Что называется электроемкостью: Что такое электрическая емкость и в чем она измеряется

Что такое электрическая емкость и в чем она измеряется

Конденсатор постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Рисунок 2. Схема устройства конденсаторапостоянной емкости

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических (станиолевых) листов с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком, как схематически показано на рисунке 2. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или трубку. Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином.

Рисунок 3. Внешний вид современных конденсаторов постоянной емкости

Определим емкость плоского конденсатора. Возьмем произвольную замкнутую поверхность вокруг одной из пластин конденсатора. Тогда по теореме Гаусса поток вектора напряженности, проходящий через любую замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд, равен:

Предполагая, что поле конденсатора однородно (пренебрегая искажением поля у краев пластин), получаем напряженность электрического поля в конденсаторе:

где d – расстояние между пластинами или толщина диэлектрика. Подставив значение E из формулы (2) в формулу (1), получим:

откуда

Так как

то выражение емкости плоского конденсатора примет вид:

где S – площадь пластин в м²; d – толщина диэлектрика в м; ε – относительная электрическая проницаемость диэлектрика (диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин (обкладок) S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика поставить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Видео об устройстве конденсатора постоянной емкости:

Меры предосторожности

Выше был приведен пример с банкой воды. Там говорилось, что если воды налить больше, то воды выльется. А теперь подумайте, куда могут «вылиться» электроны в конденсаторе? Ведь он запечатан полностью!

Если вы подадите в цепи больше тока, чем тот, на который рассчитан конденсатор, то как только он зарядится, его излишек попытается выйти куда-то. А пространства свободного нет. Результатом будет взрыв. В случае незначительного превышения заряда хлопок будет небольшой. Но если подать колоссальное количество электронов на конденсатор, его просто разорвет, и диэлектрик вытечет.

Будьте аккуратны!

Вычисление с помощью формул

Вычисление номинальной емкости элемента требуется в 2 случаях:

1. Конструкторы электронной аппаратуры рассчитывают параметр при создании схем.
2. Мастера при отсутствии конденсаторов подходящей мощности и емкости используют расчет элемента для подбора из доступных деталей.

RC цепи рассчитывают с применением величины импеданса — комплексного сопротивления (Z). Rа — потери тока на нагревание участников цепи. Ri и Rе — учитывают влияние индуктивности и ёмкости элементов. На выводах резистора в RC цепи напряжение Uр обратно пропорционально Z.

Тепловое сопротивление увеличивает потенциал на нагрузке, а реактивное уменьшает. Работа конденсатора на частотах выше резонансных, когда растет реактивная составляющая комплексного сопротивления, приводит к потерям напряжения.

Частота резонанса обратно пропорциональна способности накапливать заряд. Из формулы для определения Fр вычисляют, какие значения Ск (емкости конденсатора) требуются для работы цепи.

Для расчета импульсных схем используют постоянную времени цепи, определяющую воздействие RC на структуру импульса. Если знают сопротивление цепи и время заряда конденсатора, по формуле постоянной времени вычисляют емкость. На истинность результата влияет человеческий фактор.

Мастера используют параллельные и последовательные соединения конденсаторов. Формулы расчета обратны формулам для резисторов.

Последовательное соединение делает емкость меньше меньшей в соединении элементов, параллельная схема суммирует величины.

Принцип работы конденсатора

Конструкция

На схемах конденсатор обозначается в виде двух параллельных линий, не связанных между собой:

Это соответствует его простейшей конструкции — двум пластинам (обкладкам), разделенным диэлектриком. Фактическое исполнение этого изделия чаще всего представляет собой завернутые в рулон обкладки с прослойкой диэлектрика или иные причудливые формы, но суть остается той же самой.

Емкость конденсатора

Электрическая ёмкость – способность проводника накапливать электрические заряды. −12 Ф/м, электрическая постоянная, а ε диэлектрическая проницаемость среды (табличная величина для каждого вещества).

В реальной жизни нам чаще приходится иметь дело не с одним проводником, а с системами таковых. Так, в обычном плоском конденсаторе емкость будет прямо пропорциональна площади пластин и обратно — расстоянию между ними:

C=εε0S/d

ε здесь — диэлектрическая проницаемость прокладки между пластинами.

Емкость параллельных и последовательных систем

Параллельное соединение емкостей представляет собой один большой конденсатор с тем же слоем диэлектрика и суммарной площадью пластин, поэтому общая емкость системы представляет собой сумму таковых у каждого из элементов. Напряжение при параллельном соединении будет одним и тем же, а заряд распределится между элементами схемы.​

C=C1+C2+C3

Последовательное соединение конденсаторов характеризуется общим зарядом и распределенным напряжением между элементами. Поэтому суммируется не емкость, а обратная ей величина:

1/C=1/С1+1/С2+1/С3

Из формулы емкости одиночного конденсатора можно вывести, что при одинаковых элементах, соединенных последовательно, их можно представить в виде одного большого с той же площадью обкладки, но с суммарной толщиной диэлектрика.

Соединение конденсаторов

Конденсаторы, так же как и сопротивления, можно подключать последовательно и параллельно. Кроме этого, в схемах бывают и смешанные соединения.

Как видите, электроемкость конденсатора в обоих случаях считается по-разному. Это также относится к напряжению и заряду. По формулам видно, что электроемкость конденсатора, вернее, их совокупности в схеме, будет наибольшей при параллельном соединении. При последовательном общая емкость значительно уменьшается.

При подключении последовательно заряд размещается равномерно. Он будет везде одинаков — как суммарный, так и на каждом конденсаторе. А когда соединение параллельное, суммарный заряд складывается

Это важно помнить при решении задач

Напряжение считается наоборот. При последовательном соединении складываем, а при параллельном оно равно везде.

Здесь приходится выбирать: если вам нужно больше напряжения, тогда жертвуем емкостью. Если емкость, то огромного напряжения не будет.

Заряд конденсатора. Ток

По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.

Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания, на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов, на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик, заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора. Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.

В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места. Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным. По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное место на обкладках и ток совсем не прекратится.

Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного» конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием), называют переходным периодом заряда конденсатора.

Эксплуатационные характеристики

Помимо указанных выше емкости, собственной индуктивности и энергоемкости, реальные конденсаторы (а не идеальные) обладают еще рядом свойств, которые нужно учитывать при выборе этого элемента для цепи. К ним относятся:

• номинальное напряжение,
• полярность,
• ток утечки,
• сопротивление материала обкладок,
• диэлектрические потери,
• зависимость емкости от температуры.

Чтобы понять, откуда берутся потери, необходимо разъяснить, что представляют собой графики синусоидальных тока и напряжения в этом элементе. Когда конденсатор заряжен максимально, ток в его обкладках равен нулю. Соответственно, когда ток максимален, напряжение отсутствует. То есть напряжение и ток сдвинуты по фазе на угол 90 градусов. В идеале конденсатор обладает только реактивной мощностью:

Q=UIsin 90

В реальности же обкладки конденсатора обладают собственным сопротивлением, а часть энергии расходуется на нагрев диэлектрика, что обуславливает ее потери. Чаще всего они незначительны, но иногда ими пренебрегать нельзя. Основной характеристикой этого явления служит тангенс угла диэлектрических потерь, представляющий собой отношение активной мощности (даваемой малыми потерями в диэлектрике) и реактивной. Измерить эту величину можно теоретически, представив реальную емкость в виде эквивалентной схемы замещения — параллельной или последовательной.

Определение тангенса угла диэлектрических потерь

При параллельном соединении величина потерь определяется отношением токов:

tgδ = Ir/Ic = 1/(ωCR)

В случае последовательного соединения угол вычисляется соотношением напряжений:

tgδ = Ur/Uc = ωCR

В реальности для замеров tgδ пользуются прибором, собранным по мостовой схеме. Его применяют для диагностики потерь в изоляции у высоковольтного оборудования. С помощью измерительных мостов можно измерять и другие параметры сетей.

Номинальное напряжение

Этот параметр указывается на маркировке. Он показывает предельную величину напряжения, которое может быть подано на обкладки. Превышение номинала может привести к пробою конденсатора и выходу его из строя. Зависит этот параметр от свойств диэлектрика и его толщины.

Полярность

Некоторые конденсаторы имеют полярность, то есть в схему его необходимо подключать строго определенным образом. Связано это с тем, что в качестве одной из обкладок используется какой-либо электролит, а диэлектриком служит оксидная пленка на другом электроде. При изменении полярности электролит просто разрушает пленку и конденсатор перестает работать.

Температурный коэффициент емкости

Он выражается отношением ΔC/CΔT где ΔT изменение температуры окружающей среды. Чаще всего эта зависимость линейна и незначительна, но для конденсаторов, работающих в агрессивных условиях, ТКЕ указывается в виде графика.

Разрушение конденсатора

Выход конденсатора из строя обусловлен двумя основными причинами — пробоем и перегревом. И если в случае пробоя некоторые их виды способны к самовосстановлению, то перегрев со временем приводит к разрушению.

Перегрев обусловлен как внешними причинами (нагреванием соседних элементов схемы), так и внутренними, в частности, последовательным эквивалентным сопротивлением обкладок. В электролитических конденсаторах он приводит к испарению электролита, а в оксиднополупроводниковых — к пробою и химической реакции между танталом и оксидом марганца.

Опасность разрушения в том, что часто оно происходит с вероятностью взрыва корпуса.

Повреждения в конденсаторах

Подумайте, как изменится электроемкость плоского конденсатора, если на нем будут повреждения? Существуют различные сбои, которые могут повлиять на работоспособность конденсаторов.

Например, они рассыхаются или вздуваются. После этого они становятся непригодными для нормальной работы устройства, куда установлены.

Рассмотрим примеры повреждений и выхода из строя конденсаторов. Вздуться могут все сразу.

Иногда из строя выходят только несколько. Такое бывает, когда конденсаторы разных параметров или качества.

Наглядный пример порчи (вздутие, разрыв и выход наружу содержимого).

Если вы увидите вот такие ленты, это крайняя степень повреждения. Хуже и быть не может.

Если вы заметите на устройстве (например на видеокарте в компьютере) такие вздутые конденсаторы, это повод задуматься о замене детали.

Подобные проблемы можно устранить только заменой на аналогичную деталь. У вас должны совпадать все параметры один в один.

Иначе работа может быть некорректной или очень кратковременной.

Менять конденсаторы нужно аккуратно, не повредив платы. Выпаивать нужно быстро, не допуская перегрева. Если вы не умеете этого делать, лучше отнесите деталь в ремонт.

Основной причиной разрушения является перегрев, который возникает в случае старения или большого сопротивления в цепи.

Рекомендуется не затягивать с ремонтом. Поскольку у поврежденных конденсаторов изменяется емкость, устройство, где они расположены, будет работать с отклонением от нормы. И со временем это может стать причиной выхода из строя.

Если у вас на видеокарте вздулись конденсаторы, то их своевременная замена может исправить ситуацию. В противном случае может сгореть микросхема или что-то еще. В таком случае ремонт будет стоить очень дорого или вовсе окажется невозможным.

Физика для средней школы

Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора. Соединение конденсаторов

Конденсаторы состоят из двух или более близко расположенных друг к другу проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика (рис.

1), причем толщина слоя диэлектрика между проводниками значительно меньше размеров самих проводников.

Рис. 1

При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников.

Обкладкам конденсатора сообщают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды, что способствует накоплению зарядов, так как разноименные заряды притягиваются и поэтому располагаются на внутренних поверхностях пластин.

Под зарядом конденсатора понимают заряд одной пластины.

Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

Поле плоского конденсатора можно рассматривать как совокупность полей двух бесконечных разноименно заряженных плоскостей (рис. 2, а и б). Напряженность поля (рис. 2, в) можно найти по принципу суперпозиции

— напряженность поля конденсатора, где — поверхностная плотность заряда на обкладках конденсатора.

Рис. 2

Рассчитаем емкость плоского конденсатора.

Обозначим площадь одной обкладки S, расстояние между ними d.

Следовательно, емкость плоского конденсатора

Таким образом, емкость плоского конденсатора зависит от площади обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками конденсатора, но не зависит от материала, из которого эти пластины изготовлены.

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

1. по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;
2. по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;
3. по типу диэлектрика — воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и т.д.

Для получения необходимой емкости конденсаторы соединяют между собой в батареи, применяя при этом параллельное, последовательное и смешанное соединения.

При параллельном соединении конденсаторов одни обкладки всех конденсаторов соединяются в один узел, другие — в другой узел. Общий заряд равен алгебраической сумме зарядов каждой из обкладок отдельных конденсаторов (рис 3):

Рис. 3

Так как соединенные обкладки представляют собой один проводник, то потенциалы всех соединенных в один узел обкладок одинаковы и разность потенциалов между обкладками всех конденсаторов одинакова:

Емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Если параллельно соединяют n одинаковых конденсаторов, то

Рис. 4

Если между обкладками плоского конденсатора находятся два различных диэлектрика, причем первый занимает часть площади S

1 а второй — часть площади S₂ (например, воздушный конденсатор частично погружен в керосин (рис. 4)), то такую систему можно рассматривать как два параллельно соединенных конденсатора. Их общая емкость

Рис. 5

При последовательном соединении конденсаторов (рис. 5) потенциал соединенных между собой обкладок конденсаторов одинаков. Если сообщить одной из обкладок первого конденсатора заряд +q, то у второй обкладки будет заряд -q, у соседней обкладки второго конденсатора заряд +q и т.д. Следовательно,

Напряжение на батарее равно сумме напряжений на всех конденсаторах:

Величина, обратная емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов.

Если последовательно соединены n одинаковых конденсаторов, то

Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе

Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

максимальное рабочее напряжение конденсатора

В технической документации этот параметр чаще всего обозначается, как WV, что с английского Working Voltage (рабочее напряжение), или DC WV – Direct Current Working Voltage – постоянное рабочее напряжение конденсатора.

Здесь есть один нюанс, о котором часто забывают. Дело в том, что на конденсаторе написано именно на какое постоянное напряжение он рассчитан, а не переменное. Если такой конденсатор, как на рисунке выше, с максимальным рабочим напряжением в 50 Вольт вставите в цепь переменного тока с источником питания, который выдает 50 Вольт переменного тока, то ваш конденсатор взорвется. Так как 50 Вольт переменного тока – это действующее напряжение. Его максимальное значение будет 50 × √2 = 70,7 Вольт, что намного больше, чем 50 Вольт.

Принцип работы и назначение

В электрических схемах данные устройства могут использоваться с различными целями, но их основной функцией является сохранение электрического заряда, то есть, конденсатор получает электрический ток, сохраняет его и впоследствии передает в цепь. При подключении конденсатора к электрической сети на электродах конденсатора начинает накапливаться электрический заряд. В начале зарядки конденсатор потребляет наибольшую величину электрического тока, по мере зарядки конденсатора электроток уменьшается и когда емкость конденсатора будет наполнена ток пропадет совсем.

При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам, сам, как бы становится источником питания.

Основная техническая характеристика конденсатора, это емкость. Емкостью называется способность конденсатора накапливать электрический заряд. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда он может накопить и соответственно отдать обратно в электрическую цепь. Емкость конденсатора измеряется в Фарадах. Конденсаторы различаются по конструкции, материалов из которых они изготовлены и области применения. Самый распространенный конденсатор это – конденсатор постоянной емкости.

Конденсаторы постоянной емкости изготавливаются из самых различных материалов и могут быть – металлобумажными, слюдяными, керамическими. Такие конденсаторы как электрокомпонент используются во всех электронных устройствах.

Для увеличения площади обкладок пластины некоторых конденсаторов изготавливают из полосок фольги, разделенных полоской диэлектрика и скрученных в рулон. Увеличить емкость также можно уменьшением толщины диэлектрика между обкладками и применением материалов с большей диэлектрической проницаемостью. Между обкладками конденсаторов располагают твердые, жидкие вещества и газы, в том числе и воздух.

Из формулы очевиден и такой факт: даже при небольших площадях обкладок и на любых расстояниях между обкладками емкость не равна нулю. Два проложенных рядом проводника тоже обладают емкостью. В связи с этим высоковольтная кабельная линия способна накапливать заряд, а на высоких частотах проводники вносят в устройства связи «паразитные» емкости, с которыми приходится бороться.

Конденсаторы небольшой емкости получают на печатных платах, располагая две дорожки напротив друг друга. Каким бы качественным не был диэлектрик в конденсаторе, он все равно имеет сопротивление. Его величина велика, но в заряженном состоянии конденсатора ток между обкладками все равно есть. Это приводит к явлению «саморазряда»: заряженный конденсатор со временем теряет свой заряд. В таблице ниже подробно рассмотрена маркировка и расшифровка конденсаторов по их основным свойствам.

Таблица типовых обозначений и маркировки конденсаторов.

Емкость конденсатора измеряется в Фарадах, 1 фарад – это огромная величина. Такую ёмкость будет иметь металлический шар размеры которого будут превышать размеры нашего солнца в 13 раз. Шар размером в планету Земля будет иметь иметь емкость всего 710 микрофарад. Обычно, емкость конденсаторов которые мы применяем в электротехнических устройствах обзначается в микрофарадах  (mF), пикофарадах  (nF), нанофарадах ( nF).

Следует знать что, 1 микрофарад равен 1000 нанофарад. Соответственно, 0.1 uF равен 100 nF.  Кроме главного параметра, на корпусе элементов отмечается допустимое отклонение реальной ёмкости от указанной и напряжение, на которое рассчитано устройство. При его превышении прибор может выйти из строя. Этих знаний тебе будет вполне достаточно для начала и для того чтобы самостоятельно продолжить изучение конденсаторов и их физических свойств в специальной технической литературе.

Маркировка конденсаторов

Каким бы ни был конденсатор, есть два обязательным параметра, которые должны быть отражены в маркировке — это его емкость и номинальное напряжение.

Помимо этого, на большинстве из них существует цифро-буквенное обозначение его характеристик. В соответствии с российскими стандартами конденсаторы маркируются четырьмя знаками.

Первая буква К означает «конденсатор», следующая цифра — вид диэлектрика, далее следует указатель назначения в виде буквы, последний значок может означать как тип конструкции, так и номер разработки, это уже зависит от завода-изготовителя. Третий пункт часто пропускается. Используется такая маркировка на достаточно крупных изделиях, где ее можно разместить. По ГОСТ расшифровка будет выглядеть так:

Первые буквы:

1. К — конденсатор постоянной емкости.
2. КТ — подстроечник.
3. КП — конденсатор переменной емкости.

Вторая группа — тип диэлектрика:

• 1, 61 вакуум,
• 2, 60 воздух,
• 3 газ,
• 4 твердый,
• 10, 15 керамика,
• 20 кварц,
• 21 стекло,
• 22 стеклокерамика,
• 23 стеклоэмаль,
• 31, 32 слюда,
• 40, 41, 42 бумага,
• 50 алюминиевый электролитический,
• 51 танталовый,
• 52 объемно-пористый,
• 53, 54 оксидные,
• 71 полистирол,
• 72 фторопласт,
• 73 ПЭТ,
• 75 комбинированный,
• 76 лак и пленка,
• 77 поликарбонат.

На маленьких конденсаторах всего этого не разместить, поэтому там применяется сокращенная маркировка, которая с непривычки может даже потребовать калькулятора, а иногда — лупу. В этой маркировке зашифрованы емкость, номинал напряжения и отклонения от основного параметра. Остальные параметры наносить нет смысла: это, как правило, керамические конденсаторы.

Маркировка керамических конденсаторов

Иногда с ними все просто — емкость отмечена числом и единицами: pF — пикофарад, nF — нанофарад, μF микрофарад, mF — миллифарад. То есть, надпись 100nF можно читать прямо. Номинал, соответственно, числом и буквой V. Но иногда не умещается и это, потому применяют сокращения. Так, часто емкость умещается в трех цифрах (103, 109 и т. д.), где последняя означает число нулей, а первые две — емкость в пикофарадах. Если в конце стоит цифра 9, значит, нулей нет, а между первыми двумя ставят запятую. При цифре 8 на конце запятую переносят еще на один знак назад.

Например, обозначение 109 расшифровывается как 1 пикофарад, а 100–10 пикофарад, 681–680 пикофарад, или 0,68 нанофарад, а 104- 100 тыс. пФ или 100нФ

Часто можно встретить первую букву единицы измерения в качестве запятой: p50–0,5 пФ, 1n5–1,5 нФ, 15μ – 15 мкФ, 15m – 15 мФ. Иногда вместо p пишется R. -12 Ф.

На устройствах SMD емкость в пикофарадах обозначает буква, а цифра после нее — степень 10, на которую надо умножить это значение.

буква	C	буква	C	буква	C	буква	C
A	1	J	2,2	S	4,7	a	2,5
B	1,1	K	2,4	T	5,1	b	3,5
C	1,2	L	2,7	U	5,6	d	4
D	1,3	M	3	V	6,2	e	4,5
E	1,5	N	3,3	W	6,8	f	5
F	1,6	P	3,6	X	7,5	m	6
G	1,8	Q	3,9	Y	8,2	n	7
Y	2	R	4,3	Z	9,1	t	8

Номинальное рабочее напряжение таким же образом может маркироваться буквой, если полностью его написать проблематично. В России принят следующий стандарт буквенного обозначения номинала:

буква	V	буква	V
I	1	K	63
R	1,6	L	80
M	2,5	N	100
A	3,2	P	125
C	4	Q	160
B	6,3	Z	200
D	10	W	250
E	16	X	315
F	20	T	350
G	25	Y	400
H	32	U	450
S	40	V	500
J	50

Несмотря на списки и таблицы, лучше все-таки изучить кодировку конкретного производителя — в разных странах они могут отличаться.

К некоторым конденсаторам прилагается более развернутое описание их характеристик.

Емкость конденсатора

Соединение конденсаторов

Во многих случаях, чтобы создать нужную электроемкость, конденсаторы соединяют в группу, которая называется батареей.

Последовательным называют такое соединение конденсаторов, при котором отрицательно заряженная обкладка предварительного конденсатора соединена с положительно заряженной обкладкой следующего. В случае последовательного соединения на всех обкладках конденсаторов будут одинаковые по модулю заряды, соответственно одинаковыми будут и потенциалы обкладок, соединенных между собой проводниками.

Учтя это, выведем формулу для вычисления электроемкости батареи последовательно соединенных конденсаторов. Напряжение на батарее U _бы равна сумме напряжений на последовательно соединенных конденсаторах, действительно (φ ₁ — φ ₂ ) + (φ ₂ — φ ₃ ) + … + (φ _n -1 — φ _n ) = φ ₁ — φ _n или U ₁ + U ₂ + … + U _n = U _бы . Использовав соотношение q = CU, получим

Сократив на q, получим

Следовательно, для последовательного соединение электроемкость батареи меньше наименьшей из электроемкости отдельных конденсаторов.

Параллельным называется соединение конденсаторов, при котором все положительно заряженные обкладки присоединены к одному проводнику, а отрицательно заряженные — к другому. В этом случае напряжения на всех конденсаторах одинаковы и равны U, а заряд на батареи равна сумме зарядов на отдельных конденсаторах, q _б = q ₁ + q ₂ + … + q _n , откуда C _бы U = C ₁ U + C ₂ U + … + C _n U. После сокращения получаем формулу для вычисления электроемкости батареи параллельно соединенных конденсаторов, С _б = C ₁ + C ₂ + … + C _n. Для параллельного соединения электроемкость батареи больше, чем самая большая из электроемкости отдельных конденсаторов (равна сумме емкостей всех конденсаторов).

Энергия заряженного конденсатора. Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно выполнить работу, затрачиваемое на разделение положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии, эта работа равна энергии конденсатора A = W _эл .

Как известно, работа сил электрического поля по перемещению заряда на определенное расстояние равно A = qU, если напряжение постоянное (U = const). В случае подзарядки конденсатора напряжение на его обкладках растет от нуля до U, и, вычисляя работу поля, в этом случае нужно использовать ее среднее значение

соответственно энергия заряженного конденсатора

Поскольку q = CU, то получим еще две формулы для вычисления энергии конденсатора:

Разряд конденсатора

После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R. Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания. Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны, накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами, двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.

В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки. Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.

Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда, напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.

Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше времени потребует процесс зарядки/разрядки ( ток определяется как количество заряда, прошедшего по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.

Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу ? (тау). За один ? конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять ? конденсатор заряжается или разряжается полностью.

Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В. Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:

Электрическая ёмкость некоторых систем

Вычисление электрической ёмкости системы требует решение Уравнения Лапласа ∇2φ = 0 с постоянным потенциалом φ на поверхности проводников.
Это тривиально в случаях с высокой симметрией. Нет никакого решения в терминах элементарных функций в более сложных случаях.

В квазидвумерных случаях аналитические функции отображают одну ситуацию на другую, электрическая ёмкость не изменяется при таких отображениях. См.{3}}}\right)\right\}} a: Радиус проволокиl: ДлинаΛ: ln(l/a) Оцените статью:

«Электроёмкость. Конденсатор. Энергия заряженного конденсатора».

Физика 10 класс

Тема урока: «Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор. Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов».

Цели урока: ввести понятия «электрическая ёмкость проводников», «единицы электроёмкости»; изучить плоский конденсатор и ознакомить с формулой его электроёмкости; выяснить практическое значение накопителей зарядов – конденсаторов.

Приборы для демонстрации: батарея конденсатора, источник тока, электрометр, плоский конденсатор; лампочка низковольтная, электрофорная машина, соединительные провода, разные конденсаторы, компьютер с проектором.

Ход урока или План урока

1. Организационный момент -1 мин.

2. Проверка знаний (фронтальный опрос) – 5мин.

Вопросы:

1.Как называется вещества, проводящие электрический ток?

(Проводники)

2.Почему металлы проводят электрический ток?

(В металлах имеет свободные электроны)

3.Где располагаются свободные заряды в проводнике при электризации?

( На поверхности проводника)

4. Как называется вещества, не проводящие электрический ток? (Диэлектрики)

5. Почему диэлектрики не проводит электрический ток?

(Нет свободных носителей заряда)

6.Существует ли электрическое поле внутри проводника? (Нет)

III.Изучение нового материала -29 мин.

Проводники и системы, состоящие из нескольких проводников, обладают свойством накапливать электрический заряд.

При электризации двух проводников между ними появляется электрическое поле и возникает разность потенциалов (напряжение). С увеличением заряда проводников электрическое поле между ними усиливается.

• Физическая величина, характеризующая способность проводников накапливать электрический заряд, называется электроёмкостью.

Электроёмкость обозначает буквой — С (читает «це»),

заряд электрический буквой — q ,

разность потенциалов — = U (напряжение)

Отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов между проводниками не зависит от заряда.

Оно определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды.

или C =

За единицей электроёмкости является фарад (Ф). 1Ф =

Из-за того что заряд в 1 Кл очень велик, ёмкость 1 Ф оказывается очень большой.

На практике часто используют доли этой единицы:

микрофарад (1мкФ) = Ф

пикофарад (1пФ) = Ф

нанофарад (1нФ) = Ф

Конденсатор представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники конденсатора называются обкладками.

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга.

А)Конденсатором называют систему из двух изолированных друг от друга проводников, разделённых слоем диэлектрика.

Б) Конденсатор представляет собой два проводника (обкладки) разделённые тонким слоем диэлектрика ( в частности, воздуха)

Если разность потенциалов между пластинами увеличилась, то электроёмкость конденсатора уменьшилась.

Электроёмкость плоского конденсатора равна , где d – расстояние между обкладками , S — площадь одной обкладки,

электрическая постоянная, – диэлектрическая проницаемость среды

Соединение конденсаторов. 1) Параллельное соединение

С = С₁ + С₂

_{2) Последовательное соединение}

а) плоский конденсатор, б) конденсатор переменной ёмкости, в) керамический конденсатор, г) электролитический конденсатор.

Устройство бумажного конденсатора

Энергия заряженного конденсатора.

Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии эта работа не пропадает, а идёт на увеличение энергии конденсатора.

Заряженный конденсатор обладает энергией, можно убедиться, опытным путём Показываем опыт.. При разрядке конденсатора лампа вспыхивает. Энергия конденсатора превращается в тепло и энергию излучения.

Формулы для определения энергии конденсатора.

;

Энергия электрического поля. Согласно теории близкодействия вся энергия взаимодействия заряженных тел сконцентрирована в электрическом поле этих тел. Значит, энергия может быть выражена через основную характеристику поля — напряжённость.

U =Ed

Энергия конденсатора прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля внутри его: W_n ≈ Е².

Применение конденсаторов.

Зависимость электроёмкости конденсатора от расстояния между его пластинами используется при создании одного из типов клавиатур компьютера. Лампа-вспышка, применяемая в фотографии. Однако основное применение конденсаторы находят в радиотехнике.

IV.Закрепление изученного материала. 7 мин

Задача 1.Разность потенциалов между обкладками конденсатора ёмкостью 0,1 мкФ изменилась на 175 В. Определите изменение заряда конденсатора.

Дано:

С= 0,1 мкФ = 10 ^{– 7}Ф

Задача2. Имеются два конденсатора: С₁ = 2 мкФ и С₂ = 4мкФ.

Найдите их общую ёмкость при параллельном и последовательном соединении. (устно)

Залача3.

V. Итоги урока, выставление оценок – 2 мин.

VI. Домашнее задание.§97,§98 ,стр.327(А1,А2) ,Вопросы к §97,§98 из учебника

Физика 10 класс базовый уровень Мякишев, Буховцев, Сотский 2014

Электроемкость проводника. Электроемкость конденсатора. — Студопедия

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд.

В (СИ) ёмкость измеряется в фарадах.

Электроемкость уединенного проводника есть физическая величина численно равная величине заряда, который необходимо сообщить данному проводнику для увеличения его потенциала на единицу. В математической форме данное определение имеет вид

где — заряд, — потенциал проводника.

Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара (или сферы) радиуса R равна (в системе СИ):

где ε0 — электрическая постоянная, ε — относительная диэлектрическая проницаемость.

 

Понятие электроёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком или вакуумом, — к конденсатору. В этом случае электроёмкость этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что обкладки одинаковы), d — расстояние между обкладками, ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, ε0 = 8.854·10−12 Ф/м — электрическая постоянная.

 

Вывод формулы для плоского конденсатора (если понадобиться на всякий случай)

Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением

Согласно принципу суперпозиции, напряженность E поля, создаваемого обеими пластинами, равна сумме напряженностей и полей каждой из пластин:

Внутри конденсатора вектора и параллельны; поэтому модуль напряженности суммарного поля равен

Вне пластин вектора и направлены в разные стороны, и поэтому E = 0. Поверхностная плотность σ заряда пластин равна q / S, где q – заряд, а S – площадь каждой пластины. Разность потенциалов Δφ между пластинами в однородном электрическом поле равна Ed, где d – расстояние между пластинами. Из этих соотношений можно получить формулу для электроемкости плоского конденсатора:

 

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

 

Конденсаторы

Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы. Конденсатор — это система двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность одной пластины. Вне пластин напряженность равна нулю.
Обозначаются конденсаторы на схемах так:

При параллельном соединении конденсаторов U=U1=U2
при последовательном q=q1=q2.

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.
Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования ее при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.

 

 

Электроемкость конденсатора: формулы и история

Электрический конденсатор является пассивным прибором, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрическим материалом. Приложение электрических потенциалов различного знака к проводящим пластинам приводит к приобретению ими заряда, который на одной пластине является положительным, а на другой отрицательным. При этом суммарный заряд равен нулю.

В данной статье рассмотрены вопросы истории и определение электроемкости конденсатора.

История изобретения

В октябре 1745 года немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст заметил, что электрический заряд может быть запасен, если соединить с помощью кабеля электростатический генератор и некоторый объем воды, находящийся в стеклянном сосуде. В этом эксперименте рука фон Клейста и вода являлись проводниками, а стеклянный сосуд — электрическим изолятором. После того как ученый коснулся металлической проволоки рукой, произошел мощный разряд, который был намного сильнее, чем разряд электростатического генератора. В результате фон Клейст сделал вывод о существовании запасенной электрической энергии.

В 1746 году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел конденсатор, который назвал лейденской бутылкой в честь Лейденского университета, в котором работал ученый. Затем Даниэль Гралат увеличил электроемкость конденсатора, соединив несколько лейденских бутылок.

В 1749 году Бенджамин Франклин исследовал лейденский конденсатор и пришел к выводу, что электрический заряд запасается не в воде, как полагали до этого, а на границе воды и стекла. Благодаря открытию Франклина, лейденские бутылки стали изготавливать, покрывая внутреннюю и внешнюю поверхность стеклянных сосудов металлическими пластинами.

Развитие индустрии

Термин «конденсатор» ввел в употребление Алессандро Вольта в 1782 году. Изначально для изготовления изоляторов электрических конденсаторов использовали такие материалы, как стекло, фарфор, слюду и обычную бумагу. Так, радиотехник Гульельмо Маркони использовал для своих аппаратов-передатчиков фарфоровые конденсаторы, а для приемников — небольшие конденсаторы с изолятором слюды, которые были изобретены в 1909 году — до Второй мировой войны в США именно они были наиболее распространенными.

Первый электролитический конденсатор был изобретен в 1896 году и представлял собой электролит с алюминиевыми электродами. Бурное развитие электроники началось только после изобретения в 1950 году танталового миниатюрного конденсатора с твердым электролитом.

Во время Второй мировой войны в результате развития химии пластмасс стали появляться конденсаторы, в которых роль изолятора была отведена тонким полимерным пленкам.

Наконец, в 50-60 годах развивается индустрия суперконденсаторов, которые обладают несколькими рабочими проводящими поверхностями, благодаря чему электроемкость конденсаторов повышается на 3 порядка в сравнении с ее значением для обычных конденсаторов.

Понятие об электроемкости конденсатора

Электрический заряд, запасенный в пластине конденсатора, пропорционален напряжению электрического поля, которое существует между пластинами прибора. При этом коэффициент пропорциональности называется электроемкостью плоского конденсатора. В СИ (международная система единиц) электроемкость, как физическая величина, измеряется в фарадах. Один фарад — это такая электроемкость конденсатора, напряжение между пластинами которого равно 1 вольт при запасенном заряде в 1 кулон.

Электроемкость в 1 фарад является огромной, и на практике в электротехнике и электронике обычно пользуются конденсаторы с емкостями порядка пикофарада, нанофарада и микрофарада. Исключением являются только суперконденсаторы, которые состоят из активированного угля, благодаря чему увеличивается рабочая площадь прибора. Они могут достигать емкостей в тысячи фарадов и используются для питания прототипов электромобилей.

Таким образом, электроемкость конденсатора равна: C = Q₁/(V₁-V₂). Здесь C — электроемкость, Q₁ — электрический заряд, запасенный в одной пластине конденсатора, V₁-V₂ — разница между электрическими потенциалами пластин.

Формула для емкости плоского конденсатора имеет вид: C = e₀eS/d. Здесь e₀ и e — универсальная диэлектрическая постоянная и диэлектрическая постоянная материала изолятора S — площадь пластин, d — расстояние между пластинами. Эта формула позволяет понять, как изменится электроемкость конденсатора, если изменить материал изолятора, расстояние между пластинами или их площадь.

Виды используемых диэлектриков

Для изготовления конденсаторов используют различные типы диэлектриков. Наиболее популярными являются следующие:

1. Воздух. Эти конденсаторы представляют собой две пластины из проводящего материала, которые разделены прослойкой воздуха и помещены в стеклянный корпус. Электроемкость воздушных конденсаторов невелика. Обычно они используются в радиотехнике.
2. Слюда. Свойства слюды (способность разделяться на тонкие пластины и выдерживать высокие температуры) являются подходящими для ее использования в качестве изоляторов в конденсаторах.
3. Бумага. Для защиты от намокания используют парафинированную или лакированную бумагу.

Запасенная энергия

По мере того, как увеличивается разность потенциалов между пластинами конденсатора, прибор запасает электрическую энергию благодаря присутствию внутри него электрического поля. Если разность потенциалов между пластинами уменьшается, то конденсатор разряжается, отдавая энергию в электрическую цепь.

Математически электрическую энергию, которая запасена в конденсаторе произвольного типа, можно выразить следующей формулой: E = ½C(V₂-V₁)², где V₂ и V₁ — конечное и начальное напряжение между пластинами.

Заряд и разряд

Если конденсатор подсоединить в электрическую цепь с резистором и каким-либо источником электрического тока, тогда по цепи пойдет ток, и конденсатор начнет заряжаться. Как только он будет полностью заряжен, электрический ток в цепи прекратится.

Если заряженный конденсатор подсоединить параллельно резистору, то от одной пластины к другой через резистор потечет ток, который будет продолжаться до тех пор, пока прибор полностью не разрядится. В данном случае направление тока разряда будет противоположно направлению течения электрического тока, когда прибор заряжался.

Заряд и разряд конденсатора подчиняется экспоненциальной зависимости от времени. Например, напряжение между пластинами конденсатора при его разряде изменяется согласно следующей формуле: V(t) = V_ie^-t/(RC), где V_i — начальное напряжение на конденсаторе, R — электрическое сопротивление в цепи, t — время разряда.

Объединение в электрической цепи

Чтобы определить электроемкость конденсаторов, которые имеются в электрической цепи, следует вспомнить, что они могут объединяться двумя различными способами:

1. Последовательное соединение: 1/C_s = 1/C₁+1/C₂+…+1/C_n.
2. Параллельное соединение: C_s = C₁+C₂+…+C_n.

C_s — суммарная емкость n конденсаторов. Суммарная электроемкость конденсаторов определяется по формулам, аналогичным математическим выражениям для суммарного электрического сопротивления, только формула для последовательного соединения приборов справедлива для параллельного соединения резисторов и наоборот.

Контрольный тест по теме «Электроемкость»

Контрольный тест

по теме «Электроемкость»

Вводная часть. Тест по Физике для 10 класса общеобразовательной школы по теме Электроемкость. Тест предлагается пройти дистанционно по ссылке
https://onlinetestpad.com/hoekpi3icv5fw; удобно пользоваться сервисом в условиях дистанционного обучения, достаточно одного варианта(ответы в вопросах перемешиваются) и результаты подсчитываются автоматически. Готовые оценки можно перенести в журнал. Также сайт позволяет просмотреть статистику решения, что удобно при работе над ошибками. Задачи по теме были взяты из типовых заданий для проведения ЕГЭ

Контрольно-измерительный материал.

Электрической емкостью называется:

скалярная физическая величина,  характеризующая  способность проводника накапливать электрический заряд.

отношение площади конденсатора к расстоянию между его пластинами

физическая величина пропорциональная заряду конденсатора

все варианты верны

Э лектрическую емкость конденсатора  можно рассчитать по формуле: C=

нет правильной формулы

Конденсатор электроемкостью 0,5 Ф был заряжен до напряжения 4 В. Затем к нему подключили параллельно незаряженный конденсатор электроемкостью 0,5 Ф. Какова энергия системы из двух конденсаторов после их соединения? (Ответ дать в джоулях.)

8 Дж

4Дж

0,5 Дж

2 Дж

нет правильного ответа

Плоский воздушный конденсатор изготовлен из двух одинаковых квадратных пластин со стороной а, зазор между которыми равен d. Другой плоский конденсатор изготовлен из двух одинаковых квадратных пластин со стороной а/3, зазор между которыми также равен d, и заполнен непроводящим веществом. Чему равна диэлектрическая проницаемость этого вещества, если электрические ёмкости данных конденсаторов одинаковы?

3 

9

1/9

0,3

нет правильного ответа

Напряжённость поля между пластинами плоского воздушного конденсатора равна по модулю 25 В/м, расстояние между пластинами 15 мм, ёмкость конденсатора 12 мкФ. Определите заряд этого конденсатора. Ответ выразите в мкКл.

3 мкКл

4.5 мкКл

2 мкКл

7.2 мкКл

нет правильного ответа

Инструкция к заданиям

На решение теста отводится 25 минут, по 2 мин на теоретические вопросы и по 7 минут на задачи. Задачи должны быть оформлены в тетради, фото решения прикрепляется в системе обучения (наша школа использует Гугл класс)

Правильные ответы

а

б

г

б

б

Тема урока: Электроемкость. Единицы электроемкости. Конденсаторы. 10 класс

Тема урока: Электроемкость. Единицы электроемкости. Конденсаторы. 10 класс

Образовательные цели:  сформировать понятия электрической ёмкости, единицы ёмкости; изучить зависимость ёмкости от размеров проводника, диэлектрической проницаемости среды и расстояния между пластинами конденсатора.

• Воспитательные цели:  продолжить формирование представления о строении вещества; о частицах, входящих в состав молекул и атомов; показать реальность электрического поля.
• Развивающие цели:  формировать умения сравнивать результаты опытов, формулы, а также величины характеризующие электроёмкость; научиться использовать знания формул в решении задач.

Оборудование: 2 электрометра, металлические пластины на изолирующих подставках, электростатическая машина, соединительные провода, конденсаторы переменной и постоянной ёмкости.

Демонстрации:

• Зависимость электроёмкости от расстояния между пластинами.
• Зависимость ёмкости плоского конденсатора от площади пластины.
• Зависимость электроёмкости от диэлектрической проницаемости среды.

План урока.

1. Проверка ранее изученного материала.
2. Изучение нового материала.

1. Понятие о конденсаторе.
2. Электроёмкость конденсатора.
3. Единица электроёмкости
4. Формула электроёмкости плоского конденсатора.
5. Виды конденсаторов.

III.Закрепление. Решение задач. Беседа по вопросам.

1. Итог урока.

Стадия вызова:

Ход урока:

1.  Проверка раннего изученного материала  (устно) 

• В каких единицах измеряется напряжённость электрического поля?
• В каких единицах измеряется электрический заряд?
• Записать формулу закона Кулона для вакуума в СИ.
• Записать формулу закона Кулона для среды в СИ.
• Что такое электрическое поле?
• Как называют поле неподвижных зарядов?
• Записать формулу напряженности.
• Чему равна напряжённость поля точечного заряда?
• Чему равна разность потенциалов между двумя точками заряженного проводника?
• Стадия осмысления:

Изучение нового материала.

Слово »конденсатор» происходит от латинского слова condensare, что означает »сгущение». В учении об электрических явлениях этим словом обозначают устройства, позволяющие сгущать электрические заряды и связанное с этими зарядами электрическое поле.

Простейший конденсатор состоит из двух проводников, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами проводника.

Свойство конденсатора сгущать электрические заряды и связанное с ним электрическое поле можно наблюдать на опыте.

Опыт 1. Две металлические пластины, укреплённые на изолирующих подставках, располагаем параллельно друг другу и присоединяем к электрометру. Одну из пластин соединяем с землёй.

(рис.1)

Одной из пластин сообщаем положительный заряд q. Другая при этом получит через влияние отрицательный заряд- q. Электрометр покажет разность потенциалов между пластинами.

Сообщим первой пластине дополнительно заряд q тем же способом, прикоснувшись наэлектризованным шаром. Теперь на пластинах находятся заряды 2 q и -2 q. Показания электрометра при этом увеличились в двое.

Не меняя зарядов, начнём сближать пластины. Напряжение между пластинами будет уменьшаться. При некотором расстоянии оно станет таким, каким оно было при зарядах q и –q. Прекратим сближение пластин и вновь первой пластине передадим дополнительный заряд q. Показания электрометра вновь увеличатся. При дальнейшем сближении пластин, замечаем, что при некотором, ещё меньшем расстоянии между ними электрометр вновь покажет прежнюю разность потенциалов. Следовательно, сдвигая пластины конденсатора, можно при одном и том же напряжении накапливать на одной пластине положительные заряды q, 2q, 3q,…, а на другой- равные по модулю отрицательные заряды. т.о, конденсатор накапливает заряды: поверхностная плотность зарядов увеличивается по мере сближения пластин.

Свойство конденсатора накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с ними электрическое поле характеризуется особой величиной, называемой электроёмкостью.

Чтобы выяснить смысл этой величины, обратимся к исследованиям.

Опыт 2. Касаясь одинаково заряженными шарами внешней стороны пластины конденсатора, передаём этой пластине последовательно по заряду q. При этом заметим, что по мере увеличения заряда растёт напряжение между пластинами. Причём при зарядах q, 2q, 3q,… напряжение принимает значение U, 2U, 3U,…, возрастая пропорционально заряду. (рис.2) Но отношение заряда к напряжению остаётся постоянным: 

рис.2

Проведём такие же опыты с конденсатором, пластины которого имеют большую площадь; при этом расстояние между пластинами сделаем таким же. Увеличивая заряд одной из пластин на q, т.е. делая его равным 2q, 3q,…, заметим, что напряжение между пластинами принимает значения U1, U2, 3U1…, где U1 < U. Но .

Для того чтобы второй конденсатор зарядить до такого же напряжения, как и первый, ему надо сообщить больший заряд. Второй конденсатор обладает большей электрической ёмкостью, т.е. второму конденсатору соответствует большее значение отношения заряда к напряжению. Следовательно, величина С характеризует электрическую ёмкость конденсатора.

Электрической ёмкостью конденсатора называется скалярная величина, характеризующая его свойство накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с этими зарядами электрическое поле. Электроёмкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин к напряжению между ними: 

За единицу электроёмкости в СИ принимается электроёмкость конденсатора, напряжение между обкладками конденсатора которого равно 1В, когда на его обкладках имеются разноимённые заряды по 1Кл. Эта единица названа фарад в честь М.Фарадея:   . На практике применяются:       

Из рассмотренных исследований делаем вывод, что С конденсатора зависит от площади S пластин и расстояния d между ними:   .

Опыт 3. Кроме того, электрическая ёмкость конденсатора зависит от рода диэлектрика, находящегося между пластинами. Внесём в пространство между пластинами заряженного конденсатора лист какого-либо диэлектрика. Мы видим, что напряжение между пластинами уменьшилось.(рис. 3,4) Значит, электрическая ёмкость конденсатора увеличилась 

Выведем формулу для расчёта электроёмкости плоского конденсатора. По определению   . Учитывая, что U = Ed, а , получаем:

Полученная формула согласуется с результатами рассмотренных опытов.

рис. 3

рис.4

Выслушаем два заранее подготовленных сообщения учащихся о различных типах конденсаторов (о конденсаторах переменной ёмкости, технических бумажных и электролитических конденсаторах), их сравнительной характеристике, устройстве и применении.

1.Сообщение.

В зависимости от назначения конденсаторы имеют различное устройство. Технический бумажный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изолированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Алюминиевая фольга и бумажные ленты туго свёрнуты в пакет небольшого размера. Бумажный конденсатор, имея размеры спичечного коробка, обладает электроёмкостью до 10 мкФ (металлический шар такой же ёмкости имел бы радиус 90 км).

В радиотехнике широко применяют конденсаторы переменной электроёмкости. Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входить одна в другую. При этом меняется площадь перекрывающейся части пластин и, следовательно, их электроёмкость. Диэлектриком в таких конденсаторах служит воздух.

2.Сообщение.

Значительного увеличения электроёмкости за счёт уменьшения расстояния между обкладками достигают в так называемых электролитических конденсаторах. Диэлектриком в них служит очень тонкая плёнка оксидов, покрывающих одну из обкладок. Второй обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества (электролита). При включении электролитических конденсаторов надо обязательно соблюдать полярность.

В слюдяных конденсаторах в качестве диэлектрика используют слюду, а обкладками служит металлическая фольга или тонкий слой металла, нанесённый непосредственно на слюду. Слюдяные конденсаторы устанавливают, главным образом, в электрических цепях высокой частоты.

В радиотехнике широкое распространение получили керамические конденсаторы, имеющие небольшие размеры, но обладающие хорошими электрическими свойствами. Конструктивно их выполняют в виде трубок или дисков из керамики, а обкладками служит слой металла, нанесённый на керамику.

 рефлексия

1. Закрепление изученного материала.

1.Решение задач с помощью учителя.

• Какова электроёмкость (в микрофарадах) конденсатора, если при напряжении на его обкладках 300В заряд равен1,5 *10-5кл?

• Какую площадь должны иметь пластины плоского воздушного конденсатора для того, чтобы его электроёмкость была равна 1пФ? Расстояние между пластинами q =0,5мм.

• При введении в пространство между пластинами воздушного конденсатора твердого диэлектрика  напряжение на конденсаторе уменьшилось с 400 до 50 В. Какова диэлектрическая проницаемость диэлектрика?

• Площадь каждой пластины плоского конденсатора равна 520 см2. На каком расстоянии друг от друга надо расположить пластины в воздухе, чтобы емкость конденсатора была равна 46 пФ?

• Плоский конденсатор состоит из двух пластин площадью 50 см2 каждая. Между пластинами находится слой стекла. Какой наибольший заряд можно накопить на этом конденсаторе, если при напряженности поля 10 МВ/м в стекле происходить пробой конденсатора?

1. Беседа по вопросам.

• Что называют ёмкостью двух проводников? (электроёмкостью двух проводников называют физическую величину, характеризующую свойство проводников накапливать электрические заряды; она равна отношению заряда одного из проводников к напряжению между проводниками.)
• Назовите единицы ёмкости. (Ф, мкФ, пФ.)
• Какая система проводников называется конденсатором?(Конденсатор- эта система двух или более обкладок, разделённых диэлектриком. Заряженный конденсатор содержит на пластинах (обкладках) равные по величине, но противоположные по закону заряды.)
• Как зависит электроёмкость плоского конденсатора от его геометрических размеров? (Ёмкость тем больше, чем больше площадь обкладок и чем меньше расстояние между ними.)

1. Итог урока.

Учитель: Что нового узнали сегодня на уроке?

Ученик: Узнали, что такое электроёмкость и от чего она зависит; что такое конденсатор, какие бывают конденсаторы; где применяются конденсаторы; научились решать задачи на расчёт электроёмкости плоского конденсатора.

 Домашняя задания: п. 8.10,  8.11  Упр.18 (1.2.3)

Просмотр содержимого документа
«Тема урока: Электроемкость. Единицы электроемкости. Конденсаторы. 10 класс »

Атырауская область, Курмангазинский район, с. Ганюшкино, сш имени М.В. Ломоносова, Нурлан Сабыров

Тема урока: Электроемкость. Единицы электроемкости. Конденсаторы. 10 класс

Образовательные цели:  сформировать понятия электрической ёмкости, единицы ёмкости; изучить зависимость ёмкости от размеров проводника, диэлектрической проницаемости среды и расстояния между пластинами конденсатора.

• Воспитательные цели:  продолжить формирование представления о строении вещества; о частицах, входящих в состав молекул и атомов; показать реальность электрического поля.

• Развивающие цели:  формировать умения сравнивать результаты опытов, формулы, а также величины характеризующие электроёмкость; научиться использовать знания формул в решении задач.

Оборудование: 2 электрометра, металлические пластины на изолирующих подставках, электростатическая машина, соединительные провода, конденсаторы переменной и постоянной ёмкости.

Демонстрации:

• Зависимость электроёмкости от расстояния между пластинами.

• Зависимость ёмкости плоского конденсатора от площади пластины.

• Зависимость электроёмкости от диэлектрической проницаемости среды.

План урока.

1. Проверка ранее изученного материала.

2. Изучение нового материала.

1. Понятие о конденсаторе.

2. Электроёмкость конденсатора.

3. Единица электроёмкости

4. Формула электроёмкости плоского конденсатора.

5. Виды конденсаторов.

1. Закрепление. Решение задач. Беседа по вопросам.

2. Итог урока.

Стадия вызова:

Ход урока:

1. Проверка раннего изученного материала (устно) 

• В каких единицах измеряется напряжённость электрического поля?

• В каких единицах измеряется электрический заряд?

• Записать формулу закона Кулона для вакуума в СИ.

• Записать формулу закона Кулона для среды в СИ.

• Что такое электрическое поле?

• Как называют поле неподвижных зарядов?

• Записать формулу напряженности.

• Чему равна напряжённость поля точечного заряда?

• Чему равна разность потенциалов между двумя точками заряженного проводника?

• Стадия осмысления:

Изучение нового материала.

Слово »конденсатор» происходит от латинского слова condensare, что означает »сгущение». В учении об электрических явлениях этим словом обозначают устройства, позволяющие сгущать электрические заряды и связанное с этими зарядами электрическое поле.

Простейший конденсатор состоит из двух проводников, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами проводника.

Свойство конденсатора сгущать электрические заряды и связанное с ним электрическое поле можно наблюдать на опыте.

Опыт 1. Две металлические пластины, укреплённые на изолирующих подставках, располагаем параллельно друг другу и присоединяем к электрометру. Одну из пластин соединяем с землёй.

(рис.1)

Одной из пластин сообщаем положительный заряд q. Другая при этом получит через влияние отрицательный заряд- q. Электрометр покажет разность потенциалов между пластинами.

Сообщим первой пластине дополнительно заряд q тем же способом, прикоснувшись наэлектризованным шаром. Теперь на пластинах находятся заряды 2 q и -2 q. Показания электрометра при этом увеличились в двое.

Не меняя зарядов, начнём сближать пластины. Напряжение между пластинами будет уменьшаться. При некотором расстоянии оно станет таким, каким оно было при зарядах q и –q. Прекратим сближение пластин и вновь первой пластине передадим дополнительный заряд q. Показания электрометра вновь увеличатся. При дальнейшем сближении пластин, замечаем, что при некотором, ещё меньшем расстоянии между ними электрометр вновь покажет прежнюю разность потенциалов. Следовательно, сдвигая пластины конденсатора, можно при одном и том же напряжении накапливать на одной пластине положительные заряды q, 2q, 3q,…, а на другой- равные по модулю отрицательные заряды. т.о, конденсатор накапливает заряды: поверхностная плотность зарядов увеличивается по мере сближения пластин.

Свойство конденсатора накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с ними электрическое поле характеризуется особой величиной, называемой электроёмкостью.

Чтобы выяснить смысл этой величины, обратимся к исследованиям.

Опыт 2. Касаясь одинаково заряженными шарами внешней стороны пластины конденсатора, передаём этой пластине последовательно по заряду q. При этом заметим, что по мере увеличения заряда растёт напряжение между пластинами. Причём при зарядах q, 2q, 3q,… напряжение принимает значение U, 2U, 3U,…, возрастая пропорционально заряду. (рис.2) Но отношение заряда к напряжению остаётся постоянным: 

рис.2

Проведём такие же опыты с конденсатором, пластины которого имеют большую площадь; при этом расстояние между пластинами сделаем таким же. Увеличивая заряд одной из пластин на q, т.е. делая его равным 2q, 3q,…, заметим, что напряжение между пластинами принимает значения U₁, U₂, 3U₁…, где U₁ U. Но .

Для того чтобы второй конденсатор зарядить до такого же напряжения, как и первый, ему надо сообщить больший заряд. Второй конденсатор обладает большей электрической ёмкостью, т.е. второму конденсатору соответствует большее значение отношения заряда к напряжению. Следовательно, величина С характеризует электрическую ёмкость конденсатора.

Электрической ёмкостью конденсатора называется скалярная величина, характеризующая его свойство накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с этими зарядами электрическое поле. Электроёмкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин к напряжению между ними: 

За единицу электроёмкости в СИ принимается электроёмкость конденсатора, напряжение между обкладками конденсатора которого равно 1В, когда на его обкладках имеются разноимённые заряды по 1Кл. Эта единица названа фарад в честь М.Фарадея:  . На практике применяются:      

Из рассмотренных исследований делаем вывод, что С конденсатора зависит от площади S пластин и расстояния d между ними:  .

Опыт 3. Кроме того, электрическая ёмкость конденсатора зависит от рода диэлектрика, находящегося между пластинами. Внесём в пространство между пластинами заряженного конденсатора лист какого-либо диэлектрика. Мы видим, что напряжение между пластинами уменьшилось.(рис. 3,4) Значит, электрическая ёмкость конденсатора увеличилась 

Выведем формулу для расчёта электроёмкости плоского конденсатора. По определению  . Учитывая, что U = Ed, а , получаем:

Полученная формула согласуется с результатами рассмотренных опытов.

рис. 3

рис.4

Выслушаем два заранее подготовленных сообщения учащихся о различных типах конденсаторов (о конденсаторах переменной ёмкости, технических бумажных и электролитических конденсаторах), их сравнительной характеристике, устройстве и применении.

1.Сообщение.

В зависимости от назначения конденсаторы имеют различное устройство. Технический бумажный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изолированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Алюминиевая фольга и бумажные ленты туго свёрнуты в пакет небольшого размера. Бумажный конденсатор, имея размеры спичечного коробка, обладает электроёмкостью до 10 мкФ (металлический шар такой же ёмкости имел бы радиус 90 км).

В радиотехнике широко применяют конденсаторы переменной электроёмкости. Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входить одна в другую. При этом меняется площадь перекрывающейся части пластин и, следовательно, их электроёмкость. Диэлектриком в таких конденсаторах служит воздух.

2.Сообщение.

Значительного увеличения электроёмкости за счёт уменьшения расстояния между обкладками достигают в так называемых электролитических конденсаторах. Диэлектриком в них служит очень тонкая плёнка оксидов, покрывающих одну из обкладок. Второй обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества (электролита). При включении электролитических конденсаторов надо обязательно соблюдать полярность.

В слюдяных конденсаторах в качестве диэлектрика используют слюду, а обкладками служит металлическая фольга или тонкий слой металла, нанесённый непосредственно на слюду. Слюдяные конденсаторы устанавливают, главным образом, в электрических цепях высокой частоты.

В радиотехнике широкое распространение получили керамические конденсаторы, имеющие небольшие размеры, но обладающие хорошими электрическими свойствами. Конструктивно их выполняют в виде трубок или дисков из керамики, а обкладками служит слой металла, нанесённый на керамику.

рефлексия

1. Закрепление изученного материала.

1. Решение задач с помощью учителя.

• Какова электроёмкость (в микрофарадах) конденсатора, если при напряжении на его обкладках 300В заряд равен1,5 *10^-5кл?

• Какую площадь должны иметь пластины плоского воздушного конденсатора для того, чтобы его электроёмкость была равна 1пФ? Расстояние между пластинами q =0,5мм.

• При введении в пространство между пластинами воздушного конденсатора твердого диэлектрика напряжение на конденсаторе уменьшилось с 400 до 50 В. Какова диэлектрическая проницаемость диэлектрика?

• Площадь каждой пластины плоского конденсатора равна 520 см². На каком расстоянии друг от друга надо расположить пластины в воздухе, чтобы емкость конденсатора была равна 46 пФ?

• Плоский конденсатор состоит из двух пластин площадью 50 см² каждая. Между пластинами находится слой стекла. Какой наибольший заряд можно накопить на этом конденсаторе, если при напряженности поля 10 МВ/м в стекле происходить пробой конденсатора?

1. Беседа по вопросам.

• Что называют ёмкостью двух проводников? (электроёмкостью двух проводников называют физическую величину, характеризующую свойство проводников накапливать электрические заряды; она равна отношению заряда одного из проводников к напряжению между проводниками.)

• Назовите единицы ёмкости. (Ф, мкФ, пФ.)

• Какая система проводников называется конденсатором?(Конденсатор- эта система двух или более обкладок, разделённых диэлектриком. Заряженный конденсатор содержит на пластинах (обкладках) равные по величине, но противоположные по закону заряды.)

• Как зависит электроёмкость плоского конденсатора от его геометрических размеров? (Ёмкость тем больше, чем больше площадь обкладок и чем меньше расстояние между ними.)

1. Итог урока.

Учитель: Что нового узнали сегодня на уроке?

Ученик: Узнали, что такое электроёмкость и от чего она зависит; что такое конденсатор, какие бывают конденсаторы; где применяются конденсаторы; научились решать задачи на расчёт электроёмкости плоского конденсатора.

Домашняя задания: п. 8.10, 8.11 Упр.18 (1.2.3)

Что такое плата за емкость? — Электрический выбор

Когда вы получите счет за электроэнергию в конце месяца, вы увидите много разных начислений. Плата, которая чаще всего сбивает с толку людей, называется платой за мощность. Возможно, вы этого не знаете, но плата за мощность может отображаться как «вторая по величине цена за кВт · ч в вашем счете» после генерации.

Чтобы помочь прояснить этот термин и то, что именно он означает для вашего бумажника, мы собрали воедино все, что вам нужно знать об этом конкретном списании.

Что такое плата за емкость?

Плата за мощность

основана на максимальном количестве энергии, которое вы, по оценкам, используете или потребляете в течение месяца (или года в некоторых регионах). По сути, вы платите комиссию, чтобы гарантировать, что электричество, которое вы может использовать, будет доступно вам, когда вам нужно его использовать, когда вам нужно его использовать.

Цена на электроэнергию отличается от места к месту, что также означает, что мощность также отличается. Следовательно, плата за мощность, которую один потребитель может увидеть в своем счете, скорее всего, будет отличаться от другой.Плата за мощность применяется ко многим различным типам потребителей, включая

• Жилой
• Муниципалитеты
• Коммерческий
• Промышленное

Зачем нам нужна плата за емкость?

Итак, определение платы за мощность может заставить вас задуматься: «Почему мне платят за электроэнергию, которая может мне понадобиться, а может и нет?» Это хороший вопрос, но суть в том, что мощность помогает производителям знать, сколько электроэнергии им нужно предоставить в электросеть.Их задача — обеспечить постоянную доступность электричества для всех потребителей. Если они не вырабатывают достаточно электроэнергии, у потребителей не будет электричества. Судя по тому, как устроен мир сегодня, электричество является критически важным компонентом повседневной жизни, поэтому генераторам требуется мощность.

Дерегулирование энергетики

Плата за мощность обычно взимается только на нерегулируемых рынках энергии.

Дерегулируемые рынки энергии позволяют организациям, называемым поставщиками электроэнергии, зарекомендовать себя в качестве поставщиков энергии в Соединенных Штатах.Вместо того, чтобы разрешать коммунальным предприятиям только предлагать потребителям электроэнергии все услуги, связанные с энергией (от производства до обслуживания потребителей), дерегулируемый рынок энергии открыт для конкуренции.

Конкуренция гарантирует, что тарифы на электроэнергию останутся низкими и доступными для всех потребителей. Когда есть только одна или две компании, у потребителей нет выбора, от какой компании они получают свои энергетические услуги. Поскольку многие поставщики электроэнергии предлагают одинаковые услуги, им действительно нужно стремиться к тому, чтобы их продукты и предложения выделялись из общей массы.Если потребитель электроэнергии недоволен своим текущим поставщиком электроэнергии, он может переключиться на того, который лучше соответствует его потребностям.

В настоящее время существует множество штатов, которые разрешают выбор потребителя, в том числе

• Техас
• Делавэр
• Нью-Йорк
• Мэриленд
• Иллинойс
• Огайо
• Нью-Джерси
• Вашингтон, округ Колумбия
• Пенсильвания
• Мичиган
• Мэн
• Орегон
• Массачусетс
• Коннектикут
• Нью-Гэмпшир

Вы можете иметь в виду, что в Техасе дерегулировано только 80% энергии.Есть еще некоторые области штата, которые остаются регулируемыми. Кроме того, другие и дополнительные штаты также могут быть частично дерегулированы, предусматривать дерегулирование природного газа или только дерегулирование энергетики для коммерческих предприятий.

Чтобы узнать, имеете ли вы право на отмену регулирования энергопотребления, вы всегда можете обратиться в свою коммунальную компанию. Если в вашем штате есть Комиссия по коммунальным предприятиям (PUC), вы также можете связаться с ней для получения дополнительной информации о доступных и утвержденных поставщиках электроэнергии.

Поставщики электроэнергии и плата за мощность

Организации, требующие оплаты за мощность, обычно являются производителями электроэнергии. Поскольку потребители — это те, кто использует электроэнергию, сборы с генераторов переходят к поставщикам электроэнергии, которые затем перекладывают плату на своих потребителей.

Плата, которую поставщики электроэнергии добавляют в счет-фактуру потребителя, основывается на стоимости мощности. Эта стоимость не является произвольной цифрой, она определяется клиринговой ценой на аукционе для области, которую они обслуживают.Когда потребитель оплачивает счет поставщика электроэнергии, поставщик электроэнергии может затем заплатить независимым системным операторам (ISO) или региональным передающим организациям (RTO), которые затем платят производителям электроэнергии.

Аукционы мощности

Как упоминалось выше, расходы, которые потребитель видит в своем счете, не являются цифрой, которую предлагает поставщик электроэнергии. Он основан на результатах аукционов мощности.

Аукционы мощности — это процесс, в котором ISO и RTO предоставляют оценки пикового потребления электроэнергии по местоположению соответствующим участникам, которые делают ставки на такие вещи, как:

• Электростанции (новые и действующие)
• Энергоэффективность
• Ответ на спрос
• Импорт

Вся цель аукциона — убедиться в наличии более чем достаточного количества электроэнергии в случае периода пикового спроса.Когда предложение принимается, ресурс становится обязанным обеспечить его доступность в случае необходимости.

Как рассчитывается плата за мощность?

Плата за мощность основана на доле пиковой нагрузки потребителя (PLC) в течение года. Хотя все государства-участники используют PLC, способ его расчета в них различается. Некоторые штаты используют пиковое количество электроэнергии на основе часового периода по сравнению с предыдущим годом. Другие определяют ПЛК на 5 лучших пиковых часов электроэнергии на основе среднего количества.

Плата за мощность затем умножается на общее количество кВтч, использованных в течение этих периодов времени ПЛК, и взимается с потребителя.

Способы снижения платы за емкость

Хорошая новость заключается в том, что есть способы уменьшить эту плату за электроэнергию. Один из самых больших способов сэкономить — это участие в ваших местных программах реагирования на спрос (DR) или PLC. Эти программы обычно реализуются через поставщика электроэнергии.

Программы

PLC требуют от потребителя ограничивать потребление электроэнергии в течение определенных периодов времени.Как упоминалось в разделе выше, штаты рассчитывают плату за мощность на основе расчетных периодов пиковой нагрузки, приходящейся на год. Несмотря на то, что каждый штат или место имеет свои собственные правила, потребители могут извлечь выгоду, зная, какие предстоящие даты определены как пиковые нагрузки, и могут снизить свои ставки, потребляя меньше электроэнергии в течение определенного периода времени.

Потребитель не увидит снижения расходов в текущем году. Влияние снижения потребления проявится в следующем году.

Влияние платы за мощность на муниципалитеты

Одна из причин, по которой использование программ DR или PLC — это хорошая идея, очевидна при рассмотрении таких организаций, как муниципалитеты. Муниципалитеты ежегодно тратят большие деньги на электричество. По данным муниципального совета по планированию, муниципалитеты, не использующие программы PLC или DR, могут получить увеличение своих счетов на 140 000 долларов (до конца мая 2018 года). По оценкам Совета, если муниципалитеты снизят свое потребление наполовину в течение определенного времени PLC, это поможет значительно снизить плату за мощность.

Та же логика применима ко всем остальным потребителям электроэнергии. Хотя стоимость мощности может быть не такой высокой, использование программ, связанных с ПЛК или аварийным восстановлением, действительно поможет сохранить низкую стоимость электроэнергии на долгие годы.

Что такое электрический проводник? Определение и типы электрических проводников

Определение: Проводник — это тип металла, который позволяет электрическому току проходить через него. Электрический проводник обычно состоит из металлов, таких как медь, алюминий и их сплавы.В электрическом проводнике электрические заряды перемещаются от атома к атому, когда к ним прикладывается разность потенциалов. Электрические проводники используются в виде проволоки. Выбор проводника можно принять во внимание, учитывая различные факторы, такие как прочность на разрыв, усталостная прочность, потери на коронный разряд, местные условия и стоимость.

Электрический провод, используемый для передачи энергии, обычно многожильный. Многожильные проводники обладают большой гибкостью и механической прочностью по сравнению с одиночным проводом того же сечения.В многожильном проводе обычно центральный провод окружен последовательными слоями проводов, содержащих 6, 12, 18, 24,… проводов.

Размер проводника определяется его эквивалентной площадью поперечного сечения меди и количеством жил с диаметром каждой жилы. Эквивалентное поперечное сечение многожильного проводника — это площадь поперечного сечения одножильного проводника из того же материала и длины, что и многожильный провод. А также проводник, имеющий такое же сопротивление при той же температуре.

Типы электрических проводов

Жестко вытянутые медные, твердотянутые алюминиевые проводники и алюминиевые проводники с сердечником из стали чаще всего используются в энергетике. Некоторые из важных типов проводников подробно описаны ниже.

Жестко вытянутый медный проводник

Такой тип проводов обеспечивает высокую прочность на разрыв. Он обладает высокой электропроводностью, долгим сроком службы и высокой стоимостью лома. Он наиболее подходит для распределительных работ, когда пролеты и отводы больше.

Кадмий медный проводник

Предел прочности на разрыв меди увеличивается примерно на 50 процентов за счет добавления к ней от 0,7 до 1,0 процента кадмия, но их проводимость снижается примерно на 15-17 процентов. Свойство более высокой прочности на разрыв позволяет возводить проводник на более длинные пролеты с таким же прогибом. Этот проводник обладает такими преимуществами, как простота соединения, большая устойчивость к атмосферным условиям, лучшая износостойкость, легкость обработки и т. Д.

Температура, при которой медь отжигается и размягчается, также повышается, а влияние температуры на напряжения меньше. Изменение провеса из-за изменений нагрузки и температуры сведено к минимуму.

Медный проводник со стальным сердечником (SCC)

В медном проводнике со стальным сердечником один или два слоя медных жил окружают медные проводники со стальным сердечником. Стальной сердечник увеличивает прочность на разрыв.

Медный сварной провод

В проводниках такого типа однородные слои меди привариваются к стальной проволоке.Электропроводность медного сварного проводника варьируется от 30 до 60 процентов по сравнению со сплошным медным проводником того же диаметра. Такие типы проводов можно использовать на более длительных участках, например, при переходе через реку.

Жестко вытянутый алюминиевый проводник или полностью алюминиевый проводник

Стоимость медного проводника очень высока, поэтому его заменяют алюминиевым проводником. Обработка, транспортировка и монтаж алюминиевых проводов становятся очень экономичными. Он используется в распределительных линиях в городской местности и коротких линиях электропередачи с более низким напряжением.

Алюминиевый проводник, армированный сталью

Все алюминиевые жилы не обладают достаточной механической прочностью для строительства длиннопролетных линий. Этот недостаток прочности можно компенсировать, добавив к проводнику стальной сердечник. Такой проводник называется алюминиевым проводником со стальным сердечником (SCA) или алюминиевым проводником, армированным сталью (ACSR).

Провод ACSR имеет семь стальных жил, образующих центральную жилу, вокруг которой расположены два слоя из 30 алюминиевых жил.Скрутка проводов определяется как 30 Al / 7 St. Проводники ACSR обладают высокой прочностью на разрыв и легким весом, поэтому они используются для небольшого прогиба.

Гладкий провод ACSR

Такой тип жилы еще называют уплотненным ACSR. Обычный провод ACSR продавливают через матрицы для придания алюминиевым жилам сегментарной формы. Межпрядное пространство заполняется, а диаметр проводника уменьшается, не влияя на его электрические и механические свойства.Этот проводник может быть выполнен с различным соотношением алюминия к стали. На рисунке ниже показан проводник с соотношением 6 Al / 1 St.

.

Расширенный проводник ACSR

Для уменьшения потерь на коронный разряд и радиопомех при высоком напряжении между жилами залиты волокнистый или пластмассовый материал. Диаметр проводника увеличивается из-за наполнителя, поэтому его называют расширенным проводником. Эти проводники состоят из бумажного материала, который отделяет внутренние алюминиевые жилы от внешних стальных.

Проводник из алюминиевого сплава

Такой тип проводов чаще всего используется в городских условиях. Этот проводник имеет хорошее сочетание проводимости и прочности на разрыв. Одним из сплавов, которые используются для изготовления такого проводника, является Silmalec. Этот сплав содержит 0,5% кремния, 0,5% магния и остальное алюминий. Эти сплавы очень дороги, так как подвергаются термообработке.

Провод ACAR

Армированный алюминиевый проводник

имеет центральную сердцевину из алюминиевого сплава, окруженную слоями проводящего алюминия.Такой проводник дает лучшую проводимость при удельном весе, равном конструкции ACSR того же диаметра.

Проводник из алюмосварки

Алюминиевый порошок приваривается к высокопрочной стальной проволоке. Около 75% площади проводника покрыто алюминием. Это дороже, чем кремниевый провод с сердечником. Для изготовления жил SCA проводов использовался заземляющий провод.

Проводник из фосфорной бронзы

Фосфорная бронза используется в качестве проводящего материала на очень длинных участках, например, при переправе через реки.Он прочнее медного проводника, но имеет низкую проводимость. Этот проводник превосходит проводник из алюминиевой бронзы для сред, содержащих вредные газы, такие как аммиак.

Проводник из оцинкованной стали

Трос из оцинкованной стали имеет высокую прочность на разрыв. Они используются в очень длинных пролетах и ​​в сельской местности, где нагрузка невелика. В таких случаях стальные проводники могут быть заменены проводником со стальным сердечником, чтобы справиться с дополнительной нагрузкой в ​​будущем. Этот проводник имеет большое сопротивление, индуктивность и падение напряжения.Но у него небольшой срок службы по сравнению с другими проводниками.

Электропроводность

---

2

Веха в развитии компании Petahertz Electronics

12 марта 2018 г. — В полупроводнике электроны можно возбуждать, поглощая лазерный свет. Достижения последнего десятилетия позволили измерить этот фундаментальный физический механизм во временных масштабах ниже фемтосекунды. Сейчас …

---

Ученые изображают проводящие края перспективного 2D-материала

Февраль8 августа 2019 г. — Исследователи непосредственно изобразили «краевую проводимость» в однослойном дителлуриде вольфрама, недавно открытом двумерном топологическом изоляторе и квантовом материале. Исследование позволяет …

---

Кухонные температурные сверхтоки из уложенных друг на друга 2D материалов

21 октября 2020 г. — «Стопка» 2D-материалов может позволить создавать сверхтоки при невероятно высоких температурах, которые легко достижимы на домашней кухне. Международное исследование открывает новый путь к…

---

Пробираясь через узкое место — новый класс слоистого перовскита с высокой кислородно-ионной проводимостью

27 апреля 2020 г. — Ученые обнаружили слоистый перовскит, который демонстрирует необычно высокую оксидно-ионную проводимость, на основе нового метода фильтрации и новой концепции дизайна. Такие материалы трудно найти, поэтому …

---

Высокоэффективные термоэлектрические материалы: новый взгляд на селенид олова

Апр.24, 2019 — Измерения на синхротронных источниках BESSY II и PETRA IV показывают, что селенид олова также может использоваться в качестве термоэлектрического материала при комнатной температуре, если высокое давление составляет …

---

Сотрудничество вызвало новую модель проводимости керамики

22 октября 2020 г. — В качестве изоляторов оксиды металлов, также известные как керамика, могут не показаться очевидными кандидатами на электропроводность. В то время как в обычных металлах электроны бегают туда-сюда, их движение внутрь…

---

Новый квантовый переключатель превращает металлы в изоляторы

3 февраля 2020 г. — Исследователи продемонстрировали совершенно новый способ точного управления электрическими токами, используя взаимодействие между спином электрона и его орбитальным вращением вокруг …

---

Документы моделирования самосборки белков и ДНК

28 марта 2018 г. — Что заставляет частицы самоорганизовываться в сложные биологические структуры? Часто это явление происходит из-за конкуренции между силами притяжения и отталкивания, создаваемыми электрическими зарядами в…

---

Производство термоэлектрической энергии при комнатной температуре: скоро?

26 декабря 2017 г. — Исследовательская группа создала термоэлектрический материал с многообещающими характеристиками при комнатной температуре. Силицид иттербия — хороший проводник электричества. Он также имеет высокий коэффициент Зеебека благодаря …

---

Новые материалы для электроники открыты благодаря новой металлоорганической структуре

15 декабря 2017 г. — стало возможным определить больше материалов для электронных приложений благодаря открытию новой металлоорганической основы (MOF), которая отображает электрические полупроводники с рекордно высокими показателями.