если рассмотреть три конденсатора С1, С2 и С3, соединенные в последовательную цепь, то выясняется, что средний конденсатор С2 при постоянном токе оказывается электрически изолированным от общей цепи. В конечном итоге величина эффективной площади обкладок будет уменьшена до площади обкладок конденсатора с самыми минимальными размерами. Полное заполнение обкладок электрическим зарядом, делает невозможным дальнейшее прохождение по нему тока. В результате, движение тока прекращается во всей цепи, соответственно прекращается и зарядка всех остальных конденсаторов.

Общее расстояние между обкладками при последовательном соединении представляет собой сумму расстояний между обкладками каждого элемента. В результате соединения в последовательную цепь, формируется единый большой конденсатор, площадь обкладок которого соответствует обкладкам элемента с минимальной емкостью. Расстояние между обкладками оказывается равным сумме всех расстояний, имеющихся в цепи.

Падение напряжения на каждый конденсатор будет разным, в зависимости от емкости. Данное положение определяется формулой: С = Q/V, в которой емкость обратно пропорциональна напряжению. Таким образом, с уменьшением емкости конденсатора на него падает более высокое напряжение. Суммарная емкость всех конденсаторов вычисляется по формуле: 1/Cобщ = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3.

Главная особенность такой схемы заключается в прохождении электрической энергии только в одном направлении. Поэтому в каждом конденсаторе значение тока будет одинаковым. Каждый накопитель в последовательной цепи накапливает равное количество энергии, независимо от емкости. То есть емкость может воспроизводиться за счет энергии, присутствующей в соседнем накопителе.

Онлайн калькулятор, для расчета емкости конденсаторов соединенных последовательно в электрической цепи.

>Смешанное соединение

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельным считается такое соединение, при котором конденсаторы соединяются между собой двумя контактами. Таким образом в одной точке может соединяться сразу несколько элементов.

Данный вид соединения позволяет сформировать единый конденсатор с большими размерами, площадь обкладок которого будет равна сумме площадей обкладок каждого, отдельно взятого конденсатора. В связи с тем, что емкость конденсаторов находится в прямой пропорциональной зависимости с площадью обкладок, общая емкость составить суммарное количество всех емкостей конденсаторов, соединенных параллельно. То есть, Собщ = С1 + С2 + С3.

Поскольку разность потенциалов возникает лишь в двух точках, то на все конденсаторы, соединенные параллельно, будет падать одинаковое напряжение. Сила тока в каждом из них будет отличаться, в зависимости от емкости и значения напряжения. Таким образом, последовательное и параллельное соединение, применяемое в различных схемах, позволяет выполнять регулировку различных параметров на тех или иных участках. За счет этого получаются необходимые результаты работы всей системы в целом.

Схема последовательного соединения

Когда применяется схема последовательного соединения конденсаторов, заряд каждой детали эквивалентен. С источником соединены только внешние пластины, другие – заряжаются перераспределением электрозарядов между ними. Все конденсаторы сохраняют аналогичное количество заряда на своих обкладках. Это объясняется тем, что на каждый последующий элемент поступает заряд от соседнего. Вследствие этого справедливо уравнение:

q = q1 = q2 = q3 = …

Известно, что при последовательном соединении резисторных элементов их сопротивления суммируются, но емкость конденсатора, включенного в такую электроцепь, рассчитывается по-другому.

Падение напряжения на отдельном конденсаторном элементе зависит от его емкости. Если в последовательной электроцепи имеется три конденсаторных элемента, составляется выражение для напряжения U на основании закона Кирхгофа:

U = U1 + U2 + U3,

при этом U= q/C, U1 = q/C1, U2 = q/C2, U3 = q/C3.

Подставляя значения для напряжений в обе части уравнения, получается:

q/C = q/C1 + q/C2 + q/C3.

Так как электрозаряд q – величина одинаковая, на нее можно поделить все части полученного выражения.

Результирующая формула для емкостей конденсаторов:

1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3.

Важно! Если конденсаторы подключаются в последовательную электроцепь, показатель, обратный результирующей емкости, равен совокупности обратных значений единичных емкостей.

Особенности последовательного соединения

Пример. Три конденсаторных элемента подключены в последовательную цепь и обладают емкостями: С1 = 0,05 мкф, С2 = 0,2 мкФ, С3 = 0,4 мкФ. Рассчитать общую емкостную величину:

  1. 1/С = 1/0,05 + 1/0,2 + 1/0,4 = 27,5;
  2. С = 1/27,5 = 0,036 мкФ.

Важно! Когда конденсаторные элементы включены в последовательную электроцепь, общее емкостное значение не превышает наименьшей емкости отдельного элемента.

Если цепь состоит всего из двух компонентов, формула переписывается в таком виде:

С = (С1 х С2)/(С1 + С2).

В случае создания цепи из двух конденсаторов с идентичным емкостным значением:

С = (С х С)/(2 х С) = С/2.

Последовательно включенные конденсаторы имеют реактивное сопротивление, зависящее от частоты протекающего тока. На каждом конденсаторе напряжение падает из-за наличия этого сопротивления, поэтому на основе такой схемы создается емкостной делитель напряжения.

Емкостной делитель напряжения

Формула для емкостного делителя напряжения:

U1 = U x C/C1, U2 = U x C/C2, где:

  • U – напряжение питания схемы;
  • U1, U2 – падение напряжения на каждом элементе;
  • С – итоговая емкость схемы;
  • С1, С2 – емкостные показатели единичных элементов.

Вычисление падений напряжения на конденсаторах

К примеру, имеются сеть переменного тока 12 В и две альтернативных электроцепи подсоединения последовательных конденсаторных элементов:

  • первая – для подключения одного конденсатора С1 = 0,1 мкФ, другого С2 = 0,5 мкФ;
  • вторая – С1 = С2 = 400 нФ.

Первый вариант

  1. Итоговая емкость электросхемы С = (С1 х С2)/(С1 + С2) = 0,1 х 0,5/(0,1 + 0,5) = 0,083 мкФ;
  2. Падение напряжения на одном конденсаторе: U1 = U x C/C1 = 12 x 0,083/0,1 = 9,9 В
  3. На втором конденсаторе: U2 = U x C/C2 = 12 х 0,083/0,5 = 1,992 В.

Второй вариант

  1. Результирующая емкость С = 400 х 400/(400 + 400) = 200 нФ;
  2. Падение напряжения U1 = U2 = 12 x 200/400 = 6 В.

Согласно расчетам, можно сделать выводы, что если подключаются конденсаторы равных емкостей, вольтаж делится поровну на обоих элементах, а когда емкостные значения различаются, то на конденсаторе с меньшей емкостной величиной напряжение увеличивается, и наоборот.

Особенности замены конденсаторов

К примеру, в наличии сеть переменного тока 12 В и две альтернативных группы последовательных конденсаторных элементов.

Конденсаторы подсоединяются в последовательный контур для увеличения напряжения, под которым они остаются работоспособными, но их общая емкость падает в соответствии с формулой для ее расчета.

Часто применяется смешанное соединение конденсаторов, чтобы создать нужную емкостную величину и увеличить напряжение, которое детали способны выдержать.

Можно привести вариант, как соединить несколько компонентов, чтобы выйти на нужные параметры. Если требуется конденсаторный элемент 80 мкФ при напряжении 50 В, но есть только конденсаторы 40 мкФ на 25 В, необходимо образовать следующую комбинацию:

  1. Два конденсатора 40 мкФ/25 В подсоединить последовательно, что позволит иметь в общей сложности 20 мкФ /50 В;
  2. Теперь вступает в действие параллельное включение конденсаторов. Пара конденсаторных групп, включенных последовательно, созданных на первом этапе, соединяются параллельно, получится 40 мкФ / 50 В;
  3. Две собранные в итоге группы соединить параллельно, в результате получим 80 мкФ/50 В.

Важно! Для того чтобы усилить конденсаторы по напряжению, возможно их объединить в последовательную электросхему. Увеличение общей емкостной величины достигается параллельным подключением.

Что необходимо учитывать при создании последовательной цепи:

  1. При соединениях конденсаторов оптимальный вариант – брать элементы с мало различающимися или с одинаковыми параметрами, вследствие большой разницы в напряжениях разряда;
  2. Для баланса токов утечки на каждый конденсаторный элемент (в параллель) включается уравнительное сопротивление.

Получение неполярного конденсатора

Включение в последовательную цепь всегда должно происходить с соблюдением «плюса» и «минуса» конденсаторов. Если их соединить одноименными полюсами, то такое сочетание уже теряет поляризованность. При этом емкость созданной группы будет равна половине от емкостного значения одной из деталей. Такие конденсаторы возможно применять в качестве пусковых на электромоторах.

>Видео

1.4. Способы соединения конденсаторов

Возможны параллельное и последовательное соединения конденсаторов.

Припараллельном соединении (рис. 1.9) все конденсаторы находятся под одним напряжением U, а заряд, который они получают от источника энергии, равен сумме зарядов отдельных конденсаторов

гдеп — число конденсаторов;

к — порядковый номер конденсатора.

Следовательно, общая емкость параллельно соединенных конденсаторов по (1.9)равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Припоследовательном соединении конденсаторов (рис. 1.10) общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах

где п — число конденсаторов;

к — порядковый номер конденсатора.

Но заряд от источника энергии получают лишь внешние электроды двух крайних конденсаторов. На остальных попарно электрически соединенных электродах заряды создаются переносом положительного заряда на один электрод и отрицательного — на второй, которые равны между собой. Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов их заряды одинаковы.

Так как заряд конденсатора равен произведению его емкости на приложенное к нему напряжение

то напряжения на конденсаторах равны

а общая емкость последовательно соединенных конденсаторов — Собщ

Если последовательно соединены n одинаковых конденсаторов каждый емкостью С0, то их общая емкость будет равна

1.5. Зарядка и разрядка конденсатора

Чтобы изменить скачком энергию конденсатора, необходим источник бесконечной мощности что невозможно.

Поэтому при зарядке и разрядке конденсатора его энергия, а следовательно, и напряжение на нем Uс не могут изменяться скачком. Это условие называется первым законом коммутации и записывается в виде

(1.16)

где и— моменты времени, непосредственно предшествующий моменту времении непосредственно следующий за моментом времениt, в который начинается зарядка или разрядка конденсатора.

Зарядка конденсатора.

Рассмотрим процесс зарядки конденсатора от источника постоянного напряжения Е=U (см. подразд. 2.7) через резистор сопротивлением R (см. подразд. 2.4) при замыкании в момент времени t=0 ключа К (рис. 1.11, а).

Напряжение источника равно сумме напряжений на резисторе и конденсаторе

или с учетом (2.1) и (1.13)

(1.17)

Разделим переменные в (1.17)

(1.18)

и проинтегрируем (1.18)

(1.19)

где неизвестная постоянная интегрирования записана в виде In А.

Умножив обе части равенства (1.19) на (-1) и заменив разность логарифмов логарифмом частного, после потенцирования получим

или

(1.20)

Для определения постоянной А в (1.20) обратимся к закону коммутации для емкостного элемента (1.16). Примем, что емкостный элемент до замыкания ключа, т. е. и в момент времени /= 0_, не был заряжен. Поэтому

ис(0_) = 0 = ис(0+) = Е+А, откуда А = -Е.

Подставив значение постоянной А в (1.20), найдем напряжение на емкостном элементе во время его зарядки (рис. 1.11, б):

(1.21)

где τ = RC имеет размерность времени (Ом • Ф = Ом • А • с/В = с) и называется постоянной времени цепи. Она определяет скорость переходного процесса.

Напряжение на емкостном элементе (1.21) определяет зависимости от времени тока зарядки и напряжения на резисторе (рис. 1.11,5):

тогда

В первый момент после замыкания ключа t=0+ ток заряда в цепи скачком возрастает

от нуля i (0_) = 0

до i (0+) = E/R.

При малом сопротивлении R в цепи может наблюдаться значительный скачок тока.

Процесс зарядки можно считать практически закончившимся через интервал времени Зτ, (при этом uc=0,95 E) который может быть достаточно большим, что используется, например, в реле времени — устройствах, срабатывающих по истечении определенного времени.

Разрядка конденсатора.

В электрическом поле заряженного емкостного элемента сосредоточена энергия (1.15), за счет которой емкостный элемент в течение некоторого времени сам может служить источником энергии. После подключения емкостного элемента, предварительно заряженного до напряжения ис= Е, к резистивному элементу сопротивлением R (рис. 1.12, а) ток в цепи будет обусловлен изменением заряда q емкостного элемента (1.13):

(1.22)

где знак минус указывает на то, что ток i — это ток разрядки в контуре цепи, обозначенном на рисунке штриховой линией, направленный навстречу напряжению на емкостном элементе.

Разделим переменные в (1.22)

и проинтегрируем (1.23)

(1.24)

где неизвестная постоянная интегрирования записана в виде (-In А).

После потенцирования (1.24) получим

(1.25)

Для определения постоянной А в (1.25) обратимся к закону коммутации для емкостного элемента (1.16). Так как до коммутации, т.е. и в момент времени t=0_, емкостный элемент был заряжен до напряжения источника, то

ис (0_) = Е=ис (0+)=А.

Подставив значение постоянной А в (1.25), получим зависимость изменения напряжения на емкостном элементе при его разрядке (рис. 1.12, б):

(1.26)

где τ = RC — постоянная времени цепи.

Ток разрядки найдем по (1.22):

Ток разрядки скачком возрастает от нуля

i(0_) = 0 до i(0+) = E/R, а затем убывает экспоненциально (см. рис. 1.12, б).

Зарядка конденсатора при малых значениях тока и больших значениях ЭДС Ев цепи на рис. 1.12, а позволяет накопить в нем большую энергию, которая может использоваться при разрядке большим током в импульсных источниках.

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.1. Конденсатор емкостью С = 1 Ф, имеющий заряд q = 1 Кл, в момент времени t= 0 начинает разряжаться через резистор сопротивлением R= 1 Ом (см. рис. 1.12). Определите ток в резисторе в момент времени i=0,5 с.

Ответ: 0,6065 А.

1.2. Сохранив условия задачи 1.1, определите энергию конденсатора в момент времени t=0,5 с.

Ответ: 0,183 Дж.

1.3. Сохранив условия задачи 1.1, определите, какое количество энергии выделится в виде тепла в резисторе к моменту времени t= 0,5 с.

Ответ: 0,317 Дж.

1.4. Плоский конденсатор (см. рис. 1.7, а) состоит из двух листов фольги каждый площадью 20 см2, разделенных слоем парафина (см. табл. 1.1) толщиной 0,05 мм с относительной диэлектрической проницаемостью εr = 2,1. Определите емкость конденсатора.

Ответ: 0,745 нФ.

  1. Дайте определения электрического потенциала и разности электрических потенциалов.

  2. Дайте определения линейных и нелинейных емкостных элементов.

  3. Определите общую емкость двух конденсаторов, включенных параллельно, емкостью 1 мкФ каждый (см. рис. 1.9).

Ответ: 2 мкФ.

1.8. Определите общую емкость двух конденсаторов, включенных последовательно, емкостью 2 мкФ каждый (см. рис. 1.10).

Ответ: 1 мкФ.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *