Что можно сделать из конденсаторов: Что можно сделать из конденсаторов | Строительный журнал САМаСТРОЙКА

Что можно сделать из конденсаторов | Строительный журнал САМаСТРОЙКА

Интересное применение конденсаторов

Интересное применение конденсаторов

Содержание статьи:

• 1. Интересное применение конденсаторов
• 1.1. Как сделать электрошокер из конденсатора

Конденсаторы активно применяются для накопления электроэнергии во всевозможной электротехнике. Таким образом, удаётся сглаживать скачки и просадки напряжения в электроцепи.

Как бы там ни было, но конденсаторы используются во многих самоделках и поделках, а также активно применяются в радиоэлектронике. Например, из конденсатора можно сделать небольшой электрошокер, плавно затухающую подсветку, и даже небольшой аккумулятор. О том, что можно сделать из конденсаторов, читайте в данной статье строительного журнала samastroyka.ru.

Интересное применение конденсаторов

Принцип работы конденсаторов основан на удержании электрического тока и последующем его возврате в электрическую цепь. Особую пользу конденсаторы приносят там, где возникают большие реактивные нагрузки: это насосы, электродвигатели и т. д. В момент запуска данных устройств нужна немалая реактивная сила, часть которой погашается именно за счёт конденсаторов.

Не вдаваясь в подробное описание конденсаторов и принцип их работы, рассмотрим, где и как, можно применить конденсаторы в самоделках и быту:

Подключение ламп 220 Вольт через конденсатор — очень частой проблемой в быту, является перегорание лампочек из-за чрезмерных бросков напряжения. Для решения данной проблемы многие умельцы подключают последовательно диод к лампе. Однако из-за этого лампа накаливания начинает неприятно мерцать. Решить частично эту проблему поможет конденсатор, который уменьшит пульсацию нити накала и существенно продлит срок службы лампы.

Причём интенсивность свечения лампы накаливания будет всецело зависеть от ёмкости подключённого конденсатора. Следует заметить, что конденсаторы не проводят постоянный ток, а только лишь переменный. Благодаря этому конденсаторы активно используются как фильтры, там, где нужно подавить низкочастотные и высокочастотные помехи.

Внимание! При этом нужно понимать, что любые эксперименты с электричеством и конденсаторами чреваты неприятными последствиями!

Интересное применение находят конденсаторы и в подсветке, если нужно сделать так, чтобы она гасла не сразу, а постепенно. Для этих целей применяются все те же конденсаторы и диоды, которые дают возможность получить интересный световой переход.

Как сделать электрошокер из конденсатора

Электрошокер из конденсаторов — достаточно простой, но эффективный электрошокер, можно сделать из больших по емкости конденсаторов. Для этих целей потребуется конденсатор из старой советской лампы дневного света. Как правило, это зелёный или красный конденсатор прямоугольной формы, большой ёмкости. Современные конденсаторы и аналоги этому, выглядят в виде большого белого цилиндра.

Также потребуется кусок провода и штепсель. Чтобы сделать электрошокер из конденсатора, необходимо зачистить концы проводов и прикрутить их к конденсатору, после чего тщательно заизолировать синей изолентой. С другой стороны провода, как было сказано выше, должна находиться вилка. Теперь, когда будет произведены зарядка конденсатора, на концах штепселя появится электрический разряд, как в самом настоящем электрошокере.

При всем этом, стоит понимать риски связанные с ударом электрического разряда от заряженного током конденсатора. Конечно же, здесь все во многом зависит от того, какой ёмкости применяются конденсаторы и где именно они используются. Однако поверьте, даже кратковременный удар током от 400-вольтового конденсатора мало кому понравится, поэтому нужно соблюдать элементарные правила техники безопасности.

Читайте также:

Что можно сделать из конденсаторов: шокер, аккумулятор, вечная лампа

Что можно сделать из конденсаторов: шокер, аккумулятор, вечная лампа

Содержание статьи:

Конденсатор — это самая востребованная деталь в электронике, которая позволяет накапливать электроэнергию, сохраняя её какое-то время. Следовательно, из конденсаторов можно сделать интересные самоделки. При этом стоит понимать, что хоть в конденсаторе находится и небольшой заряд, даже кратковременный удар тока может стать причиной серьёзных проблем.

Что можно сделать из конденсаторов? Нередко именно таким вопросом задаётся начинающий самоделкин. В данной статье мастеров на все руки navseryki.ru мы расскажем, как с пользой применять конденсаторы, и что из них можно сделать.

Простой шокер из конденсатора

Чтобы сделать шокер из конденсатора, потребуется ёмкостный конденсатор. Лучше всего использовать старые конденсаторы из радиоаппаратуры. Их можно достать из транзисторных приёмников, ламповых телевизоров и т. д. Конденсатор должен быть на 400 Вольт. Чем выше будет его ёмкость, тем больше будет держаться заряд.

При изготовлении шокера, конденсатор рекомендуется обмотать изолентой или положить его в пластмассовый корпус. Затем необходимо будет вывести контакты наружу, использовав для этих целей два куска медного провода, концы которого припаиваются к выходам конденсатора.

Долго заряжать самодельный электрошокер не стоит. Однако, чтобы не причинить себе вред и окружающим, не рекомендуется играть с электричеством. Сначала нужно потренироваться на малом напряжении в 9 или 12 Вольт. Есть конденсаторы и под низкое напряжение. Мощный электрошокер из них, конечно, не получится, но в качестве эксперимента он вполне сгодится.

Подключение лампы через конденсатор

Нередко можно услышать вопросы и касающиеся подключения лампы через конденсатор. Действительно такое практикуют, чтобы сгладить резкие скачки напряжения в электросети, из-за которых все время перегорают лампы накаливания. Подключённая же лампа через конденсатор способна проработать 10 и более лет.

Однако чтобы сделать вечную лампу своими руками, кроме конденсатора ещё потребуется диод. Именно он и создаёт неприятное мерцание, которое умеет сглаживать конденсатор. Чем больше будет ёмкость конденсатора, тем ярче будет гореть лампа накаливания. При этом стоит учесть, что конденсаторы не способны проводить постоянный ток.

Как использовать конденсатор вместо аккумулятора

Поскольку конденсаторы могут накапливать электричество, сначала предполагалось их использовать вместо аккумуляторов, для питания различного электрооборудования. Проблема конденсатора в ограниченной ёмкости и быстрой разрядке.

Тем не менее, при правильном соединении, несколько конденсаторов способны удерживать и давать электрический разряд некоторое время. Конечно же, для этих целей лучше всего брать одинаковые конденсаторы, и, обязательно большой ёмкости. Таким образом, конденсаторы можно использовать вместо аккумуляторов, некоторое время.

¡ — Опыты с конденсаторами

Недавно мы разобрались с резисторами, а теперь давайте займемся конденсаторами.

Конденсатор — это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конструктивно это «бутерброд» из двух проводников и диэлектрика, которым может быть   вакуум,  газ, жидкость, органическое или неорганическое твердое тело. Первые отечественные конденсаторы (стеклянные банки с дробью, обклеенные фольгой) делали в 1752 г. М. Ломоносов и Г. Рихтер.

Что может быть интересного в конденсаторе? Приступая к работе над этой статьей я думал что смогу собрать и кратко изложить все об этой примитивной детальке. Но по мере знакомства с конденсатором, я с удивлением понимал, что здесь не рассказать и сотой доли всех сокрытых в нем тайн и чудес…

Конденсатору уже более 250 лет, но он и не думает устаревать.. Кроме того, 1 кг «обычных просто конденсаторов» хранит меньше энергии чем килограмм аккумуляторов или топливных ячеек, но способен быстрее чем они выдать ее, развивая при этом большую мощность. — При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой и коллайдерах. Конденсаторы есть практически в любом приборе, поэтому если у вас нет новых конденсаторов, для опытов их можно выпаять оттуда.

Заряд конденсатора — это абсолютное значение заряда одной из его обкладок. Он измеряется в кулонах и пропорционален числу лишних (-) или недостающих (+) электронов. Чтобы собрать заряд в 1 кулон, Вам понадобится 6241509647120420000 электрона. В пузырьке водорода, размером со спичечную головку их примерно столько же.

Поскольку способность накапливать заряды у электрода ограничена их взаимным отталкиванием, их переход на электрод не может быть бесконечным. Словно любое хранилище, конденсатор имеет вполне определенную емкость. Так она и называется — электрическая емкость. Она измеряется в фарадах и для плоского конденсатора с обкладками площадью S (каждая), расположенными на расстоянии d, емкость равна  Sε₀ε/d  (при S >> d),  где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, а ε₀=8,85418781762039 * 10^-12.

Емкость конденсатора также равна q/U, где q – заряд положительной обкладки, U — напряжение между обкладками.

Емкость зависит от геометрии конденсатора и диэлектрической проницаемости диэлектрика, и не зависит от заряда обкладок.

В заряженном проводнике заряды стараются разбежаться друг от друга как можно дальше и потому находятся не в толще конденсатора, а в поверхностном слое металла, подобно пленке бензина на поверхности воды. Если два проводника образуют конденсатор, то эти избыточные заряды собираются друг напротив друга. Потому практически все электрическое поле конденсатора сосредоточено между его обкладками.

На каждой обкладке заряды распределяются так,  чтобы быть подальше от соседей. И расположены они довольно просторно: в воздушном конденсаторе с расстоянием между пластинами 1 мм, заряженном до 120 В, среднее расстояние между электронами составляет более 400 нанометров, что в тысячи раз больше расстояния между атомами (0,1-0,3 нм), а значит на миллионы поверхностных атомов приходится всего один лишний (или недостающий) электрон.

Если уменьшить расстояние между обкладками, то силы притяжения возрастут, и при том же напряжении заряды на обкладках смогут «ужиться» плотнее. Увеличится емкость конденсатора. Так и сделал ничего не подозревавший профессор Лейденского университета ван Мушенброк. Он заменил толстостенную бутылку первого в мире конденсатора (созданного немецким священником фон Клейстом в 1745 г.) тонкой стеклянной банкой. Зарядил ее и потрогал, а очнувшись через два дня сообщил, что не согласится повторить опыт, даже если бы за это обещали французское королевство.

Если поместить между обкладками диэлектрик, то они поляризуют его, то есть притянут к себе разноименные заряды из которых он состоит. При этом будет тот же эффект как если бы обкладки приблизились. Диэлектрик с высокой относительной диэлектрической проницаемостью можно рассматривать как хороший транспортер электрического поля. Но никакой транспортер не идеален, поэтому какой бы мы чудесный диэлектрик не добавили поверх уже имеющегося, емкость конденсатора только снизится. Повысить емкость можно только если добавлять диэлектрик (а еще лучше — проводник)

вместо уже имеющегося но обладающего меньшей ε.

В диэлектриках свободных зарядов почти нет. Все они зафиксированы то ли в кристаллической решетке, или в молекулах – полярных (представляющих собой диполи) или нет. Если внешнего поля нет, диэлектрик неполяризован, диполи и свободные заряды разбросаны хаотически и диэлектрик собственного поля не имеет.  в электрическом поле  он поляризуется: диполи ориентируются по полю. Так как молекулярных диполей очень много, то при их ориентации, плюсы и минусы соседних диполей внутри диэлектрика компенсируют друг друга. Нескомпенсированными остаются только поверхностные заряды – на одной поверхности – одного, на другой — другого. Свободные заряды во внешнем поле также дрейфуют и разделяются.

При этом разные процессы поляризации идут с разной скоростью. Одно дело – смещение электронных оболочек, происходящее практически мгновенно, другое дело – поворот молекул, особенно больших, третье – миграция свободных зарядов. Последние два процесса, очевидно, зависят от темературы, и в жидкостях идут гораздо шустрее, чем в твердых телах. Если нагреть диэлектрик, повороты диполей и миграция зарядов ускорится.  Если поле выключить, деполяризация диэлектрика происходит тоже не мгновенно. Он остается некоторое время поляризованным, пока тепловое движение не разбросает молекулы в исходное хаотическое состояние. Поэтому, для конденсаторов, где переключается полярность с высокой частотой пригодны только неполярные диэлектрики: фторопласт, полипропилен.

Если разобрать заряженный конденсатор, а потом собрать (пластмассовым пинцетом), энергия никуда не денется, и светодиод сможет моргнуть. Он даже моргнет если подключить его к конденсатору в разобранном состоянии. Оно и понятно – при разборке заряд с пластин никуда не делся, а напряжение даже выросло, поскольку уменьшилась емкость и теперь обкладки прямо-таки распирает от зарядов. Стоп, как это напряжение выросло, ведь тогда вырастет и энергия? Так и есть, мы же сообщили системе механическую энергию, преодолевая кулоновское притяжение обкладок. Собственно, в этом и фишка электризации трением – зацепить электроны на расстоянии порядка размеров атомов и оттащить на макроскопическое расстояние, тем самым повысив напряжение с нескольких вольт (а таково напряжение в химических связях) до десятков и сотен тысяч вольт. Теперь понятно, почему синтетическая кофта бьется током не когда ее носишь, а только когда ее снимаешь? Стоп, а почему не до миллиардов? Дециметр же в миллиард раз больше ангстрема, на котором мы урвали электроны? Да потому что работа по перемещению заряда в электрическом поле равна интегралу Eq по d и это самое E ослабевает с расстояние  квадратично. А если бы на всем дециметре между кофтой и носом было такое же поле как внутри молекул, то щелкнул бы по носу и миллиард вольт.

Проверим это явление – повышение напряжения при растягивании конденсатора – экспериментально. Я написал простую программку на Visual Basic для приема данных с нашего контроллера ПМК018 и вывода их на экран. В общем, берем две 200х150 мм пластины текстолита, покрытого с одной стороны фольгой и припаиваем проводки, идущие к измерительному модулю. Затем кладем на одну из них диэлектрик – лист бумаги – и накрываем второй пластиной. Пластины прилегают неплотно, поэтому придавим их сверху корпусом авторучки (если давить рукой, то можно создать помехи).

Схема измерения простая: потенциометр R1 устанавливает напряжение (в нашем случае это 3 вольта), подаваемое на конденсатор, а кнопка S1 служит для того чтобы подавать его на конденсатор, или не подавать.

Итак, нажмем и отпустим кнопку – мы увидим график, показанный слева. Конденсатор быстро разряжается через вход осциллографа. Теперь попробуем во время разряда ослабить давление на пластины – увидим пик напряжения на графике (справа). Это как раз искомый эффект. При этом расстояние между обкладками конденсатора растет, емкость падает и потому конденсатор начинает разряжаться еще быстрее.

Тут я не на шутку задумался..  Кажется, мы на пороге великого изобретения…Ведь если при раздвигании обкладок на них растет напряжение, а заряд остается прежним, то можно ведь взять два конденсатора, на одном раздвигать на них обкладки, а в точке максимального раздвижения передать заряд неподвижному конденсатору. Потом вернуть обкладки на место и повторить то же самое наоборот, раздвигая другой конденсатор. По идее напряжение на обоих конденсаторах будет расти с каждым циклом в определенное число раз. Отличная идея для электрогенератора! Можно будет создать новые конструкции ветряков, турбин и всего такого! Так, прекрасно… для удобства можно разместить все это на двух дисках, вращающихся в противоположные стороны…. ой что же это… тьфу, это же школьная электрофорная машина! 🙁

В качестве генератора она не прижилась, так как неудобно иметь дело с такими напряжениями. Но на наноуровне все может измениться. Магнитные явления в наноструктурах во много раз слабее электрических, а электрические поля там, как мы уже убедились, огромны, поэтому молекулярная электрофорная машина может стать весьма популярной.

Конденсатор как хранитель энергии

Убедиться, что в самом ничтожнейшем конденсаторе хранится энергия  очень легко. Для этого нам понадобится прозрачный светодиод красного свечения и источник постоянного тока (батарейка 9 вольт подойдет, но если номинальное напряжение конденсатора позволяет, лучше взять побольше). Опыт заключается в том чтобы зарядить конденсатор, а потом подключить к нему светодиод (не забываем про полярность), и смотреть как он моргнет. В темной комнате видна вспышка даже от конденсаторов в десятки пикофарад. Это каких-нибудь сто миллионов электронов испускают сто миллионов фотонов. Впрочем это не предел, ведь человеческий глаз может замечать куда более слабый свет. Просто я не нашел еще менее ёмких конденсаторов. Если же счет пошел на тысячи микрофарад, пожалейте светодиод, а вместо этого замыкайте конденсатор на металлический предмет чтобы увидеть искру – очевидное свидетельство наличия в конденсаторе энергии.

Энергия заряженного конденсатора ведет себя во многом подобно потенциальной механической энергии — энергии сжатой пружины, поднятого на высоту груза или водонапорного бачка (а энергия катушки индуктивности, наоборот, подобна кинетической). Способность конденсатора накапливать энергию издавна применяется для обеспечения непрерывной работы устройств при кратковременных спадах питающего напряжения – от часов до трамваев.

Конденсатор также используется для накопления «почти вечной» энергии, вырабатываемой тряской, вибрацией, звуком,  детектированием радиоволн или излучения электросетей. Мало-помалу накопленная энергия от таких слабых источников в течение долгого времени позволяет затем некоторое время работать беспроводным датчикам и другим электронным приборам. На этом принципе основана вечная «пальчиковая» батарейка для устройств со скромным энергопотреблением (вроде ТВ пультов). В ее корпусе находится конденсатор емкостью 500 миллифарад и генератор, подпитывающий его при колебаниях с частотой 4–8 герц дармовой мощностью от 10 до 180 милливатт. Разрабатываются генераторы на основе пьезоэлектрических нанопроводков, способные направлять в конденсатор энергию таких слабых вибраций, как биения сердца,  удары подошв обуви по земле, и вибрации технического оборудования.

Еще один источник дармовой энергии – торможение. Обычно при торможении транспорта энергия переходит в тепло, а ведь ее можно сохранить и затем использовать при разгоне. Особенно остро стоит эта проблема для общественного транспорта, который тормозит и разгоняется у каждой остановки, что ведет к значительному расходу топлива и загрязнению атмосферы выхлопами. В Саратовской области в 2010 г. фирмой «Элтон» создан «Экобус» — экспериментальная маршрутка с необычными электродвигателями «мотор-колесо» и суперконденсаторами – накопителями энергии торможения, снижающими энергопотребление на 40%. Там применены материалы, разработанные в проекте «Энергия-Буран», в частности, углеродная фольга. Вообще, благодаря созданной еще в СССР научной школе,  Россия является одним из мировых лидеров в сфере разработки и производства электрохимических конденсаторов. Например, продукция «Элтона» экспортируется за рубеж с 1998 года, а недавно в США началось производство этих изделий по лицензии российской компании.

Емкость одного современного конденсатора (2 фарады, фото слева) в тысячи раз превышает емкость всего земного шара. Они способны хранить электрический заряд в 40 Кулон!

Используются они, как правило, в автомобильных аудиосистемах, чтобы снизить пиковую нагрузку на электропроводку автомобиля (в моменты мощных бас-ударов) и за счёт огромной ёмкости конденсатора подавить все высокочастотные помехи в бортовой сети.

А вот этот советский «дедушкин сундучок» для электронов (фото справа) не столь емок, но зато выдерживает напряжение в 40.000 вольт (обратите внимание на фарфоровые чашечки, защищающие все эти вольты от пробоя на корпус конденсатора). Это очень удобно для «электромагнитной бомбы»,  в которой конденсатор разряжается на медную трубочку, которая в тот же момент сжимается снаружи взрывом. Получается очень мощный электромагнитный импульс, выводящий из строя радиоаппаратуру. Кстати, при ядерном взрыве, в отличие от обычного, тоже выделяется электромагнитный импульс, что еще раз подчеркивает сходство уранового ядра с конденсатором. Кстати, такой конденсатор вполне можно напрямую  зарядить статическим электричеством от расчески, только конечно заряжать до полного напряжения придется долго. Зато можно будет повторить печальный опыт ван Мушенброка в очень усугубленном варианте.

Если просто потереть об волосы авторучку (расческу, воздушный шарик, синтетическое белье и т.п.), то светодиод от нее гореть не будет. Это потому, что избыточные (отнятые у волос) электроны заневолены каждый в своей точке на поверхности пластика. Поэтому если даже мы и попадем выводом светодиода в какой-то электрон, другие не смогут устремиться за ним и создать нужный для заметного невооруженным глазом свечения светодиода ток. Другое дело, если перенести заряды с авторучки в конденсатор. Для этого возьмем конденсатор за один вывод и буде тереть авторучку по очереди то о волосы, то о свободный вывод конденсатора. Почему именно тереть? Чтобы по максимуму собрать урожай электронов со всей поверхности ручки! Несколько раз повторим этот цикл и подключим к конденсатору светодиод. Он моргнет, причем только при соблюдении полярности. Так конденсатор стал мостиком между мирами «статического» и «обычного» электричества 🙂

Я взял для этого опыта высоковольтный конденсатор, опасаясь пробоя низковольтного, но оказалось, что это излишняя предосторожность. При ограниченной подаче заряда напряжение на конденсаторе может быть намного меньше напряжения источника питания. Конденсатор может преобразовывать большое напряжение в малое. Например, статическое высоковольтное электричество – в обычное. В самом деле, есть ли разница: зарядить конденсатор одним микрокулоном от источнка напряжением 1 В или 1000 В? Если этот конденсатор настолько  емкий, что от заряда в 1 мкКл на нем напряжение не повысится выше напряжения одновольтового источника питания (т.е. емкость его выше 1 мкф), то разницы нет. Просто если не ограничивать принудительно кулоны, то от высоковольного источника их захочет прибежать больше. Да и тепловая мощность, выделившаяся на выводах конденсатора будет больше (а количество теплоты то же, просто оно быстрее выделится, оттого и мощность больше).

В общем, видимо, для этого опыта годится любой конденсатор емкостью не более 100 нф. Можно и более, но понадобится долго его заряжать чтобы получить достаточное для светодиода напряжение. Зато, если токи утечки в конденсаторе невелики, светодиод будет гореть дольше. Можно подумать о создании на этом принципе устройства подзарядки сотового телефона от трения его об волосы во время разговора 🙂

Отличным высоковольтным конденсатором является отвертка. При этом ручка ее служит диэлектриком, а металлический стержень и рука человека – обкладками. Мы знаем, что натертая об волосы авторучка притягивает клочки бумаги. Если натирать об волосы отвертку то ничего не выйдет – металл не обладает способностью отнимать электроны у белков – она как не притягивала бумажки, так и не стала. Но если как в предыдущем опыте тереть ее заряженной авторучкой – отвертка, вследствие своей малой емкости, быстро заряжается до высокого напряжения  и бумажки начинают к ней притягиваться.

Светится от отвертки и светодиод. На фото нереально поймать краткий миг его вспышки. Но — вспомним свойства экспоненты — угасание-то вспышки длится долго (по меркам затвора фотоаппарата). И вот мы стали свидетелями уникального лингвистико-оптико-математического явления: экспонента экспонировала-таки матрицу фотоаппарата!

Впрочем, к чему такие сложности — есть же видеосъемка. На ней видно, что вспыхивает светодиод довольно ярко:

Когда конденсаторы заряжают до высоких напряжений, начинает играть свою роль краевой эффект, состоящий в следующем. Если диэлектрик на воздухе поместить между обкладками и приложить к ним постепенно повышающееся напряжение, то при некотором значении напряжения  на краю обкладки возникает тихий разряд, обнаруживаемый по характерному шуму и свечению в темноте. Величина критического напряжения зависит от толщины обкладки, остроты края, рода и толщины диэлектрика и пр. Чем диэлектрик толще, тем выше кр. Например, чем диэлектрическая постоянная диэлектрика выше, тем оно ниже. Для уменьшения краевого эффекта края обкладки заделывают в диэлектрик  с высокой электрической прочностью, утолщают диэлектрик прокладку на краях, закругляют края обкладок, создают на краю обкладок зону с постепенно падающим напряжением за счет изготовления краев обкладок из материала с высоким сопротивлением, уменьшением напряжения, приходящегося на один конденсатор путем разбивки его на несколько последовательно включенных.

Вот почему отцы-основатели электростатики любили чтобы на конце электродов были шарики. Это, оказывается, не дизайнерская фишка, а способ максимально уменьшить стекание заряда в воздух. Дальше уже некуда. Если кривизну какого-то участка на поверхности шарика еще уменьшить,то неизбежно возрастет кривизна соседних участков. Да и тут по-видимому в наших электростатических делах важна не средняя а максимальная кривизна поверхности, которая минимальна, конечно у шарика.

Хм.. но если емкость тела это способность накапливать заряд, то она,  наверное, весьма различна для положительных и отрицательных зарядов…. Представим себе сферический конденсатор в вакууме… От души зарядим его отрицательно, не жалея электростанций и гигаватт-часов  (вот чем хорош мысленный эксперимент!)… но в какой-то момент избыточных электронов станет на этом шаре так много, что они попросту начнут разлетаться по всему вакууму, лишь бы не находиться в такой электроотрицательной тесноте. А вот с положительным зарядом такого не произойдет – электроны, как бы их мало не осталось, никуда из кристаллической решетки конденсатора не улетят.
Что же получается, положительная емкость заведомо намного больше отрицательной? Нет! Потому что электроны там вообще-то были не для нашего баловства, а для соединения атомов, и без сколь-нибудь заметной их доли, кулоновское отталкивание положительных ионов кристаллической решетки мгновенно разнесет в пыль самый бронированный конденсатор 🙂

На самом же деле, без вторичной обкладки, емкость «уединенных половинок» конденсатора очень мала: электроемкость уединенного куска провода диаметром 2 мм и длиной 1 м равна приблизительно 10 пФ, а всего земного шара – 700 мкф.

Можно построить абсолютный эталон емкости,  рассчитав его емкость по физическим формулам исходя из точных измерений размеров обкладок. Так и сделаны самые точные конденсаторы в нашей стране, которые находятся в двух местах. Государственный эталон ГЭТ 107-77 находится в ФГУП СНИИМ и состоит из 4-х безопорных коаксиально-цилиндрических конденсаторов, емкость которых рассчитывается с высокой точностью через скорость света и единицы длины и частоты,  а также высокочастотного емкостного компаратора, позволяющего сравнивать емкости приносимых на поверку конденсаторов с эталоном (10 пф) с погрешностью менее 0,01% в диапазоне частот 1-100 МГц (фото слева).

Эталон ГЭТ 25-79 (фото справа), находящийся в  ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева содержит расчетный конденсатор и интерферометр в вакуумном блоке, емкостный трансформаторный мост в комплекте с мерами емкости и термостатом и источники излучения со стабилизированной длиной волны. В основу эталона положен метод определения приращений емкости системы перекрестных электродов расчетного конденсатора при изменении длины электродов на заданное количество длин волн высокостабильного светового излучения. Это обеспечивает поддержание точного значения емкости 0,2 пф с точностью выше 0,00005 %

Но на радиорынке в Митино я затруднился найти конденсатор с точностью выше 5% 🙁 Что ж, попробуем рассчитать емкость по формулам на основе измерений напряжения и времени через наш любимый ПМК018. Будем рассчитывать емкость двумя способами. Первый способ основан на свойствах экспоненты и отношении напряжений на конденсаторе, измеренных в разные моменты разряда. Второй — на измерении заряда, отданного конденсатором при разряде, он получается интегрированием тока по времени. Площадь, ограниченная графиком тока и осями координат, численно равна заряду, отданному конденсатором. Для этих расчетов нужно точно знать сопротивление цепи через которую разряжается конденсатор. Это сопротивление я задал прецизионным резистором на 10 кОм из электронного конструктора.

И вот результаты эксперимента. Обратите внимание на то какая красивая и гладкая получилась экспонента. Она ведь не математически рассчитана компьютером, а непосредственно измерена из самой природы. Благодаря координатной сетке на экране видно, что точно соблюдается свойство экспоненты — через равные промежутки времени уменьшаться в равное количество раз (я даже линейкой мерил на экране 🙂 Таким образом, мы видим, что физические формулы вполне адекватно отражают окружающую нас реальность.

Как видим, измеренная и рассчитанная емкость приблизительно совпадает с номинальной (и с показаниями китайских мультиметров), но не точь-в-точь. Жаль, что нет эталона, чтобы определить какая из них все-таки истинна! Если кто-нибудь знает эталон емкости, недорогой или доступный в быту – обязательно напишите об этом здесь, в комментариях.

В силовой электротехнике первым в мире применил конденсатор Павел Николаевич Яблочков в 1877 г. Он упростил и вместе с тем усовершенствовал конденсаторы Ломоносова, заменив дробь и фольгу жидкостью, и соединив банки параллельно. Ему принадлежит не только изобретение инновационных дуговых ламп, покоривших Европу, но и ряд патентов, связанных с конденсаторами. Попробуем собрать конденсатор Яблочкова, используя подсоленную воду в качестве проводящей жидкости, а в качестве банки – стеклянную банку из по овощей. Получилась емкость 0,442 нф. Заменим банку полиэтиленовым пакетом, имеющим большую площадь и во много раз меньшую толщину – емкость вырастет до 85,7 нф.  (Сначала наполним пакет водой и проверим, нет ли токов утечки!) Конденсатор работает – даже позволяет моргнуть светодиодом! Он также успешно выполняет свои функции в электронных схемах (я попробовал его включить в генератор вместо обычного конденсатора  — все работает).

Вода тут играет весьма скромную роль проводника, и если есть фольга, то можно обойтись без нее. Так сделаем, вслед за Яблочковым, и мы. Вот конденсатор из слюды и медной фольги, емкостью 130 пф.

Металлические обкладки должны возможно плотно прилегать к диэлектрику, причем надо избегать введения между обкладкой и диэлектриком клеящего вещества, которое вызовет добавочные потери на переменном токе. Поэтому теперь в качестве обкладок применяют главным образом металл, химически или механически осажденный на диэлектрик (стекло) или плотно припрессованный к нему (слюда).

Можно вместо слюды использовать кучу разных диэлектриков, каких угодно. Измерения (для диэлектриков равной толщины) показали, что у воздуха ε самое маленькое, у фторопласта побольше, у силикона еще больше, а у слюды даже еще больше , а у цирконат-титаната свинца оно просто огромно. Именно так по науке и должно быть – ведь во фторопласте электроны, можно сказать, намертво прикованы фтороуглеродными цепями и могут лишь чуть-чуть отклониться – там даже с атома на атом электрону некуда перескочить.

Вы можете сами провести такие опыты с веществами, имеющими разную диэлектрическую проницаемость. Как вы думаете, что имеет большую диэлектрическую проницаемость, дистиллированная вода или масло? Соль или сахар? Парафин или мыло? Почему? Диэлектрическая проницаемость зависит много от чего… про нее можно было бы написать целую книгу.

Вот и все? 🙁

Нет, не все! Через неделю будет продолжение! 🙂

 (Источник)

Электродуговая сварка из супер конденсаторов

Супер конденсаторы (ионисторы) не боятся критических токов, поэтому часто используются в силовых агрегатах, где возникают пиковые токи непродолжительные по времени. Учитывая эту особенность можно построить сварочный аппарата на супер конденсаторах большой емкости.

Понадобится

• 8 супер конденсаторов (ионисторов), приобрести можно на АлиЭкспресс — http://ali.pub/3xh6z5.
  
• Силовые провода с с электрододержателем.
  
• Соединительные перемычки, гайки, шайбы.

Сами конденсаторы емкостью 3000 Фарад и на напряжение 2,7 Вольта каждый.

Мощность колоссальная, поэтому вывода не для пайки, а для прикручивания.

Собираем аппарат для электродуговой сварки из супер конденсаторов

Собираем попарно 4 пары супер конденсаторов. Соединяем эти пары только с одной стороны «+» с «-».

Далее собираем в блок. Соединяем вместе все «+» с «+» и «-» с «-».

В итоге у нас получилась батарея из двух последовательных групп. Где в каждой группе 4 ионистора включенных паралельно.
Общее напряжение: 2,7 + 2,7 = 5,4 В. Это максимальное, которое нельзя превышать.
Давайте теперь посчитаем емкость: 3000 x 4 = 12000 Фарад при напряжении 2,7 В в группе. И общая емкость тоже равна 12000 Фарад, при напряжении 5,4 В.
Подключаем провода с электрододержателем. Сильно длинные провода быть не должны, иначе вся мощность останется на них.

Закрепляем болт в тисках, подключаем минусовой провод.

Закрепляем электрод и пробуем варить.

Результат сварки.

Далее пробуем сварить два болта.


Теперь сварим две шпильки, длинным швом.

В принципе все работает. Дугу проблематично стабильно поддерживать на таком низком напряжении, но все же вполне возможно. Думаю, все видите сами.

Смотрите видео

Глава 20. Конденсаторы

Для накопления разноименных электрических зарядов служит устройство, которое называется конденсатором. Конденсатор — система двух изолированных друг от друга проводников (которые часто называют обкладками конденсатора), один из которых заряжен положительным, второй — таким же по величине, но отрицательным зарядом. Если эти проводники представляют собой плоские параллельные пластинки, расположенные на небольшом рас-стоянии друг от друга, то конденсатор называется плоским.

Для характеристики способности конденсатора накапливать заряд вводится понятие электроемкости (часто говорят просто емкости). Емкостью конденсатора называется отношение заряда конденсатора к той разности потенциалов , которая возникает между обкладками при их заряжении зарядами и (эту разность потенциалов проводников часто называют электрическим напряжением между обкладками и обозначают буквой ):

(20. 1)

Поскольку величины и (или ) в формуле (20.1) зависимы, то емкость (20.1) не зависит от и , а является характеристикой геометрии системы проводников. Действительно, при сообщении проводникам зарядов и проводники приобретут потенциалы, разность которых будет пропорциональна заряду . Поэтому в отношении (20.1) заряд сокращается.

Выведем формулу для емкости плоского конденсатора (эта формула входит в программу школьного курса физики). При заряжении параллельных пластин, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, зарядами и , в пространстве между ними возникает однородное электрическое поле с напряженностью (см. гл. 18):

(20.2)

Разность потенциалов между пластинами равна

(20.3)

где — площадь пластин, — расстояние между ними. Отсюда, вычисляя отношение заряда к разности потенциалов (20.3), находим емкость плоского конденсатора

(20.4)

Если все пространство между обкладками заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , то поле (20.2) и разность потенциалов (20.3) убывает в раз, а емкость конденсатора в раз взрастает

(20.5)

Для конденсаторов, соединенных в батареи, вводится понятие эквивалентной емкости, как емкости одного конденсатора, который при заряжении его тем же зарядом, что и батарея дает ту же разность потенциалов, что и батарея конденсаторов. Приведем формулы для эквивалентной емкости, а также для заряда и электрического напряжения на каждом конденсаторе при последовательном и параллельном их соединении.

Последовательное соединение (см. рисунок). При сообщении левой пластине левого конденсатора заряда , а правой пластине правого заряда , на внутренних пластинах благодаря поляризации будут индуцироваться заряды (см. рисунок; значения индуцированных зарядов приведены под пластинами). Можно доказать, что в результате поляризации каждый конденсатор будет заряжен такими же зарядами и , как и заряды крайних пластин, напряжение на всей батарее конденсаторов равно сумме напряжений на каждом, а обратная эквивалентная емкость батареи — сумме обратных емкостей всех конденсаторов

(20.6)

Параллельное соединение (см. рисунок). В этом случае если сообщить левому проводнику заряд , правому сообщить заряд , заряд распределится между конденсаторами, вообще говоря, не одинаково, но по закону сохранения заряда .

Поскольку правые пластины всех конденсаторов соединены между собой, левые — тоже, то они представляют собой единые проводники, и, следовательно, разность потенциалов между пластинами каждого конденсатора будет одинакова: . Можно доказать, что при таком соединении конденсаторов эквивалентная емкость батареи равна сумме емкостей отдельных конденсаторов

(20. 7)

Заряженный конденсатор обладает определенной энергией. Если конденсатор емкости заряжен зарядом , то энергия этого конденсатора (можно говорить энергия электрического поля конденсатора) равна

(20.8)

С помощью определения электрической емкости (20.1) можно переписать формулу (20.8) еще в двух формах:

(20.9)

Рассмотрим в рамках этого минимума сведений о конденсаторах типичные задачи ЕГЭ по физике, которые были предложены в первой части книги.

Электроемкость конденсатора — его геометрическая характеристика, которая при неизменной геометрии не зависит от заряда конденсатора (задача 20.1.1 — ответ 3). Аналогично не меняется емкость конденсатора при увеличении напряжения на конденсаторе (задача 20.1.2 — ответ 3).

Связь между единицами измерений (задача 20.1.3) следует из определения емкости (20.1). Единица электрической емкости в международной системе единиц измерений СИ называется Фарада. 1 Фарада — это емкость такого конденсатора, между пластинами которого возникает напряжение 1 В при зарядах пластин 1 Кл и -1 Кл (ответ 4).

Поскольку электрическое поле в плоском конденсаторе однородно, то напряженность поля в конденсаторе и напряжение между пластинами связаны соотношением (см. формулу (18.9)) , где — расстояние между пластинами. Отсюда находим напряженность поля между обкладками плоского конденсатора в задаче 20.1.4

(ответ 4).

Согласно определению электрической емкости имеем в задаче 20.1.5

(ответ 2).

Из формулы (20.4) для емкости плоского конденсатора заключаем, что при увеличении площади его пластин в 3 раза (задача 20. 1.6) его емкость увеличивается в 3 раза (ответ 1).

При уменьшении в раз расстояния между пластинами емкость плоского конденсатора возрастет в раз. Поэтому новое напряжение на конденсаторе (задача 20.1.7) можно найти из следующей цепочки формул

где и — новый заряд конденсатора (ответ 3).

Так как конденсатор в задаче 20.1.8 подключен к источнику, то между его пластинами поддерживается постоянное напряжение независимо от расстояния между ними. Поэтому заряд конденсатора изменяется при раздвигании пластин так же, как изменяется его емкость. А поскольку при увеличении расстояния между пластинами вдвое емкость конденсатора уменьшается вдвое (см. формулу (20.4)), то вдвое уменьшается и заряд конденсатора (ответ 2).

В задаче 20.1.9 конденсатор отключен от источника в процессе сближения пластин. Поэтому не меняется их заряд. А поскольку напряженность электрического поля между пластинами определяется соотношением (20. 2)

то напряженность электрического поля между пластинами также не изменяется (ответ 3). Этот же результат можно получить и через определение емкости с учетом того, что

произведение от расстояния между пластинами не зависит (см. формулу (20.4)).

Из формул (20.8), (20.9) видим, что только одно из приведенных в качестве ответов к задаче 20.1.10 соотношений (а именно — 2) определяет энергию конденсатора.

При последовательном соединении конденсаторов (задача 20.2.1) одинаковыми будут их заряды независимо от значений их электрических емкостей (ответ 2). При параллельном соединении конденсаторов (задача 20.2.2) одинаковыми будут напряжения на каждом из них (ответ 3).

Поскольку конденсатор в задаче 20.2.3 отключен от источ-ника напряжения, его заряд не меняется в процессе раздвигания пластин. Поэтому для исследования изменения энергии конденсатора удобно воспользоваться формулой (20. 8)

(1)

Так как при увеличении расстояния между пластинами в раз электрическая емкость конденсатора уменьшается в раз, то согласно формуле (1) энергия конденсатора увеличится в раз (ответ 1).

В задаче 20.2.4 не изменяется напряжение на конденсаторе. Поэтому воспользуемся первой из формул (20.9)

Из этой формулы заключаем, что при увеличении в раз расстояния между пластинами энергия конденсатора уменьшится в раз — ответ 2. (Разница с предыдущей задачей связана с тем, что здесь кроме внешних сил, совершающих работу при раздвигании пластин, совершает работу источник напряжения.)

В задаче 20.2.5 изменяют расстояние между пластинами (и, следовательно, емкость) и заряд конденсатора. Поэтому удобно воспользоваться формулой (20.8)

Из этой формулы заключаем, что при увеличении расстояния между пластинами в 2 раза и увеличении заряда конденсатора в 2 раза его энергия возрастет в 8 раз (ответ 4).

Поскольку в задаче 20.2.6 конденсаторы соединены последовательно, емкость батареи конденсаторов можно найти по формуле (20.6), откуда находим емкость батареи конденсаторов (ответ 2).

В задаче 20.2.7 конденсаторы соединены параллельно, поэтому емкость батареи конденсаторов можно найти по формуле (20.7): (ответ 2).

Основной вопрос, на который нужно ответить в задаче 20.2.8, это как соединены конденсаторы? Последовательно, параллельно, по-другому? Попробуем по-другому расположить в пространстве и изменить длину соединительных проводов, чтобы схема стала более понятной. Очевидно, что можно соединить вершину 1 и вершину 3 («уменьшив» длину провода 1-3), а также вершины 2 и 4. При этом средний конденсатор разворачивается в пространстве, и схема приобретает вид, показанный на рисунке, откуда видно, что конденсаторы соединены параллельно. Поэтому (ответ 1).

Когда в заряженный плоский конденсатор вставляют металлическую пластинку (задача 20. 2.9), параллельную обкладкам конденсатора, напряженность электрического поля внутри пластинки становится равным нулю, вне пластинки между обкладками конденсатора остается таким же, каким оно было в отсутствие пластинки , где — заряд конденсатора, — площадь его пластин. Поэтому напряжение между обкладками конденсатора определяется соотношением:

где — расстояние между обкладками конденсатора, — толщина пластинки. Отсюда находим емкость рассматриваемого конденсатора

(ответ 4).

Чтобы найти емкость сферического конденсатора (задача 20.2.10) сообщим его обкладкам заряды и , найдем напряжение между обкладками, вычислим отношение заряда к напряжению. Разность потенциалов двух концентрических сфер, заряженных зарядами и (напряжение между обкладками сферического конденсатора), определена в задаче 19.2.5., откуда находим электрическую емкость сферического конденсатора (ответ 3):

Малоиндуктивный Высоковольтный Конденсатор.

Cамодельный ионистор

Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке — суперконденсаторты.

Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.

Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера.

Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.

Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!

Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор — 86 400 Дж — в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.

Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.

Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.

Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов — ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.

По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.

На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них — десяти фарад!

Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.

При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой — с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.

Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)

В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.

Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.

При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.

Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов. )

Подробности для любознательных

При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)

Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор — это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы — кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.

Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес — почти втрое больше обычного — в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.

Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?

И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.

Если Вы замыслили построить лазер, ускорительную трубку, генератор электромагнитных помех или что-нибудь еще в этом роде, то рано или поздно Вы столкнетесь с необходимостью использовать малоиндуктивный высоковольтный конденсатор, способный развивать нужные Вам Гигаватты мощности.
В принципе можно попытаться обойтись использованием покупного конденсатора и что-то близкое к тому, что Вам нужно даже имеется в продаже. Это керамические конденсаторы типа КВИ-3, К15-4, ряд марок фирм Murata и ТDK, ну и конечно зверь Maxwell 37661 (последний, правда, масляного типа)

Использование покупных конденсаторов, однако имеет свои недостатки.

1. Они дороги.
2. Они малодоступны (Интернет, конечно, связал людей, но таскать деталюшки с другого конца земного шара несколько напрягает)
3. Ну и самое, конечно, главное: они все-равно не обеспечат требуемых Вами рекордных параметров. (Когда речь идет о разряде за десятки и даже единицы наносекунд для питания азотного лазера или получения пучка убегающих электронов из неоткачной ускорительной трубки, ни один Максвелл Вам не в помощь)

По этому гайду мы будем учиться делать самодельный малоиндуктивный высоковольтный
конденсатор на примере платы, предназначенной для использования в качестве драйвера
лампового лазера на красителях. Тем не менее принцип является общим и с его
использованием Вы сможете строить конденсаторы в частности (но не ограничиваясь)
даже для питания азотных лазеров.

I. РЕСУРСЫ

II. СБОРКА

Когда проектируется устройство, требующее малоиндуктивного питания, думать надо о конструкции в целом, а не отдельно о конденсаторах, отдельно о (например) лазерной головке и т.д. В противном случае токоведущие шины сведут на нет все преимущества малоиндуктивного дизайна конденсаторов. Обычно конденсаторы являются органичной составной частью подобных устройств и именно поэтому примером будет служить плата драйвера лазера на красителях.
Блажен тот самодельщик, вокруг которого валяются листы стеклопластика и оргстекла. Мне же приходится использовать кухонные разделочные доски, продающиеся в магазине.
Возьмите кусок пластика и обрежьте в размер будущей схемы.

Идея схемы примитивна. Это два конденсатора, накопительный и обострительный, включенные через разрядник по схеме с резонансной зарядкой. Детально разбираться с работой схемы здесь мы не будем, наша задача тут — сосредоточиться на сборке конденсаторов.

Определившись с размерами будущих конденсаторов отрежьте кусочки алюминиевого уголка по размерам будущих контакторов. Уголки тщательно обработайте по всем правилам высоковольтной техники (скруглите все углы и затупите все острия).

Закрепите выводы будущих конденсаторов на получающейся «печатной плате».

Смонтируйте те части схемы, которые, если их не собрать сейчас, потом могут помешать сборке конденсаторов. В нашем случае это соединительные шины и разрядник. 4, какой бы быстрой цепь питания ни была. Укоротить можно только фронт, но не весь импульс. С другой стороны, при конструировании, например, азотного лазера так вольно крепить разрядник Вы уже не станете.

Следующим этапом надо нарезать фольгу и, возможно, ламинат-пакеты (если только размер конденсатора не предполагает использование полного формата пакета, как в случае накопительного конденсатора на рассматриваемой плате.)

Несмотря на то, что ламинирование в идеале происходит герметично и пробой по закраинам должен быть исключен, не рекомендуется делать закраины (размер d на рисунке) менее чем по 5 мм на каждые 10 кВ рабочего напряжения.
Закраины размером по 15 мм на каждые 10 кВ напряжения обеспечивают более-менее стабильную работу даже без герметизации.
Размер выводов (размер D на рисунке) выбирайте равным предполагаемой толщине стопы будущего конденсатора с некоторым запасом. Углы фольги, естественно, должны быть скруглены.
Начнем с пикового конденсатора. Вот как выглядят заготовки и готовая, заламинированная обкладка:

Для пикового конденсатора взят ламинат толщиной 200 мкм, поскольку за счет «резонансной» зарядки здесь ожидается наброс напряжения под 30 кВ. Заламинируйте необходимое количество обкладок (в нашем случае 20 шт.). Сложите их стопкой (выводами поочередно в разные стороны). У полученной стопки подогните выводы (при необходимости излишки фольги надо обрезать), уложите стопку в гнездо, образованное уголковыми контакторами на плате и прижмие верхней крышкой.

Фетишисты закрепят верхнюю крышку аккуратными болтиками, но можно и просто примотать изолентой. Пиковый конденсатор готов.

Сборка накопительного конденсатора ничем принципиально не отличается.
Меньше работы ножницами, поскольку используется полный формат А4. Ламинат здесь выбран толщиной 100 мкм, поскольку планируется использовать зарядное напряжение 12 кВ.
Точно так же собираем в стопку, подгибаем выводы и прижимаем крышкой:

Кухонная досточка с подрезанной ручкой выглядит, конечно злостно, но функциональности не нарушает. Надеюсь, что у Вас с ресурсами проблем будет меньше. Да и вот еще что: если в качестве основания и крышки надумаете использовать деревяшки, их придется серьезно подготовить. Первое — хорошенько просушить (лучше при повышенной температуре). И второе — герметично пролакировать. Уретановым или виниловым лаком.
Дело здесь не в электропрочности и не в утечках. Дело в том, что когда поменяется влажность деревяшки изогнет. Во-первых это нарушит качество контакта и удлинит время разряда конденсаторов. Во-вторых, если как здесь поверх этой платы предполагается монтировать лазер, его тоже изогнет со всеми вытекающими последствиями.

Загибая выводы не забудьте проложить по дополнительному слою изоляции. А то в самом деле: обкладки друг от друга отделены двумя слоями диэлектрика, а выводы от обкладки противоположной полярности — только одним.
Посмотрим, что у нас получилось. Воспользуемся мультиметром со встроенным измерителем емкости.
Вот что показывет накопительный конденсатор.

А вот что показыват пиковый конденсатор.

Вот, собственно и все. Конденсаторы готовы, тема гайда исчерпана.
Однако, вероятно не терпится опробовать их в деле. Доделываем недостающее части схемы, устанавливаем лампу, подключаем к источнику питания.
Вот как это выглядит.

Вот осциллограмма, тока, снятая небольшим колечком провода, непосредственно подключенным к осциллографу и расположенным вблизи контура, питающего лампу. Правда вместо лампы схема была нагружена на шунт.

А вот осциллограмма вспышки лампы, снятая фотодиодом ФД-255, направленным на ближайшую стену. Рассеянного света вполне хватает. Правильней даже сказать «более чем.»

Можно долго ругать плохо получившиеся кондесаторы и искать причину, почему разряд длится более 5 мкс… На самом деле лампа вспышка вываливает кучу мегаватт и даже рассеяным от стен светом загоняет фотодиод в глубокое насыщение. Унесем фотодиод подальше. Вот осциллограмма снятая с 5 метров, когда фотодиод смотрит не точно на лампочку, а чуть в сторону от нее.

Время нарастания точно определить сложно из-за помех, однако видно, что оно составляет порядка 100 нс и хорошо согласуется с длительностью полупериода тока.
Оставшийся хвост в световом импульсе — свечение медленно остывающей плазмы. Полная длительность — под 1 мкс.
Хватит ли этого для лазера на карасителе? Это отдельный вопрос. Вообще обычно такого импулсьса более чем хватает, но тут все зависит от красителя (насколько он чист и хорош), от кюветы, осветителя, резонатора и т.п. Если мне удастся получить генерацию на одном из имеющихся в продаже флуоресцентных маркеров — тогда будет отдельный гайд по самодельному лазеру на красителях.

(ЗЫ) Пришлось добавить еще 30 нФ в главный накопительный конденсатор и действительно хватило. Труба, фотку которой можно найти тут же в разделе «Фотки» заработала даже лучше чем от двухмаксвелльного ГИН»а.

Вообще время разряда в 100 нс отнюдь не предел для описанной технологии создания конденсаторов. Вот фото конденсатора с которым устойчиво работает в режиме сверхизлучения воздушный откачной азотный лазер:

Время его разряда уже за пределами возможностей моего осциллографа, однако то, что азотник с этим конденсатором эффективно генерит уже при 100 мм. рт.ст. позволяет оценить время разряда в 20 нс и менее.

III. ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ. БЕЗОПАСНОСТЬ

Сказать, что такой конденсатор опасен — это ничего не сказать. Электрический удар от такой емкости также смертелен, как КАМАЗ, летящий на Вас со скоростью 160 км/ч. Относиться к этому конденсатору нужно с таким же уважением, как к оружию или взывчатке. При работе с такими конденсаторами применяйте все возможные меры безопасности и, в частности дистанционное включение и выключение.
Предугадать все опасные ситуации и дать рекомендации, как в них не попасть, попросту невозможно. Будьте осторожны и думайте головой. Знаете, когда кончается карьера сапера? Когда он перестает бояться. Именно в тот самый момент, когда он становится «на ты» с взрывчаткой, ему сносит бошку.
С другой стороны миллионы людей ездят по дорогам с КАМАЗами и тысячи саперов ходят на работу и остаются живы. Пока Вы осторожны и думаете головой, все будет в порядке.

Маечный конденсатор

Этот тип конденсатора получил свое название за сходство формы обкладок с пакетом «майка».
Индуктивность этого конденсатора больше чем у кондера описанного выше или конфетного , но он вполне пригоден для использования в СО2-шке или ГИНе. С трудом заводит краситель а для азотника не подойдет.

Материалы понадобятся те же что и в гайде выше: майларовая пленка(или пакеты для ламинирования), алюминиевая фольга и скотч/изолента.

На схеме ниже обозначены размеры основных зазоров.

L — длинна диэлектрика
D — ширина диэлектрика
R — внешний радиус конденсатора

Зазоры от краев диэлектрика по 15мм. С той стороны, где выходят контактные полосы обкладок отступ 50мм. Эти отступы сделаны минимально возможными для максимальной емкости при заданных L и D диэлектрика. Обратите внимание, эти зазоры подобраны для 10кВ. (Я сомневаюсь, что имеет смысл делать такой тип конденсатора для более высоких напряжений, поэтому я не буду писать здесь формулы для пересчета отступов и зазоров для других напряжений)

Расстояние между выводами обкладок — 30мм. Этот зазор тоже взят минимально возможным для 10кВ. Увеличение данного зазора сделает выводы слишком узкими — увеличится индуктивность конденсатора.

Изготовление

Маечный конденсатор готов. Можете устанавливать его ваш лазер, ГИН или другой высоковольтный девайс.

Любители разных высоковольтных опытов часто сталкиваются с проблемой, когда бывает необходимо использовать высоковольтные конденсаторы. Как правило, такие конденсаторы очень сложно найти, а если и удастся, то придется заплатить за них немало денег, что по силам отнюдь не каждому. Помимо этого политика нашего сайта просто не позволит вам тратить средства на покупку того, что можно самому изготовить, не выходя из дому.

Как вы уже догадались, данный материал мы решили посвятить сборке высоковольтного конденсатора, чему также посвящен авторский видеоролик, который мы предлагаем вам посмотреть перед началом работы.

Что же нам понадобится:
— нож;
— то, что мы будем использовать в качестве диелектрика;
— пищевая фольга;
— прибор для измерения емкости.

Сразу отметим, что в качестве диелектрика автор самодельного конденсатора использует самые обычные самоклеющиеся обои. Что касается прибора для измерения емкости, то его использование не обязательно, поскольку предназначен этот прибор только для того, чтобы в конце можно было узнать, что получилось в итоге. С материалами все ясно, можно приступать к сборке самодельного конденсатора.

Первым делом отрезаем два куска от самоклеющихся обоев. Нужно примерно полметра, однако желательно, чтобы одна полоска получилась чуть длиннее другой.

Получившийся лист фольги режим ровно на две части по длине.

Следующим делом кладем на ровную поверхность один кусок обоев, на который аккуратно кладем один кусок пищевой фольги. Фольге нужно класть так, чтобы по трем краям получился зазор примерно в сантиметр. С четвертой стороны фольга будет выпирать, что вполне нормально на этом этапе.

Сверху кладем второй лист обоев.

На нем кладем второй лист фольги. Только на этот раз делаем так, чтобы выступала фольга с противоположной предыдущему шагу стороне. То есть, если у автора первый кусок выступал снизу, то на этот раз он должен выступать сверху. Отдельно следует отметить, что листы фольги не должны касаться друг друга.

Теперь с одного края снимаем подложку и проклеиваем наш конденсатор.

Как проблема распределения питания электролитических конденсаторов почти вывела из строя здание

Altium Designer

|&nbsp Создано: 20 Марта, 2018 &nbsp|&nbsp Обновлено: 21 Мая, 2020

Недавно я наткнулся на интересную историю о котельной системе, которая не запустилась под пристальным наблюдением представителя TDK-Lambda, а решение было найдено только специалистом по обслуживанию здания. История начинается с отключения стареющего котла в разгар лютой британской зимы, что требовалось заменой семилетних радиаторов. После ремонта и замены котел был включён, но он не запустился.

Услышав разговоры о дополнительных материальных и временных затратах и не желая больше ждать возвращения тепла в своём здании, техник поднялся на чердак с представителем TDK-Lambda, чтобы изучить проблему. После показа подозрительной панели техник включил небольшой электрический нагревательный вентилятор, направил его на источник питания, и через двадцать минут котёл заработал.

Почему проблему удалось решить таким простым решением? Ответ находится в электролитических конденсаторах малого диаметра в источнике питания.

Часто в источниках питания высокого напряжения, общей практикой является применение громоздких алюминиевых электролитических конденсаторов с диаметром 10 мм и даже достигающих 50 мм. Такие большие конденсаторы, что неудивительно, хорошо подходят для подобных применений, благодаря отличной ёмкости, а также способности гасить пульсации напряжения.

К тому же такие конденсаторы обеспечивают устойчивую работу источника питания даже в случае короткого замыкания по входной линии питания переменного тока, что является важным для обеспечения надёжности котла. Конечно не хотелось бы, чтобы котлы отказывали зимой в морозы.

Такие конденсаторы имеют ряд ограничений по причине большого размера. Рассматривая спецификации изготовителя можно найти ключевые качества, являющие их сильные и слабые стороны.

Чаще всего во внимание принимается время жизни алюминиевых электролитических конденсаторов. По истечении времени жизни беспокойство в отношении больших конденсаторов начинает вызывать снижение надёжности при повышенной температуре. Электролит постепенно испаряется вследствии диффузии через резиновые уплотнения, что выражается в потере ёмкости и снижении эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

Для таких конденсаторов деградация может уменьшать время установления источника питания и, как следствие старения, увеличение пульсаций выходного напряжения может достигнуть точки нестабильной работы источника питания. Очевидно, что это будет проблемой для любой системы, не говоря уже о нашем холодном здании котельной.

Решением запроса рынка было отреагировать долгоживущими при высоких температурах конденсаторами. К тому же мы часто недооцениваем важность конденсаторов в схемах запуска и обслуживания. С такими экономически оправданными долгоживущими конденсаторами мы обязаны увидеть лучшую системную эффективность, не так ли? Не совсем.

 

Компромиссы срабатывают при обмене размера на правильность функционирования… иногда.

 

Учёт нескольких нюансов проектирования может иногда дать результат положительного улучшения эффективности системы. Но даже немного переменных – это слишком много, и можно в результате получить неправильную работу устройства.

Если взглянуть в спецификации изготовителей долгоживущих конденсаторов, то можно увидеть, например, что конденсатор 12,5 мм может иметь срок службы около 10 тысяч часов при температуре 105 градусов Цельсия. В той же серии конденсатор с диаметром 6,3 мм при той же температуре может иметь срок службы только 4 тысячи часов. В нашей котельной, работающей 24 часа в сутки, этот срок соответствует лишь 6 месяцам. После этого срока, конденсатор в лучшем случае будет иметь 75% от первоначальной ёмкости.

К тому же не так часто можно видеть маленькие конденсаторы около главного трансформатора источника питания, а также в горячем окружении, следовательно, наш обзор упускает эту часть качеств конденсаторов.

Стартовые цепи очень близки и важны котлу, который сообщает высокую температуру конденсатору. Это даёт эффект существенного снижения напряжения с годами, которые служил котёл.

Это может не представлять проблемы, пока котёл функционирует, однако, зная то, что источник питания начинает перезапускаться только после некоторого определённого порогового напряжения, которое накапливается в предшествующих конденсаторах (с уже пониженным значением ёмкости в условиях повышенной температуры), было бы разумно, если бы попытка перезапустить этот источник питания в разгар зимнего холода не сработала бы столь успешно.

Поэтому техник решил просто нагреть конденсатор настолько, чтобы был достигнут надлежащий порог напряжения для источника питания, чтобы затем он снова пришёл в себя и снова стал функционировать.

Несмотря на то, как весела и увлекательна была эта загадка, остался неотвеченным вопрос, какие уроки мы можем извлечь из всего этого и как мы можем улучшить проекты в будущем. Для начала я рекомендую нанять техников, похожих на учёных, которые будет заниматься вашими проектами. Это обеспечит критически важный уровень изобретательности.

После этого, следует быть уверенным, что изученные мелкие особенности (особенно для “экономичных”, долгоживущих конденсаторов) внутри источников питания и цепях распределения питания будут абсолютно учтены. Проверьте спецификации. Проверьте требования к окружающим условиям. Не скупитесь, чтобы сэкономить всего несколько долларов. Иначе можете оказаться посреди зимы с растерянным представителем TDK-Lambda.

 

Цепи распределения питания конденсаторов могут иногда быть такими же запутанными, как математика уровня докторов наук.

 

К тому же, используя программное обеспечение для анализа электрических режимов схемы, мы сможем выполнить её моделирование для различных условий окружающей среды, даже с учетом эффектов старения, таких как уменьшение ёмкости электролитических конденсаторов.

Программное обеспечение, такое как имитатор электрических схем Altium Mixed Sim в Altium Designer, феноменально подходит для такого анализы, позволяя выполнять расчёты при изменении глобальной температуры схемы, расчёты при изменении параметров компонентов, расчёты с учётом технологического разброса параметров компонентов.

Чтобы услышать больше примеров или узнать о том, как Altium может сделать ваши схемы выверенными и работоспособными, поговорите с экспертом Altium сегодня!

Конденсаторы

— learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

Теория конденсаторов

Примечание : Материал на этой странице не совсем критичен для понимания новичками в электронике . .. и к концу все становится немного сложнее. Мы рекомендуем прочитать раздел Как делается конденсатор , остальные, вероятно, можно было бы пропустить, если они вызывают у вас головную боль.

Как делается конденсатор

Схематический символ конденсатора на самом деле очень похож на то, как он сделан.Конденсатор состоит из двух металлических пластин и изоляционного материала, называемого диэлектриком . Металлические пластины расположены очень близко друг к другу, параллельно, но между ними установлен диэлектрик, чтобы они не соприкасались.

Ваш стандартный конденсаторный сэндвич: две металлические пластины, разделенные изолирующим диэлектриком.

Диэлектрик может быть изготовлен из любых изоляционных материалов: бумаги, стекла, резины, керамики, пластика или всего, что препятствует прохождению тока.

Пластины изготовлены из проводящего материала: алюминия, тантала, серебра или других металлов. Каждый из них подключен к клеммному проводу, который в конечном итоге подключается к остальной части схемы.

Емкость конденсатора — сколько в нем фарад — зависит от того, как он устроен. Для большей емкости требуется конденсатор большего размера. Пластины с большей площадью перекрытия поверхности обеспечивают большую емкость, в то время как большее расстояние между пластинами означает меньшую емкость. Материал диэлектрика даже влияет на то, сколько фарад имеет колпачок.Полная емкость конденсатора может быть рассчитана по формуле:

, где ε _r — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (постоянное значение, определяемое материалом диэлектрика), A — площадь перекрытия пластин друг с другом, а d — расстояние между пластинами.

Как работает конденсатор

Электрический ток — это поток электрического заряда, который электрические компоненты используют, чтобы загораться, вращаться или делать то, что они делают.Когда ток течет в конденсатор, заряды «застревают» на пластинах, потому что не могут пройти через изолирующий диэлектрик. Электроны — отрицательно заряженные частицы — засасываются одной из пластин, и она становится в целом отрицательно заряженной. Большая масса отрицательных зарядов на одной пластине отталкивает, как заряды, на другой пластине, делая ее положительно заряженной.

Положительный и отрицательный заряды на каждой из этих пластин притягиваются друг к другу, потому что это то, что делают противоположные заряды.Но с диэлектриком, сидящим между ними, как бы они ни хотели соединиться, заряды навсегда останутся на пластине (до тех пор, пока им не будет куда-то идти). Неподвижные заряды на этих пластинах создают электрическое поле, которое влияет на электрическую потенциальную энергию и напряжение. Когда заряды группируются на конденсаторе таким образом, крышка накапливает электрическую энергию так же, как батарея может накапливать химическую энергию.

Зарядка и разрядка

Когда на пластинах конденсатора сливаются положительный и отрицательный заряды, конденсатор становится на заряженным . Конденсатор может сохранять свое электрическое поле — удерживать свой заряд, потому что положительный и отрицательный заряды на каждой из пластин притягиваются друг к другу, но никогда не достигают друг друга.

В какой-то момент пластины конденсатора будут настолько заряжены, что просто не смогут больше принимать их. На одной пластине достаточно отрицательных зарядов, чтобы они могли отразить любые другие, которые попытаются присоединиться. Здесь вступает в игру емкость (фарад) конденсатора, которая говорит вам о максимальном количестве заряда, которое может хранить конденсатор.

Если в цепи создается путь, который позволяет зарядам найти другой путь друг к другу, они покинут конденсатор, и он разрядит .

Например, в схеме ниже можно использовать аккумулятор для создания электрического потенциала на конденсаторе. Это вызовет нарастание одинаковых, но противоположных зарядов на каждой из пластин, пока они не станут настолько полными, что оттолкнут ток от протекания. Светодиод, расположенный последовательно с крышкой, может обеспечивать путь для тока, а энергия, запасенная в конденсаторе, может использоваться для кратковременного освещения светодиода.

Расчет заряда, напряжения и тока

Емкость конденсатора — сколько в нем фарад — говорит вам, сколько заряда он может хранить. Уровень заряда конденсатора , который в настоящее время хранится , зависит от разности потенциалов (напряжения) между его пластинами. Это соотношение между зарядом, емкостью и напряжением можно смоделировать с помощью следующего уравнения:

Заряд (Q), накопленный в конденсаторе, является произведением его емкости (C) и приложенного к нему напряжения (V).

Емкость конденсатора всегда должна быть постоянной известной величиной. Таким образом, мы можем регулировать напряжение, чтобы увеличивать или уменьшать заряд крышки. Больше напряжения означает больше заряда, меньше напряжения … меньше заряда.

Это уравнение также дает нам хороший способ определить значение одного фарада. Один фарад (F) — это способность хранить одну единицу энергии (кулоны) на каждый вольт.

Расчет тока

Мы можем пойти дальше по уравнению заряда / напряжения / емкости, чтобы выяснить, как емкость и напряжение влияют на ток, потому что ток — это скорость потока заряда.Суть отношения конденсатора к напряжению и току такова: величина тока , проходящего через конденсатор , зависит как от емкости, так и от того, как быстро напряжение растет или падает . Если напряжение на конденсаторе быстро растет, через конденсатор будет индуцироваться большой положительный ток. Более медленный рост напряжения на конденсаторе означает меньший ток через него. Если напряжение на конденсаторе стабильное и неизменное, через него не будет проходить ток.

(Это некрасиво и касается вычислений. Это не все, что нужно, пока вы не перейдете к анализу во временной области, разработке фильтров и прочим грубым вещам, так что переходите к следующей странице, если вам не нравится это уравнение. .) Уравнение для расчета тока через конденсатор:

Часть этого уравнения dV / dt представляет собой производную (причудливый способ сказать мгновенная скорость ) напряжения во времени, это эквивалентно тому, «насколько быстро напряжение растет или падает в этот самый момент».Большой вывод из этого уравнения заключается в том, что если напряжение стабильно, , производная равна нулю, что означает, что ток также равен нулю . Вот почему ток не может течь через конденсатор, поддерживающий постоянное постоянное напряжение.

---

---

← Предыдущая страница
Условные обозначения и единицы

Устранение слона в электрической цепи — наконец, термоусадочная альтернатива для конденсаторов | Сейчас

В цепи конденсаторы помогают стабилизировать прохождение электрического тока — поглощая скачки и обеспечивая временное питание, когда это необходимо, — но их размер был ограничивающим фактором в развитии носимых технологий.

Одним из последних непреодолимых препятствий, мешающих развитию полностью интегрированных носимых технологий, является неуклюжий компонент, который поглощает и распределяет паразитное электричество и преобразует переменный ток от источника питания в постоянный ток, используемый большинством устройств. Из-за скудного выбора материалов, которые могут выполнять эти разнообразные функции, эти компоненты, называемые электролитическими конденсаторами, имеют тенденцию быть ограничивающим фактором, когда дело доходит до уменьшения размеров электроники.Но прорыв, сделанный исследователями материаловедения и инженерии из Университета Дрекселя и Университета Сунгюнкван в Корее, в конечном итоге позволил заменить их конденсатором, настолько тонким и гибким, что его буквально нарисовали.

Устойчивый сейчас

Роль конденсаторов в электронике заключается в поддержании стабильности — преобразовании колебаний переменного тока в плавное течение постоянного тока; поглощение чрезмерного электрического тока или скачков напряжения, которые могут снизить производительность или повредить устройство; и действует в качестве резервного источника питания в течение коротких периодов времени при перебоях в работе основного источника.

Итак, это те штуки, которые не дают гудеть из динамиков и обеспечивают достаточно жизнеобеспечения, чтобы нажать кнопку «Сохранить» до того, как разрядится аккумулятор ноутбука. В последнее время они также используются для преодоления разрыва между аккумулятором и двигателем в электрических и гибридных транспортных средствах.

Для изготовления конденсаторов можно использовать только несколько типов материалов, и до сих пор ни один из них нельзя было уменьшить без значительного снижения производительности.

Но, как и в случае с большинством компонентов, производительность имеет тенденцию к снижению, поскольку инженеры пытаются уменьшить их размеры для использования в более компактных и портативных устройствах.На сегодняшний день самые эффективные конденсаторы — алюминиевые электролитические конденсаторы — размером с карандашный ластик в своей самой маленькой итерации — достаточно малы для ноутбуков и пультов дистанционного управления, но громоздки для технологий, встроенных в одежду и другие носимые аксессуары.

Таким образом, прогресс, подобный тому, о котором недавно сообщили Дрексельский инженерный колледж выдающегося университета и профессора Баха Юрия Гогоци, доктора философии , и его коллег из Sungkyunkwan в журнале Joule , может иметь большое значение для будущего повсеместных технологий, потому что он может исключить конденсаторы как узкое место в размере, а также показывает, как можно значительно улучшить емкость и быстродействие электрохимических конденсаторов — или «суперконденсаторов».

«Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов обычно находится в диапазоне миллифарад, в то время как наши суперконденсаторы MXene рассчитаны в фарадах — это означает, что их емкость во много раз больше, что позволит гораздо меньшему устройству выполнять ту же работу», — сказал Гогоци. «AEC часто являются самыми большими устройствами в персональной электронике. Их уменьшение может иметь большое влияние ».

В отчете говорится, что конденсаторы, изготовленные из проводящего полимера, зажатого между тонкими до атома листами двухмерного материала под названием MXene, могут поглотить достаточно заряда для питания вашего мобильного телефона — по крайней мере, на короткое время — всего за миллисекунду. Это означает, что он может справиться с серьезными потрясениями в любой системе, а также поможет сохранить работу при внезапной потере питания.

Направление движения

Если представить конденсатор как парковочную площадку, в идеале он должен иметь много парковочных мест и быть достаточно большим, чтобы вместить много транспортных средств, и с большим количеством хорошо обозначенных входов и выездов, чтобы каждый мог легко добраться до него. быстро и упорядоченно выйдите.

На молекулярном уровне это то, что происходит в полимерном конденсаторе MXene.

Пористые слои MXene обеспечивают многочисленные области входа и выхода для движущихся ионов электрического тока. Между слоями «парковочной площадки» MXene проводящий полимерный материал обеспечивает достаточно места для парковки всех ионов — вот почему устройство может выдерживать впечатляюще высокое напряжение и заряжать или разряжать за миллисекунды.

В дополнение к увеличению емкости устройства, полимерный материал также накладывает своего рода структуру на различные слои и поры MXene, которая помогает направлять движение, когда ионы приходят и уходят. Это означает, что суперконденсатор на основе полимера MXene может преобразовывать переменный ток (AC) — более сырую форму электричества, которая поступает непосредственно от источника его генерации — в постоянный ток (DC), который фактически используется для питания устройств. .

Благодаря своей емкости и эффективному управлению потоком высокопроизводительный полимерный конденсатор MXene можно сделать намного меньше, чем AEC.

И это еще не все.

Гибкость

Исследователи указывают в качестве ключевой мотивации для своей работы, что «жесткая форма и большой размер AEC являются препятствиями для их использования в миниатюрных и гибких электронных системах.«Чтобы по-настоящему« преодолеть разрыв в направлении создания миниатюрных и масштабируемых устройств без форм-фактора »- заявленная цель — команде также необходимо было создать конденсатор, который мог бы работать в среде, требующей гибкости.

К счастью, долговечность материалов семейства MXene была хорошо задокументирована исследователями из Департамента материаловедения и инженерии Drexel на протяжении многих лет. MXene оказался одним из самых прочных материалов такого размера, но, что более важно, он может сохранять свои свойства проводимости в различных формах — от глины до чернил и тонкой пленки.

Исследование предполагает, что эти свойства также справедливы для конденсаторов из MXene-полимера. Исследователи сообщают, что их можно изготавливать с помощью распыления в виде тонкой пленки, которая сохраняет как скорость заряда / разряда, так и емкость при изгибе. Это означает, что конденсаторы могут быть произведены любого размера и быть частью электронных устройств практически на любой поверхности.

По словам исследователей, такое сочетание скорости, размера и прочности не имеет себе равных среди других устройств, разрабатываемых в настоящее время.

«Был сделан прорыв в реализации высокочастотных ЭП с использованием наноструктурированных углеродов для замены фильтров электролитических конденсаторов, но пока не удалось достичь ни высокой объемной емкости, ни масштабируемого производства устройств», — пишут они. «Ожидается, что крупномасштабные гибкие ЭП, которые могут обеспечить как высокую объемную емкость, так и быструю частотную характеристику, устранят препятствие по току для приложений с большой мощностью», — пишут исследователи.

Gogotsi предлагает следующие шаги для этого исследования, в том числе улучшение его срока службы по сравнению с 30 000 циклов, описанных в документе, и продолжение оптимизации производственных технологий.

Это исследование финансировалось Корейским национальным исследовательским фондом. Полный текст статьи можно найти здесь: https://www.cell.com/joule/pdfExtended/S2542-4351(18)30508-7

Могут ли конденсаторы в электрических цепях обеспечить крупномасштабное накопление энергии?

(a) и (b) Кривые зарядки / разрядки для различных комбинаций резистора и конденсатора. (c) Трехмерный контур поверхности в форме воронки, демонстрирующий энергоемкую разрядку после полной зарядки. Предоставлено: Фукухара и др. © 2014 ООО «АИП Паблишинг»

(Phys.org) — Конденсаторы широко используются в электрических цепях для хранения небольшого количества энергии, но никогда не использовались для крупномасштабного хранения энергии. Исследователи из Японии показали, что правильная комбинация резисторов и конденсаторов позволяет электрическим схемам удовлетворять двум ключевым требованиям устройства накопления энергии: быстрой зарядке и длительной разрядке. Использование конденсаторов в качестве устройств хранения энергии в схемах имеет потенциальное применение для гибридных электромобилей, резервных источников питания и альтернативных аккумуляторов энергии.

Исследователи, профессор Микио Фукухара, Томоюки Курода и профессор Фумихико Хасегава из Университета Тохоку в Сендае, Япония, опубликовали свою статью в недавнем выпуске журнала Applied Physics Letters .

Разработка эффективных методов хранения электроэнергии является основной темой исследований, в которой особое внимание уделяется батареям, топливным элементам и двухслойным электрическим конденсаторам (EDLC), когда они не включены в схемы. До сих пор не проводилось исследований по использованию конденсаторов или суперконденсаторов в качестве накопителей энергии в схемах.

Чтобы изучить возможность использования конденсаторов для хранения энергии в цепях, исследователи исследовали поведение заряда / разряда 126 комбинаций резистор-конденсатор (RC), состоящих из 18 резисторов, трех керамических конденсаторов и четырех алюминиевых конденсаторов. Они обнаружили, что комбинации RC, которые являются лучшими с точки зрения быстрой зарядки и длительной разрядки, состоят из схем с небольшим резистором, большим резистором и большим конденсатором.Некоторые из этих схем могут заряжаться менее чем за 20 секунд и удерживать заряд до 40 минут, имея при этом относительно большие емкости до 100 миллиФарад (мФ).

Как быстро сохранить большое количество электроэнергии и контролировать длительную разрядку в электрической цепи: (a) Конденсатор (C) быстро заряжается путем замыкания переключателей S1, S2, S3 и S4. (b) Для сохранения электричества в конденсаторе размыкаются переключатели S1, S2, S3 и S4.(c) Длительная разрядка выполняется путем замыкания S2 и S4, которые замыкают выходную цепь, а затем с помощью переменного резистора для управления разрядкой. © 2014 ООО «АИП Паблишинг»

«Наибольшее значение этой работы имеет открытие RC-области, которая обеспечивает быструю зарядку и длительную разрядку в электрической цепи», — сказал Фукухара Phys.org . «Мы думаем, что эта система станет важным методом хранения большого количества энергии или только небольшого количества энергии в ближайшем будущем.Для этого накопительный конденсатор должен измениться с электрохимического на физическое устройство ».

Исследователи связывают быструю зарядку и длительную разрядку с заглушающим эффектом большого резистора в цепи. Они объясняют, что соотношение между сопротивлением и емкостью суперконденсатора аналогично соотношению между размером свечи и количеством воды в резервуаре для воды. Чем больше вилка (резистор), тем больше воды (емкость) может вместить резервуар.До сих пор не учитывалось заглушающее влияние этой комбинации RC на накопление электроэнергии в таких цепях.

Результаты также показали, что «сухой» или «твердый» суперконденсатор, сделанный из аморфной поверхности TiO ₂ с полостями нанометрового размера, обеспечивает лучшую производительность, чем типичные суперконденсаторы, в которых используются жидкие растворители.Более ранняя работа исследователей над этими сухими конденсаторами TiO ₂ показала, что они обладают рядом преимуществ для хранения энергии, такими как большая емкость 4,8 Ф, широкий диапазон рабочих температур от 193 до 453 К и большой разброс напряжения от 10 до 150. V. Напротив, традиционные EDLC страдают ограничениями во всех этих областях.

«Помимо первых исследователей электрических цепей, люди считали, что цепи используются только для быстрой зарядки и быстрой разрядки», — сказал Фукухара.«Следовательно, заглушающий эффект этой RC-комбинации на накопление электроэнергии в таких схемах был упущен из виду. Когда мы начали исследовать сухую физическую емкость, используя только твердые материалы, мы начали подвергать сомнению обычное использование конденсаторов на основе традиционной концепции».

В будущем исследователи планируют работать над дальнейшим улучшением характеристик этих сухих суперконденсаторов, чтобы внести улучшения в систему хранения энергии в целом.

«В наших планах разработать сухие физические накопители электроэнергии для использования в электромобилях, линиях электропередачи переменного тока и зарядку большого количества молний или больших количеств токов, хранящихся в воздухе», — сказал Фукухара.«Однако это займет много времени».

---

Хранение энергии в миниатюрных конденсаторах может способствовать развитию экологически чистых технологий

---

Дополнительная информация: Микио Фукухара и др. «Реализация суперконденсатора в электрической цепи.» Applied Physics Letters . DOI: 10.1063 / 1.4

0

© 2014 Phys.org

Цитата : Могут ли конденсаторы в электрических цепях обеспечить крупномасштабное накопление энергии? (2014, 2 декабря) получено 2 декабря 2021 г. с https: // физ.org / новости / 2014-12-конденсаторы-электрические-схемы-large-scale-energy.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Конденсатор

— Energy Education

Рисунок 1.Схема конденсатора, включающего две параллельные пластины с площадью поверхности A и расстоянием разделения d. Хотя не все конденсаторы имеют такую ​​форму, часто думают, что они выглядят именно так, поскольку это простейшая геометрия.

Рис. 2. Анимация из моделирования PhET батареи, заряжающей конденсатор до тех пор, пока ток не перестанет течь через цепь. ^[1]

Конденсатор — это электронное устройство, которое накапливает заряд и энергию. Конденсаторы могут выделять энергию намного быстрее, чем батареи, что приводит к гораздо более высокой удельной мощности, чем батареи с таким же количеством энергии.Исследования конденсаторов продолжаются, чтобы увидеть, можно ли их использовать для хранения электроэнергии для электросети. Хотя конденсаторы — это старая технология, суперконденсаторы — это новый поворот в этой технологии.

Конденсаторы — это просто устройства, состоящие из двух проводников, несущих одинаковые, но противоположные заряды. Простой конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух металлических пластин одинакового размера, известных как электроды, разделенных изолятором, известным как диэлектрик, который удерживается параллельно друг другу. Затем конденсатор интегрируется в электрическую цепь.В простой цепи постоянного тока каждая пластина конденсатора со временем становится противоположно заряженной из-за пути электрического тока через цепь. Батарея направляет заряд в одном направлении, так что одна пластина становится заряженной положительно, а другая — отрицательно. Это создает электрическое поле из-за накопления равных и противоположных зарядов, что приводит к разнице потенциалов или напряжению между пластинами. Поскольку емкость пластин постоянна, напряжение между пластинами пропорционально увеличивается.По мере того, как заряд на каждой пластине увеличивается, напряжение между пластинами равно напряжению батареи, и в этот момент ток больше не будет протекать через цепь. ^[2] Этот эффект зарядки и разрядки можно увидеть на рис. 2. Ток может возобновиться, если открыт альтернативный путь, так что конденсаторы могут разрядиться, или с использованием переменного тока, чтобы конденсатор периодически заряжался и разряжался.

Важным параметром конденсатора является емкость, мера способности объекта накапливать заряд.2} {2} [/ математика]

• [math] \ Delta V [/ math] — это напряжение между пластинами, измеренное в вольтах (В)
• [math] C [/ math] — емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (F)
• [math] E [/ math] — энергия, запасенная в конденсаторе, измеренная в джоулях (Дж)


Увеличение емкости или напряжения, или того и другого, увеличивает количество энергии, хранящейся в конденсаторе. .

В качестве альтернативы к конденсатору можно добавить диэлектрик. Диэлектрик — это изолятор, помещенный между электродами. Это увеличивает емкость конденсатора без изменения его размеров. Это позволяет конденсатору накапливать больше энергии, оставаясь при этом маленьким. Степень увеличения зависит от материала, из которого изготовлен диэлектрик. ^[3]

использует

Конденсаторы

не обладают такой высокой плотностью энергии, как батареи, а это означает, что конденсатор не может хранить столько энергии, как батарея сопоставимого размера.Тем не менее, более высокие возможности конденсаторов по мощности означают, что они подходят для приложений, требующих хранения небольшого количества энергии с последующим ее очень быстрым высвобождением. Le Mans Prototype гоночные автомобили используют конденсаторы для питания электродвигателей на передних колесах. Эти конденсаторы заряжаются за счет рекуперативного торможения и обеспечивают полный привод и дополнительную мощность при выезде из поворотов. ^[4]

Конденсаторы также используются во многих электронных устройствах, для которых требуется аккумулятор.Этот конденсатор накапливает энергию, чтобы предотвратить потерю памяти во время замены батареи. Распространенным (хотя и не обязательно широко известным) примером является зарядка вспышки камеры. Вот почему нельзя сделать два снимка со вспышкой в ​​быстрой последовательности; конденсатор должен накапливать энергию от батареи. ^[5]

Более того, конденсаторы играют ключевую роль во многих практических схемах, прежде всего как стабилизаторы тока и как компоненты, помогающие преобразовывать переменный ток в постоянный в адаптерах переменного тока.Их можно использовать таким образом благодаря тому факту, что конденсаторы устойчивы к внезапным изменениям напряжения, а это означает, что они могут действовать как буфер для хранения и отбора электрической энергии для поддержания стабильного выходного тока. ^[6] Таким образом, конденсатор способен стабилизировать флуктуирующий переменный ток за счет своей способности удерживать и выделять электрическую энергию в разное время.

Поскольку конденсаторы накапливают энергию в электрических полях, некоторые исследователи работают над разработкой суперконденсаторов, чтобы помочь с накоплением энергии.Это может оказаться полезным при транспортировке энергии или для хранения и высвобождения энергии из непостоянных источников, таких как энергия ветра и солнца.

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета. Изучите эту симуляцию, чтобы увидеть, как потенциальная энергия гравитации и потенциальная энергия пружины перемещаются вперед и назад и создают изменяющееся количество кинетической энергии (подсказка: щелкните , чтобы отобразить энергию перед подвешиванием массы):

Список литературы

1. ↑ Университет Колорадо.(25 апреля 2015 г.). Комплект для конструирования цепей [Интернет]. Доступно: http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-construction-kit-ac_en.jnlp
2. ↑ HyperPhysics. (25 апреля 2015 г.). Конденсаторы [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/capac.html
3. ↑ Р. Д. Найт, «Потенциал и поле», в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 2-е изд. Сан-Франциско: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008, гл.30, сек. 5. С. 922-932.
4. ↑ «Суперконденсаторы берут на себя ответственность в Германии» Филиппа Болла, Бюллетень MRS, Том 37, выпуск 09, 2012 г., стр. 802-803
5. ↑ (2014, 27 июня). Как работают вспышки камеры [Онлайн]. Доступно: http://electronics.howstuffworks.com/camera-flash.htm
6. ↑ Sparkfun. (25 апреля 2015 г.). Конденсаторы [Онлайн]. Доступно: https://learn.sparkfun.com/tutorials/capacitors
Конденсатор

— обзор | Темы ScienceDirect

12.1.1 Конденсатор — интересный компонент в текстиле

Конденсатор — это пассивный электрический компонент, который имеет свойство накапливать электрический заряд, то есть электрическую энергию, в электрическом поле. В основном конденсатор состоит из двух электродов, разделенных диэлектриком. При использовании источника постоянного напряжения и последовательно подключенного сопротивления через конденсатор протекает электрический ток, который обеспечивает создание электрического поля в пространстве между двумя электродами.Сила электрического поля пропорциональна создаваемому напряжению. Однако для выравнивания напряжения на конденсаторе с источником постоянного напряжения требуется определенное время. Это описывается постоянной тау. Тау определяется как время, необходимое конденсатору для достижения 67% уровня напряжения источника постоянного напряжения [22].

Существуют разные типы конструкций, которые различаются как по форме, так и по используемым материалам. В дополнение к классическому пластинчатому конденсатору, описанному ранее, существуют также цилиндрические конденсаторы, у которых есть проводящий сердечник, окруженный диэлектриком.Затем его закрывают токопроводящей оболочкой для создания конденсатора. Аналогично сконструированы сферические конденсаторы с той разницей, что они состоят из двух изолированных сферических металлических поверхностей [22,23].

Материалы, из которых изготовлены конденсаторы, различаются в зависимости от области применения. Керамические конденсаторы производятся, как следует из названия, с керамическим диэлектриком. Преимущество керамики — это электрическая прочность до 100 кВ, которая может быть достигнута соответствующим выбором керамики.Поэтому они в основном используются в высокочастотных фильтрах, а также в качестве накопителей энергии. Конденсаторы с пластиковой пленкой отличаются тем, что они изготовлены из пластиковой пленки. Для этого пленки либо объединяются с металлической фольгой в качестве электродов, и в этом случае пластик используется в качестве диэлектрика, либо пленки осаждаются из паровой фазы с металлом с одной стороны. Преимущество этого типа конденсатора заключается в том, что фольга самовосстанавливается в случае скачка напряжения, поскольку дуга, создаваемая повреждением, обеспечивает плавление металла вокруг дефекта обратно в фольгу.Металлизированные бумажные конденсаторы похожи на пленочные конденсаторы, за исключением того, что вместо пластиковых пленок используется изоляционная бумага, которая также осаждается из паровой фазы с металлом. Готовый конденсатор пропитывают изоляционным маслом для достижения высокой диэлектрической прочности и снижения потерь. Поэтому они хорошо подходят для использования в силовой электронике или в качестве конденсаторов для подавления помех. Кроме того, они, как и пленочные конденсаторы, самовосстанавливающиеся. Электролитические конденсаторы составляют последнюю группу. Он состоит из анода, который сделан из алюминия, тантала или ниобия, и катода, который может быть либо жидким, либо твердым электролитом.Из-за полярности важно правильно подключить конденсатор, иначе это может привести к взрыву. Диэлектрик образован оксидом анодного материала, который не является электропроводным. Если электролит может поставлять кислород, этот тип конденсатора также является самовосстанавливающимся. Из-за возможных комбинаций материала анода и катода электролитический конденсатор может использоваться для множества приложений, таких как частотные развязки, сглаживание напряжения и буферизация [22,23].

Помимо классических конденсаторов, которые могут иметь емкость от пикофарад до фарад, существуют также так называемые суперконденсаторы, которые могут иметь емкость до нескольких килофарад [24]. Они делятся на конденсаторы с двойным слоем и псевдоконденсаторы, при этом смесь двух типов конденсаторов называется гибридным конденсатором. Двухслойный конденсатор состоит из двух электродов, которые пространственно разделены жидким или твердым электролитом, но при этом электрически соединены друг с другом.При приложении напряжения на каждом из двух электродов образуется так называемый двойной слой Гельмгольца. Это означает, что на аноде образуется очень тонкий слой анионов электролита. Это относится и к катоду. Анод и анионы образуют двойной слой, который служит диэлектриком. Таким образом может сохраняться высокий электрический заряд [25].

Кроме того, существует псевдочувствительный эффект, который никогда не возникает сам по себе. Этот эффект возникает, когда ионы электролита могут преодолевать двойной слой и непосредственно контактировать с электродом.Происходит перезарядка Фарадея, окислительно-восстановительная реакция, в которой химическое соединение не образуется. Сила псевдоемкости сильно зависит от используемых материалов. Например, полианилин (PANI) хорошо подходит для использования в псевдоконденсаторах [26]. Конденсатор, состоящий из разных волокон, может быть сконструирован аналогично цилиндрическому конденсатору [22]. Во-первых, требуется проводящий материал сердечника, например, волокно из проводящего полимера или тонкая проволока из металла, такого как медь или серебро.Вокруг этого сердечника нанесен диэлектрик или проводящий полимер, который служит твердым электролитом. В качестве последнего слоя снова требуется проводящее волокно в качестве электрода для завершения конденсатора.

Конденсаторы и емкость

Различные типы конденсаторов

Конденсатор — электронное устройство для накопления заряда. Конденсаторы можно найти почти во всех электронных схемах, кроме самых простых. Есть много разных типов конденсаторов, но все они работают одинаково.Упрощенный вид конденсатора представляет собой пару металлических пластин, разделенных зазором, в котором находится изолирующий материал, известный как диэлектрик. Этот упрощенный конденсатор также выбран, поскольку символ электронной схемы для конденсатора представляет собой пару параллельных пластин, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Символ неполяризованного конденсатора.

Обычно электроны не могут войти в проводник, если не существует пути для выхода равного количества электронов. Однако лишние электроны могут быть «втиснуты» в проводник без пути для выхода, если электрическое поле может развиваться в пространстве относительно другого проводника.Количество дополнительных свободных электронов, добавленных к проводнику (или отнятых свободных электронов), прямо пропорционально величине потока поля между двумя проводниками.

В этом упрощенном конденсаторе диэлектрик — воздух. Когда на клеммы конденсатора подается напряжение В, , электроны перетекают на одну из пластин и уносятся с другой пластины. Общее количество электронов в конденсаторе остается прежним. На одной отрицательной пластине их больше, а на положительной — меньше.

Рисунок 2. Зарядка конденсатора от аккумулятора

Если бы напряжение было увеличено, увеличившаяся разность потенциалов между пластинами подтолкнула бы больше электронов к отрицательно заряженной пластине. Мы могли измерить заряд, накопленный на пластине, в зависимости от различных приложенных напряжений.

При нулевом напряжении пластины конденсатора нейтральны, поэтому заряд не сохраняется. (мы предполагаем, что мы начали с полностью разряженного конденсатора), при напряжении V заряд на пластинах равен Q, а при удвоенном напряжении заряд удваивается.Мы находим, что с увеличением напряжения заряд увеличивается линейно. Мы можем изобразить это как прямую линию.

Предположим, что мы уходим, проводим некоторые исследования и возвращаемся с лучшим конденсатором, который хранит больше заряда для данного напряжения, мы можем построить график зависимости сохраненного заряда от приложенного напряжения.

Это можно было бы представить как другую линию с более крутым уклоном. Если бы мы построили много графиков для разных конденсаторов, мы получили бы много прямых линий. Мы можем сказать, что мерой емкости является то, сколько заряда сохраняется при заданном напряжении.Иногда это выражается как Q = CV .

Конечно, при зарядке конденсатора должна выполняться работа по перемещению заряда. Следовательно, необходимо подавать энергию, и эта энергия доступна, когда конденсатор разряжен.

Проделанная работа определяется как Вт = qV . Первоначально заряд легко перемещается на пластины конденсатора, однако по мере того, как больше заряда перемещается на пластины конденсатора, сила отталкивания между зарядами затрудняет добавление заряда, когда сила отталкивания зарядов равна мощности батареи, больше нельзя перемещать заряд на пластины.Следовательно, средняя работа составляет 1/2 qV . Если мы посмотрим на наш график зависимости заряда от напряжения, то увидим, что это то же самое, что и площадь под кривой. В общем, проделанная работа равна переданной энергии. Математически,

Факторы, влияющие на емкость

Как можно увеличить емкость конденсатора с параллельными пластинами? Есть три фактора, которые влияют на емкость конденсатора с параллельными пластинами.

Площадь

Конденсатор переменной емкости

Увеличивая площадь пластин, мы можем поместить на пластины больше заряда, прежде чем силы отталкивания станут проблемой.Следовательно, емкость пропорциональна площади перекрытия пластин. В переменном конденсаторе площадь перекрытия может быть увеличена или уменьшена путем вращения взаимопроникающих пластин, таким образом увеличивая или уменьшая емкость. Пластины электролитических конденсаторов протравлены для получения шероховатой поверхности, которая еще больше увеличивает площадь поверхности.

Разделение

Уменьшение расстояния между пластинами снижает напряжение конденсатора, поскольку на электрическое поле не влияет расстояние между пластинами.Напряжение на конденсаторе В = Ед . Следовательно, напряжение увеличивается. Для постоянного заряда Q , C = Q / V = ​​Q / Ed.

Диэлектрическая проницаемость

Емкость конденсатора с параллельными пластинами определяется выражением C = ε _r A / d , где A — площадь пластин, d — расстояние между пластинами, а ε _r — площадь пластин. относительная проницаемость диэлектрика между пластинами. Относительная проницаемость — это некоторый коэффициент, K , умноженный на допустимость свободного пространства ε ₀ .ε ₀ имеет значение 8,85×10 ^-12 F.m ^-1 .

Полный список относительных допусков можно найти практически для любого диэлектрического материала. Чем больше относительная проницаемость, тем больше емкость конденсатора. Хорошие материалы — слюда, полистирол, масло.

ε _r = K ε ₀

Конденсаторные сети

Рисунок 3. Последовательные и параллельные сети конденсаторов

серии

Рассмотрим последовательную сеть конденсаторов, показанную на рисунке 3a.где положительная пластина соединена с отрицательной пластиной следующего. Какова эквивалентная емкость сети? Посмотрите на пластины посередине, эти пластины физически отключены от цепи, поэтому общий заряд на них должен оставаться постоянным. Следовательно, когда на оба конденсатора подается напряжение, заряд + Q на положительной пластине конденсатора C ₁ должен уравновешиваться зарядом — Q на отрицательной пластине конденсатора C. ₂ .В результате оба конденсатора имеют одинаковый заряд Q. Падение потенциала В ₁ и В ₂ на двух конденсаторах в целом разное. Однако сумма этих падений равна общему падению потенциала В, , приложенному к входным и выходным проводам. В = В ₁ + В ₂ . Эквивалентная емкость пары снова составляет C _T = Q / V .Таким образом, 1/ C _T = V / Q = ( V ₁ + V ₂ ) / Q = V ₁ / Q + В ₂ / Q подача

Обычно для конденсаторов N , соединенных последовательно, это

Соединяя конденсаторы в сериях, вы сохраняете меньше заряда, так есть ли смысл подключать конденсаторы последовательно? Иногда это делается, потому что конденсаторы имеют максимальное рабочее напряжение, и, если последовательно соединить два конденсатора с максимальным напряжением 900 вольт, вы можете увеличить рабочее напряжение до 1800 вольт.

Параллельно

Для параллельной схемы, такой как на рисунке 3b. напряжения на всех компонентах одинаковы. Однако общий заряд делится между двумя конденсаторами, поскольку он должен распределяться таким образом, чтобы напряжение на них было одинаковым. Кроме того, поскольку конденсаторы могут иметь разные емкости C ₁ и C ₂ , заряды Q ₁ и Q ₂ также должны быть разными.Эквивалентная емкость C _T пары конденсаторов — это просто отношение Q / V , где Q = Q ₁ + Q ₂ — это общий накопленный заряд. Отсюда следует, что C _T = Q / V = (Q ₁ + Q ₂ ) / V = Q ₁ / V + Q ₂ / В подача

Из предыдущего обсуждения довольно очевидно, что для конденсаторов N , включенных параллельно, общая емкость составляет

Общая емкость увеличивается за счет параллельного добавления конденсаторов, поэтому мы получаем большую емкость, чем это возможно при использовании одного конденсатора.В лабораториях физики высоких энергий часто есть большие батареи конденсаторов, которые могут накапливать большое количество энергии, которая высвобождается за очень короткое время. Самая большая батарея конденсаторов в 2006 году может хранить 50 МДж энергии.

Конденсаторы зарядные и разрядные

Цепь, состоящая из батареи, переключателя, резистора и конденсатора в последовательном контуре, называется RC-цепью. Закон Кирхгофа по напряжению для этой схемы имеет вид

В = ИК + Q / C .Если выразить чисто в терминах заряда, это становится

В = dQ / dt R + Q / C .

Это дифференциальное уравнение, решение которого является экспоненциальной функцией. Когда переключатель замкнут, конденсатор со временем заряжается:

Q = Q _f (1 — e ^{-t / RC} ),

, где Q — это заряд в момент времени t и Q _f — последний заряд конденсатора.Обратите внимание, что Q никогда не равно Q _f , но поскольку t становится чрезвычайно большим, Q становится произвольно близким к Q _f . Произведение RC называется постоянной времени RC и является характеристической величиной RC цепи. Когда t = RC , конденсатор заряжен до доли (1 — 1/ e , около 63%) от своего окончательного значения. Необходимо использовать постоянную времени, а не какое-то конечное время, поскольку процесс асимптотический.Его значение — произвольный выбор; мы, естественно, выбираем значение в терминах экспоненциального основания (когда показатель отрицательный).

Мигающая анимация 1. Измените значения резистора и конденсатора, чтобы увидеть влияние на время достижения конденсатором пикового напряжения.

Flash Animation 2. Зарядите конденсатор, пока он не достигнет пика, а затем разрядите его. Как значения R и C влияют на процессы?

Типы конденсаторов

Конденсаторы электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливаются путем наложения электролитической бумаги между анодной и катодной фольгами и последующего наматывания результата.Процесс изготовления электрода, обращенного к поверхности протравленной анодной фольги, чрезвычайно сложен. Следовательно, противоположный электрод создается путем заполнения конструкции электролитом. Благодаря этому процессу электролит по существу выполняет роль катода.

Электролитические конденсаторы пропитаны жидкостью или бумагой, пропитанной жидкостью, которая не является диэлектриком, но при приложении напряжения создает слой оксида алюминия, который действует как диэлектрик. Реакция зависит от полярности приложенного напряжения.Если полярность поменять местами, конденсатор будет выделять газ и, вероятно, взорвется или лопнет из-за давления внутри, поэтому он не подходит для применения с переменным током.

MEMs Конденсаторы

Микро-электромеханические системы (MEM) — это небольшие устройства, изготовленные из кремния. Могут быть изготовлены пластинчатые конденсаторы с небольшими изменениями емкости при увеличении или уменьшении расстояния между пластинами. Небольшие устройства можно использовать как датчики и гироскопы.

Распространенными типами устройств являются конденсаторы с параллельными пластинами для определения положения. Кроме того, взаимопроникающие гребенчатые конструкции, в которых емкость может быть изменена с использованием перемещения одной гребенки относительно другой, либо в поперечном направлении, либо в продольном направлении. Из-за их небольшого размера изменение емкости очень мало, порядка 10 ^-15 Ф (фемто-Фарад).

Конденсаторы танталовые

Танталовые конденсаторы поляризованы и имеют низкое напряжение, как электролитические конденсаторы.Они дороги, но очень малы, поэтому используются там, где требуется большая емкость в небольших размерах, например, в мобильных телефонах или портативных компьютерах. Эти конденсаторы становятся все более важными, поскольку растет спрос на все меньшие электронные устройства. Колумбит-танталит — колтан , сокращенно руда, из которой очищается тантал, добывается в Австралии, г. Егпыт. Высокий спрос на руду также финансировал гражданские войны в Демократической Республике Конго. В докладе Совета безопасности ООН говорится, что большая часть руды добывается незаконно и переправляется через восточные границы страны вооруженными формированиями из соседних Уганды, Бурунди и Руанды, обеспечивая доход для финансирования военной оккупации Конго.

Суперконденсаторы

Суперконденсаторы — это конденсаторы, которые способны накапливать большие количества заряда и, следовательно, энергии в очень небольшом объеме. Накопление энергии происходит за счет статического заряда, а не электрохимического процесса, присущего батарее. Применение разности напряжений на положительной и отрицательной пластинах заряжает суперконденсатор. Эта концепция похожа на электрический заряд, который накапливается при ходьбе по ковру. Впервые суперконденсатор был задуман в 1957 году, но теперь исследования сосредоточены на их использовании в качестве источников питания с малым весом в качестве альтернативы батареям.суперконденсатор переходит в аккумуляторную технологию благодаря использованию специальных электродов и небольшого количества электролита. Суперконденсаторы могут найти применение, например, в качестве временных резервных источников питания в электросети или для обеспечения первоначального всплеска энергии для движения электромобилей.

Сводка

Конденсаторы

обладают способностью заряжать и высвобождать накопленный заряд очень быстро, что позволяет им функционировать разными способами. Они занимают важные места во всем: от схем стабилизации напряжения в чувствительной электронике до помощи в преобразовании переменного тока в постоянный для зарядки аккумуляторов во всем, от мобильных скутеров до портативных компьютеров.

Конденсаторы — это устройства, накапливающие заряд. Емкость определяется как отношение накопленного заряда к единице напряжения. C = Q / V

Емкость конденсатора с параллельными пластинами определяется как C = ε _r A / d .

Энергия, запасенная в конденсаторе, рассчитывается по работе, совершаемой при перемещении заряда по пластинам. dW = V dq . Накопитель энергии — это область под графиком заряда / напряжения. 1 / 2QV или из C = Q / V, 1 / 2CV ² = 2Q ² / C.

Факты о конденсаторах для детей

Современные конденсаторы, линейкой в ​​сантиметрах

Конденсатор (также называемый конденсатором , что является более старым термином) — это электронное устройство, которое накапливает электрическую энергию. Он похож на батарею, но может быть меньше и легче, а конденсатор заряжается или разряжается намного быстрее. Конденсаторы сегодня используются во многих электронных устройствах и могут быть изготовлены из самых разных материалов. Лейденская банка была одним из первых изобретенных конденсаторов.

Конденсаторы

обычно состоят из двух металлических пластин, которые расположены друг над другом и рядом друг с другом, но на самом деле не соприкасаются. При включении они позволяют аккумулировать энергию внутри электрического поля. Поскольку пластинам требуется много места для хранения даже небольшого количества заряда, пластины обычно свертывают в другую форму, например, в цилиндр. Иногда для специальных целей используются конденсаторы другой формы. Эффект, подобный конденсатору, может также возникнуть в результате того, что два проводника расположены близко друг к другу, независимо от того, хотите вы этого или нет.

Тип используемого конденсатора зависит от области применения. Конденсаторы бывают разных размеров. Они могут быть маленькими, как муравей, или большими, как мусорный бак. Некоторые конденсаторы регулируются.

Все конденсаторы имеют два соединения или вывода. Большинство типов конденсаторов может легко заменить кто-нибудь, имеющий базовые навыки в области электроники. Однако один из наиболее мощных типов — электролитический конденсатор — необходимо использовать правильно, иначе они могут сильно взорваться.

В то время как конденсаторы могут накапливать энергию, как и батареи, конденсаторы могут высвобождать всю свою накопленную энергию очень быстро, даже быстрее, чем за секунду.Эту способность использует дефибриллятор или конденсатор фотовспышки. Он постепенно заряжается до тех пор, пока не перестанет заполняться, а затем быстро разряжает накопленную энергию устройству, которому она нужна быстро.

Конденсаторы погруженные в пластик

Суперконденсатор

Суперконденсаторы обладают большим зарядом, чем обычные конденсаторы. Они используются для хранения электроэнергии для двигателей и других целей, когда батареи не разряжаются достаточно быстро.

Конденсаторы полистирольные пленочные

Конденсатор этого типа не предназначен для использования в высокочастотных цепях, поскольку он имеет катушку внутри.Они могут заряжаться и разряжаться даже быстрее, чем другие конденсаторы. Они используются в схемах фильтров или схемах синхронизации, работающих на частоте несколько сотен кГц или меньше.

Конденсаторы электролитические

В электролитических конденсаторах используется проводящая поверхность внутри жидкого электролита. Они не заряжаются и разряжаются так быстро, как пленочные конденсаторы. У них есть полярность, поэтому они должны быть правильно прикреплены. Есть два вывода; у одного будет +, а у другого -. Это означает, что одно отведение — положительное , а второе — отрицательное .Существует два разных стиля: осевой, когда выводы подключаются к каждому концу, и радиальный, когда выводы подключаются к одному концу. Электролитические конденсаторы напечатаны с указанием емкости и номинального напряжения.

Поскольку номинальное напряжение может быть низким, важно убедиться, что электролитический конденсатор не перезаряжен. Конденсаторы можно отделить от батареи, а затем подключить последовательно. Поскольку конденсатор поляризован, положительный вывод должен быть подключен к отрицательному.Это создает правильную полярность через электрическую цепь и предотвращает поломку.

Некоторые электролитические конденсаторы неполяризованы, что означает, что любая сторона может быть положительной или отрицательной. В основном они используются в громкоговорителях, чтобы блокировать попадание низкочастотных сигналов (басов) в высокочастотные драйверы (твитеры).

Картинки для детей

• Реклама из выпуска Radio Times от 28 декабря 1923 года для конденсаторов Dubilier, для использования в беспроводных приемных устройствах

• Перемежающийся конденсатор можно рассматривать как комбинацию нескольких параллельно соединенных конденсаторов.

• Конденсаторные материалы. Слева направо: многослойная керамика, керамический диск, многослойная полиэфирная пленка, трубчатая керамика, полистирол, металлизированная полиэфирная пленка, электролитический алюминий. Основные деления шкалы указаны в сантиметрах.

• Три алюминиевых электролитических конденсатора различной емкости.