КОНДЕНСАТОРИ
Характеристики конденсаторів
Конденсатор - пристрій, здатний накопичувати і віддавати великі порції електричної енергії. Електротехнічний конденсатор зазвичай виконується на основі струмопровідних елементів (наприклад, металевих пластин), розділених діелектриком. При дії електричного нуля на діелектрик в ньому відбувається зміщення пов'язаних електричних зарядів (електронів, іонів і більших заряджених частинок) відповідно до напряму потоку вектора напруженості електричного поля. В результаті виникає індукована поляризація діелектрика, при якій центри мас позитивних і негативних зарядів зміщуються в протилежних напрямках.
На рис. 2.10 приведена спрощена структура розподілу зарядів в плоскому конденсаторі. При відсутності діелектрика між обкладинками конденсатора, тобто в вакуумі, при допущенні однорідності електричного поля в конденсаторі, заряд на кожній з пластин Qq можна виразити співвідношенням
де U - напруга зовнішнього джерела; S - площа поверхні кожної з пластин; d - відстань між пластинами; г 0 - електрична постійна, що характеризує електричні властивості вакууму.
При відсутності діелектрика ємність конденсатора С 0 = Qq / U. При введенні між пластинами діелектрика в результаті поляризації на його поверхні виникне електричний заряд, що залежить від типу діелектрика. Цей заряд створює поле з електричної напруженістю Е а , спрямоване зустрічно зовнішньому полю? 0 , що призведе до зменшення напруженості всередині діелектрика
де Eq = U / d - напруженість поля в вакуумі.
Мал. 2.10. Спрощена структура розподілу зарядів в плоскому конденсаторі
Внаслідок зміни напруженості поля заряд на обкладинках конденсатора збільшиться
де г ,. - відносна електрична проникність, що враховує наявність діелектрика (е ,.> 1).
З формули (2.14) випливає, що ємність конденсатора збільшиться і стане рівною
Коефіцієнт? =?,. Е 0 пов'язує вектори напруженості Е і електричної індукції D відомим співвідношенням
Енергія, накопичена в конденсаторі, також зросте в г г раз, від C 0 U 2 /2 до CU ' 2 /2. З розглянутого прикладу випливає, що, використовуючи діелектрики з високими значеннями г г можна істотно збільшувати ємність конденсатора без зміни його геометричних розмірів.
Залежно від вимог до конденсатору, області його використання, особливостей виробництва і інших чинників на практиці застосовують різні діелектричні матеріали. Діелектрики поділяють на неполярні, що мають електричні нейтральні молекули, і полярні, іонні і сегнетодіелектрікі (див. Роботу [41).
Тангенс кута втрат при синусоїдальній напрузі визначається як відношення активної Р і реактивної Q потужностей конденсатора, тобто
Тангенс кута втрат може бути також виражений через параметри найпростіших еквівалентних схем заміщення (рис. 2.11):
де ш - кутова частота прикладеної до конденсатора напруги; З е , R 3 - місткість і резистивная складові відповідно до схеми заміщення на рис. 2.11, а ; З е ', R 3 - місткість і резистивная складові відповідно до схеми заміщення на рис. 2.11, б.
Мал. 2.11. Спрощені схеми заміщення конденсаторів:
а - послідовна; б - паралельна
При виборі типу конденсатора необхідно враховувати велику кількість різних факторів: режим роботи, форму і частоти впливають струмів і напруг, конструктивне розташування та умови охолодження, загальний ресурс роботи, надійність і багато інших чинників.
Тривалість експлуатації конденсаторів необхідно враховувати при їх виборі, так як їх характеристики можуть значно змінюватися з часом. Наприклад, окремі типи конденсаторів можуть змінювати ємність на 30% початкового значення. Також з часом можуть значно змінюватися tg5 і опір ізоляції конденсатора, яке визначає наскрізний струм витоку.
Електронні апарати є областю, в якій умови роботи конденсаторів найбільш різноманітні і специфічні. У загальному вигляді доцільно за умовами роботи виділити неполярні конденсатори змінного струму і фільтрові конденсатори для ланцюгів постійного струму з низьким рівнем пульсацій. Перша група конденсаторів працює при впливі змінних і імпульсних напруг різної форми. При цьому не виключається наявність постійної складової в напрузі, сумірною з амплітудою пульсацій. Ці конденсатори не мають різнополярних висновків, тобто не критичні до полярності впливає напруги. До іншої групи зазвичай відносять уніполярні конденсатори, наприклад електролітичні конденсатори з оксидним діелектриком. Ця група конденсаторів характеризується високими значеннями ємності і питомими енергетичними показниками на одиницю об'єму. Робота зі змінним напругою на обкладинках цієї групи конденсаторів неприпустима.
