Сообщение на тему: конденсаторы. Что такое конденсатор и для чего он нужен

Сейчас многие электрические устройства подразумевают использование конденсаторов разных типов. Они применяются в усилительных, преобразующих и передающих цепях, преобразователях напряжения, в цифровой электронике. Эти приборы выступают залогом нормального функционирования техники, её безопасности для человека. В этой статье рассмотрим, кем и когда были изобретены первые из них, откуда пошло название и что оно означает.

Как появился этот элемент?

В науке есть три версии создания конденсаторов. Они гласят, что он был открыт случайно.

• Первый вариант. Первопроходцем считают голландского ученого Питера ван Мушенбрука. В 1745 году экспериментатор проводил опыт с электрической машиной. По неосторожности он поместил в банку с водой один из электродов. По окончанию работы, он дотронулся до него и получил сильный разряд, после которого потерял сознание и два дня приходил в себя. После чего сообщил французскому научному обществу о наблюдаемом явлении.
• Второй вариант. По другому предположению, голландский ученый изначально пытался зарядить воду в стеклянном сосуде. Поскольку, как и иные представители науки, предполагал, что электричество присутствует во всех живых организмах и предметах в виде жидкости. Он намеренно опустил электрод в банку, а потом взял её в руки и ощутил сильный удар током. Местом проведения опыта был город Лейден, от которого прибор и получил первое название - Лейденская банка - его дал Жан-Антуан Ноле, позже занимавшийся продажей таких изделий.
• Третий вариант. Считается, что в то же время Эвальд Юген фон Клейст - настоятель собора в Померании в Германии, осуществил сходный эксперимент, желая предать полезный заряд святой воде. В своем исследовании он использовал электрическую машину, а вместо электрода у него был гвоздь. После прикосновения к нему ученый ощутил удар. Испытатель поделился своим открытием с немецким научным обществом.

Позже проводилось много опытов по дальнейшему совершенствованию и изучению Лейденских банок. Так из них убрали воду и покрыли металлом для сохранения заряда. Одно время считалось, что электричество накапливается в стекле. Но позже было выяснено, что это не так, и его носителем являются металлические пластины, а стеклянная поверхность выступает в роли диэлектрика.

Пример использования двух лейденских банок в электрофорной машине (генераторе Уимсхёрста)

Конденсатор - возникновение названия, его значение

Первым это обозначение ввел Александро Вольта в 1792 г., которое происходило от итальянского «condensatore». Указывало на возможность устройства сохранять большую плотность электрического заряда, чем изолированный проводник. Но оно не использовалось вплоть до 1920-х годов. Приборы в то время называли «конденсорами», хотя значение до сих пор используется в нескольких странах.

Слово «ёмкость», применяющееся для обозначения номинала конденсаторов, считается данью прошлому, поскольку изначально элемент являлся банкой, обладающей некоторым объемом. А как известно из курса современно физики, чем больше площадь, тем выше хранимый заряд.

Изобретатель : Юрген фон Клейст, Питер ван Мушенбрук
Страна : Голландия
Время изобретения : 1745 г.

Первая половина XVIII века была временем быстрого накопления опытных фактов об явлениях. Именно в это время, например, выяснилось, что существуют два рода электричества. Однако само явление электризации тел, природа электричества оставались совершенно загадочными.

Обычно считалось, что электричество - это особая жидкость, содержащаяся в каждом заряженном теле. А наблюдавшееся уменьшение заряда на телах естественно трактовалось как «испарение» этой электрической жидкости. Столь же естественной была идея попытаться предотвратить такое «испарение», поместив заряженное тело в … , выбрав в качестве заряженного тела воду.

Такой именно опыт поставил в 1745 году настоятель одного из соборов в Померании Юрген фон Клейст (по другим сведениям опыт был поставлен с целью получить заряженную воду, якобы полезную для здоровья). Он наполнил водой бутылку, закрыл ее пробкой, а через ввел в воду металлический стержень (попросту гвоздь).

Присоединив внешний конец стержня к электрической машине, которая в те времена представляла собой вращающийся шар, о который терлась рука экспериментатора, Клейст сообщил воде значительный электрический заряд. И тут случилось непредвиденное.

Взяв одной рукой бутылку, он имел неосторожность прикоснуться другой рукой к выступавшему из пробки концу гвоздя, и при этом ощутил в руках и плечах сильнейший удар, вызвавший онемение мышц. Потрясенный случившимся, он сообщил об этом в письме одному из своих друзей.

По случайному совпадению, почти такой же опыт и почти в то же время был поставлен в голландском городе Лейдене профессором университета Питером ван Мушенбруком. Только вместо толстостенной бутылки Мушенброк воспользовался тонкостенной стеклянной банкой. Зарядив воду и взяв банку в одну руку, он тоже прикоснулся другой рукой к металлическому стержню, служившему для подвода заряда к воде.

При этом Мушенбрук ощутил такой сильный удар в руки, плечи и грудь, что потерял сознание, и два дня приходил в себя. Сообщая об этом «приключении» в письме своему французскому корреспонденту, Мушенбрук добавляет, что не согласился бы повторить опыт, даже если бы ему было обещано французское королевство!

Сначала наблюдения Клейста и Мушенбрука были понятны, как проявления так называемого «живого электричества», поскольку в этих опытах такую важную роль играли руки человека. Но довольно скоро стало ясно, что рука, держащая банку, и заряженная жидкость в ней являются, как мы теперь говорим, обкладками конденсатора и что еще более эффективный прибор получится, если внешнюю и внутреннюю поверхности стенок банки покрыть слоем металла, например, оловянной фольги.

Недавно мы разобрались с , а теперь давайте займемся конденсаторами .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Схема измерения простая: потенциометр R 1 устанавливает напряжение (в нашем случае это 3 вольта), подаваемое на конденсатор, а кнопка S 1 служит для того чтобы подавать его на конденсатор, или не подавать.

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

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

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

Конденсатор как хранитель энергии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Хм.. но если емкость тела это способность накапливать заряд, то она, наверное, весьма различна для положительных и отрицательных зарядов…. Представим себе сферический конденсатор в вакууме… От души зарядим его отрицательно, не жалея электростанций и гигаватт-часов (вот чем хорош мысленный эксперимент!)… но в какой-то момент избыточных электронов станет на этом шаре так много, что они попросту начнут разлетаться по всему вакууму, лишь бы не находиться в такой электроотрицательной тесноте. А вот с положительным зарядом такого не произойдет - электроны, как бы их мало не осталось, никуда из кристаллической решетки конденсатора не улетят.

Что же получается, положительная емкость заведомо намного больше отрицательной? Нет! Потому что электроны там вообще-то были не для нашего баловства, а для соединения атомов, и без сколь-нибудь заметной их доли, кулоновское отталкивание положительных ионов кристаллической решетки мгновенно разнесет в пыль самый бронированный конденсатор:)

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

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

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

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

История конденсаторов начинается вместе с первыми попытками изучения электричества. Я уподобляю их первым шагам авиации, когда люди изготавливали самолёты из дерева и ткани и пытались подпрыгнуть вверх, в воздух, не понимая в аэродинамике достаточно для того, чтобы понять, как остаться наверху. В изучении электричества был похожий период. Ко времени открытия конденсатора наше понимание было настолько примитивным, что считалось, будто электричество представляет собой жидкость, существующую в двух формах – стеклообразной и смолистой. И, как вы увидите дальше, всё поменялось в ранние годы развития конденсаторов.

История берёт начало в 1745 году. В то время электричество можно было создавать только электростатическим генератором. Стеклянный шар вращался со скоростью нескольких сотен оборотов в минуту, а экспериментатор прикасался к нему руками. Накопленное на нём электричество можно было разрядить. Сегодня мы называем этот эффект трибоэлектрическим – , как с его помощью можно запитать LCD-экран.

В 1745-м Эвальд Юрген фон Клейст из Померании (Германия) попробовал хранить электричество в алкоголе, решив, что может перевести электричество по проводнику от генератора в стеклянный медицинский сосуд. Поскольку электричество считалось жидкостью, такой подход выглядел разумным. Он считал, что стекло помешает электрической жидкости убежать из алкоголя. Он делал это примерно так же, как показано на картинке, пропустив гвоздь через пробку и опустив его в алкоголь, держа стеклянную бутылку одной рукой. О важной роли руки он в тот момент не догадывался. Фон Клейст обнаружил, что может получить искру, если прикоснётся к проводу, более мощную, чем если бы он использовал только один генератор.

Он сообщил о своём открытии группе немецких учёных в конце 1745 года, и новости дошли до Лейденского университета в Нидерландах, но по пути были перевраны. В 1746 Питер ван Мушенбрук со своим студентом Андреасом Кунэусом удачно повторил эксперимент, только с водой. Мушенбрук сообщил широкой французской научной общественности о результатах эксперимента. Считается, что Мушенбрук сделал это открытие независимо. Но это было только началом.

Жан-Антуан Ноле (известный также как аббат Ноле), французский экспериментатор, окрестил сосуд Лейденским и продавал его как особый вид бутылей богатым людям, интересовавшимся наукой.

Именно в Лейденском университете обнаружили, что эксперимент работает, только если держать контейнер рукой, а не поддерживать его изолирующим материалом.

Сегодня мы понимаем, что жидкость, контактировавшая со стеклом, работала как одна пластина конденсатора, а рука – как другая, стекло же было диэлектриком. Источником высокого напряжения был генератор, а рука и тело обеспечивали заземление.

Даниэль Гралат, физик и мэр Гданьска (Польша) первым объединил несколько сосудов параллельно, чем увеличил количество хранимого заряда. В 1740-х и 1750-х Бенджамин Франклин на территории, вскоре превратившейся в Соединённые Штаты Америки, также экспериментировал с лейденскими банками и назвал коллекцию из нескольких банок батареей, из-за сходства с батареей орудий.

батарея Лейденских банок

разбираем банку

разобранная банка

Франклин экспериментировал с водой в бутылках и с фольгой, выстилавшей бутылки, и решил, что заряд хранится в стекле, а не в воде. Он работал с разборными лейденскими банками, у которых внешняя и внутренняя фольга снималась со стекла. Позже было доказано, что он неправ. Франклин работал с гигроскопичным стеклом, и когда он убирал фольгу, заряд перемещался через коронный разряд во влагу в стекле. Если использовать ёмкость из твёрдого парафина или закалённого стекла, заряд остаётся на металлических пластинах. Существует ещё один эффект, диэлектрическое поглощение , происходящий из-за диполей в диэлектрике, в результате которого конденсатор сохраняет заряд даже после закорачивания пластин.

Франклин работал с плоскими стеклянными пластинами, с фольгой с обеих сторон, описав конструкцию из нескольких таких конденсаторов в одном из писем.

Примерно в то же время другие эксперименты Франклина показали, что за переноску заряда отвечает лишь одна субстанция, хотя её по-прежнему считали жидкостью – открытию электрона суждено было случиться только в районе 1800 года. Он обнаружил, что в заряженном объекте имеется либо избыток этой «жидкости», либо недостаток. Это опровергло гипотезу о двух видах электричества.

В 1776 году Алессандро Вольта, работая с различными методами измерения электрического потенциала, или напряжения (V) и заряда (Q), открыл, что для заданного объекта V и Q пропорциональны, назвав это “законом ёмкости”. Благодаря этому исследованию единицу напряжения назвали в его честь.

Термин «конденсатор» не использовался до 1920-х. Долгое время их называли конденсорами, и до сих пор называют так в некоторых странах и для некоторых целей [например, у нас – по-английски их зовут «capacitor» от слова «capacity» – «ёмкость» / прим. перев.]. Термин конденсор был предложен Вольтой в 1782 году, и происходил он от итальянского condensatore. Название обозначало возможность устройства хранить большую плотность заряда, чем изолированный проводник.

Аппарат Фарадея

В 1830-х Майкл Фарадей проводил эксперименты, определившие, что материал, находящийся между пластинами конденсатора, влияет на количество заряда, сохраняющегося на пластинах. Он экспериментировал со сферическими конденсаторами – две концентрические металлические сферы, между которыми мог быть воздух, стекло, воск, шеллак (смола) или другие материалы. Используя крутильные весы Кулона , он измерял заряд конденсатора, когда в промежутке между сферами был воздух. Затем, сохраняя напряжение без изменений, он измерял заряд, заполняя промежуток другими материалами. Он обнаружил, что заряд был больше, если вместо воздуха использовались другие материалы. Он назвал это особой индуктивной ёмкостью, и из-за этой его работы единицы ёмкости называют фарадами.

Термин «диэлектрик» впервые был использован в письме от Уильяма Уивела к Фарадею, где он описывал, как Фарадей придумал термин «димагнетик» по аналогии с «диэлекриком», и что наверно нужно было бы использовать термин «диамагнетник», но тогда было бы неудобно использовать термин «диаэлектрик» из-за трёх гласных подряд.

Генератор Уимсхёрста

Лейденские банки и конденсаторы, изготовленные из плоского стекла и фольги, использовались для искровых передатчиков и медицинской электротерапии до конца 18 века. С изобретением радио конденсаторы стали постепенно принимать современный вид, в основном из-за необходимости уменьшения индуктивности, для работы на высоких частотах. Мелкие конденсаторы делали из гибких листов диэлектрика, таких, как промасленная бумага, часто закрученная, с фольгой с двух сторон. История современных конденсаторов описывается отдельным постом.

Интересно, что ранние конденсаторы очень похожи на самоделки, и некоторые действительно делались энтузиастами. Лейденские банки и сейчас используются любителями высоких напряжений, как в этом генераторе Уимсхёрста, напечатанном на 3D-принтере , и как в этом развлечении с "

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от , которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой - станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S - площадь пластин в квадратных метрах, d - расстояние между пластинами в метрах, C - емкость в фарадах, ε - диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или . Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод-лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC - цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки - тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда - разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор - ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый . По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе - изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье - .