Что такое конденсатор, как обозначается на схемах, единицы емкости

Знакомство с конденсатором для тех кто только начинает знакомиться с радиоэлектроникой и радиолюбительством. Что такое конденсатор. какие бывают конденсаторы, как они обозначаются на принципиальных схемах, единицы измерения емкости конденсаторов, включение конденсаторов.

Что такое конденсатор

Конденсатор, это радиодеталь, обладающая электрической емкостью. Конденсатор можно зарядить и он будет хранить заряд, апотом готов отдать его «по первому требованию». На первый взгляд это похоже на работу аккумулятора, но только на первый взгляд.

Конденсатор не является химическим источником тока, да и вообще источником тока. Конденсатор можно назвать временным хранилищем заряда. Заряд в нем можно пополнять и забирать. Во время зарядки и разрядки конденсатора через него протекает ток.

Напряжение на разряженном конденсаторе равно нулю. Но в процессе зарядки напряжение увеличивается, и как только достигает величины напряжения источника тока, заряд прекращается. С нарастанием напряжения на конденсаторе 8 процессе его зарядки ток зарядки уменьшается.

Физически конденсатор это две металлические пластины, разделенные тонким слоем изолятора. Так и есть. Выходит, что конденсатор пропускать электрический ток не может. Но в процессе зарядки и разрядки ток есть.

То есть, можно сказать, что конденсатор может пропускать изменяющийся ток. то есть, переменный. А постоянный он не пропускает. Это свойство широко используется в электронике и радиотехники для разделения переменного и постоянного токов, которые есть в одной и той же цепи.

Если сопротивление конденсатора постоянному току бесконечно (активное сопротивление), то на переменном токе он обладает весьма определенным реактивным сопротивлением, зависящим от емкости конденсатора и частоты переменного тока.

Еще конденсаторы применяют для задержки подачи напряжения, в таймерах. Там используется то свойство конденсатора, что скорость его заряда или разряда зависит от силы тока заряда или разряда. А если этот ток ограничить резистором, то чем больше будет сопротивление этого резистора, тем дольше будет процесс заряда или разряда.

Если у резистора основным параметром является сопротивление, то у конденсатора -емкость, которая выражается 8 фарадах. Величина 1F (одна фарада) довольно велика, поэтому чаще всего речь идет о микрофарадах, нанофарадах, пикофарадах. Конденсаторы так же как и резисторы бывают постоянные (емкость которых не измена), переменные и подстроечные (с ручкой для регулировки емкости).

Обозначение конденсатора на схемах

В отличие от постоянных резисторов, которые в большинстве своем похожи на бочонок с двумя выводами, постоянные конденсаторы бывают самых разных форм и размеров. Но разделить их можно на две группы, — полярные и неполярные. Разница в том, что у полярного конденсатора есть плюс и минус и подключать в схему его нужно с учетом полярности.

А у неполярного конденсатора выводы равнозначны. На рисунке 1 показаны обозначения конденсаторов, А — неполярный, Б — полярный. В -переменный, Г — подстроечный.

Рис. 1. Обозначение конденсаторов на принципиальных схемах.

Кроме емкости, выраженной, чаще всего в пикофарадах или микрофарадах (иногда и в нанофарадах), другим важным параметром является максимально допустимое напряжение. Если к обкладкам (выводам) конденсатора приложить напряжение выше этой величины может произойти пробой изолятора и конденсатор выйдет из строя.

Если говорят что «конденсатор на 250V», это значит, что на конденсатор нельзя подавать напряжение больше 250V. Меньше -пожалуйста, начиная от нуля. Но больше этой величины, — ни в коем случае!

Таким образом, у конденсатора есть два основных параметра, — емкость, выраженная 8 десятичных долях Фарады (микрофарады, нанофарады, пикофарады), и максимальное напряжение, выраженное в Вольтах.

На схемах значение емкости обычно пишут 8 пикофарадах (р, pF, пФ) и микрофарадах (pF, м, мкФ). 1 мкФ = 1000000 пФ. Но встречаются обозначения и в нанофарадах (nF, п) обычно на зарубежных схемах. 1nF = 1000pF. Бывает что на схемах буква, обозначающая кратную приставку используется как децимальная запятая, например, 1500 р = 1,5n = 1N5 или 1n5.

На многих схемах зарубежной аппаратуры встречается замена греческой буквы «р» на латинскую «и». То есть, 10 микрофарад у них будет так: «10uF». Возможно, это связано с отсутствием греческого шрифта в программе с помощью которой нарисована схема.

Включение конденсаторов

Для получения нужной емкости иногда приходится соединять два конденсатора параллельно или последовательно (рис.2.). При параллельном соединении общая емкость рассчитывается как сумма емкостей:

Собщ = С1 + С2.

При последовательном соединении приходится пользоваться более сложной формулой: Собщ = (С1«С2) / (С1+С2) .

Рис. 2. Параллельное и последовательное включение конденсаторов, формулы для расчета емкости.

Маркировка конденсаторов

Теперь о маркировке конденсаторов. Здесь как и у резисторов есть несколько стандартов. Если конденсатор достаточно больших размеров, то на нем емкость может быть так и указана, например, на стакане оксидного конденсатора емкостью 10 мкФ так и будет написано: 10 pF или 10 мкФ, далее будет указано напряжение, например, 25V, и отмечена полярность выводов, у отечественных конденсаторов возле положительного вывода будет «+», а у иностранных возле отрицательного вывода будет «-» или полоска.

На крупных неполярных конденсаторах тоже все будет написано просто и ясно, например, на конденсаторе типа К73-14 емкостью 0,22 мкФ на максимальное напряжение 250V будет так и написано: 0,22pF 250V.

Сложнее с маленькими керамическими или слюдяными неполярными конденсаторами. Места здесь для маркировки мало, поэтому придумывают сокращения. Например, на конденсаторах типа К10-7 в виде пластинок емкость указывается с использованием кратной приставки как децимальной запятой, вот несколько примеров такой маркировки:

• 150 пФ — «150р» или «150п»
• 1500 пФ — «1N5» или «1Н5»
• 15000пФ (0,015 мкФ) — «15N» или «15Н» .

У зарубежных керамических конденсаторов используется такая же маркировка как у резисторов, только за основу идет не единицы Ом, а единицы Пикофарад. Обозначение состоит из трех цифр. Первые две —

значение в пФ, а третья — множитель, практически численно показывающая сколько нулей нужно приписать, чтобы получилось значение выраженное в пФ. Вот несколько примеров такого обозначения:

• 15 пФ — «150» (к 15 приписать 0 нолей)
• 150 пФ — «151»(к 15 приписать 1 ноль)
• 1500 пф — «152» (к 15 приписать 2 ноля)
• 0,015 мкФ (15000 пФ) — «153» (к 15 приписать 3 нуля).
• 0,15 мкФ (150000 пФ) — «154» (к 15 приписать 4 нуля).

Эксперимент с конденсатором

Чтобы практически познакомиться со способностью конденсатора накапливать заряд можно провести один эксперимент. Возьмем оксидный конденсатор типа К50-35 емкостью 2200 мкФ и соберем схему, показанную на рисунке 3. Здесь мы будем заряжать конденсатор от батарейки, и разряжать через лампочку от карманного фонаря.

Когда переключатель S1 находится в показанном на схеме положении, через него и резистор R1 конденсатор С1 заряжается. Переключаем S1 в нижнее по схеме положение, и конденсатор С1 разряжается через лампочку Н1.

Рис. 3. Схема простого эксперимента с конденсатором.

Теперь приступаем к делу. Переключаем S1 вниз по схеме и лампочка вспыхивает. Горит она недолго. Затем, возвращаем S1 в исходное положение. Конденсатор заряжается от батарейки. И снова переключаем S1 вниз по схеме.

Лампочка опять вспыхивает, так как на неё поступает заряд, накопленный конденсатором. Если слишком быстро переключать S1 лампа будет вспыхивать слабее, или вообще не будет вспыхивать, так как С1 не успевает зарядиться через R1.

РК-2010-04.

Обозначение конденсаторов переменного тока



Что такое конденсатор, типы конденсаторов и их обозначение на схемах

Конденсаторы (от лат. condenso — уплотняю, сгущаю) — это радиоэлементы с сосредоточенной электрической емкостью, образуемой двумя или большим числом электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (специальной тонкой бумагой, слюдой, керамикой и т. д.). Емкость конденсатора зависит от размеров (площади) обкладок, расстояния между ними и свойств диэлектрика.

Важным свойством конденсатора является то, что для переменного тока он представляет собой сопротивление, величина которого уменьшается с ростом частоты.

Основные единици измерения эмкости конденсаторов это: Фарад, микроФарад, наноФарад, пикофарад, обозначения на конденсаторах для которых выглядят соответственно как: Ф, мкФ, нФ, пФ.

Как и резисторы, конденсаторы разделяют на конденсаторы постоянной емкости, конденсаторы переменной емкости (КПЕ), подстроечные и саморегулирующиеся. Наиболее распространены конденсаторы постоянной емкости.

Их применяют в колебательных контурах, различных фильтрах, а также для разделения цепей постоянного и переменного токов и в качестве блокировочных элементов.

Конденсаторы постоянной емкости

Условное графическое обозначение конденсатора постоянной емкости —две параллельные липни — символизирует его основные части: две обкладки и диэлектрик между ними (рис. 1).

Рис. 1. Конденсаторы постоянной емкости и их обозначение.

Около обозначения конденсатора на схеме обычно указывают его номинальную емкость, а иногда и номинальное напряжение. Основная единица измерения емкости — фарад (Ф) — емкость такого уединенного проводника, потенциал которого возрастает на один вольт при увеличении заряда на один кулон.

Это очень большая величина, которая на практике не применяется. В радиотехнике используют конденсаторы емкостью от долей пикофарада (пФ) до десятков тысяч микрофарад (мкФ). Напомним, что 1 мкФ равен одной миллионной доле фарада, а 1 пФ — одной миллионной доле микрофарада или одной триллион-ной доле фарада.

Согласно ГОСТ 2.702—75 номинальную емкость от 0 до 9 999 пФ указывают на схемах в пикофарадах без обозначения единицы измерения, от 10 000 пФ до 9 999 мкФ — в микрофарадах с обозначением единицы измерения буквами мк (рис. 2).

Рис. 2. Обозначение единиц измерения для емкости конденсаторов на схемах.

Обозначение емкости на конденсаторах

Номинальную емкость и допускаемое отклонение от нее, а в некоторых случаях и номинальное напряжение указывают на корпусах конденсаторов.

В зависимости от их размеров номинальную емкость и допускаемое отклонение указывают в полной или сокращенной (кодированной) форме.

Полное обозначение емкости состоит из соответствующего числа и единицы измерения, причем, как и на схемах, емкость от 0 до 9 999 пФ указывают в пикофарадах (22 пФ, 3 300 пФ и т. д.), а от 0,01 до 9 999 мкФ —в микрофарадах (0,047 мкФ, 10 мкФ и т. д.).

В сокращенной маркировке единицы измерения емкости обозначают буквами П (пикофарад), М (микрофарад) и Н (нанофарад; 1 нано-фарад=1000 пФ = 0,001 мкФ).

При этом емкость от 0 до 100 пФ обозначают в пикофарадах, помещая букву П либо после числа (если оно целое), либо на месте запятой (4,7 пФ — 4П7; 8,2 пФ —8П2; 22 пФ — 22П; 91 пФ — 91П и т. д.).

Емкость от 100 пФ (0,1 нФ) до 0,1 мкФ (100 нФ) обозначают в нанофарадах, а от 0,1 мкФ и выше — в микрофарадах.

В этом случае, если емкость выражена в долях нанофарада или микрофарада, соответствующую единицу измерения помещают на месте нуля и запятой (180 пФ=0,18 нФ—Н18; 470 пФ=0,47 нФ —Н47; 0,33 мкФ —МЗЗ; 0,5 мкФ —МбО и т. д.), а если число состоит из целой части и дроби — на месте запятой (1500 пФ= 1,5 нФ — 1Н5; 6,8 мкФ — 6М8 и т. д.).

Емкости конденсаторов, выраженные целым числом соответствующих единиц измерения, указывают обычным способом (0,01 мкФ —10Н, 20 мкФ — 20М, 100 мкФ — 100М и т. д.). Для указания допускаемого отклонения емкости от номинального значения используют те же кодированные обозначения, что и для резисторов.

Особенности и требования к конденсаторам

В зависимости от того, в какой цепи используют конденсаторы, к ним предъявляют и разные требования. Так, конденсатор, работающий в колебательном контуре, должен иметь малые потери на рабочей частоте, высокую стабильность емкости во времени и при изменении температуры, влажности, давления и т. д.

Потери в конденсаторах, определяемые в основном потерями в диэлектрике, возрастают при повышении температуры, влажности и частоты. Наименьшими потерями обладают конденсаторы с диэлектриком из высокочастотной керамики, со слюдяными и пленочными диэлектриками, наибольшими — конденсаторы с бумажным диэлектриком и из сегнетокерамики.

Это обстоятельство необходимо учитывать при замене конденсаторов в радиоаппаратуре. Изменение емкости конденсатора под воздействием окружающей среды (в основном, ее температуры) происходит из-за изменения размеров обкладок, зазоров между ними и свойств диэлектрика.

В зависимости от конструкции и примененного диэлектрика конденсаторы характеризуются различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который показывает относительное изменение емкости при изменении температуры на один градус; ТКЕ может быть положительным и отрицательным. По значению и знаку этого параметра конденсаторы разделяются на группы, которым присвоены соответствующие буквенные обозначения и цвет окраски корпуса.

Для сохранения настройки колебательных контуров при работе в широком интервале температур часто используют последовательное и параллельное соединение конденсаторов, у которых ТКЕ имеют разные знаки. Благодаря этому при изменении температуры частота настройки такого термокомпенсированного контура остается практически неизменной.

Как и любые проводники, конденсаторы обладают некоторой индуктивностью. Она тем больше, чем длиннее и тоньше выводы конденсатора, чем больше размеры его обкладок и внутренних соединительных проводников.

Наибольшей индуктивностью обладают бумажные конденсаторы, у которых обкладки выполнены в виде длинных лент из фольги, свернутых вместе с диэлектриком в рулон круглой или иной формы. Если не принято специальных мер, такие конденсаторы плохо работают на частотах выше нескольких мегагерц.

Поэтому на практике для обеспечения работы блокировочного конденсатора в широком диапазоне частот параллельно бумажному подключают керамический или слюдяной конденсатор небольшой емкости.

Однако существуют бумажные конденсаторы и с малой собственной индуктивностью. В них полосы фольги соединены с выводами не в одном, а во многих местах. Достигается это либо полосками фольги, вкладываемыми в рулон при намотке, либо смещением полос (обкладок) к противоположным концам рулона и пропайкой их (рис. 1).

Проходные и опорные конденсаторы

Для защиты от помех, которые могут проникнуть в прибор через цепи питания и наоборот, а также для различных блокировок используют так называемые проходные конденсаторы. Такой конденсатор имеет три вывода, два из которых представляют собой сплошной токонесущий стержень, проходящий через корпус конденсатора.

К этому стержню присоединена одна из обкладок конденсатора. Третьим выводом является металлический корпус, с которым соединена вторая обкладка. Корпус проходного конденсатора закрепляют непосредственно на шасси или экране, а токоподводящий провод (цепь питания) припаивают к его среднему выводу.

Благодаря такой конструкции токи высокой частоты замыкаются на шасси или экран устройства, в то время как постоянные токи проходят беспрепятственно.

На высоких частотах применяют керамические проходные конденсаторы, в которых роль одной из обкладок играет сам центральный проводник, а другой — слой металлизации, нанесенный на керамическую трубку. Эти особенности конструкции отражает и условное графическое обозначение проходного конденсатора (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид и изображение на схемах проходных и опорных конденсаторов.

Наружную обкладку обозначают либо в виде короткой дуги (а), либо в виде одного (б) или двух (в) отрезков прямых линий с выводами от середины. Последнее обозначение используют при изображении проходного конденсатора в стенке экрана.

С той же целью, что и проходные, применяют опорные конденсаторы, представляющие собой своего рода монтажные стойки, устанавливаемые на металлическом шасси. Обкладку, соединяемую с ним, выделяют в обозначении такого конденсатора тремя наклонными линиями, символизирующими «заземление» (рис. 3,г).

Оксидные конденсаторы

Для работы в диапазоне звуковых частот, а также для фильтрации выпрямленных напряжений питания необходимы конденсаторы, емкость которых измеряется десятками, сотнями и даже тысячами микрофарад.

Такую емкость при достаточно малых размерах имеют оксидные конденсаторы (старое название — электролитические). В них роль одной обкладки (анода) играет алюминиевый или танталовый электрод, роль диэлектрика — тонкий оксидный слой, нанесенный на него, а роль другой сбкладки (катода) — специальный электролит, выводом которого часто служит металлический корпус конденсатора.

В отличие от других большинство типов оксидных конденсаторов полярны, т. е. требуют для нормальной работы поляризующего напряжения. Это значит, что включать их можно только в цепи постоянного или пульсирующего напряжения и только в той полярности (катод — к минусу, анод — к плюсу), которая указана на корпусе.

Невыполнение этого условия приводит к выходу конденсатора из строя, что иногда сопровождается взрывом!

Полярность включения оксидного конденсатора показывают на схемах знаком «+», изображаемым у той обкладки, которая символизирует анод (рис. 4,а).

Это Общее обозначение поляризованного конденсатора. Наряду с ним специально для оксидных конденсаторов ГОСТ 2.728—74 установил символ, в котором Положительная обкладка изображается узким прямоугольником (рис. 4,6), причем знак ?+» в этом случае можно не указывать.

Рис. 4. Оксидные конденсаторы и их обозначение на принципиальных схемах.

В схемах радиоэлектронных приборов иногда можно встретить обозначение оксидного конденсатора в виде двух узких прямоугольников (рис. 4,в).Это символ неполярного оксидного конденсатора, который может работать в цепях переменного тока (т. е. без поляризующего напряжения).

Оксидные конденсаторы очень чувствительны к перенапряжениям, поэтому на схемах часто указывают не только их номинальную емкость, но и номинальное напряжение.

С целью уменьшения размеров в один корпус иногда заключают два конденсатора, но выводов делают только три (один — общий). Условное обозначение сдвоенного конденсатора наглядно передает эту идею (рис. 4,г).

Конденсаторы переменной емкости (КПЕ)

Конденсатор переменной емкости состоит из двух групп металлических пластин, одна из которых может плавно перемещаться по отношению к другой. При этом движении пластины подвижной части (ротора) обычно вводятся в зазоры между пластинами неподвижной части (статора), в результате чего площадь перекрытия одних пластин другими, а следовательно, и емкость изменяются.

Диэлектриком в КПЕ чаще всего служит воздух. В малогабаритной аппаратуре, например в транзисторных карманных приемниках, широкое применение нашли КПЕ с твердым диэлектриком, в качестве которого используют пленки из износостойких высокочастотных диэлектриков (фторопласта, полиэтилена и т. п.).

Параметры КПЕ с твердым диэлектриком несколько хуже, но зато они значительно дешевле в производстве и размеры их намного меньше, чем КПБ с воздушным диэлектриком.

С условным обозначением КПЕ мы уже встречались — это символ конденсатора постоянной емкости, перечеркнутый знаком регулирования. Однако из этого обозначения не видно, какая из обкладок символизирует ротор, а какая — статор. Чтобы показать это на схеме, ротор изображают в виде дуги (рис. 5).

Рис. 5. Обозначение конденсаторов переменной емкости.

Основными параметрами КПЕ, позволяющими оценить его возможности при работе в колебательном контуре, являются минимальная и максимальная емкость, которые, как правило, указывают на схеме рядом с символом КПЕ.

В большинстве радиоприемников и радиопередатчиков для одновременной настройки нескольких колебательных контуров применяют блоки КПЕ, состоящие из двух, трех и более секций.

Роторы в таких блоках закреплены на одном общем валу, вращая который можно одновременно изменять емкость всех секцйй. Крайние пластины роторов часто делают разрезными (по радиусу). Это позволяет еще на заводе отрегулировать блок так, чтобы емкости всех секций были одинаковыми в любом положении ротора.

Конденсаторы, входящие в блок КПЕ, на схемах изображают каждый в отдельности. Чтобы показать, что они объединены в блок, т. е. управляются одной общей ручкой, стрелки, обозначающие регулирование, соединяют штриховой линией механической связи, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Обозначение сдвоенных конденсаторов переменной емкости.

При изображении КПЕ блока в разных, далеко отстоящих одна от другой частях схемы механическую связь не показывают, ограничиваясь тЬлько соответствующей нумерацией секций в позиционном обозначении (рис. 6, секции С 1.1, С 1.2 и С 1.3).

В измерительной аппаратуре, например в плечах емкостных мостов, находят применение так называемые дифференциальные конденсаторы (от лат. differentia — различие).

У них две группы статорных и одна — роторных пластин, расположенные так, что когда роторные пластины выходят из зазоров между пластинами одной группы статора, они в то же время входят между пластинами другой.

При этом емкость между пластинами первого статора и пластинами ротора уменьшается, а между пластинами ротора и второго статора увеличивается. Суммарная же емкость между ротором и обоими статорами остается неизменной. Такие «конденсаторы изображают на схемах, как показано на рис 7.

Рис. 7. Дифференциальные конденсаторы и их обозначение на схемах.

Подстроечные конденсаторы. Для установки начальной емкости колебательного контура, определяющей максимальную частоту его настройки, применяют подстроечные конденсаторы, емкость которых можно изменять от единиц пикофарад до нескольких десятков пикофарад (иногда и более).

Основное требование к ним — плавность изменения емкости и надежность фиксации ротора в установленном при настройке положении. Оси подстроечных конденсаторов (обычно короткие) имеют шлиц, поэтому регулирование их емкости возможно только с применением инструмента (отвертки). В радиовещательной аппаратуре наиболее широко применяют конденсаторы с твердым диэлектриком.

Рис. 8. Подстроечные конденсаторы и их обозначение.

Конструкция керамического подстроечного конденсатора (КПК) одного из наиболее распространенных типов показана на рис. 8,а. Он состоит из керамического основания (статора) и подвижно закрепленного на нем керамического диска (ротора).

Обкладки конденсатора—тонкие слои серебра — нанесены методом вжигания на статор и наружную сторону ротора. Емкость изменяют вращением ротора. В простейшей аппаратуре применяют иногда проволочные подстроечные конденсаторы.

Такой элемент состоит из отрезка медной проволоки диаметром 1 . 2 и длиной 15 . 20 мм, на который плотно, виток к витку, намотан изолированный провод диаметром-0,2. 0,3 мм (рис. 8,б). Емкость изменяют отматыванием провода, а чтобы обмотка не сползла, ее пропитывают каким-либо изоляционным составом (лаком, кЛеем и т. п.).

Подстроечные конденсаторы обозначают на схемах основным символом, перечеркнутым знаком подстроечного регулирования (рис. 8,в).

Саморегулируемые конденсаторы

Используя в качестве диэлектрика специальную керамику, диэлектрическая проницаемость которой сильно зависит от напряженности электрического поля, можно получить конденсатор, емкость которого зависит от напряжения на его обкладках.

Такие конденсаторы получили название варикондов (от английских слов vari (able) — переменный и cond(enser) —конденсатор). При изменении напряжения от нескольких вольт до номинального емкость вариконда изменяется в 3—6 раз.

Рис. 9. Вариконд и его обозначение на схемах.

Вариконды можно использовать в различных устройствах автоматики, в генераторах качающейся частоты, модуляторах, для электрической настройки колебательных контуров и т. д.

Условное обозначение вариконда — символ конденсатора со знаком нелинейного саморегулирования и латинской буквой U (рис. 9,а).

Аналогично построено обозначение термоконденсаторов, применяемых в электронных наручных часах. Фактор, изменяющий емкость такого конденсатора—температуру среды — обозначают символом t°(pис. 9, б). Вместе с тем что такое конденсатор часто ищут что такое резистор?

Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998.

Источник

Маркировка конденсаторов

Большое значение для правильного выбора того или иного элемента в различных схемах имеет маркировка конденсаторов. По сравнению с резисторами, она довольно сложная и разнообразная. Особые трудности возникают при чтении обозначений на корпусах маленьких конденсаторов в связи с незначительной площадью поверхности. Квалифицированный специалист, постоянно использующий данные устройства в своей работе, должен уверенно читать маркировку изделия и правильно ее расшифровывать.

1. Как маркируются большие конденсаторы
2. Расшифровка маркировки конденсаторов
3. Обозначение цифр
4. Обозначение букв
5. Маркировка керамических конденсаторов
6. Смешанная буквенно-цифровая маркировка
7. Прочие маркировки

Как маркируются большие конденсаторы

Чтобы правильно прочитать технические характеристики устройства, необходимо провести определенную подготовку. Начинать изучение нужно с единиц измерения. Для определения емкости применяется специальная единица – фарад (Ф). Значение одного фарада для стандартной цепи представляется слишком большим, поэтому маркировка бытовых конденсаторов осуществляется менее крупными единицами измерения. Чаще всего используется mF = 1 мкф (микрофарад), что составляет 10 -6 фарад.

При расчетах может применяться внемаркировочная единица – миллифарад (1мФ), имеющая значение 10 -3 фарад. Кроме того, обозначения могут быть в нанофарадах (нФ) равных 10 -9 Ф и пикофарадах (пФ), составляющих 10 -12 Ф.

Нанесение маркировки емкости конденсаторов с большими размерами осуществляется прямо на корпус. В некоторых конструкциях маркировка может отличаться, но в целом, необходимо ориентироваться по единицам измерения, которые упоминались выше.

Обозначения иногда наносятся прописными буквами, например, MF, что на самом деле соответствует mF – микрофарадам. Также встречается маркировка fd – сокращенное английское слово farad. Поэтому mmfd будет соответствовать mmf или пикофараду. Кроме того, существуют обозначения, включающие число и одну букву. Такая маркировка выглядит как 400m и применяется для маленьких конденсаторов.

В некоторых случаях возможно нанесение допусков, которые являются допустимым отклонением от номинальной емкости конденсатора. Данная информация имеет большое значение, когда при сборке отдельных видов электрических цепей могут потребоваться конденсаторы с точным значением емкости. Если в качестве примера взять маркировку 6000uF + 50%/-70%, то значение максимальной емкости составит 6000 + (6000 х 0,5) = 9000 мкФ, а минимальной 1800 мкФ = 6000 – (6000 х 0,7).

При отсутствии процентов, необходимо отыскать букву. Обычно она располагается отдельно или после числового обозначения емкости. Каждой букве соответствует определенное значение допуска. После этого можно приступать к определению номинального напряжения.

При больших размеров корпуса конденсатора, маркировка напряжения обозначается числами, за которыми расположены буквы или буквенные сочетания в виде V, VDC, WV или VDCW. Символы WV соответствуют английскому словосочетанию WorkingVoltage, что в переводе означает рабочее напряжение. Цифровые показатели считаются максимально допустимым напряжением конденсатора, измеряемым в вольтах.

При отсутствии на корпусе устройства какого-либо обозначения, указывающего на напряжение, такой конденсатор должен использоваться только в низковольтных цепях. В цепи переменного тока следует использовать устройство, предназначенное именно для этих целей. Нельзя применять конденсаторы, рассчитанные на постоянный ток, без возможности преобразования номинального напряжения.

Следующим этапом будет определение положительных и отрицательных символов, указывающих на наличие полярности. Определение плюса и минуса имеет большое значение, поскольку неправильное определение полюсов может привести к короткому замыканию и даже взрыву конденсатора. При отсутствии специальных обозначений, подключение устройства может быть выполнено к любым клеммам, независимо от полярности.

Обозначение полюсов иногда наносится в виде цветной полосы или кольцеобразного углубления. Такая маркировка соответствует отрицательному контакту в электролитических алюминиевых конденсаторах, своей формой напоминающих консервную банку. В танталовых конденсаторах с очень маленькими размерами эти же обозначения указывают на положительный контакт. При наличии символов плюса и минуса цветовую маркировку можно не принимать во внимание.

Расшифровка маркировки конденсаторов

Чтобы расшифровать маркировку, необходимо значение первых двух цифр, обозначающих емкость. Если конденсатор имеет очень маленькие размеры, не позволяющие обозначить емкость, его маркировка происходит по стандарту EIA, применяемому для всех современных изделий.

Обозначение цифр

Если в обозначении присутствует только две цифры и одна буква, в этом случае цифровые значения соответствуют емкости устройства. Все остальные маркировки расшифровываются по-своему, в соответствии с той или иной конструкцией.

Третья цифра в обозначении является множителем нуля. В этом случае расшифровка выполняется в зависимости от цифры, расположенной в конце. Если такая цифра находится в диапазоне 0-6, то к первым двум цифрам добавляются нули в определенном количестве. Для примера можно взять маркировку 453, которая будет расшифровываться как 45 х 10 3 = 45000.

Когда последняя цифра будет 8, то первые две цифры умножаются на 0,01. Таким образом, при маркировке 458, получается 45 х 0,01 = 0,45. Если же 3-й цифрой будет 9, то первые две цифры нужно умножить на 0,1. В результате обозначение 459 преобразуется в 45 х 0,1 = 4,5.

После определения емкости, нужно определить единицу для ее измерения. Самые мелкие конденсаторы – керамические, пленочные и танталовые имеют емкость, измеряемую в пикофарадах (пФ), составляющих 10 -12 . Для измерения емкости больших конденсаторов применяются микрофарады (мкФ), равные 10 -6 . Единицы измерения могут обозначаться буквами: р – пикофарад, u– микрофарад, n – нанофарад.

Обозначение букв

После цифр необходимо расшифровать буквы, входящие в маркировку. Если буква присутствует в двух первых символах, ее расшифровка производится несколькими способами. При наличии буквы R, она заменяется запятой, применяемой для десятичной дроби. Расшифровка маркировки 4R1 будет выглядеть как 4,1 пФ.

При наличии букв р, n, u, соответствующих пико-, нано- и микрофараде также выполняется замена на десятичную запятую. Обозначение n61 читается как 0,61 нФ, маркировка 5u2 соответствует 5,2 мкФ.

Маркировка керамических конденсаторов

Керамические конденсаторы обладают плоской круглой формой и двумя контактами. На корпусе кроме основных показателей, указывается допуск отклонений от номинальной емкости. С этой целью используется определенная буква, проставляемая сразу же после цифрового обозначения емкости. Например, буква «В» соответствует отклонению + 0,1 пФ, «С» – + 0,25 пФ, D – + 0,5 пФ. Эти значения применяются при емкости менее 10 пФ. У конденсаторов с емкостью более 10 пФ буквенные обозначения соответствуют определенному проценту отклонений.

Смешанная буквенно-цифровая маркировка

Маркировка допуска может состоять из буквенно-цифрового обозначения по схеме «буква-цифра-буква». Первый буквенный символ соответствует минимальной температуре, например, Z = 10 градусам, Y = -30 C, X = -55 C. Второй цифровой символ – это максимальная температура.

Цифры соответствуют следующим показателям: 2 – 45 С, 4 – 65 С, 5 – 85 С, 6 – 105 С, 7 – 125 С. Значение третьего буквенного символа означает изменяющуюся емкость конденсатора, в пределах между минимальной и максимальной температурой. К более точным показателям относится «А» со значением + 1,0%, а к менее точным – «V» с показателем от 22 до 82%. Чаще всего используется «R», составляющая 15%.

Прочие маркировки

Маркировка, нанесенная на корпус конденсатора, позволяет определить значение напряжения. На рисунке отражены специальные символы, соответствующие максимально допустимому напряжению для конкретного устройства. В данном случае приводятся параметры для конденсаторов, которые могут эксплуатироваться только при постоянном токе.

В некоторых случаях маркировка конденсаторов значительно упрощается. С этой целью используется только первая цифра. Например, ноль будет означать напряжение ниже 10 вольт, значение 1 – от 10 до 99 вольт, 2 – от 100 до 999 В и так далее, по такому же принципу.

Прочие маркировки касаются конденсаторов, выпущенных значительно раньше или предназначенных для особых целей. В таких случаях рекомендуется воспользоваться специальными справочниками, чтобы не допустить серьезной ошибки при сборке электрической схемы.

Источник

Маркировка керамических конденсаторов

Содержание статьи

• Физические величины, используемые в маркировке емкости керамических конденсаторов
• Численные и численно-буквенные коды в маркировках конденсаторов
• Способы маркировки емкости конденсатора
• Маркировка SMD конденсаторов
• Цветовая маркировка керамических конденсаторов

Правильно выбрать конденсатор для микросхемы определенного назначения помогает маркировка, нанесенная на корпус. Но у конденсаторов она сложная и разнообразная, поэтому определить характеристики этих элементов затруднительно, особенно если они имеют незначительную площадь поверхности. Параметры, указываемые в обозначении: код производителя, номинальное напряжение, емкость, допустимое отклонение от номинала, температурный коэффициент емкости (ТКЕ).

Физические величины, используемые в маркировке емкости керамических конденсаторов

Для определения величины емкости в международной системе единиц (СИ) используется Фарад (Ф, F). Для стандартной электрической схемы это слишком большая величина, поэтому в маркировке бытовых конденсаторов используются более мелкие единицы.

Таблица единиц емкости, применяемых для бытовых керамических конденсаторов

Наименование единицы		Варианты обозначений	Степень по отношению к Фараду
Микрофарад	Microfarad	мкФ, µF, uF, mF	10 -6 F
Нанофарад	Nanofarad	нФ, nF	10 -9 F
Пикофарад	Picofarad	пФ, pF, mmF, uuF	10 -12 F

Редко применяется внемаркировочная единица миллифарад – 1 мФ (10 -3 Ф).

Численные и численно-буквенные коды в маркировках конденсаторов

Обозначение наносится на корпус элемента. Первым обычно указывается номинальное напряжение в вольтах, за числами могут следовать буквы: В, V, VDC или VDCW. На корпуса небольшой площади значение номинального напряжения наносят в закодированном виде. Если указание на допустимую величину напряжения в цепи отсутствует, это означает, что конденсатор можно использовать только в низковольтных схемах. На корпусе должны быть знаки «+» и «-», указывающие на полярность подсоединения элемента в цепи. Несоблюдение указанной полярности может привести к полному выходу детали из строя.

Таблица для расшифровки буквенных кодов величины номинального напряжения керамических конденсаторов

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

Вторая позиция – знак фирмы-производителя или температурный коэффициент емкости (ТКЕ), который может отсутствовать. ТКЕ обычно обозначается буквенным кодом.

Таблица буквенных кодов ТКЕ для маркировки керамических конденсаторов с ненормируемым ТКЕ

Допуск при -60°C…+80°C, +/-, %	Буквенный код	Допуск при -60°C…+80°C, +/-, %	Буквенный код
20	Z	70	E
30	D	90	F

Третья позиция – номинальная емкость, которая может указываться несколькими способами.

Способы маркировки емкости конденсатора

На деталях советского производства, чаще всего имеющих довольно большую площадь поверхности, наносились числовые значения емкости, ее единица измерения и номинальное напряжение в вольтах. Например, 23 пФ, то есть 23 пикофарада.

Расшифровка маркировки обозначений современных керамических конденсаторов отечественного и зарубежного производства – мероприятие более сложное. Возможны следующие варианты.

Три цифры

Если в маркировке присутствуют три цифры, то первые две обозначают величину емкости, последняя – множитель нуля. Если последняя цифра находится в диапазоне 0-6, то к числу, состоящему из первых двух цифр, добавляют нули в указанном количестве. Если последняя цифра – 8, то число из первых двух цифр умножают на 0,01, если 9, то – на 0,1. После определения числового значения емкости необходимо установить единицу измерения. Емкость мелких деталей обычно измеряется в пикофарадах. После числового значения может стоять буква, указывающая на единицу измерения: p – пикофарад, µ – микрофарад, n – нанофарад.

Пример 353p = 35 х 10 3 пФ.

Четырьмя цифрами

Этот вариант похож на описанный выше. Только значащая часть содержит три цифры, а четвертая – это показатель степени для 10. Единица измерения – обычно пикофарады.

Буквенно-цифровая маркировка

При таком способе обозначения емкости буква указывает на место, где должна находиться запятая. Буква R применяется для маркировки емкости в микрофарадах. Если перед буквой R стоит 0, то единица измерения – пикофарад. Например, 0R4 = 4 пФ, R47 = 0,45 мкФ.

Функции десятичной точки может выполнять буква, указывающая на единицу измерения. Например, емкость, равная 0,43 мкФ, на конденсаторах импортного производства обозначается как m43 или µ43. В русском варианте в качестве десятичной точки применяют буквы «п» – пикофарады, «н» – нанофарады, «м» – микрофарады.

В некоторых случаях на корпус конденсаторов наносятся допуски для номинального значения емкости. На деталях большой площади они указаны числами, обозначающими процент допуска. На маленькие конденсаторы допуски обычно нанесены в закодированном виде.

Таблица буквенного кодирования допусков

Буквенное обозначение	Допуск, %	Буквенное обозначение	Допуск, %
B	+/- 0,1	M	+/- 20
C	+/- 0,25	N	+/- 30
D	+/- 0,5	Q	-10…+30
F	+/- 1	T	-10…+50
G	+/- 0,2	Y	-10…+100
J	+/- 0,5	S	-20…+50
K	+/- 10	Z	-20…+80

Маркировка SMD конденсаторов

Габариты деталей, предназначенных для поверхностного монтажа, очень скромные, поэтому обозначение содержит минимум информации, нанесенной максимально лаконично. Значение напряжения наносится буквенным кодом в соответствии с таблицей, представленной выше. Другие элементы маркировки:

• первая латинская буква характеризует производителя компонента;
• вторая латинская буква – код значащей части (мантиссы) номинальной емкости;
• цифра означает степень, в которую необходимо возвести закодированное число, чтобы получить номинал емкости в пикофарадах.

Например, КT3 – конденсатор от известного производителя Kemet номинальной емкостью 5,1х10 3 пФ = 5,1 нФ.

Таблица кодирования мантиссы

Буква	Мантисса	Буква	Мантисса	Буква	Мантисса
A	1.0	J	2.2	S	4.7
B	1.1	K	2.4	T	5.1
C	1.2	L	2.7	U	5.6
D	1.3	M	3.0	V	6.2
E	1.5	N	3.3	W	6.8
F	1.6	P	3.6	X	7.5
G	1.8	Q	3.9	Y	8.2
H	2.0	R	4.3	Z	9.1

Цветовая маркировка керамических конденсаторов

Цветовая маркировка часто используется для конденсаторов с малой площадью поверхности. Цветные полосы наносятся сверху вниз или слева направо. Номинальная емкость обычно указывается 3-5 цветными полосками, две первые из них обозначают определенную цифру. Черный – 0, коричневый – 1, красный – 2, оранжевый – 3, желтый – 4, зеленый – 5, голубой – 6, фиолетовый – 7, серый – 8, белый – 9.

Число, которое составляется из цифр, закодированных в двух первых полосках, умножается на множитель, зашифрованный в третьей полоске. Оранжевая полоса означает 10 3 , желтый – 10 4 , зеленый – 10 5 .

В маркировке может присутствовать четвертая полоса, цвет которой соответствует допустимым отклонениям от номинальной емкости. Белый цвет означает, что допустимы отклонения 10 % в обе стороны, а черный – 20 % в обе стороны. Пятая полоска характеризует номинал напряжения. Красный – 250 В, желтый – 400 В.

Была ли статья полезна?

Комментарии

Оптовая продажа электронных компонентов и радиодеталей с доставкой по всей России

Источник

Как обозначаются конденсаторы на схеме?

Конденсаторы необходимы для накопления в себе энергии, с целью дальнейшей ее передачи далее по схеме в определенное время. Самый элементарный конденсатор состоит из пластин, сделанных из металла. Они называются обкладки. Также обязательно должен присутствовать диэлектрик, расположенный между ними. Каждый конденсатор имеет свою маркировку, которая наносится на него во время производства.

Любой человек, который занимается составлением схем и увлекается пайкой, должен понимать ее и уметь читать. В маркировке содержится вся информация о технических характеристиках данного конденсатора. Если к нему подключить питание, на обкладках конденсатора возникнет разнополярное напряжение и тем самым возникнет поле, которое будет притягивать их друг другу. Этот заряд накапливается между этими пластинами.

Основная единица измерения – фарады. Она зависит от размера пластин и расстояния между ними и величины проницаемости. В данной статье подробно рассмотрены все тонкости маркировки конденсаторов. Также статья содержит видеоролик и подробный файл с материалом по данной тематике.

Единицы измерения

Проще всего рассчитывается емкость плоского конденсатора. Если линейные размеры пластин-обкладок значительно превышают расстояние между ними то справедлива формула:

e – это величина электрической проницаемости диэлектрика, расположенного между обкладками.

• S – площадь одной из обкладок(в метрах).
• d – расстояние между обкладками(в метрах).
• C – величина емкости вфарадах.

Что такое фарада? У конденсатора емкостью в одну фараду, напряжение между обкладками поднимается на один вольт, при получении электрической энергии количеством в один кулон. Такое количество энергии протекает через проводник в течении одной секунды, при токе в 1 ампер. Свое название фарада получила в честь знаменитого английского физика – М. Фарадея.

1 Фарада – это очень большая емкость. В обыденной практике используют конденсаторы гораздо меньшей емкости и для обозначения применяются производные от фарады:

• 1 Микрофарада – одна миллионная часть фарады.10 -6
• 1 нанофарада – одна миллиардная часть фарады. 10 -9
• 1 пикофарада -10 -12 фарады.

код	пикофарады, пФ, pF	нанофарады, нФ, nF	микрофарады, мкФ, μF
109	1.0 пФ
159	1.5 пФ
229	2.2 пФ
339	3.3 пФ
479	4.7 пФ
689	6.8 пФ
100	10 пФ	0.01 нФ
150	15 пФ	0.015 нФ
220	22 пФ	0.022 нФ
330	33 пФ	0.033 нФ
470	47 пФ	0.047 нФ
680	68 пФ	0.068 нФ
101	100 пФ	0.1 нФ
151	150 пФ	0.15 нФ
221	220 пФ	0.22 нФ
331	330 пФ	0.33 нФ
471	470 пФ	0.47 нФ
681	680 пФ	0.68 нФ
102	1000 пФ	1 нФ
152	1500 пФ	1.5 нФ
222	2200 пФ	2.2 нФ
332	3300 пФ	3.3 нФ
472	4700 пФ	4.7 нФ
682	6800 пФ	6.8 нФ
103	10000 пФ	10 нФ	0.01 мкФ
153	15000 пФ	15 нФ	0.015 мкФ
223	22000 пФ	22 нФ	0.022 мкФ
333	33000 пФ	33 нФ	0.033 мкФ
473	47000 пФ	47 нФ	0.047 мкФ
683	68000 пФ	68 нФ	0.068 мкФ
104	100000 пФ	100 нФ	0.1 мкФ
154	150000 пФ	150 нФ	0.15 мкФ
224	220000 пФ	220 нФ	0.22 мкФ
334	330000 пФ	330 нФ	0.33 мкФ
474	470000 пФ	470 нФ	0.47 мкФ
684	680000 пФ	680 нФ	0.68 мкФ
105	1000000 пФ	1000 нФ	1 мкФ

Маркировка четырьмя цифрами

Эта маркировка аналогична описанной выше, но в этом случае первые три цифры определяют мантиссу, а последняя — показатель степени по основанию 10, для получения емкости в пикофарадах. Например, 1622 = 162*10 2 пФ = 16200 пФ = 16.2 нФ.

Буквенно-цифровая маркировка

При такой маркировке буква указывает на десятичную запятую и обозначение (мкФ, нФ, пФ), а цифры — на значение емкости:

15п = 15 пФ , 22p = 22 пФ , 2н2 = 2.2 нФ , 4n7 = 4,7 нФ , μ33 = 0.33 мкФ

Очень часто бывает трудно отличить русскую букву «п» от английской «n». Иногда для обозначения десятичной точки используется буква R. Обычно так маркируют емкости в микрофарадах, но если перед буквой R стоит ноль, то это пикофарады, например: 0R5 = 0,5 пФ , R47 = 0,47 мкФ , 6R8 = 6,8 мкФ.

Планарные керамические конденсаторы

Керамические SMD конденсаторы обычно или вообще никак не маркируются кроме цвета (цветовую маркировку не знаю, если кто расскажет — буду рад, знаю только, что чем светлее — тем меньше емкость) или маркируются одной или двумя буквами и цифрой.

N1 /по таблице определяем мантиссу: N=3.3/ = 3.3*10 1 пФ = 33пФ

S3 /по таблице S=4.7/ = 4.7*10 3 пФ = 4700пФ = 4,7нФ

Иногда применяется кодирование латинской буквой. Для расшифровки следует пользоваться таблицей буквенного кодирования рабочего напряжения.

Планарные электролитические конденсаторы

Электролитические SMD конденсаторы маркируются двумя способами:

1) Емкостью в микрофарадах и рабочим напряжением, например: 10 6.3V = 10мкФ на 6,3В.

2) Буква и три цифры, при этом буква указывает на рабочее напряжение в соответствии с приведенной ниже таблицей, первые две цифры определяют мантиссу, последняя цифра — показатель степени по основанию 10, для получения емкости в пикофарадах.

Полоска на таких конденсаторах указывает положительный вывод. Пример: по таблице «A» — напряжение 10В, 105 — это 10*10 5 пФ = 1 мкФ, т.е. это конденсатор 1 мкФ на 10В

Маркировка конденсаторов, перевод величин и обозначения (пФ, нФ, мкФ)

Полезная информация начинающим радиолюбителям по маркировке конденсаторов, обозначениям и переводу величин – пикофарад, нанофарад, микрофарад и других. Пожалуй, трудно найти электронное устройство, в котором бы вообще не былоконденсаторов. Поэтому важно уметь по маркировке конденсатора определять его основные параметры, хотя бы основные -номинальную емкость и максимальное рабочее напряжение.

Несмотря на присутствие определенной стандартизации, существует несколько способов маркировки конденсаторов. Однако, существуют конденсаторы и без маркировки, – в этом случае емкость можно определить только измерив её измерителем емкости, что же касается максимального напряжения., здесь, как говорится, медицина бессильна.

Цифро-буквенное обозначение

Если вы разбираете старую советскую аппаратуру, то там все будет довольно просто, – на корпусах так и написано «22пФ», что значит 22 пикофарад, или «1000 мкФ», что значит 1000 микрофарад. Старые советские конденсаторы обычно были достаточного размера чтобы на них можно было писать такие «длинные тексты».

Общемировая, если можно так сказать, цифро-буквенная маркировка предполагает использование букв латинского алфавита:

• p – пикофарады,
• n – нанофарады
• m – микрофарады.

При этом полезно помнить, что если за единицу емкости условно принять пикофарад (хотя, это и не совсем правильно), то буквой «p» будут обозначаться единицы, буквой «n» – тысячи, буквой «m» – миллионы. При этом, букву будут использовать как децимальную точку. Вот наглядный пример, конденсатор емкостью 2200 пФ, по такой системе будет обозначен 2n2, что буквально значит «2,2 нанофарад». Или конденсатор емкостью 0,47 мкФ будет обозначен m47, то есть «0,47 микрофарад».

Причем у конденсаторов отечественного производства встречается аналогичная маркировка в кириллице, то есть, пикофарады обозначают буквой «П», нанофарады – буквой «Н», микрофарады -буквой «М». А принцип тот же: 2Н2 – это 2,2 нанофарад, М47 – это 0,47 микрофарад. У некоторых типов миниатюрных конденсаторов «мкФ» обозначается буквой R, которая тоже используется как децимальная точка, например:

Небольшие замечания и советы по работе с конденсаторами

Необходимо помнить, что следует выбирать конденсаторы с повышенным номинальным напряжением при возрастании температуры окружающей среды,создавая больший запас по напряжению, для обеспечения высокой надежности. Если задано максимальное постоянное рабочее напряжение конденсатора, то это относится к максимальной температуре (при отсутствии дополнительных оговорок). Поэтому, конденсаторы всегда работают с определенным запасом надежности. И все-же, желательно обеспечивать их реальное рабочее напряжение на уровне 0,5—0,6 номинального.

Если для конденсатора оговорено предельное значение переменного напряжения, то это относится к частоте (50-60) Гц. Для более высоких частот или в случае импульсных сигналов следует дополнительно снижать рабочие напряжения во избежание перегрева приборов из-за потерь в диэлектрике. Конденсаторы большой емкости с малыми токами утечки способны долго сохранять накопленный заряд после выключения аппаратуры. Что бы обеспечить более быстрый их разряд, для большей безопасности, следует подключить параллельно конденсатору резистор сопротивлением 1 МОм (0,5 Вт).

Заключение

В высоковольтных цепях нередко применяют последовательное включение конденсаторов. Для выравнивания напряжений на них, необходимо параллельно каждому конденсатору дополнительно подключить резистор сопротивлением от 220 к0м до 1 МОм. Для защиты от помех, в цифровых устройствах применяется шунтирование по питанию с помощью пары – электролитический конденсатор большей емкости + слюдяной, либо керамический – меньшей. Электролитический конденсатор шунтирует низкочастотные помехи, а слюдяной( или керамический) – высокочастотные.

Более подробно о маркировке конденсаторов можно узнать здесь. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Источник

Конденсатор. Энергия электрического поля — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электрическая ёмкость, конденсатор, энергия электрического поля конденсатора.

Предыдущие две статьи были посвящены отдельному рассмотрению того, каким образом ведут себя в электрическом поле проводники и каким образом — диэлектрики. Сейчас нам понадобится объединить эти знания. Дело в том, что большое практическое значение имеет совместное использование проводников и диэлектриков в специальных устройствах — конденсаторах.

Но прежде введём понятие электрической ёмкости.

Ёмкость уединённого проводника

Предположим, что заряженный проводник расположен настолько далеко от всех остальных тел, что взаимодействие зарядов проводника с окружающими телами можно не принимать во внимание. В таком случае проводник называется уединённым.

Потенциал всех точек нашего проводника, как мы знаем, имеет одно и то же значение , которое называется потенциалом проводника. Оказывается, что потенциал уединённого проводника прямо пропорционален его заряду. Коэффициент пропорциональности принято обозначать , так что

Величина называется электрической ёмкостью проводника и равна отношению заряда проводника к его потенциалу:

(1)

Например, потенциал уединённого шара в вакууме равен:

где — заряд шара, — его радиус. Отсюда ёмкость шара:

(2)

Если шар окружён средой-диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , то его потенциал уменьшается в раз:

Соответственно, ёмкость шара в раз увеличивается:

(3)

Увеличение ёмкости при наличии диэлектрика — важнейший факт. Мы ещё встретимся с ним при рассмотрении конденсаторов.

Из формул (2) и (3) мы видим, что ёмкость шара зависит только от его радиуса и диэлектрической проницаемости окружающей среды. То же самое будет и в общем случае: ёмкость уединённого проводника не зависит от его заряда; она определяется лишь размерами и формой проводника, а также диэлектрической проницаемостью среды, окружающей проводник. От вещества проводника ёмкость также не зависит.

В чём смысл понятия ёмкости? Ёмкость показывает, какой заряд нужно сообщить проводнику, чтобы увеличить его потенциал на В. Чем больше ёмкость — тем, соответственно, больший заряд требуется поместить для этого на проводник.

Единицей измерения ёмкости служит фарад (Ф). Из определения ёмкости (1) видно, что Ф = Кл/В.

Давайте ради интереса вычислим ёмкость земного шара (он является проводником!). Радиус считаем приближённо равным км.

мкФ.

Как видите, Ф — это очень большая ёмкость.

Единица измерения ёмкости полезна ещё и тем, что позволяет сильно сэкономить на обозначении размерности диэлектрической постоянной . В самом деле, выразим из формулы (2):

Следовательно, диэлектрическая постоянная может измеряться в Ф/м:

Ф.

Так легче запомнить, не правда ли?

Ёмкость плоского конденсатора

Ёмкость уединённого проводника на практике используется редко. В обычных ситуациях проводники не являются уединёнными. Заряженный проводник взаимодействует с окружающими телами и наводит на них заряды, а потенциал поля этих индуцированных зарядов (по принципу суперпозиции!) изменяет потенциал самого проводника. В таком случае уже нельзя утверждать, что потенциал проводника будет прямо пропорционален его заряду, и понятие ёмкости проводника самого по себе фактически утрачивает смысл.

Можно, однако, создать систему заряженных проводников, которая даже при накоплении на них значительного заряда почти не взаимодействует с окружающими телами. Тогда мы сможем снова говорить о ёмкости — но на сей раз о ёмкости этой системы проводников.

Наиболее простым и важным примером такой системы является плоский конденсатор. Он состоит из двух параллельных металлических пластин (называемых обкладками), разделённых слоем диэлектрика. При этом расстояние между пластинами много меньше их собственных размеров.

Для начала рассмотрим воздушный конденсатор, у которого между обкладками находится воздух

Пусть заряды обкладок равны и . Именно так и бывает в реальных электрических схемах: заряды обкладок равны по модулю и противоположны по знаку. Величина — заряд положительной обкладки — называется зарядом конденсатора.

Пусть — площадь каждой обкладки. Найдём поле, создаваемое обкладками в окружающем пространстве.

Поскольку размеры обкладок велики по сравнению с расстоянием между ними, поле каждой обкладки вдали от её краёв можно считать однородным полем бесконечной заряженной плоскости:

Здесь — напряжённость поля положительной обкладки, — напряженность поля отрицательной обкладки, — поверхностная плотность зарядов на обкладке:

На рис. 1 (слева) изображены векторы напряжённости поля каждой обкладки в трёх областях: слева от конденсатора, внутри конденсатора и справа от конденсатора.

Рис. 1. Электрическое поле плоского конденсатора

Согласно принципу суперпозиции, для результирующего поля имеем:

Нетрудно видеть, что слева и справа от конденсатора поле обращается в нуль (поля обкладок погашают друг друга):

Внутри конденсатора поле удваивается:

или

(4)

Результирующее поле обкладок плоского конденсатора изображено на рис. 1 справа. Итак:

Внутри плоского конденсатора создаётся однородное электрическое поле, напряжённость которого находится по формуле (4). Снаружи конденсатора поле равно нулю, так что конденсатор не взаимодействует с окружающими телами.

Не будем забывать, однако, что данное утверждение выведено из предположения, будто обкладки являются бесконечными плоскостями. На самом деле их размеры конечны, и вблизи краёв обкладок возникают так называемые краевые эффекты: поле отличается от однородного и проникает в наружное пространство конденсатора. Но в большинстве ситуаций (и уж тем более в задачах ЕГЭ по физике) краевыми эффектами можно пренебречь и действовать так, словно утверждение, выделенное курсивом, является верным без всяких оговорок.

Пусть расстояние между обкладками конденсатора равно . Поскольку поле внутри конденсатора является однородным, разность потенциалов между обкладками равна произведению на (вспомните связь напряжения и напряжённости в однородном поле!):

(5)

Разность потенциалов между обкладками конденсатора, как видим, прямо пропорциональна заряду конденсатора. Данное утверждение аналогично утверждению «потенциал уединённого проводника прямо пропорционален заряду проводника», с которого и начался весь разговор о ёмкости. Продолжая эту аналогию, определяем ёмкость конденсатора как отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

(6)

Ёмкость конденсатора показывает, какой заряд ему нужно сообщить, чтобы разность потенциалов между его обкладками увеличилась на В. Формула (6), таким образом, является модификацией формулы (1) для случая системы двух проводников — конденсатора.

Из формул (6) и (5) легко находим ёмкость плоского воздушного конденсатора:

(7)

Она зависит только от геометрических характеристик конденсатора: площади обкладок и расстояния между ними.
Предположим теперь, что пространство между обкладками заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью . Как изменится ёмкость конденсатора?

Напряжённость поля внутри конденсатора уменьшится в раз, так что вместо формулы (4) теперь имеем:

(8)

Соответственно, напряжение на конденсаторе:

(9)

Отсюда ёмкость плоского конденсатора с диэлектриком:

(10)

Она зависит от геометрических характеристик конденсатора (площади обкладок и расстояния между ними) и от диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего конденсатор.

Важное следствие формулы (10): заполнение конденсатора диэлектриком увеличивает его ёмкость.

Энергия заряженного конденсатора

Заряженный конденсатор обладает энергией. В этом можно убедиться на опыте. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на лампочку, то (при условии, что ёмкость конденсатора достаточно велика) лампочка ненадолго загорится.

Следовательно, в заряженном конденсаторе запасена энергия, которая и выделяется при его разрядке. Нетрудно понять, что этой энергией является потенциальная энергия взаимодействия обкладок конденсатора — ведь обкладки, будучи заряжены разноимённо, притягиваются друг к другу.

Мы сейчас вычислим эту энергию, а затем увидим, что существует и более глубокое понимание происхождения энергии заряженного конденсатора.

Начнём с плоского воздушного конденсатора. Ответим на такой вопрос: какова сила притяжения его обкладок друг к другу? Величины используем те же: заряд конденсатора , площадь обкладок .

Возьмём на второй обкладке настолько маленькую площадку, что заряд этой площадки можно считать точечным. Данный заряд притягивается к первой обкладке с силой

где — напряжённость поля первой обкладки:

Следовательно,

Направлена эта сила параллельно линиям поля (т. е. перпендикулярно пластинам).

Результирующая сила притяжения второй обкладки к первой складывается из всех этих сил , с которыми притягиваются к первой обкладке всевозможные маленькие заряды второй обкладки. При этом суммировании постоянный множитель вынесется за скобку, а в скобке просуммируются все и дадут . В результате получим:

(11)

Предположим теперь, что расстояние между обкладками изменилось от начальной величины до конечной величины . Сила притяжения пластин совершает при этом работу:

Знак правильный: если пластины сближаются , то сила совершает положительную работу, так как пластины притягиваются друг к другу. Наоборот, если удалять пластины , то работа силы притяжения получается отрицательной, как и должно быть.

С учётом формул (11) и (7) имеем:

где

Это можно переписать следующим образом:

где

(12)

Работа потенциальной силы притяжения обкладок оказалась равна изменению со знаком минус величины . Это как раз и означает, что — потенциальная энергия взаимодействия обкладок, или энергия заряженного конденсатора.

Используя соотношение , из формулы (12) можно получить ещё две формулы для энергии конденсатора (убедитесь в этом самостоятельно!):

(13)

(14)

Особенно полезными являются формулы (12) и (14).

Допустим теперь, что конденсатор заполнен диэлектриком с диэлектрической проницаемостью . Сила притяжения обкладок уменьшится в раз, и вместо (11) получим:

При вычислении работы силы , как нетрудно видеть, величина войдёт в ёмкость , и формулы (12) — (14) останутся неизменными. Ёмкость конденсатора в них теперь будет выражаться по формуле (10).

Итак, формулы (12) — (14) универсальны: они справедливы как для воздушного конденсатора, так и для конденсатора с диэлектриком.

Энергия электрического поля

Мы обещали, что после вычисления энергии конденсатора дадим более глубокое истолкование происхождения этой энергии. Что ж, приступим.

Рассмотрим воздушный конденсатор и преобразуем формулу (14) для его энергии:

Но — объём конденсатора. Получаем:

(15)

Посмотрите внимательно на эту формулу. Она уже не содержит ничего, что являлось бы специфическим для конденсатора! Мы видим энергию электрического поля , сосредоточенного в некотором объёме .

Энергия конденсатора есть не что иное, как энергия заключённого внутри него электрического поля.

Итак, электрическое поле само по себе обладает энергией. Ничего удивительного для нас тут нет. Радиоволны, солнечный свет — это примеры распространения энергии, переносимой в пространстве электромагнитными волнами.

Величина — энергия единицы объёма поля — называется объёмной плотностью энергии. Из формулы (15) получим:

(16)

В этой формуле не осталось вообще никаких геометрических величин. Она даёт максимально чистую связь энергии электрического поля и его напряжённости.

Если конденсатор заполнен диэлектриком, то его ёмкость увеличивается в раз, и вместо формул (15) и (16) будем иметь:

(17)

(18)

Как видим, энергия электрического поля зависит ещё и от диэлектрической проницаемости среды, в которой поле находится.
Замечательно, что полученные формулы для энергии и плотности энергии выходят далеко за пределы электростатики: они справедливы не только для электростатического поля, но и для электрических полей, меняющихся во времени.

Физика 9 кл. Конденсатор — Класс!ная физика

Физика 9 кл. Конденсатор

Подробности

Просмотров: 167

 

1. Для чего предназначен конденсатор?

Конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

2. Что представляет собой простейший конденсатор? Как обозначается на схемах?

Конденсатор представляет собой устройство из двух одинаковых металлических пластин (обкладок), которые расположены параллельно и разделены диэлектриком.
Обозначение конденсатора на электрических схемах:

3. Что понимают под зарядом конденсатора?

Под зарядом конденсатора понимается величина заряда q на одной из его обкладок.

4. Как зарядить конденсатор?

Чтобы зарядить конденсатор, надо соединить обкладки конденсатора с источником постоянного напряжения.
При этом обкладки конденсатора заряжаются равными по величине, но противоположными по знаку зарядами (+q и ~q).

5. Чему равен заряд q конденсатора?

Заряд q конденсатора прямо пропорционален напряжению U между обкладками конденсатора и емкости конденсатора:

6. Что называется емкостью конденсатора?

Коэффициент пропорциональности С называется электрической емкостью (электроемкостью, емкостью) конденсатора.
Единица электроемкости в СИ — 1 Фарад (Ф) — получила свое название в честь Майкла Фарадея.

1 Ф равен емкости такого конденсатора, между обкладками которого возникает напряжение 1 В при сообщении конденсатору заряда 1 Кл.

7. От чего и как зависит емкость конденсатора?

Емкость конденсатора зависит от площади пластин (S) конденсатора и расстояния между ними.
Емкость конденсатора зависит также от свойств используемого диэлектрика между обкладками конденсатора.
Чем больше площадь пластин (S) и чем меньше расстояние между ними (d), тем больше емкость конденсатора (С).

8. Как включать несколько конденсаторов в электрическую цепь?

Иногда для получения требуемой емкости несколько конденсаторов соединяют в батарею.

а) Конденсаторы можно включать в электрическую цепь параллельно.

Общая емкость конденсаторов, включенных в электрическую цепт параллельно, равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:

С = С1 + С2 + С3

б) Конденсаторы можно включать в электрическую цепь последовательно.

Общая емкость конденсаторов, включенных в электрическую цепь последовательно, рассчитывается, исходя из формулы:

1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3

Здесь общая емкость включенных конденсаторов всегда меньше, чем наименьшая емкость любого из них.

9. Как выглядит электрическое поле между обкладками конденсатора?

Электрическое поле конденсатора сосредоточено между его обкладками, если их размеры значительно больше расстояния между ними.
Линии электрического поля плоского конденсатора параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.
Значит поле такого конденсатора однородно.

10. По какой формуле определяется энергия заряженного тденсатора?

При зарядке конденсатора внешними силами совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов.
По закону сохранения энергии работа внешних сил равна энергии поля конденсатора.
При разрядке конденсатора за счет этой энергии может быть совершена работа.

Энергию электрического поля конденсатора можно рассчитать по формуле:

Энергия конденсатора данной емкости тем больше, чем больше его заряд.

11. Как на опыте доказать, что благодаря запасенной энергии конденсатора можно совершить работу?

Чтобы зарядить конденсатор, подключим его к источнику тока, поставив переключатель в положение 1.
При зарядке конденсатора внешними силами в цепи совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов.
По закону сохранения энергии работа внешних сил равна энергии поля конденсатора.
Конденсатор зарядился — конденсатор накопил энергию.

Через некоторое время переведем переключатель в положение 2, замкнув цепь с конденсатором и лампой.
В результате разрядки конденсатора через лампу пройдет ток, и возникнет кратковременная вспышка.
При вспышке раскаленная током нить лампы выделяет энергию в виде света и тепла.
Это потенциальная энергия электрического поля конденсатора преобразовалась во внутреннюю энергию нити накала и излучилась в виде света и тепла.
То есть при разрядке конденсатора за счет энергии конденсатора была совершена работа.

12. Как устроен конденсатор переменной емкости? Где он нашел наиболее широкое применение?

В радиотехнических устройствах часто используются конденсаторы переменной емкости.
Конденсатор переменной емкости состоит из системы подвижных и неподвижных пластин.
Подвижные пластины, можно вращать вокруг оси, меняя тем самым емкость конденсатора.
Для увеличения емкости подвижные пластины вдвигают в пространство между неподвижными пластинами.
Для уменьшения емкости подвижные пластины выдвигают из пространство между неподвижными пластинами.
При этом изменение емкости переменного конденсатора достигается изменением суммарной площади обкладок.

Следующая страница — смотреть

Назад в «Оглавление» — смотреть

Плоский конденсатор. Заряд и емкость конденсатора.

Наряду с резисторами одними из наиболее часто используемых электронных компонентов являются конденсаторы. И в этой статье мы разберемся, из чего они состоят, как работают и для чего применяются! Давайте, в  первую очередь, рассмотрим устройство и принцип работы конденсаторов. А затем плавно перейдем к основным свойствам и характеристикам — заряду, энергии и, конечно же, емкости конденсатора. Как видите, нам сегодня предстоит изучить много интересных моментов 🙂

Плоский конденсатор.

Итак, простейший конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу и разделенные слоем диэлектрика. Причем расстояние между пластинами должно быть намного меньше, чем, собственно, размеры пластин:

Такое устройство называется плоским конденсатором, а пластины — обкладками конденсатора. Стоит уточнить, что здесь мы рассматриваем уже заряженный конденсатор (сам процесс зарядки мы изучим чуть позже), то есть на обкладках сосредоточен определенный заряд. Причем наибольший интерес представляет тот случай, когда заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку (как на рисунке).

А поскольку на обкладках сосредоточен заряд, между ними возникает электрическое поле. Поле плоского конденсатора, в основном, сосредоточено между пластинами, однако, в окружающем пространстве также возникает электрическое поле, которое называют полем рассеяния. Очень часто его влиянием в задачах пренебрегают, но забывать о нем не стоит.

Для определения величины этого поля рассмотрим еще одно схематическое изображение плоского конденсатора:

Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:

• положительно заряженная пластина (+q) создает поле, напряженность которого равна E_{+}
• отрицательно заряженная пластина (-q) создает поле, напряженность которого равна E_{-}

Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:

E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon}

Здесь \sigma— это поверхностная плотность заряда: \sigma = \frac{q}{S}, а \varepsilon — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора. Поскольку площадь пластин конденсатора у нас одинаковая, как и величина заряда, то и модули напряженности электрического поля, равны между собой:

E_+ = E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

Но направления векторов разные — внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне — в противоположные. Таким образом, внутри обкладок результирующее поле определяется следующим образом:

E = E_+ + E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} + \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} = \frac{q}{\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

А какая же будет величина напряженности вне конденсатора? А все просто — слева и справа от обкладок поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0 🙂

Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.

С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:

Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?

Свободные электроны с первой обкладки конденсатора устремятся к положительному полюсу источника. Из-за этого на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц, и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора. В результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную разность потенциалов. Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока. После этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.

При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:

В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.

Как видите, здесь нет ничего сложного 🙂

Емкость и энергия конденсатора.

Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора. Это физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора q одного из проводников к разности потенциалов между проводниками:

C = \frac{q}{\Delta\varphi} = \frac{q}{U}

Емкость конденсатора изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). А поскольку мы уже вывели формулу для расчета напряженности, то давайте выразим напряжение на конденсаторе следующим образом:

U = Ed = \frac{qd}{\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

Здесь у нас d — это расстояние между пластинами конденсатора, а q — заряд конденсатора.2}{2C}

Помимо емкости конденсаторы характеризуются еще одним параметром, а именно величиной напряжения, которое может выдержать его диэлектрик. При слишком больших значениях напряжения электроны диэлектрика отрываются от атомов, и диэлектрик начинает проводить ток. Это явление называется пробоем конденсатора, и в результате обкладки оказываются замкнутыми друг с другом. Собственно, характеристикой, которая часто используется при работе с конденсаторами является не напряжение пробоя, а рабочее напряжение. Это такая величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.

Итак, мы сегодня рассмотрели основные свойства конденсаторов, их устройство и характеристики! Так что на этом заканчиваем статью, а в следующей мы будем обсуждать различные варианты соединений и маркировку. Не пропустите!

Как обозначаются конденсаторы на схемах: основные параметры и емкость

В электротехнике используются конденсирующие элементы разных типов и размеров. При чтении чертежей электрику необходимо знать обозначение конденсаторов на схеме и различать изображения устройств разных видов.

Типы конденсаторных элементов

О конденсаторе

Это устройство обладает способностью хранения электрического заряда. Между его пластинами располагается слой диэлектрика, создающий изоляцию для пары проводящих поверхностей. Основной характеристикой устройства является емкость – способность к накоплению заряда. С точки зрения технологии, наиболее распространенные типы конденсаторов – электролитические и электростатические. Выбор используемого элемента зависит от особенностей электросхемы и того, какую функцию он должен выполнять.

Обозначение конденсаторов на схемах

В отношении того, как именно обозначается конденсатор на схеме, существует строгая стандартизация: устройство узнается по паре параллельных друг другу близко расположенных вертикальных черт. Эти линии символизируют обкладки. Устройство полагается подписывать литерой С, возле нее обозначить порядковый номер устройства в электросхеме. Рядом с этими обозначениями или под ними указывают значение емкости.

Условные обозначения конденсаторов

В России существует система условных графических обозначений, включающая УГО конденсатора. Визуальной репрезентации этих устройств, а также резисторов посвящен отдельный ГОСТ, входящий в Единую систему конструкторской документации. Используются также международные стандарты – IEEE.

Конденсатор с постоянной емкостью

Такие элементы выпускаются с поляризацией и без нее. Неполяризованные изделия мелкого размера имеют широкую сферу применения, их можно подсоединять в разных направлениях. На схеме их обозначают двумя параллельными короткими черточками, находящимися под прямым углом к линиям соединения. На корпусе устройства указывают его емкость, нередко без единиц измерения (0,1 – это 1 микрофарад).

Важно! За рубежом иногда используют аббревиатуру MFD для указания емкости. Она означает микрофарады.

Графическая репрезентация элемента с постоянной емкостью

Код номера конденсатора

Первая пара знаков показывает емкость, цифра следом за ними – количество нулей. Единица измерения – пикофарад. Иногда на такой маркировке присутствуют буквы, они обозначают допуск в процентах и номинальное напряжение.

Поляризованные конденсаторы

Самым распространенным типом полярного конденсаторного элемента является электролитический. Такие изделия выпускаются в форме цилиндров или в осевом исполнении. Первый вариант несколько компактнее и дешевле. Выводы у него находятся с одной из сторон, тогда как у осевых вариантов – на разных. Поскольку устройства относительно крупные, на их корпусах указываются номинальное напряжение (оно у них относительно низкое) и емкость.

Важно! При подключении этих изделий необходимо строго соблюдать полярность, иначе они могут выйти из строя или даже взорваться.

Так в схемах показывают поляризованные элементы

Танталовые конденсаторы

Эти изделия крайне компактны, ставят их в тех случаях, когда важно минимизировать габариты. В прошлом их маркировали двумя цветными полосами (каждый цвет соответствовал цифре) и пятнышком белого или серого цвета (в первом случае значение полос в микрофарадах делили на 10, во втором – на 100). Если повернуть предмет пятном на себя, на правой стороне будет находиться полюс «плюс». Возле выводов также рисовалась полоса, указывающая напряжение. Современные модели маркируются цифровыми значениями параметров.

Переменные конденсаторы

Из-за очень малой емкости эти детали имеют узкую сферу применения – в основном они используются в радиосхемах. Графически переменные элементы изображаются традиционным символом из пары коротких параллелей, зачеркнутых наклонной стрелой. Емкость указывают не четкой цифрой, а диапазоном.

Обозначение переменных изделий

Конденсаторы-триммеры

Это суперминиатюрные изделия, монтируемые прямо на печатную плату. Поскольку показатель емкости меняется только при настроечных работах, такие элементы получили название подстроечных. Графическое представление отличается от стандартного для переменных конденсаторов только тем, что вместо острия стрела снабжена перпендикулярной черточкой.

Ионистор

Это изделие с двухслойным строением и довольно большой емкостью (до 10 Ф). На границе электродной поверхности и электролита у таких устройств возникает пространство статичных носителей заряда. В отличие от электролитических вариаций, способ хранения энергии здесь – электростатическое поле. Сочетание большой площади поверхности и малой толщины пространства обеспечивает столь высокий показатель емкости. Обозначается как символ конденсаторного элемента с перпендикулярной ему вертикальной линией, помещенный в круг. При этом в верхней правой и нижней левой четвертях, на которые символ и вертикаль делят круг, находятся линии, сходные с графиком полусинусоиды.

Температурный коэффициент конденсатора

Этот показатель отражает склонность емкостного значения меняться под действием температурных колебаний. Рабочий показатель температуры сильно влияет на долговечность элемента. Коэффициент зависит от вида элемента, например, у изделий из керамики он небольшой, у электролитических – значительный.

Маркировка отечественных конденсаторов

Постсоветские производители маркируют свои изделия довольно подробно и унифицировано. В редких случаях возможны некоторые отличия в обозначениях.

Ёмкость

Это параметр всегда указывается первым, для дробных чисел его кодировка состоит из трех знаков. Первая цифра – это целая часть числа, отражающего значение емкости, третья – дробная часть, на второй позиции находится буква, обозначающая единицу измерения: m – миллифарад, n – нанофарад, p – пикофарад. Например, 3n6 – 3,6 нанофарад. Целые значения указываются так: число и рядом единица измерения с добавленной буквой F (3 pF – 3 пикофарада).

Важно! Если номинал не указан, целая цифра говорит о том, что значение указывалось в пикофарадах, десятичная дробь – в микрофарадах.

Номинальное напряжение

Если размер изделия достаточный, показатель указывают по стандартной схеме: 180 В (или V) – 180 вольт. На миниатюрных конденсаторах значение кодируют латинской буквой, например, 160 В – литерой Q.

Дата выпуска

Ее принято указывать четырьмя цифрами: первые две – это последние цифры года выпуска, вторые две – месяц (9608 – август 1996 года).

Расположение маркировки на корпусе

Поскольку указание параметров очень важно для монтажа схемы, данные показатели помещают на корпусе устройства самой первой строкой. В начале всегда указывают емкость.

Цветовая маркировка отечественных радиоэлементов

Это кодировка с использованием 4 цветных полос, где каждый цвет соотносится с определенной цифрой. Первые две полосы показывают емкость в пикофарадах, следующая – допустимое отклонение, последняя – номинальное напряжение.

Маркировка конденсаторов импортного производства

У американских и других импортных изделий кодировка емкости выглядит так: начальные две цифры – значение в пикофарадах, третья – число нулей.

Цветовая маркировка импортных конденсаторов

Она состоит из пятерки полос. Начальная пара – емкостной показатель в пФ, следующая полоса – число нулей, четвертая – показатель возможного отклонения, пятая – номинал напряжения.

Данные о конденсаторах на схемах призваны информировать работающих с ними специалистов о видах используемых устройств и их основных характеристиках. При выборе используемого элемента нужно обращать внимание на маркировку.

Видео

в чём измеряется и от чего зависит величина, как её определить, формулы расчёта

Один из наиболее важных эффектов, используемых в электронике, — ёмкость конденсаторов. Способность накапливать и хранить электрический заряд нашла применение практически во всех аналоговых цепях и логических схемах. Пассивные устройства, запасающие энергию в виде электрического поля, называли конденсаторами уже в те времена, когда учёные ещё очень мало знали о природе электричества.

История накопителей заряда

Самое раннее письменное свидетельство получения зарядов с помощью трения принадлежит учёному Фалесу из Милета (635—543 гг. до н. э.), который описал трибоэлектрический эффект от взаимодействия янтаря и сухой шерсти. Для приблизительно 2300 последующих лет любое получение электричества заключалось в трении двух различных материалов друг о друга.

Качественный рывок в знаниях о зарядах произошёл в эпоху Просвещения — период революционного развития научной мысли в образованных кругах. В это время электричество становится популярной темой, а энтузиастами было произведено немало опытов и экспериментов с генераторами на основе трения.

Первое устройство для хранения полученных зарядов было создано в 1745 г. двумя электриками (так тогда называли людей, изучающих природу статического электричества), работающими независимо друг от друга: Эвальдом фон Клейстом, деканом собора в Пруссии, и Питером ван Мюссенбруком, профессором математики и физики в университете Лейдена.

Открытие явления произошло во время опытов у обоих экспериментаторов, но с той разницей, что Мюссенбрук, во-первых, сделал немало усовершенствований первоначально созданного оборудования, а во-вторых, письменно сообщил коллегам о своих достижениях. Прошло совсем немного времени и учёные мира стали создавать накопители зарядов собственных конструкций. Это были первые шаги в эволюции конденсаторов, продолжающейся и в наши дни. Основные даты хронологии появления устройств для хранения зарядов:

• 1746 г. — изобретение лейденской банки в результате экспериментов по доработке устройства Клейста;
• 1750 г. — опыты Бенджамина Франклина с батареями конденсаторов;
• 1837 г. — публикация Майклом Фарадеем теории диэлектрической поляризации — научной основы работы накопителей;
• конец XIX в. — начало практического применения лейденских банок вместе с первыми устройствами постоянного тока;
• начало XX в. — изобретение слюдяных и керамических конденсаторов.

Физика ёмкостных характеристик

Устройства, обладающие способностью хранения энергии в форме электрического заряда и производящие при этом разность потенциалов, называют конденсаторами. В простейшем виде они состоят из двух или более параллельных проводящих пластин, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга, но электрически разделённых либо воздухом, либо каким-либо другим изоляционным материалом, например, вощёной бумагой, слюдой, керамикой, пластмассой или специальным гелем.

Если подключить к пластинам источник напряжения, то одна из них получит избыток электронов, а на другой сформируется их дефицит. Ионы и электроны на каждой из этих пластин притягиваются друг к другу, но благодаря диэлектрическому барьеру они не соединяются, а накапливаются на плоскостях проводников. В результате первая пластина (электрод) окажется заряженной отрицательно, а вторая — положительно. Неподвижные заряды создают постоянное электрическое поле, теоретически сохраняемое неограниченное количество времени в незамкнутой электрической цепи.

Поток электронов на пластины называется зарядным током, продолжающим присутствовать до тех пор, пока напряжение на пластинах не сравняется с приложенным. В этот момент конденсатор считается полностью заряженным, то есть зарядов на пластинах становится так много, что они отталкивают вновь поступающие. При подключении к заряженному устройству нагрузки электроны и ионы находят новый путь друг к другу. В этом случае конденсатор работает как источник тока до момента потери разности потенциалов на электродах.

Способность конденсатора хранить заряд Q (измеряется в кулонах) называют ёмкостью. Чем больше площадь пластин и меньше расстояние между ними (благодаря усилению эффекта притяжения зарядов между обкладками), тем большая ёмкость устройства. Степень приближения пластин ограничивается способностью диэлектрика сопротивляться разрядке пробоем между ними. Таким образом, три характеристики определяют производительность конденсатора:

• геометрия пластин;
• расстояние между ними;
• диэлектрический материал между пластинами.

Единица и формулы расчёта

Ёмкость в виде электрического свойства, способного хранить заряды, измеряется в фарадах (Ф) и обозначается С. Величина названа в честь английского физика Майкла Фарадея. Конденсатор ёмкостью 1 фарад способен хранить заряд в 1 кулон на пластинах с напряжением 1 вольт. Значение С всегда положительно.

Математическое выражение фарада

Ёмкость конденсатора — постоянная величина, означающая потенциальную способность хранить энергию. Количество заряда, хранимое в отдельно взятый момент, определяется уравнением Q=CV, где V — приложенное напряжение. Таким образом, регулируя напряжение на пластинах, можно увеличивать или уменьшать заряд. Эта формула ёмкости в виде C=Q/V в единичных значениях определяет, в чём измеряется ёмкость конденсатора в СИ, и является математическим выражением фарада.

Специалисты по электронике единицу в один фарад считают не совсем практичной, поскольку она представляет собой огромное значение. Даже 1/1000 F — это очень большая ёмкость. Как правило, для реальных электрических компонентов применяют следующие величины:

• пикофарад — 10—12 Ф;
• нанофарад — 10—9 Ф;
• микрофарад — 10—6 Ф.

Диэлектрическая проницаемость

Фактор, благодаря которому изолятор определяет ёмкость конденсатора, называется диэлектрической проницаемостью. Обобщённая формула расчёта ёмкости конденсатора с параллельными пластинами представлена выражением C= ε (A / d), где:

• А — площадь меньшей пластины;
• d — расстояние между ними;
• ε — абсолютная проницаемость используемого диэлектрического материала.

Диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 является константой и имеет значение 8,84х10—12 фарад на метр. Как правило, проводящие пластины разделены слоем изоляционного материала, а не вакуума. Чтобы найти ёмкость конденсатора, пластины которого находятся в воздухе, можно воспользоваться значением ε0. Разницей диэлектрической проницаемости атмосферы и вакуума можно пренебречь, поскольку их значения очень близки.

На практике в формулах нахождения ёмкости конденсатора используется относительная диэлектрическая проницаемость в качестве коэффициента, означающая, насколько электрическое поле между зарядами уменьшается в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Некоторые значения этой величины для различных материалов:

• 1,0006 — воздух;
• 2,5—3,5 — бумага;
• 3—10 — стекло;
• 5—7 — слюда.

Поскольку эффективность конденсатора зависит от применяемого в нём изолятора, его качество как накопителя можно определить через удельную ёмкость — величину, равную отношению ёмкости к объёму диэлектрика.

Практические измерения

Значение ёмкости конденсатора обозначается на корпусе в дробных фарадах или с помощью цветового кода. Но со временем компоненты способны потерять свои качества, поэтому для некоторых критических случаев последствия могут быть неприемлемыми. Существуют и другие обстоятельства, требующие измерений. Например, необходимость знать общую ёмкость цепи или части электрооборудования. Приборов, осуществляющих непосредственное считывание ёмкости, не существует, но значение может быть вычислено вручную или интегрированными в измерительные устройства процессорами.

Для обнаружения фактической ёмкости нередко используют осциллограф как средство измерения постоянной времени (т). Эта величина обозначает время в секундах, за которое конденсатор заряжается на 63%, и равна произведению сопротивления цепи в омах на ёмкость цепи в фарадах: т=RC. Осциллограф позволяет легко определить постоянную времени и даёт возможность с помощью расчётов найти искомую ёмкость.

Существует также немало моделей любительского и профессионального электронного измерительного оборудования, оснащённого функциями для тестирования конденсаторов. Многие цифровые мультиметры обладают возможностью определять ёмкость. Эти устройства способны контролируемо заряжать и разряжать конденсатор известным током и, анализируя нарастание результирующего напряжения, выдавать довольно точный результат. Единственный недостаток большинства таких приборов — сравнительно узкий диапазон измеряемых величин.

Более сложные и специализированные инструменты — мостовые измерители, испытывающие конденсаторы в мостовой схеме. Этот метод косвенного измерения обеспечивает высокую точность. Современные устройства такого типа оснащены цифровыми дисплеями и возможностью автоматизированного использования в производственной среде, они могут быть сопряжены с компьютерами и экспортировать показания для внешнего контроля.

Идея суперконденсатора

Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, обладающий одним недостатком — его трудно саккумулировать быстро. Химические батареи способны сохранять большое количество энергии, но требуют нескольких часов для полной зарядки. Этого недостатка лишены конденсаторы — они могут заряжаться практически мгновенно. Но их ёмкость не позволяет хранить большое количество энергии, поэтому весьма заманчивой выглядит идея суперконденсатора, сочетающего лучшие качества химических и электростатических накопителей электричества.

Несмотря на функциональную схожесть, аккумуляторные батареи и конденсаторы устроены совершенно по-разному. Гальванические элементы работают на принципе высвобождения электрической энергии во время химической реакции веществ внутри них. При истощении запаса активных реагентов они прекращают генерировать разность потенциалов и для нового цикла требуют инициирования током обратных химических реакций для восстановления активных веществ. Основные недостатки аккумуляторов по сравнении и конденсаторами:

• непродолжительный жизненный цикл;
• невысокая удельная мощность;
• узкий диапазон температур зарядки и разрядки;
• неспособность быстро отдать весь запас энергии.

Тем не менее обычные конденсаторы не используются в качестве активных источников напряжения из-за низкой ёмкости. Теоретические и практические суперконденсаторы (ультраконденсаторы) отличаются от обычных крайне высокой ёмкостью при большой плотности хранимой энергии, что позволяет их рассматривать как альтернативу химическим элементам.

Крупнейшие коммерческие устройства обладают ёмкостью до нескольких тысяч фарад, но их возможности всё равно несопоставимы с аккумуляторами, поэтому подобные устройства используются для хранения зарядов в течение относительно короткого периода времени. Они нашли широкое применение в качестве электрических эквивалентов механических маховиков, чтобы сглаживать напряжение источников питания, например, в ветровых турбинах или рекуперативных тормозных системах электрических транспортных средств.

Первые ультраконденсаторы появились в середине прошлого века и обладали не очень впечатляющими ёмкостями. С тех пор прогресс в совершенствовании материалов привёл к утоньшению диэлектрического слоя до одной молекулы, что позволило создавать устройства с выдающимися характеристиками. Дальнейшее развитие наноиндустрии стало основой для фундаментальных перемен в накоплении электричества. Возможно, в скором времени экологически опасные и капризные химические аккумуляторы заменят суперконденсаторы на основе молекулярно структурированных пластин и диэлектрического слоя.

Нарушение отрицательной емкости в двухслойной структуре Al2O3 / BaTiO3

Теория деполяризации системы DE / FE

В типичной системе металл / сегнетоэлектрик / металл (MFM) суммарный поляризационный заряд на поверхностях слоя FE обычно можно легко компенсировать с помощью свободных носителей в соседних металлических электродах, хотя это не может быть полностью компенсировано из-за конечной длины экранирования нормальных металлов ¹⁴ . Теоретически почти не ожидалось вовлечения такого побочного эффекта от интерфейса Pt / BTO ^21,22 , что сильно отличается от обычных случаев.Для случая системы металл-диэлектрик-сегнетоэлектрик-металл (MIFM), которая соответствует системе DE / FE stack в этой работе, компенсация заряда на изоляторной стороне сегнетоэлектрического интерфейса затруднена из-за наличия слоя изолятора ( Слой DE). Следовательно, через слой FE создается большое поле деполяризации, которое дестабилизирует спонтанную поляризацию ¹⁴ . На рис. 1а показана принципиальная схема общей структуры DE / FE. Когда поле деполяризации ( E _dep ) развивается внутри слоя FE, оно влияет не только на спонтанную поляризацию (параметр порядка уравнения Ландау, который иногда называют ориентационной поляризацией), но и на остальную часть материалов FE. , что можно рассматривать как фоновую поляризацию ( P _b ).Другими словами, смещение слоя FE можно разделить на две разные составляющие: спонтанное и фоновое смещение. Напротив, в слое DE нет P _s , и, таким образом, уравнение непрерывности смещения на границе DE / FE в условиях короткого замыкания с внешним напряжением смещения или без него должно быть записано как уравнение ( 1),

Рисунок 1

Модель NC в двухслойной структуре DE / FE.

( a ) схематическая диаграмма модели NC в Al ₂ O ₃ / BTO двухслойная структура, ( b , c ) силовые ландшафты DE / FE, где σ _i = 0 и σ _i <0, ( d , e ) стабильный P _s конфигурации, в которых система находится в состояниях ( b , c ) соответственно.

, где ε ₀ представляет собой диэлектрическую проницаемость вакуума; E _f ( E _d ) — электрическое поле внутри слоя FE (DE); ε _b — фоновая диэлектрическая проницаемость слоя СЭ; и ε _d — диэлектрическая проницаемость слоя DE. Хотя наличие ε _b широко применяется в электростатических расчетах критического явления ^23,24 , деполяризации ^{14,15,16,17,18} и диэлектрического отклика структур сверхрешетки DE / FE ^{25, 26,27} , точное определение и его значение спорны.Из литературы, различные значения ε _b , такие как оптическая диэлектрическая постоянная (~ 5) ^14,15,25,28 , ~ 10 ^18,29 , ~ 50 ^22,30 и> 100 ^17,31 , можно найти для различных материалов КЭ перовскита. В этой работе 50 были взяты для ε _b эпислоя BTO, ориентированного по оси c, для расчета термодинамических состояний и диэлектрического отклика одиночного слоя FE, а также слоя DE / FE многослойного слоя. Фактически, ε _b BTO изменяется согласно электрическому полю, потому что оно может изменяться с изменением P _s вдоль направления приложенного поля.Однако это обычно имеет место для случайно ориентированного материала, где его состояние P _s сильно зависит от приложенного поля. В этой работе, где эпитаксиальная пленка BTO ориентирована по оси c, а ее параметр решетки по оси c даже вытянут вдоль нормали к поверхности, пленка P _s всегда выровнена вне плоскости направление. Это делает ε _b достаточно инвариантным на протяжении большей части приложения напряжения.Могут быть условия смещения, когда диэлектрическая проницаемость увеличивается, когда материал деполяризуется вблизи области коэрцитивного напряжения. Фактически, изменение деполяризованного состояния довольно мало в одном случае (рис. S3 дополнительной информации в режиме онлайн к ссылке 32). но может быть в три раза выше поляризованного состояния ³³ . Однако такая область напряжений очень узкая по сравнению со всей исследуемой областью напряжений. Следовательно, предположение о постоянной диэлектрической проницаемости в расчетах привело к минимальной ошибке.Во многих теоретических случаях ^{14,15,17,18,20,22,25,28,29,30,31} это значение было принято как постоянное.

Как можно понять из уравнения (1), смещение в слое DE могло быть вызвано только членом ε ₀ ε _d E _d . Следовательно, если ε ₀ ε _d слоя DE намного меньше, чем емкостной вклад от ε ₀ ε _b и P _s , E _d становится очень высоким.Когда слой DE очень тонкий, интерфейсный заряд ( _i ) может быть сформирован на границе DE / FE путем инжекции носителей через слой DE. В этом случае E _dep в слое FE уменьшается, что может стабилизировать P _s . Электрическое поле, создаваемое присутствием P _s и σ _i на слое FE и DE в условиях короткого замыкания, можно представить следующим образом:

, где E _int ^d — внутреннее электрическое поле через слой DE, а l _f ( l _d ) — толщина слоя FE (DE).На рисунке 1а показано распределение E _dep и E _int ^d внутри слоя Al ₂ O ₃ (AO) / BTO, где слой BTO имеет P _s , а интерфейс AO / BTO содержит σ _i .

Свободная энергия (или термодинамический потенциал) параметра порядка ( P _s ) в слое FE может быть описана уравнением LGD, как показано в уравнении (4).

Тогда электростатическое поле, действующее на P _s , может быть выражено как

, где α, β и γ — коэффициенты Ландау для материала КЭ. На рис. 1б, в показаны диаграммы поляризации электрической силы для случаев σ _i = 0 и σ _i <0 соответственно. Здесь электрическую силу можно легко вычислить, умножив электрическое поле на заряд. Причину, по которой возникает электрическая сила, легко понять из рис.1г, д; когда две силы, действующие на центральный катион в кислородном октаэдре, уравновешивают друг друга, катион остается в центральном положении, делая материал параэлектрическим (поляризация FE полностью нарушается), тогда как если поляризационная сила преодолевает силу деполяризации, присутствие σ _и , материал может показать поляризацию FE. Такое поведение деполяризации хорошо установлено рядом исследований, особенно с эффектами мертвого слоя в тонкопленочных конденсаторах MFM (см.14. например). Когда толщина пленки FE меньше критической, она становится параэлектрической, что соответствует обстоятельству, представленному на рис. 1b, d. С другой стороны, даже когда пленка тоньше критической, присутствие σ _i на границе раздела может сместить точку равновесия сил от начала координат, и P _s может стабилизироваться в зависимости от от разных значений σ _и .

Альтернативная модель отрицательной емкости для системы DE / FE

Уравнение свободной энергии LGD слоя FE в присутствии E _dep может быть получено путем интегрирования уравнений (2) и (5) относительно к P _s .Для простоты предполагается однородная поляризация в сегнетоэлектрических материалах. Тогда уравнение LGD для материалов КЭ с однородной поляризацией ( P _s ) и постоянной σ _i во внешнем электрическом поле ( E _ext ^f ) может быть выраженным как

Здесь E _ext ^f — это часть E _ext , нанесенная поверх слоя FE.Коэффициент P _s ² член () определяется относительной величиной E _dep и E _pol . Если E _pol > E _dep , α ‘имеет отрицательное значение, и слой FE находится в состоянии FE. Если E _pol < E _dep , α ‘становится положительным, и слой FE становится параэлектрическим.Это состояние является критическим для возникновения NC-эффекта от DE / FE-структуры. Подробные параметры материала в уравнении (6) для системы AO / BTO суммированы в таблице 1 (Примечание: энергия сегнетоэластика также учитывалась при расчетах энергии, см. Уравнение (8)). Следует отметить, что уравнение (6) представляет собой функцию термодинамической энергии для заданного σ _i . Если σ _i изменяется, функция должна быть переписана для нового σ _i , и переходные состояния между различными значениями σ _i не могут быть термодинамически _i , описанными этим методом.Поэтому в данной работе аналитически описаны только термодинамические состояния до и после изменения σ _и , а переход между ними описан только эмпирически.

Таблица 1 Параметр материала для термодинамического расчета.

Тогда емкость параэлектрической системы DE / FE может быть получена из общего определения емкости. Фактически, для системы DE / FE существует два различных слоя, поэтому емкость можно рассчитать по каждому из слоев.Процессы получения подробно описаны в разделе о методах, основанном на непрерывном смещении на границе раздела между слоями DE и FE и минимизации электростатической энергии. Емкость системы DE / FE может быть представлена ​​уравнением (7).

На основе этих формализмов было исследовано электрическое поведение двухслойной структуры AO / BTO. Сначала на рис. 2 рассматривается случай с σ _i = 0. На рис. 2а показана диаграмма свободной энергии (диаграмма U — P ) БТО толщиной 5 нм и толщиной АО / 150 нм. двухслойная структура, рассчитанная по уравнению (6) при комнатной температуре.Для справки также были построены кривые U — P однослойных АО и ВТО. При такой геометрии кривая U — P показывает единственный минимум при P = 0, предполагая, что сегнетоэлектричество слоя FE полностью дестабилизировано из-за влияния большого поля деполяризации. На это поведение влияет относительная толщина слоев DE и FE. На рисунке 2b показан график зависимости (d ² U / d P ² ) ⁻¹ при P = 0, что соответствует α ′, от толщины АО для данного BTO толщиной 150 нм, рассчитанной по уравнению (6).Емкость показала критические изменения при 3,5 нм, что называется критической толщиной ( l _cr ). Когда пленка AO тоньше, чем l _cr , C имеет отрицательное значение и расходится до -∞ по мере приближения к l _cr . Это соответствует нестабильному состоянию системы DE / FE около P = 0, поэтому такая общая отрицательная емкость не может быть экспериментально достигнута. Напротив, когда пленка АО толще, чем l _cr , C имеет положительное значение и расходится до ∞ по мере приближения l _cr .Это очень полезное стабильное состояние DE / FE для увеличения емкости около l _cr , которое связано с участием состояния NC слоя FE. Тем не менее, есть два ограничения на использование такой увеличенной емкости, которые можно найти на рис. 2c, d. На рис. 2в показана зависимость емкости от напряжения ( C — В ) для бислоя AO толщиной 5 нм и BTO толщиной 150 нм. Здесь V было вычислено путем умножения поля и толщины каждого слоя и их суммирования.Кривая C — V однослойного АО также нанесена на тот же график и показывает постоянное значение, которое соответствует диэлектрической проницаемости 8,9. В диапазоне напряжений от ~ -5 В до ~ 5 В значение C бислоя выше, чем у однослойного АО, что свидетельствует о возникновении NC-состояния внутри слоя FE. Однако при напряжениях вне этого диапазона значение C уменьшается до более низких значений, чем значение одного слоя АО, что связано с тем, что емкость слоя BTO изменяется с отрицательной на положительную при определенных высоких напряжениях.На рис. 2г показаны рассчитанные кривые P-V бислоя. Для справки также нанесены кривые P — V однослойных AO и BTO. Кривая P — V бислоя не содержит какой-либо области отрицательного наклона, предполагая, что AO / BTO в целом находится в состоянии PC, тогда как слой BTO показывает состояние NC. Из этих рисунков можно понять полезность (и также ограничения) бислоя AO / BTO в качестве конденсатора накопления заряда. Например, когда двухслойный конденсатор был смещен от -6 В до +6 В, ~ 0.4 См ^-2 хранится в конденсаторе. Напротив, однослойный АО конденсатор может хранить только ~ 0,2 Км ^-2 . Для конденсатора с одним слоем BTO он может хранить гораздо более высокое значение ~ 0,7 См ^-2 . Однако, когда напряжение на конденсаторе было снижено до 0 В, только ~ 0,05 Км ^-2 могло быть извлечено из конденсатора с одним слоем BTO, потому что теперь он находится в состоянии FE, так что ~ 0,65 Км ^-2 остается в пределах конденсатор как P _r .Для однослойного АО и двухслойного конденсатора половина накопленных зарядов высвобождается в результате одной и той же операции. По мере увеличения диапазона приложенного напряжения накопленная (таким образом высвобожденная) плотность заряда увеличивается линейно для АО конденсатора и нелинейно для двухслойного конденсатора, и, наконец, значения плотности заряда становятся почти идентичными для диапазона –20–20 В. Это можно понять по уменьшению емкости при более высоких напряжениях в случае двухслойного конденсатора, в то время как емкость АО конденсатора остается постоянной во всем диапазоне напряжений на рис.2c. Максимальная сохраняемая плотность заряда в бислое не может быть выше, чем 2 P _s слоя BTO, что является окончательным ограничением систем DE / FE как конденсаторов с высокой емкостью. Может быть интересно, что произойдет, если толщина АО слоя будет около l _cr ? Согласно рис. 2b, емкость может быть бесконечной, тогда как рис. 2c показывает, что диапазон напряжений для такой повышенной емкости становится бесконечно малым.Следовательно, существует верхняя граница для управляемой плотности заряда, которая составляет ~ 2 P _s . Между тем, есть еще один критический побочный эффект, который снижает возникновение эффекта увеличения емкости, как показано в следующем разделе.

Рисунок 2

Теоретические исследования эффектов NC в двухслойной системе AO / BTO.

( a ) Диаграммы свободной энергии Ландау слоя BTO в гетероструктуре 5 нм-АО / 150 нм. ( b ) Зависимость кривизны от толщины АО кривизны диаграммы UP, на вставке представлен энергетический ландшафт, где кривизна является отрицательной (слева) и положительной (справа) ( c ) кривыми емкости-напряжения и ( d ) спонтанными поляризационно-вольтные кривые слоя BTO в гетероструктуре 5 нм-АО / 150 нм.

Формирование и влияние σ

_i на систему DE / FE

На рисунке 3a показаны изменения электрического поля (см. Уравнение (22) в разделе о методе) в слоях AO и BTO в зависимости от E _ext , когда поле прикладывалось к структуре AO толщиной 5 нм и BTO толщиной 150 нм с σ _i = 0. На этом графике E _ext было просто рассчитывается делением приложенного напряжения ( В, _{, приложение} ) на общую толщину пленки (155 нм).Для фактического расчета поля в каждом слое E _ext был разделен на две части: E _ext ^f и E _ext ^d , которые обратно пропорциональны диэлектрической проницаемости каждого слоя (50 для BTO и 8,9 для AO) и E _dep , рассчитанные по уравнению (2), были добавлены для оценки чистого электрического поля по Слой BTO.Аналогично, E _int ^d было рассчитано по уравнению (3), которое определяется полем, создаваемым спонтанной поляризацией от слоя FE и плотностью заряда интерфейса. E _int ^d был добавлен к компоненту E _ext поверх слоя AO. Весьма примечательно, что внутреннее поле через слой BTO уменьшается, когда E _ext увеличивается в пределах -2.5 МВ см ⁻¹ < E _ext <+2,5 МВ см ⁻¹ , что означает, что в этом случае слой BTO работает как слой NC. Такое уменьшение внутреннего поля слоя BTO компенсируется увеличением внутреннего поля через слой АО, что означает, что может быть получено увеличение емкости. Этот результат очевиден из NC-операции слоев BTO. Также примечательно, что поле над слоем АО чрезвычайно велико даже для довольно маленького E _ext , что значительно влияет на распределение заряда, как будет обсуждаться ниже.

Рис. 3

Распределения потенциала и движущая сила для образования σ _i в системе DE / FE.

( a ) зависимость полного поля от внешнего поля ( E _ext + E _int ) каждого слоя в структуре стека 5 нм-АО / 150 нм BTO. ( b ) полосная диаграмма двухслойного конденсатора Pt / 5 нм-AO / 150 нм-BTO / Pt при приложении потенциала 1,55 В и ( c ) SRO / 25 нм-STO / 50 нм-BTO / SRO двухслойный конденсатор при подаче 0.Потенциал 75 В.

На рисунке 3b показана схематическая диаграмма энергетических зон конденсатора Pt / АО толщиной 5 нм / BTO / Pt толщиной 150 нм, когда E _ext = 100 кВ см ^-1 было применено к общей структуре. ( В _{приложение} = 1,55 В). Из-за NC-эффекта BTO в этом состоянии смещения полоса BTO наклонена в противоположном направлении по отношению к направлению приложенного смещения, что компенсируется очень большим наклоном полосы AO в соответствии с приложенным направлением смещения.Противоположный наклон полосы BTO в области NC происходит потому, что E _ext ^f сверхкомпенсируется E _dep . В этом случае на границе AO / BTO образуется глубокая потенциальная яма, глубина которой больше, чем смещение зоны проводимости на границе Pt / AO. Из-за очень большого наклона полосы АО-слоя, помимо его небольшой толщины (5 нм), должна быть очень высокая вероятность инжекции носителей (скорее всего, туннелирования), как показано боковыми стрелками на рис.3b. Когда происходит такая инжекция носителей, σ _i может полностью или частично компенсировать поляризационный заряд в слое BTO на границе раздела, и E _dep будет уменьшаться. Это означает, что в этом случае эффект NC также может быть уменьшен. Тем не менее, следует отметить, что влияние σ _i на операцию NC уровня BTO зависит от приложения смещения и транспорта носителей через уровень AO, как обсуждается ниже.Приблизительная оценка времени переноса заряда через слой АО толщиной 5 нм с помощью туннелирования Фаулера-Нордхейма для компенсации около 0,2 См ^-2 варьируется от нескольких мкс до нескольких десятков мкс в зависимости от величины напряжения смещения. и другие условия интерфейса. Влияние такого эффекта инжекции носителей будет подробно обсуждаться на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4

Влияние σ _i на двухслойную систему DE / FE.

a ) Диаграммы свободной энергии Ландау и ( b ) функции поляризации-напряжения для структуры стека 5 нм-AO / 150 нм BTO с различными значениями σ _i на интерфейсе DE / FE.

Рисунок 5

Экспериментальная демонстрация модели NC в двухслойной структуре AO / BTO.

( a ) светлопольные ПЭМ-изображения поперечного сечения 5 нм-AO / BTO / SRO / DSO при освещении электронным пучком 200 кВ. На вставке показано ПЭМ-изображение с высоким разрешением границы раздела AO / BTO ( b ) Петли гистерезиса PV Pt / 150 нм-BTO / 100 нм-SrRuO ₃ (символ ромба), Pt / 5 нм-AO / 150 нм-BTO / 100 нм-SrRuO ₃ (символ круга) и конденсаторы Pt / 9 нм-AO / 150 нм-BTO / 100 нм-SrRuO ₃ (квадратный символ).Синие пунктирные и красные штриховые линии представляют смоделированные кривые P-V для 5 нм и 9 нм бислоя AO / BTO, соответственно. Черная линия представляет собой отклик P-V однослойной 5 нм-АО. Область желтого фона соответствует области увеличенной емкости.

Напротив, в случае с STO / BTO, как показано на рис. 3c, все может быть совершенно иначе. Зонная диаграмма рассчитана для структуры SrRuO ₃ (SRO) / STO толщиной 25 нм / BTO / SRO толщиной 50 нм. Из-за нелинейного диэлектрического отклика параэлектрического STO расчет был выполнен с использованием метода самосогласования, основанного на уравнении LGD для STO.Когда E _ext = 100 кВ см ⁻¹ , расчетная E _int ^d слоя STO составила 364 кВ см ⁻¹ , а относительные диэлектрические постоянные Слой STO был рассчитан как 215. Из-за относительно высокой диэлектрической проницаемости STO наклон внутренней полосы слоя STO (~ 0,9 эВ) был намного ниже, чем у слоя AO под идентичным E _{ext Состояние} .Полоса BTO также наклоняется в направлении, противоположном напряжению смещения, что свидетельствует о том, что слой BTO находится в режиме NC. При такой конфигурации зон не ожидается, что туннелирование электронов из SRO в интерфейс DE / FE будет активным, и, таким образом, вероятность наблюдения NC-эффекта от этой структуры будет высокой ⁹ .

Это введение носителей не обязательно соответствует полному устранению эффекта NC, пока значение σ _i остается неизменным во время последующего приложения смещения.Здесь кривые UP и PV ранее упомянутой структуры AO / BTO были снова сформулированы на основе уравнения (6) в предположении, что σ _i , присутствующее на границе AO / BTO, равно −0,2, −0,1, 0, 0,1 и 0,2 C · m ⁻² , которые оставались неизменными на протяжении всего приложения напряжения. Результаты представлены на рис. 4а, б. Как можно понять из фиг. 4а, структура показывает определенные значения моностабильной поляризации, соответствующие минимальной энергии, с различными значениями σ _i .На рисунке 4b показано, что кривые P-V не являются гистерезисными из-за моностабильной конфигурации поляризации в этих условиях, и увеличение емкости может быть достигнуто во всех случаях. Однако область напряжения для наблюдения за операцией NC (область с крутым наклоном кривой P-V ) изменяется в соответствии со значениями σ _i . Наличие σ _i индуцировало инвариантное внутреннее поле внутри структуры и сдвигало отклик P-V вдоль направления напряжения.Следовательно, NC-эффект достигается при смещении V (или E _ext ) без гистерезисного режима переключения P-V в соответствии с этим эффектом внутреннего поля. Качественно это можно понять как то, что инвариант σ _i стабилизирует только один из двух возможных P _s слоя BTO, и этот стабилизированный P _s равномерно уменьшается, делая слой BTO находится в области NC, когда смещение, полярность которого противоположна этой стабилизированной P _s , приложено к структуре AO / BTO.Тем не менее, как обсуждалось ранее, изменение σ _i вместе с изменением полярности смещения в значительной степени снижает количество извлекаемого заряда на этапе разрядки, препятствуя эффекту NC. Экспериментальное доказательство такой фрустрации NC демонстрируется в следующем разделе.

Экспериментальное исследование эффектов NC в AO / BTO

Для исследования эффектов NC в двухслойной структуре DE / FE были изготовлены двухслойные тонкопленочные конденсаторы AO / BTO. На рисунке 5а показано изображение поперечного сечения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с малым увеличением АО толщиной 5 нм, выращенного методом осаждения атомного слоя (ALD) / BTO толщиной 150 нм, выращенного методом импульсного лазерного осаждения (PLD) на дне SRO. электрод.На врезке показано изображение TEM (ПЭМ) высокого разрешения области интерфейса AO / BTO, демонстрирующее очень четкую и четко определенную структуру интерфейса. По этому изображению HRTEM параметр решетки вдоль оси c (перпендикулярно поверхности пленки) был определен как ~ 0,408 нм, что соответствует деформации несоответствия в плоскости ~ -1,2% с нижним слоем SRO. Более подробную структурную характеристику этой двухслойной структуры можно наблюдать в онлайн-SI.

На рисунке 5b показаны экспериментальные кривые PV для однослойной пленки BTO с верхним электродом из Pt (символ ромба) и двухслойной пленки AO / BTO с двумя разными толщинами AO (символ круга для 5 нм и квадратный символ для 9 нм). .Сильный сдвиг кривой P-V однослойного BTO в сторону положительного смещения обусловлен несоответствием работы выхода между Pt и SRO-электродами с возможным вкладом эпитаксиальной деформации. В отличие от результатов расчета, показанных на рис. 4b, кривая P-V для бислоя AO / BTO демонстрирует четкое появление (искаженной) кривой гистерезиса для двух толщин AO. Это явление можно понять из следующего расчета. Из уравнения (6) можно смоделировать кривую P-V этой системы.Из-за эпитаксиальной деформации было принято модифицированное уравнение LGD для правильного описания взаимосвязи UP в виде уравнения (8), которое учитывает ферроупругие энергетические составляющие ³⁴ ,

где, и Q ₁₂ , δ _с , с ₁₁₊ с ₁₂ , равны −0,034 м ⁴ C ^{−2 34} , −0,012 и 6,4 × 10 ⁻¹² м ² N ^{— 1 35} соответственно.Верхняя и нижняя ветви петли гистерезиса PV были подогнаны с использованием вышеупомянутых формализмов в предположении, что интерфейс AO / BTO содержит значения σ _i 0,080 (0,128) C · м ⁻² и −0,120 (−0,155). ) C m ^-2 для толщины АО 5 нм (9 нм), и результаты представлены штрихпунктирными линиями на рис. 5b. Моделирование хорошо соответствует экспериментальной кривой PV в области напряжений ~ -1 В-10 В для верхней ветви и -10 В-1 В для нижней ветви, что означает, что σ _i практически не изменились. в каждой области напряжения.Значительное рассогласование за пределами этих областей напряжения и переход между двумя ветвями можно понять по вариациям σ _i в зависимости от приложения напряжения смещения. Например, кривая P-V нижней ветви соответствует случаю, когда отрицательное σ _i (-0,120 См ^-2 ) стабилизируется в основном в области отрицательного смещения. Однако по мере того, как напряжение увеличивается в области положительного смещения, σ _i изменяется на положительное значение, скорее всего, из-за туннелирования через тонкий слой АО (обозначено зеленой стрелкой вверх на рисунке).В результате, когда напряжение смещения достигает +10 В, оно становится 0,080 Км ^-2 . При уменьшении напряжения смещения этот положительный интерфейсный заряд, по-видимому, сохраняется до ~ -1 В, но возвращается к отрицательному значению также в результате другого процесса туннелирования (обозначенного на рисунке зелеными стрелками вниз). По сравнению с кривой PV однослойной АО (обозначенной черной линией на рисунке), кривые PV для бислоя 5 нм-АО / ВТО показали более высокий наклон, особенно в области P с желтым фоном. , что свидетельствует о том, что емкость двойного слоя выше, чем у однослойного АО.Это соответствует NC-операции слоя BTO.

Тем не менее, последовательное изменение σ _i , происходящее в этой области, делает невозможным наблюдение желаемого NC-эффекта в структуре AO / BTO. Увеличение емкости могло бы быть достигнуто, если бы процесс зарядки-разрядки следовал траектории (негистерезисной) кривой P — V в пределах NC области. Однако изменение σ _i во время приложения высокого напряжения сдвигает кривую P — V из одного положения в другое, делая общую форму кривой P-V гистерезисной, подобной сегнетоэлектрику.Это означает, что неотъемлемая часть накопленных зарядов во время этапа зарядки осталась в двухслойном конденсаторе в виде остаточной поляризации, а также межфазного заряда с противоположным знаком во время этапа разрядки. Следует отметить, что в значительной степени накопленный заряд должен самопроизвольно разряжаться с уменьшением напряжения, когда емкость увеличивалась за счет NC-эффекта слоя FE внутри двойного слоя DE / FE, чего не было в этом образце AO / BTO. Туннелирование через слой АО можно легко предвидеть из очень сильного поля, когда слой BTO работает в режиме NC (рис.4б). Диапазон времени для оценки P при каждом значении V во время достижения цикла P-V составлял 100 μ с . Эта постоянная времени достаточно велика, чтобы вызвать достаточный перенос заряда через АО-слой, который частично компенсирует переключение поляризации. Можно также отметить, что плотность захваченного заряда все еще была ниже, чем значение P _s однослойного BTO, предполагая, что индуцированные заряды на металлических электродах были частично ответственны за стабилизацию связанных зарядов сегнетоэлектрика.

В заключение, эффект увеличения емкости в системе DE / FE за счет NC-эффекта слоя FE, который первоначально был предложен Khan ⁸ , может быть реализован при определенных ограниченных условиях, таких как отсутствие образования полидоменов FE. и хороший баланс между толщиной и параметрами материала слоев DE и FE, пока общая емкость находится в положительном режиме. Однако в первоначальных исследованиях были приняты некоторые проблемные допущения, которые привели к противоречивому результату расчета системы DE / FE (подробности см. В интерактивной SI).Кроме того, когда используется слой DE с низкой диэлектрической проницаемостью, его формула LGD обычно не известна, что делает маловероятным применение предыдущего формализма (модель Ландау-Халатникова) ⁸ для вычисления полной свободной энергии в таких случаях. Поэтому в этой работе была предложена альтернативная модель, которая могла бы рассчитать емкость в системе DE / FE на основе общей теории эффекта деполяризации ^{14,15,16,17,18} слоя FE, когда связанный заряд FE не компенсируется хорошо.Такой подход более точно объясняет экспериментальные результаты. Модель также была адаптирована для случая, когда интерфейс DE / FE имел захваченные заряды, которые могли (частично) компенсировать P _s слоя FE. Захват заряда мог быть вызван туннелированием через тонкий слой DE во время NC-операции слоя FE, что увеличивало потенциал, приложенный к слою DE. Межфазная зарядка оказалась почти неизбежной, когда был выбран слой DE с низкой диэлектрической проницаемостью, такой как AO, толщина которого должна быть очень тонкой, чтобы соответствовать абсолютным значениям емкости слоев DE и FE.Захваченные заряды стабилизируют одну из двух P _s слоя FE, что могло вызвать появление NC-эффекта от BTO-слоя в AO / BTO-бислое во время последующего приложения напряжения с противоположными полярность смещения. Однако, когда слой FE попадает в область NC, происходит значительное изменение захваченного заряда, что приводит к стабилизации противоположного P _s . Таким образом, достигается гистерезисная петля P-V типа FE, большая часть накопленных зарядов во время приложения напряжения сохраняется, поскольку остаточная поляризация и инжектированные заряды в конденсаторе высвобождаются во время последующего напряжения.Это вредно для использования конденсатора AO / BTO в качестве конденсатора с чрезвычайно высокой емкостью. Также возможно, что некоторые другие факторы, которые не были рассмотрены в этой работе, могут способствовать детальному поведению P-V структуры AO / BTO. Однако модель динамически изменяющегося межфазного заряда может дать разумное объяснение экспериментальным результатам. Измерение импульсного типа предоставит другие подробности о кинетике переключения, о которых будет сообщено в другом месте.Было также выяснено, что даже когда положительно бесконечная емкость реализуется за счет идеального согласования между PC DE и NC FE, общая плотность возбужденного заряда не может быть выше 2 P _s слоя FE. . Это связано с тем, что по мере увеличения емкости диапазон напряжений для увеличенной емкости уменьшается обратно пропорционально емкости.

Емкость конденсатора формулы

Емкость конденсатора — это способность конденсатора накапливать электрический заряд на единицу напряжения на своих пластинах конденсатора.Емкость определяется делением электрического заряда на напряжение по формуле C = Q / V. Его единица — Фарад.

Формула

Его формула имеет следующий вид:

C = Q / V

Где C — емкость, Q — напряжение, а V — напряжение. Мы также можем найти заряд Q и напряжение V, переписав приведенную выше формулу как:

Q = CV

В = Q / C

Фарад — единица измерения емкости. Один фарад — это величина емкости, когда один кулон заряда хранится с одним вольт на пластинах.

Большинство конденсаторов, которые используются в электронике, имеют значения емкости, указанные в микрофарадах (мкФ) и пикофарадах (пФ). Микрофарад — это одна миллионная фарада, а пикофарад — одна триллионная фарада.

Какие факторы влияют на емкость конденсатора?

Это зависит от следующих факторов:

Площадь плит

Емкость прямо пропорциональна физическому размеру пластин, определяемому площадью пластины A.Большая площадь пластины дает большую емкость и меньшую емкость. На рисунке (а) показано, что площадь пластины конденсатора с параллельными пластинами равна площади одной из пластин. Если пластины перемещаются относительно друг друга, как показано на рис (b), площадь перекрытия определяет эффективную площадь пластины. Это изменение эффективной площади пластины является основным для определенного типа переменного конденсатора.

Пластины разделительные

`Емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.Разделение пластин обозначено буквой d, как показано на рис. (А). Чем больше разделение пластин, тем меньше емкость, как показано на рис. (B). Как обсуждалось ранее, напряжение пробоя прямо пропорционально расстоянию между пластинами. Чем дальше разделены пластины, тем больше напряжения пробоя .

Диэлектрическая проницаемость материала

Как известно, изоляционный материал между пластинами конденсатора называется диэлектриком. Диэлектрические материалы имеют тенденцию уменьшать напряжение между пластинами при заданном заряде и, таким образом, увеличивать емкость.Если напряжение фиксировано, из-за наличия диэлектрика может храниться больше заряда, чем может храниться без диэлектрика. Мера способности материала создавать электрическое поле называется диэлектрической постоянной или относительной диэлектрической проницаемостью, обозначаемой как? _r .

Емкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость вакуума определяется как 1, а диэлектрическая проницаемость воздуха очень близка к 1. Эти значения используются в качестве справочных, а для всех других материалов значения ∈r указаны по отношению к таковым для вакуума или воздуха.Например, материал с εr = 8 может иметь емкость в восемь раз большую, чем у воздуха, при прочих равных условиях.

Диэлектрическая проницаемость ∈r безразмерна, поскольку является относительной мерой. Это отношение абсолютной диэлектрической проницаемости материала, ∈r, к абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума, ∈ ₀ , выраженное следующей формулой:

∈ _r = ∈ / ∈ ₀

Ниже приведены некоторые общие диэлектрические материалы и типичные диэлектрические постоянные для каждого из них.Значения могут варьироваться, потому что они зависят от конкретного состава материала.

Материал Стандартные значения ∈r

• Воздух 1.0
• Тефлон 2.0
• Бумага 2.5
• Масло 4.0
• Слюда 5,0
• Стекло 7,5
• Керамика 1200

Диэлектрическая проницаемость ∈r безразмерна, поскольку является относительной мерой.Это отношение абсолютной диэлектрической проницаемости материала, ∈r, к абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума, ∈0, которое выражается следующей формулой:

∈r = ∈ / ∈0

Значение ∈0 составляет 8,85 × 10-12 Ф / м.

Формула емкости по физическим параметрам

Вы видели, как емкость напрямую связана с площадью пластины, A, и диэлектрической проницаемостью, ∈r, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами, d. Точная формула для расчета емкости по этим трем величинам:

C = A ∈ _r ∈ / d

где ∈ = ∈ _r ∈ ₀ = ∈r (8.85 × 10-12Ф / м)

Емкость параллельного вывода конденсатора

Рассмотрим конденсатор с параллельными пластинами. Размер пластины большой, а расстояние между пластинами очень маленькое, поэтому электрическое поле между пластинами однородно.

Электрическое поле «E» между конденсаторами с параллельными пластинами составляет:

Емкость цилиндрических конденсаторов физика

Рассмотрим цилиндрический конденсатор длиной L, образованный двумя коаксиальными цилиндрами радиусами «a» и «b».Предположим, что L >> b, такое, что на концах цилиндров нет окаймляющего поля.

Пусть «q» — это заряд конденсатора, а «V» — это разность потенциалов между пластинами. Внутренний цилиндр заряжен положительно, а внешний цилиндр — отрицательно. Мы хотим узнать выражение емкости для цилиндрического конденсатора. Для этого мы рассматриваем цилиндрическую гауссовскую поверхность радиуса «r», такую ​​что a << b.

Если «E» — напряженность электрического поля в любой точке цилиндрической гауссовой поверхности, то по закону Гаусса:

Если «V» — разность потенциалов между пластинами, то

Это соотношение для емкости цилиндрического конденсатора.

Емкость сферического конденсатора

Емкость изолированного сферического конденсатора

Внешний источник
https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitance

Информация об оценке емкости суперконденсаторов на углеродной основе

Материалы на основе углерода широко используются в качестве активного компонента конденсаторов с двойным электрическим слоем (EDLC) в системах накопления энергии с высокой удельной мощностью.В большинстве представленных вычислительных исследований изучались электрохимические свойства в условиях равновесия, что ограничивало прямое и практическое использование результатов для проектирования электрохимических энергетических систем. В настоящем исследовании впервые экспериментальные данные из более чем 300 опубликованных статей были извлечены и затем проанализированы с помощью оптимизированной машины векторов поддержки (SVM) с помощью алгоритма оптимизации серого волка (GWO) для получения корреляции между углеродом и углеродом. основанные на структурных особенностях и характеристиках EDLC.Несколько структурных особенностей, включая расчетный размер пор, удельную поверхность, уровень легирования азотом, соотношение I _D / I _G и окно приложенного потенциала были выбраны в качестве входных переменных для определения их влияние на соответствующие емкости. Анализ чувствительности, который был выполнен в данном исследовании только для аппроксимации емкости EDLC, показал, что удельная поверхность суперконденсаторов на основе углерода имеет наибольшее влияние на соответствующую емкость.Предложенный SVM-GWO со значением R ² , равным 0,92, показал большую точность, чем все другие предложенные модели машинного обучения (ML), используемые для этой цели.

Эта статья в открытом доступе

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Лаборатория 4 — Зарядка и разрядка конденсатора

Введение

Конденсаторы — это устройства, которые могут накапливать электрический заряд и энергию.Конденсаторы имеют несколько применений, например, в качестве фильтров в источниках питания постоянного тока и в качестве аккумуляторов энергии для импульсных лазеров. Конденсаторы пропускают переменный ток, но не постоянный, поэтому они используются для блокировки постоянной составляющей сигнала, чтобы можно было измерить переменную составляющую. Физика плазмы использует способность конденсаторов накапливать энергию. В физике плазмы часто требуются короткие импульсы энергии при чрезвычайно высоких напряжениях и токах. Конденсатор можно медленно заряжать до необходимого напряжения, а затем быстро разряжать для обеспечения необходимой энергии.Можно даже зарядить несколько конденсаторов до определенного напряжения, а затем разрядить их таким образом, чтобы получить от системы большее напряжение (но не больше энергии), чем было вложено. В этом эксперименте используется схема RC , которая является одной из простейших схем, в которой используется конденсатор. Вы изучите эту схему и способы изменения ее эффективной емкости, комбинируя конденсаторы последовательно и параллельно.

Обсуждение принципов

Конденсатор состоит из двух проводов, разделенных небольшим расстоянием.Когда проводники подключены к зарядному устройству (например, к батарее), заряд передается от одного проводника к другому до тех пор, пока разность потенциалов между проводниками из-за их равного, но противоположного заряда не станет равной разности потенциалов между клеммами. зарядного устройства. Количество заряда, накопленного на любом из проводников, прямо пропорционально напряжению, а константа пропорциональности известна как емкость . Это записывается алгебраически как Заряд C измеряется в единицах кулонов (C), напряжение

ΔV

в вольт (В) и емкость C в единицах фарад (F). Конденсаторы — физические устройства; Емкость — это свойство устройств.

Зарядка и разрядка

В простой RC-цепи резистор и конденсатор соединены последовательно с батареей и переключателем. См. Рис.1.

Рисунок 1 : Простая RC-цепь

Когда переключатель находится в положении 1, как показано на рис. 1 (а), заряд на проводниках через некоторое время достигает максимального значения. Когда переключатель переведен в положение 2, как на рис.1 (b), аккумулятор больше не является частью цепи и, следовательно, заряд конденсатора не может быть восполнен. В результате конденсатор разряжается через резистор. Если мы хотим исследовать зарядку и разрядку конденсатора, нас интересует, что происходит сразу после того, как переключатель перемещается в положение 1 или положение 2, а не дальнейшее поведение схемы в ее установившемся состоянии. Для схемы, показанной на рис. 1 (а), уравнение петли Кирхгофа можно записать как Решение уравнения.(2) является

(3)

Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} где

Q _f

представляет собой окончательный заряд на конденсаторе, который накапливается через бесконечный промежуток времени, R — сопротивление цепи, а C — емкость конденсатора. Из этого выражения вы можете видеть, что заряд растет экспоненциально во время процесса зарядки.См. Рис. 2 (а). Когда переключатель перемещается в положение 2, для схемы, показанной на рис. 1 (b), уравнение петли Кирхгофа теперь имеет вид Решение уравнения. (4) является

(5)

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

где

Q ₀

представляет собой начальный заряд на конденсаторе в начале разряда, т. е. при

t = 0.

Из этого выражения видно, что заряд экспоненциально затухает при разряде конденсатора, и что для полной разрядки требуется бесконечное количество времени.См. Рис. 2 (b).

Рисунок 2 : График изменения в зависимости от времени

Постоянная времени

τ Изделие

RC

(имеющее единицы времени) имеет особое значение; это называется постоянной времени цепи. Постоянная времени — это время, необходимое для повышения заряда зарядного конденсатора до 63% от его конечного значения. Другими словами, когда

t = RC,

(6)

Q = Q _f 1 — e ⁻¹ а также

(7)

1 — е ⁻¹ = 0.632.

Другой способ описать постоянную времени — сказать, что это количество секунд, необходимое для того, чтобы заряд разряда конденсатора упал до 36,8%

(e ⁻¹ = 0,368)

от своего начального значения. Мы можем использовать определение

(I = dQ / dt)

тока через резистор и уравнение. (3) Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} и уравнение. (5)

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

, чтобы получить выражение для тока во время процессов зарядки и разрядки.

(8)

зарядка: I = + I ₀ e ^{−t / RC}

(9)

разгрузка: I = −I ₀ e ^{−t / RC}

где в формуле. (8)

зарядка: I = + I ₀ e ^{−t / RC}

и уравнение. (9)

разряд: I = −I ₀ e ^{−t / RC}

— максимальный ток в цепи в момент времени t = 0. Тогда разность потенциалов на резисторе будет выражена следующим образом.

(10)

зарядка: ΔV = + ΔV _f e ^{−t / RC}

(11)

нагнетание: ΔV = — ΔV ₀ e ^{−t / RC}

Обратите внимание, что во время процесса разряда ток будет течь через резистор в противоположном направлении. Следовательно, I и

ΔV

в уравнении. (9)

разряда: I = −I ₀ e ^{−t / RC}

и уравнение. (11)

разряд: ΔV = — ΔV ₀ e ^{−t / RC}

отрицательны.Это напряжение как функция времени показано на рис.3.

Рисунок 3 : Напряжение на резисторе как функция времени

Полезно описывать зарядку и разрядку в терминах разности потенциалов между проводниками (т.е. «напряжение на конденсаторе»), поскольку напряжение на конденсаторе можно измерить непосредственно в лаборатории. Используя соотношение

Q = C ΔV,

Eq. (3) Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} и уравнение.(5)

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

, которые описывают зарядку и разрядку конденсатора, можно переписать в терминах напряжения. Просто разделите оба уравнения на

C,

, и отношения станут следующими.

(12)

зарядка: ΔV = ΔV _f 1 — e ^{(−t / RC)}

(13)

разгрузка: ΔV = ΔV ₀ e ^{(−t / RC)}

Обратите внимание, что эти два уравнения похожи по форме на формулу.(3) Q = Q _f 1 — e ^{(−t / RC)} и уравнение. 5

Q = Q ₀ e ^{(−t / RC)}

. График зависимости напряжения на конденсаторе от времени показан на рисунке 4 ниже.

Рисунок 4 : Напряжение на конденсаторе как функция времени

Переставив уравнение. (12) зарядка: ΔV = ΔV _f 1 — e ^{(−t / RC)} получаем Возьмите натуральный логарифм (ln) от обеих частей этого выражения и умножьте на –1, чтобы получить

(15)

−ln =.

График зависимости

— ln ((ΔV _f — ΔV) / ΔV _f )

от времени даст прямолинейный график с наклоном 1/ RC . Точно так же для процесса разряда уравнение. 13

разрядка: ΔV = ΔV ₀ e ^{(−t / RC)}

можно переписать, чтобы получить Возьмите натуральный логарифм (ln) от обеих частей этого выражения и умножьте на –1, чтобы получить

(17)

−ln =.

График зависимости

−ln (ΔV) / ΔV ₀ )

от времени даст прямолинейный график с наклоном 1/ RC .

Использование прямоугольной волны для имитации роли коммутатора

В этом эксперименте вместо переключателя мы будем использовать генератор сигналов, который может генерировать периодические волновые формы различной формы, такие как синусоидальная волна, треугольная волна и прямоугольная волна. Также можно регулировать как частоту, так и амплитуду формы волны. Здесь мы будем использовать генератор сигналов для создания изменяющегося во времени напряжения прямоугольной формы на конденсаторе, аналогичного показанному на рис.5.

Рисунок 5 : Прямоугольная волна с периодом Τ

Выходное напряжение генератора сигналов изменяется назад и вперед от постоянного положительного значения до постоянного нуля вольт через равные промежутки времени t . Время

T = 2t

— это период прямоугольной волны. В течение первой половины цикла, когда напряжение положительное, это похоже на то, что переключатель находится в положении 1. Во второй половине цикла, когда напряжение равно нулю, это то же самое, что переключатель находится в положении 2. .Таким образом, прямоугольная волна, представляющая собой напряжение постоянного тока, которое периодически включается и выключается, служит одновременно аккумулятором и переключателем в схеме на рис. Генератор сигналов позволяет выполнять это переключение многократно, и можно оптимизировать сбор данных, регулируя частоту повторения. Эта частота будет зависеть от постоянной времени RC-цепи. Когда время t больше постоянной времени τ RC-цепи, у конденсатора будет достаточно времени для зарядки и разрядки, и напряжение на конденсаторе будет таким, как показано на рис.4.

Цель

В этом эксперименте (смоделированный компьютером) осциллограф будет использоваться для отслеживания разности потенциалов и, следовательно, косвенно заряда конденсатора. Измерения напряжения будут использоваться двумя разными способами для вычисления постоянной времени цепи. Наконец, конденсаторы будут подключены параллельно, чтобы проверить их эквивалентную емкость цепи.

Оборудование

• Печатная плата PASCO
• Сигнальный интерфейс с выходной мощностью
• Соединительные провода
• Программное обеспечение Capstone

Процедура

Распечатайте лист для этой лабораторной работы.Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Настройка RC-цепи

Печатная плата RLC, которую вы будете использовать, среди других элементов состоит из трех резисторов и двух конденсаторов. См. Рис. 6 ниже. Теоретически вы можете использовать разные комбинации резисторов и конденсаторов. В этом эксперименте вы будете использовать резисторы 33 и 100 Ом и два конденсатора.

Рисунок 6 : Печатная плата RLC

1

Подключите крайнюю правую выходную клемму сигнального интерфейса к резистору 33 Ом в точке 2.

2

Чтобы обойти индуктор, подключите провод от точки 8 к точке 9.

3

Подключите точку 6 ко второй выходной клемме сигнального интерфейса, чтобы замкнуть цепь.

4

Подключите пробник напряжения к аналоговому каналу A.

5

Чтобы измерить напряжение на конденсаторе, подключите черный провод датчика напряжения к точке 6, а красный провод — к точке 9. Убедитесь, что земля интерфейса (вывод «-») подключена к той же стороне конденсатора, что и земля генератора сигналов (выход мощности).Подключение вашей схемы должно выглядеть так, как показано на рис.7.

Рисунок 7 : Принципиальная схема

Контрольная точка 1:
Попросите своего технического специалиста проверить соединения вашей цепи.

Процедура A: Постоянная времени контура

В этом эксперименте мы будем использовать компьютер для эмуляции осциллографа.

6

Откройте файл Capstone, связанный с этой лабораторной работой.Отобразится экран, аналогичный показанному на рис. 8.

Рисунок 8 : Начальный экран файла Capstone

7

Настройте генератор сигналов на создание положительной прямоугольной волны, выбрав положительную прямоугольную волну в окне генератора сигналов, как показано на рисунке 9 ниже.

Рисунок 9 : Окно генератора сигналов

8

Если это еще не установлено при открытии файла Capstone, настройте генератор сигналов на создание прямоугольной волны амплитудой 5 В с частотой 20 Гц и установите смещение напряжения на 5 В.

9

Включите генератор сигналов, щелкнув ON в окне генератора сигналов.

10

Для отслеживания сигнала нажмите кнопку START в главном окне. Потребуется отрегулировать шкалы времени и напряжения, чтобы получить кривую сигнала, подобную показанной на рис. 10. Это позволит вам наблюдать, как напряжение на конденсаторе изменяется как функция времени. Для этого установите курсор на любое значение вдоль оси, которую вы хотите увеличить, и переместите курсор влево-вправо или вверх-вниз по мере необходимости.При правильном увеличении у вас будет только одна длина волны на графике, как на кривой на рис.10.

Рисунок 10 : Кривая сигнала

Если в любой момент вы захотите удалить записанный набор данных, нажмите кнопку Удалить последний прогон под графиком.

11

Нажмите кнопку Показать координаты из кнопок над графиком. См. Рис.11.

Рисунок 11 : Показать координаты

Когда активна функция отображения координат, показания напряжения и времени отображаются, куда бы вы их ни перетащили, как на рис.11. Используя этот инструмент, определите и запишите время начала (то есть, когда кривая начиналась от 0 вольт) на рабочем листе.

12

Вычислите 63,2% максимального напряжения,

ΔV _f ,

(которое должно быть 5 В), настройку амплитуды генератора сигналов. Используя Показать координаты , определите и запишите время начала (то есть, когда кривая начиналась вверх с 0 вольт) на рабочем листе.

13

Из этих двух значений времени определите и запишите время, необходимое для перехода сигнала от Δ V = 0 к Δ V = 0.632

ΔV _f .

Это ваше экспериментальное значение для RC .

14

В рабочем листе введите принятые значения сопротивления и емкости, которые напечатаны на печатной плате.

15

Вычислите экспериментальное значение емкости, используя свое экспериментальное значение для RC и принятое значение R . Запишите это на листе.

16

Вычислите ошибку в процентах, используя два значения емкости.См. Приложение Б.

Контрольная точка 2:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные и расчеты, прежде чем продолжить.

Процедура B: Расчет емкости графическими методами

17

Запишите максимальное напряжение на листе.

18

Из записанных данных найдите с помощью интеллектуального инструмента моменты времени, когда Δ V = 1, 2, 3 и 4 вольта на восходящей части кривой.Запишите эту информацию в таблицу данных 1 на рабочем листе. Примечание : Возможно, вам придется сильно увеличить масштаб, чтобы получить необходимую точность при использовании интеллектуального инструмента.

19

Выполните необходимые вычисления, чтобы заполнить Таблицу данных 1.

20

Используя Excel, постройте график зависимости

−ln ((ΔV _f — ΔV) / ΔV _f )

от времени. См. Приложение G.

21

Используйте параметр линии тренда в Excel, чтобы нарисовать линию, наиболее подходящую для ваших данных, определить наклон линии и записать это значение на листе.См. Приложение H.

22

По значению крутизны определите постоянную времени и емкость. Запишите эти значения на листе.

23

Вычислите ошибку в процентах между этим значением емкости и принятым значением.

Контрольная точка 3:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные, график и расчеты, прежде чем продолжить.

Процедура C: Измерение эффективной емкости

Емкость увеличивается непосредственно при параллельном подключении конденсаторов и обратно при последовательном подключении.Это противоположно правилу для резисторов. Для конденсаторов, подключенных параллельно, эффективная емкость определяется выражением

(18)

C _eff = C ₁ + C ₂ + C ₃ +. . .

а для конденсаторов, включенных последовательно, эффективная емкость равна

24

Подключите второй конденсатор (330 мк Ф) параллельно конденсатору, используемому в процедуре A, подключив провод от точки 6 к точке 7.

25

Переключите резистор на резистор 10 Ом, переместив соединение из точки 2 в точку 1.

26

Запишите другой набор данных, щелкнув START в главном окне. После того, как вы записали второй набор данных, вы можете захотеть отобразить только эти данные на графике и удалить набор данных 1. Для этого удалите первый прогон (см. Примечание к шагу 10). На графике вы будете видеть только одну длину волны.

27

В этой части эксперимента вы будете рассматривать разрядную часть кривой. Теперь начальное напряжение

ΔV ₀

будет наивысшим значением пика перед тем, как график начнет спадать.Запишите это значение на листе.

28

Из записанных данных найдите с помощью интеллектуального инструмента моменты времени, когда Δ V = 1, 2, 3 и 4 вольта на спадающей части кривой. ( Примечание : вам может потребоваться большое увеличение, чтобы получить необходимую точность при использовании интеллектуального инструмента). Запишите эту информацию в Таблицу данных 2 на рабочем листе.

29

Выполните необходимые вычисления, чтобы заполнить Таблицу данных 2.

30

Используя Excel, постройте график зависимости

−ln (ΔV) / ΔV ₀ )

от времени.

31

Используйте параметр линии тренда в Excel, чтобы нарисовать линию, наиболее подходящую для ваших данных, определить наклон линии и записать это значение на листе.

32

По значению наклона определите постоянную времени и запишите это значение в рабочий лист.

33

Вычислите

C _eff ,

— эффективную емкость параллельной комбинации, используя принятое значение для R .

34

Сравните это экспериментальное значение с тем, что вы получили из уравнения.18

C _эфф = C ₁ + C ₂ + C ₃ +. . .

и принятые значения емкости путем вычисления ошибки в процентах между двумя значениями.

Контрольная точка 4:
Попросите своего технического специалиста проверить ваши данные и расчеты, прежде чем продолжить.

Copyright © 2012 Advanced Instructional Systems, Inc. и Государственный университет Северной Каролины | Кредиты

Емкость

• • Что такое емкость?
• • Диэлектрик.
• • диэлектрическая проницаемость.
• • Диэлектрическая прочность и максимальное рабочее напряжение.
• • Расчет заряда конденсатора.

Емкость

Количество энергии, которое может хранить конденсатор, зависит от величины или ЕМКОСТИ конденсатора. Емкость (символ C) измеряется в базовой единице FARAD (символ F). Один фарад — это величина емкости, которая может хранить 1 кулон (6.24 x 10 ¹⁸ электронов) при зарядке до напряжения 1 вольт. Однако Фарада слишком большая единица для использования в электронике, поэтому следующие единицы емкости более полезны.

Дополнительное устройство	Сокращение	Стандартное обозначение
микрофарады	мкФ	х 10 -6
нано Фарады	нФ	х 10 -9
пико Фарадс	пФ	х 10 -12

Однако помните, что при решении проблем, связанных с емкостью, формулы и используемые значения должны быть в основных единицах измерения: фарадах, вольтах и ​​т. Д.Поэтому при вводе значения 0,47 нФ, например, в формулу (или ваш калькулятор), его следует вводить в фарадах, используя версию стандартной формы для инженерных обозначений: 0,47 x 10 ^-9 (Загрузите буклет «Советы по математике», чтобы узнать больше Информация).

Емкость зависит от четырех вещей;

1. Площадь пластин

2. Расстояние между пластинами

3. Тип диэлектрического материала

4. температура

Из этих четырех наименьшее влияние на большинство конденсаторов оказывает температура.Стоимость большинства конденсаторов довольно стабильна в «нормальном» диапазоне температур.

Значения конденсатора могут быть фиксированными или переменными. Большинство переменных конденсаторов имеют очень маленькое значение (несколько десятков или сотен пФ). Значение варьируется в зависимости от:

• • Изменение площади пластин.
• • Изменение толщины диэлектрика.

Емкость (C) ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ПЛОЩАДИ ДВУХ ПЛАСТИН , которые непосредственно перекрываются, чем больше площадь перекрытия, тем больше емкость.

Емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. т.е. если пластины раздвигаются, емкость уменьшается.

Диэлектрик

Электроны на одной пластине конденсатора влияют на электроны на другой пластине, вызывая искажение орбит электронов внутри диэлектрического материала (изолирующего слоя между пластинами). Величина искажения зависит от природы диэлектрического материала и измеряется диэлектрической проницаемостью материала.

Разрешающая способность

Проницаемость указывается для любого конкретного материала как ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ДОПУСТИМОСТЬ, которая является мерой эффективности диэлектрического материала. Это число без единиц, которое указывает, насколько диэлектрическая проницаемость материала больше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха (или вакуума), для которой задана диэлектрическая проницаемость 1 (единица). Например, если диэлектрический материал, такой как слюда, имеет относительную диэлектрическую проницаемость 6, это означает, что конденсатор будет иметь диэлектрическую проницаемость, а значит, и емкость, в шесть раз больше, чем у конденсатора с такими же размерами, но диэлектриком которого является воздух.

Диэлектрическая прочность

Другой важный аспект диэлектрика — ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ. это указывает на способность диэлектрика выдерживать напряжение, приложенное к нему, когда конденсатор заряжен. В идеале диэлектрик должен быть как можно тоньше, чтобы обеспечить максимальную емкость для данного размера компонента. Однако чем тоньше диэлектрический слой, тем легче разрушаются его изоляционные свойства. Таким образом, диэлектрическая прочность определяет максимальное рабочее напряжение конденсатора.

Максимальное рабочее напряжение (VDCwkg max)

При использовании конденсаторов очень важно, чтобы максимальное рабочее напряжение, указанное производителем, не превышалось. В противном случае существует большая опасность внезапного пробоя изоляции внутри конденсатора. Поскольку в это время на конденсаторе существует максимальное напряжение (отсюда и пробой), большие токи будут протекать с реальным риском возгорания или взрыва в некоторых цепях.

Заряд конденсатора.

Заряд (Q) конденсатора зависит от комбинации вышеперечисленных факторов, которые можно представить вместе как емкость (C) и приложенное напряжение (V). Для компонента данной емкости соотношение между напряжением и зарядом является постоянным. Увеличение приложенного напряжения приводит к пропорциональному увеличению заряда. Эта связь может быть выражена формулой;

Q = CV

или

C = Q / V

или

V = Q / C

Где V — приложенное напряжение в вольтах.

C — емкость в Фарадах.

Q — количество заряда в кулонах.

Итак, любое из этих количеств может быть найдено, если известны два других. Формулы можно легко переставить, используя простой треугольник, аналогичный тому, который используется для расчета закона Ома при проведении расчетов резисторов.

Конденсаторы и вычисления | Конденсаторы

Конденсаторы не обладают стабильным «сопротивлением», как проводники. Однако существует определенная математическая зависимость между напряжением и током конденсатора, а именно:

Строчная буква «i» обозначает мгновенный ток, что означает величину тока в определенный момент времени.Это контрастирует с постоянным током или средним током (заглавная буква «I») в течение неопределенного периода времени. Выражение «dv / dt» заимствовано из расчетов, означающее мгновенную скорость изменения напряжения во времени или скорость изменения напряжения (вольт в секунду увеличивается или уменьшается) в определенный момент времени, в тот же конкретный момент в время, в которое отсчитывается мгновенный ток. По какой-то причине для обозначения мгновенного напряжения обычно используется буква v , а не буква e .Однако было бы неправильно вместо этого выразить мгновенную скорость изменения напряжения как «de / dt».

В этом уравнении мы видим нечто новое для нашего опыта работы с электрическими цепями: переменную , время . При связывании величин напряжения, тока и сопротивления с резистором не имеет значения, имеем ли мы дело с измерениями, выполненными в течение неопределенного периода времени (E = IR; V = IR) или в определенный момент времени. время (e = ir; v = ir). Верна та же основная формула, потому что время не имеет отношения к напряжению, току и сопротивлению в таком компоненте, как резистор.

В конденсаторе, однако, время является важной переменной, потому что ток связан с тем, как быстро изменяется напряжение во времени. Чтобы полностью понять это, может потребоваться несколько иллюстраций. Предположим, мы должны были подключить конденсатор к источнику переменного напряжения, состоящему из потенциометра и батареи:

Если механизм потенциометра остается в одном положении (стеклоочиститель неподвижен), вольтметр, подключенный к конденсатору, будет регистрировать постоянное (неизменное) напряжение, а амперметр будет регистрировать 0 ампер.В этом сценарии мгновенная скорость изменения напряжения (dv / dt) равна нулю, потому что напряжение не меняется. Уравнение говорит нам, что при изменении dv / dt на 0 вольт в секунду мгновенные токи (i) должны быть нулевыми. С физической точки зрения, без изменения напряжения, нет необходимости в каком-либо движении электронов для добавления или вычитания заряда с пластин конденсатора, и, следовательно, не будет тока.

Теперь, если стеклоочиститель потенциометра медленно и устойчиво перемещать в направлении «вверх», на конденсатор будет постепенно прикладываться большее напряжение.Таким образом, показание вольтметра будет медленно увеличиваться:

Если мы предположим, что стеклоочиститель потенциометра перемещается так, что скорость увеличения напряжения на конденсаторе является постоянной (например, напряжение увеличивается с постоянной скоростью 2 вольта в секунду), член dv / dt формулы будет фиксированным значением. Согласно уравнению, это фиксированное значение dv / dt, умноженное на емкость конденсатора в Фарадах (также фиксированную), дает фиксированный ток некоторой величины.С физической точки зрения увеличение напряжения на конденсаторе требует увеличения разности зарядов между пластинами. Таким образом, для медленного, устойчивого увеличения напряжения, должна быть медленная, устойчивая скорость накопления заряда в конденсаторе, что равносильно медленному, устойчивому течению тока. В этом сценарии конденсатор заряжается и действует как нагрузка , при этом ток входит в положительную пластину и выходит из отрицательной пластины, поскольку конденсатор накапливает энергию в электрическом поле.

Если потенциометр перемещать в том же направлении, но с большей скоростью, скорость изменения напряжения (dv / dt) будет больше, как и ток конденсатора:

Когда студенты-математики впервые изучают исчисление, они начинают с изучения концепции темпов изменения для различных математических функций. Производная , которая является первым и наиболее элементарным принципом исчисления, является выражением скорости изменения одной переменной в терминах другой.Студенты, изучающие математику, должны усвоить этот принцип при изучении абстрактных уравнений. Вы можете усвоить этот принцип, изучая что-то, что может вас заинтересовать: электрические цепи!

Чтобы выразить эту взаимосвязь между напряжением и током в конденсаторе в расчетных терминах, ток через конденсатор представляет собой производную напряжения на конденсаторе по времени. Или, говоря проще, ток конденсатора прямо пропорционален тому, насколько быстро изменяется напряжение на нем.В этой схеме, где напряжение конденсатора устанавливается положением поворотной ручки на потенциометре, мы можем сказать, что ток конденсатора прямо пропорционален тому, насколько быстро мы поворачиваем ручку.

Если бы мы перемещали стеклоочиститель потенциометра в том же направлении, что и раньше («вверх»), но с разной скоростью, мы получили бы графики, которые выглядели бы следующим образом:

Обратите внимание, что в любой данный момент времени ток конденсатора пропорционален скорости изменения или наклону графика напряжения конденсатора.Когда линия графика напряжения быстро растет (крутой наклон), ток также будет большим. Там, где график напряжения имеет небольшой наклон, ток небольшой. В одном месте графика напряжения, где оно выравнивается (нулевой наклон, представляющий период времени, когда потенциометр не двигался), ток падает до нуля.

Если бы мы переместили стеклоочиститель потенциометра в направлении «вниз», напряжение конденсатора уменьшилось бы, , а не увеличилось бы. Опять же, конденсатор будет реагировать на это изменение напряжения, создавая ток, но на этот раз ток будет в противоположном направлении.Уменьшение напряжения на конденсаторе требует уменьшения разницы зарядов между пластинами конденсатора, и это может произойти только в том случае, если направление тока будет обратным, когда конденсатор будет разряжаться, а не заряжаться. В этом состоянии разряда, когда ток выходит из положительной пластины и входит в отрицательную пластину, конденсатор будет действовать как источник , как батарея, передавая свою накопленную энергию остальной части схемы.

Опять же, величина тока через конденсатор прямо пропорциональна скорости изменения напряжения на нем.Единственная разница между эффектами , уменьшающего напряжение , и , увеличивающего напряжение , заключается в направлении потока тока . При одинаковой скорости изменения напряжения с течением времени, увеличения или уменьшения, величина тока (в амперах) будет одинаковой. Математически убывающая скорость изменения напряжения выражается как отрицательной величиной dv / dt. Следуя формуле i = C (dv / dt), это приведет к тому, что текущая цифра (i) также будет иметь отрицательный знак, указывая направление потока, соответствующее разряду конденсатора.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Емкость и проводимость полупроводниковых гетеропереходов с непрерывным распределением энергии межфазных состояний: Journal of Applied Physics: Vol 80, No. 12

Теоретически изучается электрическая проводимость в полупроводниковых гетеропереходах с интерфейсными состояниями, представляющими непрерывное распределение плотности состояний внутри зазора. Дефектные состояния указаны с их функцией плотности состояний и сечениями захвата для переходов в валентную зону и зону проводимости.Проводимость учитывается при установившемся постоянном напряжении В, и в условиях слабого сигнала переменного тока. Формальные разработки основаны на разрешении уравнения Пуассона и уравнений неразрывности для электронов, дырок и занятых дефектных состояний. Численное интегрирование дает зависящие от положения компоненты постоянного и переменного тока концентраций электронов, дырок, занятых дефектных состояний, а также плотностей тока и скоростей рекомбинации. Для любого значения x получается функция заполнения f _t как функция энергии дефекта E _t и скоростей перехода в валентную зону и зону проводимости.Это позволяет детально анализировать реакцию системы состояний интерфейса на внешнее приложенное напряжение. Основными электрическими характеристиками, полученными при окончательном анализе, являются кривые постоянный ток – напряжение, емкость – частота и емкость – напряжение переменного тока. Этот метод применяется к гетеропереходу InGaAs / InP с интерфейсными функциями DOS, которые либо постоянны внутри зазора, либо имеют гауссову форму с заданным средним значением и стандартным отклонением. Дискретные уровни рассматриваются как частный случай.Кривая I ( V ) имеет коэффициент идеальности n , отличный от единицы, достигая теоретического значения 2 для дискретных состояний средней запрещенной зоны. Сравнение кривых C ( f ) для различных функций DOS позволяет нам показать появление характерных особенностей, зависящих от явного вида функции DOS и отличных от таковых для случая дискретного уровня. Кривые C ( f ), рассчитанные для различных значений приложенного напряжения В, , показывают частоты среза, значения которых увеличиваются с увеличением В .Показано, что это связано с тем, что в динамический отклик системы вовлечены различные дефектные состояния. Низкочастотные кривые C ^-2 ( V ) не являются линейными, как для случая идеального перехода, и существующие структуры, которые коррелируют с наклоном плотности заряда интерфейса, представлены как функция приложенного напряжения V .

No related posts.