Электроемкость определение: определение, единица измерения, формула, электроемкость конденсатора

Электроемкость – формула, определение

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 79.

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 79.

Важнейшей характеристикой многих элементов электрических цепей является электроемкость. Рассмотрим это понятие более подробно, дадим его определение, выясним, от чего зависит эта величина, выведем формулу электроемкости.

Электризация тел

Электризация тел заключается в том, что с помощью внешних воздействий телам сообщается некоторый электрический заряд.

Рис. 1. Электризация тел.

Если вещество, из которого состоит тело, является проводником, то его электризация обычно совершается с помощью источника электрического тока. Электризация диэлектриков совершается обычно с помощью трения.

В любом случае, наэлектризованное тело имеет некоторый избыток носителей заряда, и чтобы этот избыток создать, необходимо совершить некоторую работу. А это значит, что наэлектризованное тело имеет некоторый электрический потенциал.

(Напомним, что потенциал равен отношению работы, которую совершает электрическое поле, чтобы перенести заряд из бесконечности в данную точку, к величине этого заряда).

Наиболее интересные явления происходят, если электризуются два тела, каждое по-своему. Каждое тело имеет свой потенциал, а между этими телами образуется разность потенциалов – электрическое напряжение, которое будет прямо пропорционально заряду:

$$U \thicksim q$$

Электроемкость и конденсаторы

Напряжение, которое возникает между двумя по-разному заряженными телами, зависит от многих параметров – в первую очередь, от геометрических размеров тел, их электрических свойств, а также от свойств окружающей среды. Однако, пропорциональность этого напряжения заряду всегда сохраняется. Данное обстоятельство позволяет ввести специальную величину, характеризующую способность тел накапливать заряды – электроемкость (обозначается латинской буквой $C$).

Рис. 2. Электроемкость.

Как правило, в реальных электрических схемах для создания электроемкости в качестве заряженных тел используются проводящие пластины, а чтобы создаваемые на них заряды не смешивались и не компенсировали друг друга, пространство между пластинами заполняется диэлектриком (например, воздухом).

Такое устройство называется электрическим конденсатором. Пластины, из которых он состоит, называются «обкладками». Иногда конструкция позволяет двигать пластины друг относительно друга, при этом меняется емкость (приставка «электро-» зачастую опускается) такого конденсатора. Рис. 3. Переменный конденсатор с воздушным диэлектриком.

Конденсаторам, обладающим большой емкостью, легко передавать заряды, для этого требуется совершить мало работы. Конденсаторам с малой емкостью, наоборот, заряды передавать трудно, работы для этого требуется больше. Поскольку работа, совершаемая при переносе заряда, характеризуется потенциалом, то емкость конденсатора будет равна отношению переданного заряда к разности потенциалов (напряжению) между обкладками:

$$С ={q \over U}$$

Из данной формулы можно вывести единицу электроемкости – Фарад. Фарад – это емкость конденсатора, у которого при передаче ему заряда в 1 Кулон на обкладках возникнет напряжение 1 Вольт:

$$1Ф ={1 Кл \over 1В}$$

1 Фарад – это очень большая емкость. {-12}Ф$).

Что мы узнали?

Электроемкость – это способность тел накапливать электрические заряды. Единицей электроемкости является Фарад. В реальных схемах для создания электроемкости используются конденсаторы, состоящие из проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 79.

---

А какая ваша оценка?

Электроемкость. Конденсаторы

Что такое электроемкость проводников

Если у нас есть два проводника, изолированных друг от друга, которым мы сообщаем некоторые заряды (обозначим их соответственно q1 и q2), то между ними возникнет определенная разность потенциалов. Ее величина будет зависеть от формы проводников, а также от исходных величин зарядов. Обозначим такую разность Δφ. Если мы говорим о разности, возникающей в электрическом поле между двумя точками, то ее обычно обозначают U.

В рамках темы данной статьи нам больше всего интересна такая разность потенциалов между проводниками, когда их заряды противоположны по знаку, но равны друг другу по модулю. В таком случае мы можем ввести новое понятие – электрическая емкость (электроемкость).

Определение 1

Электрической емкостью системы, состоящей из двух проводников, называется отношение заряда одного проводника (q) к разности потенциалов между этими двумя проводниками.

В виде формулы это записывается так: C=q∆φ=qU.

Для измерения электрической емкости применяется единица, называемая фарад. Она обозначается буквой Ф.

1Φ=1 Кл1 В.

Конфигурации и размеры проводников, а также свойства диэлектрика определяют величину электроемкости заданной системы. Наибольший интерес для нас представляют проводники особой формы, называемые конденсаторами.

Определение 2

Конденсатор – это проводник, конфигурация которого позволяет локализовать (сосредотачивать) электрическое поле в одной выделенной части пространства. Проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Определение 3

Если мы возьмем две плоские пластины из проводящего материала, расположим их на небольшом расстоянии друг от друга и проложим между ними слой диэлектрика, то мы получим простейший конденсатор, называемый плоским. При его работе электрическое поле будет располагаться преимущественно в промежутке между пластинами, но небольшая часть этого поля будет рассеиваться вокруг них.

Определение 4

Часть электрического поля вблизи конденсатора называется полем рассеяния.

Иногда в задачах мы можем не учитывать его и работать только с той частью электрического поля, которое расположено между обкладками. Однако пренебрегать полем рассеяния допустимо далеко не всегда, поскольку это может привести к ошибочным расчетам из-за нарушения потенциального характера электрического поля.

Рисунок 1.6.1. Электрическое поле в плоском конденсаторе.

Рисунок 1.6.2. Электрическое поле конденсатора без учета поля рассеяния, не обладающее потенциальностью.

Модуль напряженности электрического поля, которое создает каждая обкладка в плоском конденсаторе, выражается соотношением следующего вида:

E1=σ2ε0.

Исходя из принципа суперпозиции, можно утверждать, что напряженность E→ поля, которое создают обе пластины конденсатора, будет равна сумме напряженностей E+→ и E-→ полей каждой пластины, то есть E→=E+→+E-→.

Векторы напряженностей обеих пластин во внутренней части конденсатора будут параллельны друг другу. Значит, мы можем выразить модуль напряженности их суммарного поля в виде формулы E=2E1=σε0.

Как рассчитать электроемкость конденсатора

Вне пластин векторы напряженности будут направлены в противоположные друг от друга стороны, значит, E будет равно нулю. Если мы обозначим заряд каждой обкладки как q, а ее площадь как S, то соотношение qS даст нам представление о поверхностной плотности. Умножив E на расстояние между обкладками (d), мы получим разность потенциалов между пластинами в однородном электрическом поле.

Теперь возьмем оба этих соотношения и выведем из них формулу, по которой может быть рассчитана электрическая емкость конденсатора.

C=q∆φ=σ·SE·d=ε0Sd.

Определение 5

Электрическая емкость плоского конденсатора – величина, обратно пропорциональная расстоянию между обкладками и прямо пропорциональная их площади.

Заполнение пространства между проводниками диэлектрическим материалом может увеличить электроемкость плоского конденсатора в число раз, кратное undefined.

Определение 6

Введем обозначение емкости в виде буквы С и запишем это в виде формулы:

C=εε0Sd.

Данная формула называется формулой электроемкости плоского конденсатора.

Конденсаторы бывают не только плоскими. Возможны и другие конфигурации, также обладающие специфическими свойствами.

Определение 7

Сферическим конденсатором называется система из 2-х концентрических сфер, сделанных из проводящего материала, радиусы которых равны R1 и R2 соответственно.

Определение 8

Цилиндрическим конденсатором называется системы из двух проводников цилиндрической формы, длина которых равна L, а радиусы R1 и R2.

Обозначим проницаемость диэлектрического материала как ε и запишем формулы, по которым можно найти электрическую емкость конденсаторов:

• C=4πε0εR1R2R2-R1(сферический конденсатор),
• C=2πε0εLlnR2R1(цилиндрический конденсатор).

Как рассчитать электроемкость батареи конденсаторов

Определение 9

Если мы соединим несколько проводников между собой, то мы получим конструкцию, называемую батареей.

Способы соединения могут быть разными. Если соединение будет параллельным, то напряжение всех конденсаторов в системе будет одинаково: U1=U2 =U, а заряды можно найти по формулам q1=С1U и q2=C2U. При таком соединении вся система может считаться одним конденсатором, электроемкость которого равна C, заряд – q=q1+q2, а напряжение – U. В виде формулы это выглядит так:

С=q1+q2U или C=C1+C2

Определение 10

Если в батарее конденсаторов элементы соединены параллельно, то для нахождения общей электроемкости нам нужно сложить емкости ее отдельных элементов.

Рисунок 1.6.3. Конденсаторы, соединенные параллельно. C=C1+C2

Рисунок 1.6.4. Конденсаторы, соединенные последовательно: 1C=1C1+1C2

Если же батарея состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, то заряды обоих будут одинаковы: q1=q2=q. Найти их напряжения можно так: U1=qC1 и U2=qC2. Такую систему тоже можно считать одним конденсатором, заряд которого равен q, а напряжение U=U1+U2.

C=qU1+U2 или 1C=1C1+1C2

Определение 11

Если конденсаторы в батарее соединены последовательно, то для нахождения общей электроемкости нам нужно сложить величины, обратные емкостям каждого из них.

Справедливость обеих формул, приведенных выше, не зависит от количества конденсаторов в батарее.

Рисунок 1.6.5. Смоделированное электрическое поле плоского конденсатора.

Емкость | Определение, формула, единица измерения и факты

Связанные темы:

фарада электрический проводник цепь переменного тока

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

емкость , свойство электрического проводника или группы проводников, которое измеряется количеством отделенного электрического заряда, который может храниться на нем на единицу изменения электрического потенциала. Емкость также подразумевает связанное с ней хранение электрической энергии. При переносе электрического заряда между двумя первоначально незаряженными проводниками оба становятся одинаково заряженными, один положительно, другой отрицательно, и между ними устанавливается разность потенциалов. Емкость C — это отношение величины заряда q на любом проводнике к разности потенциалов В между проводниками, или просто C = q / В. метр–килограмм–секунда в научных системах, единицей электрического заряда является кулон, а единицей разности потенциалов – вольт, так что единица измерения емкости, именуемая фарад (обозначается символом Ф), равна одному кулону на вольт. Один фарад — очень большая емкость. Удобные в обычном использовании подразделения составляют одну миллионную часть фарада, называемую микрофарадой ( мк Ф) и одна миллионная микрофарад, называемая пикофарад (пФ; более старый термин, микромикрофарад, мкмк Ф). В электростатической системе единиц емкость имеет размерность расстояния.

Еще из Britannica

электричество: емкость

Емкость в электрических цепях преднамеренно вводится устройством, называемым конденсатором. Он был открыт прусским ученым Эвальдом Георгом фон Клейстом в 1745 году и независимо голландским физиком Питером ван Мушенбруком примерно в то же время в процессе исследования электростатических явлений. Они обнаружили, что электричество, полученное от электростатической машины, может накапливаться в течение определенного периода времени, а затем высвобождаться. Устройство, которое стало известно как лейденская банка, состояло из закрытого пробкой стеклянного флакона или банки, наполненной водой, с гвоздем, протыкающим пробку и погружаемым в воду. Держа банку в руке и прикасаясь гвоздем к проводнику электростатической машины, они обнаружили, что от гвоздя можно получить удар после его отсоединения, касаясь его свободной рукой. Эта реакция показала, что часть электричества от машины была сохранена.

Простой, но фундаментальный шаг в эволюции конденсатора был сделан английским астрономом Джоном Бевисом в 1747 году, когда он заменил воду металлической фольгой, образующей подкладку на внутренней поверхности стекла и другую, покрывающую внешнюю поверхность. Эта форма конденсатора с проводником, выступающим из горлышка банки и касающимся облицовки, имела в качестве основных физических особенностей два проводника протяженной площади, почти одинаково разделенных изолирующим или диэлектрическим слоем, сделанным настолько тонким, насколько это практически возможно. Эти особенности были сохранены в каждой современной форме конденсатора.

Конденсатор, также называемый конденсатором, таким образом, представляет собой сэндвич из двух пластин из проводящего материала, разделенных изолирующим материалом или диэлектриком. Его основная функция заключается в хранении электрической энергии. Конденсаторы различаются размерами и геометрическим расположением пластин, а также видом используемого диэлектрического материала. Отсюда и такие названия, как слюдяные, бумажные, керамические, воздушные и электролитические конденсаторы. Их емкость может быть фиксированной или регулируемой в диапазоне значений для использования в схемах настройки.

Энергия, накопленная конденсатором, соответствует работе, выполняемой (например, батареей) по созданию противоположных зарядов на двух пластинах при приложенном напряжении. Количество заряда, которое может быть сохранено, зависит от площади пластин, расстояния между ними, диэлектрического материала в пространстве и приложенного напряжения.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока (AC), попеременно заряжается и разряжается каждые полпериода. Таким образом, время, доступное для зарядки или разрядки, зависит от частоты тока, и если требуемое время превышает длину полупериода, поляризация (разделение заряда) не завершена. В таких условиях диэлектрическая проницаемость оказывается меньше, чем наблюдаемая в цепи постоянного тока, и изменяется в зависимости от частоты, становясь ниже на более высоких частотах. При смене полярности пластин заряды должны смещаться через диэлектрик сначала в одну, а затем в другую сторону, и преодоление противодействия, с которым они сталкиваются, приводит к выделению тепла, известному как диэлектрические потери, характеристика, которую необходимо учитывать. следует учитывать при применении конденсаторов в электрических цепях, например, в радио- и телевизионных приемниках. Диэлектрические потери зависят от частоты и материала диэлектрика.

За исключением утечки (обычно небольшой) через диэлектрик, через конденсатор не протекает ток, когда он находится под постоянным напряжением. Однако переменный ток проходит легко и называется током смещения.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Адамом Августином.

Основные понятия емкости » Примечания по электронике

Емкость является одним из основных понятий электроники и широко используется, о чем свидетельствует количество конденсаторов, используемых в электронных схемах

---

Емкость Учебное пособие Включает:
Емкость Формулы конденсаторов Емкостное реактивное сопротивление Параллельные и последовательные конденсаторы Диэлектрическая проницаемость и относительная диэлектрическая проницаемость Коэффициент рассеяния, тангенс угла потерь, ESR Таблица преобразования конденсаторов

---

Сопротивление, емкость и индуктивность — это три основных параметра, связанных с электрическими и электронными цепями.

В отличие от двух других, емкость связана с накоплением электрического заряда, а атрибуты используются в электронных компонентах, называемых конденсаторами, которые, в свою очередь, используются во многих электрических цепях и практически во всех электронных схемах.

Эффекты емкости можно использовать различными способами в схемах, начиная от электродвигателей и заканчивая электронными схемами, такими как источники питания, аудиосхемы, радиочастотные схемы, логические и цифровые схемы и многие другие.

В связи с этим емкость является особенно важным параметром, который используется во многих областях.

Что такое емкость

При рассмотрении емкости в первую очередь необходимо посмотреть, что именно она собой представляет. Емкость — это фактически способность накапливать заряд. В простейшей форме конденсатор состоит из двух параллельных пластин. Обнаружено, что когда батарея или любой другой источник напряжения подключены к двум пластинам, как показано, ток течет в течение короткого времени, и одна пластина получает избыток электронов, а другая — слишком мало.

Таким образом, одна пластина с избытком электронов становится отрицательно заряженной, а другая положительно заряженной.

Заряд сохраняется на двух обкладках конденсатора

. Если снять батарею, конденсатор сохранит свой заряд. Однако, если резистор помещен между пластинами, ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не разрядится.

Соответственно можно определить, что такое емкость:

Определение емкости:

Емкость — это способность компонента или цепи собирать и хранить энергию в виде электрического заряда. Это количество электрического заряда, хранящегося на проводнике при установленной разности электрических потенциалов.

Чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить, а также чем ближе они друг к другу, тем больше заряда они сохраняют. Хранение заряда также зависит от материала между двумя пластинами.

Единицы или емкость

Необходимо уметь определять «размер» конденсатора. Емкость конденсатора является мерой его способности накапливать заряд, а основной единицей измерения емкости является фарад, названный в честь Майкла Фарадея.

Стоит определить Фарад, который является основной единицей измерения емкости.

Емкость: Фарад определение:

Конденсатор имеет емкость в один фарад, когда разность потенциалов в один вольт заряжает его с помощью одного кулона электричества (т. е. один ампер за одну секунду).

Конденсатор емкостью один фарад слишком велик для большинства электронных приложений, поэтому обычно используются компоненты с гораздо меньшей емкостью. Используются три префикса (множителя): µ (микро), n (нано) и p (пико):

.

Префиксы и множители единиц измерения емкости
Префикс	Множитель	Терминология
мк	10 -6 (миллионная)	1000000 мкФ = 1Ф
п	10 -9 (тысячно-миллионная)	1000 нФ = 1 мкФ
р	10 -12 (миллион-миллионный)	1000 пФ = 1 нФ

Электрические поля и диэлектрики

Поскольку на обкладках конденсатора имеется потенциал, существует соответствующее электрическое поле. В случае параллельных пластин силовые линии электрического поля обычно параллельны друг другу и проходят под прямым углом к ​​пластинам.

Пластины конденсатора с линиями электрического поля

Для конденсаторов требуется изолятор между двумя пластинами, в противном случае заряд не мог бы оставаться на пластинах, он рассеивался бы в среде между двумя пластинами.

Хотя воздух является хорошим изолятором, часто пластины конденсатора необходимо отделять друг от друга каким-либо жестким изолятором.

Упрощенный вид конструкции конденсатора с пластинами и изолирующим диэлектриком

Материал между двумя пластинами называется диэлектриком. Это не только действует как изолятор, но и определяет многие другие свойства. Мера, известная как диэлектрическая проницаемость, влияет на уровень емкости, достижимый для данного размера пластин конденсатора и расстояния между ними.

Высокие уровни относительной диэлектрической проницаемости/диэлектрической проницаемости могут увеличить емкость во много раз.

Тема относительной диэлектрической проницаемости, диэлектрической проницаемости и т. д. является самостоятельной темой, и хотя ее легко понять, ее, возможно, следует рассмотреть отдельно.

Подробнее о . . . . Относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая проницаемость.

Конденсатор для зарядки и разрядки

Также можно посмотреть напряжение на конденсаторе, а также посмотреть заряд. Ведь напряжение на нем проще измерить простым измерителем. Когда конденсатор разряжен, на нем нет напряжения. Точно так же, когда он полностью заряжен, ток не течет от источника напряжения, и поэтому он имеет то же напряжение на нем, что и источник.

В идеальной цепи без паразитного сопротивления или индуктивности, когда напряжение подается на конденсатор, он мгновенно заряжается, и напряжение на нем будет таким же, как и на источнике электрического потенциала.

В действительности в цепи всегда будет какое-то сопротивление, и поэтому конденсатор будет подключен к источнику напряжения через резистор. Это означает, что для зарядки конденсатора потребуется конечное время, и повышение напряжения не происходит мгновенно.

Обнаружено, что скорость, с которой повышается напряжение, сначала намного выше, чем после того, как он заряжался в течение некоторого времени. В конце концов он достигает точки, когда он практически полностью заряжен, и ток почти не течет.

Теоретически конденсатор никогда не заряжается полностью, так как кривая асимптотическая. Однако на самом деле он достигает точки, когда его можно считать полностью заряженным или разряженным, и ток не течет.

Напряжение конденсатора при зарядке и разрядке

Точно так же конденсатор всегда будет разряжаться через сопротивление. Когда заряд конденсатора падает, напряжение на пластинах уменьшается. Это означает, что ток будет уменьшаться, и, в свою очередь, скорость уменьшения заряда падает.

Это означает, что напряжение на конденсаторе падает экспоненциально, постепенно приближаясь к нулю.

Скорость нарастания или спада напряжения зависит от сопротивления в цепи. Чем больше сопротивление, тем меньше количество передаваемого заряда и тем больше времени требуется конденсатору для зарядки или разрядки.

Подача переменного сигнала на конденсатор

До сих пор рассматривался случай, когда батарея была подключена для зарядки конденсатора и отключена, а для его зарядки применен резистор. Если к конденсатору приложить переменный сигнал, который по своей природе постоянно меняется, то он будет постоянно заряжаться и разряжаться.

Для этого в цепи должен протекать ток. Таким образом, конденсатор пропускает переменный ток, но блокирует постоянный. Таким образом, конденсаторы используются для передачи сигнала переменного тока между двумя цепями, которые имеют разные постоянные потенциалы.

Кривые тока и напряжения для идеального конденсатора
Примечание: ток опережает кривую напряжения на 90°.

Установлено, что при первом применении синусоиды скорость изменения напряжения максимальна, а это означает, что заряд увеличивается с наибольшей скоростью, и, следовательно, ток, протекающий через конденсатор, будет равен в наибольшей степени. Другими словами, ток максимален.

По мере увеличения напряжения на конденсаторе скорость изменения напряжения уменьшается и в результате увеличивается заряд и, следовательно, падает ток. В конце концов достигается пик синусоиды напряжения, когда напряжение не меняется, и, соответственно, ток в этой точке равен нулю.

После пика напряжения напряжение начинает снижаться, соответственно уровень заряда падает и это означает, что из этой точки вытекает ток из конденсатора.

Остальная часть сигнала повторяется аналогичным образом. В результате видно, что напряжение и ток не совпадают по фазе друг с другом. Ток отстает от напряжения на четверть цикла, т. е. на 90°.

Зависимость тока и напряжения идеального конденсатора можно выразить следующим образом:

Vt=sin(ωt)

It=sin(ωt+90)

Реальные конденсаторы

Конденсаторы — это электронные компоненты, которые обеспечивают емкость, необходимую в электрических и электронных цепях.

Конденсаторы бывают самых разных форм, каждая со своими свойствами. Физические конденсаторы могут быть либо для поверхностного монтажа, либо с традиционными выводами, а также иметь различные форм-факторы и электрические характеристики.

Примечание по типам конденсаторов:

Доступно множество различных типов конденсаторов. Хотя емкость является универсальной мерой, разные конденсаторы имеют разные характеристики с точки зрения таких элементов, как максимально допустимый ток, частотная характеристика, размер, напряжение, стабильность, допуск и тому подобное. Чтобы соответствовать этим параметрам, некоторые типы конденсаторов в некоторых приложениях лучше других.

Подробнее о Типы конденсаторов.

Выбор правильного конденсатора зависит не только от выбора правильного уровня емкости, но и от многих других аспектов, включая диэлектрическую проницаемость, размер, уровни эквивалентного последовательного сопротивления и многое другое.