электрическая ёмкость – это… Что такое электрическая ёмкость?

(С), величина, характеризующая способность проводника удерживать электрический заряд. Для уединённого проводника С = Q/φ, где Q — заряд проводника, φ — его потенциал. Электрическая ёмкость конденсатора С = Q/(φ₁ – φ₂), где Q — абсолютная величина заряда одной из обкладок, φ₁ – φ₂ — разность потенциалов между обкладками (φ₁>φ₂). Измеряется в системе СГС в см, в СИ — в фарадах.

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ (С), характеристика проводящего тела, мера его способности накапливать электрический заряд (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД).
Когда увеличивается заряд проводника, то прямо пропорционально заряду будет возрастать его потенциал (см. ПОТЕНЦИАЛ (в физике)). Это справедливо для проводников любой геометрической формы. Отношение заряда проводника к его потенциалу не зависит от величины заряда, находящегося на проводнике, и определяются свойствами самого проводника, а также среды, в которой он находится. Характеристикой электрических свойств проводника, определяющей возможность накопления зарядов на данном проводнике, является электрическая емкость С.
Так как заряду q проводника пропорционален потенциал j(отсчитываемый от нулевого уровня на бесконечности), то электрическая емкость С уединенного проводника равна отношению заряда проводника к потенциалу и определяется отношением:
С = q/j.
Таким образом, чем больше электрическая емкость, тем больший заряд может накопить проводник, имеющий данный потенциал.
Численно электрическая емкость С равна заряду q, который необходимо сообщить уединенному телу для изменения его потенциала на единицу.
Единица электроемкости в системе СИ — фарад (см. ФАРАД). 1 Ф — это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В (вольт (

см. ВОЛЬТ)) при сообщении ему заряда 1 Кл (кулон (см. КУЛОН (единица количества электричества))).
В системе единиц СГСЕ электрическая емкость измеряется в сантиметрах.
1 Ф = 9^.10¹¹ см.
Емкость уединенного шара радиусом R, равна:
С = 4p_оR.
Поэтому в системе СГСЕ электрическая емкость проводящего шара в вакууме равна его радиусу. Емкостью 1 Ф обладает шар, радиус которого равен 9^.10⁶км. Если считать Землю уединенным проводником, то ее электрическая емкость составляла бы порядка 0,7мФ.
В общем случае электрическая емкость геометрически подобных проводящих тел пропорциональна их размерам. Емкость зависит от геометрических размеров и формы проводников, взаимного расположения проводников и диэлектрической проницаемости, но не зависит от материала проводника.
Наличие вблизи проводника других тел изменяет его электрическую емкость, так как потенциал проводника зависит и от электрических полей, создаваемых наведенными в окружающих телах зарядами вследствие явления электростатической индукции ( см. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ).
Понятие электрической емкости относится не только к одному проводнику, но и к системе проводников, в частности к системе двух проводников, разделенных тонким слоем диэлектрика — конденсатору электрическому (см. КОНДЕНСАТОР (электрический)). Конденсаторы используют для получения нужных величин электрической емкости в технике. Емкость конденсатора характеризует не отдельную пластину, а систему двух пластин (проводников) в их взаимном расположении друг к другу. Электрическая емкость всегда характеризует систему из двух тел, между которыми установилась разность потенциалов (так как физический смысл имеет только разность потенциалов между двумя точками (см Потенциал электростатический (

см. ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ)). Электроемкость конденсатора (взаимная емкость его обкладок), заряженных соответственно зарядами +q и –q, это физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводниками. Электрическая емкость конденсатора практически не зависит от наличия окружающих тел и может достигать очень большой величины при малых геометрических размерах конденсаторов.
Все элементы и устройства, применяемые в электрических цепях различного назначения (трансформаторы, электронные приборы) также обладают электрической емкостью, влияние которой в некоторых режимах может быть существенным.

Электрическая емкость • Электротехника • Определения единиц • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Электротехника

Электротехника — область технических наук, изучающая получение, распределение, преобразование и использование электрической энергии. Электротехника включает в себя такие области техники как электроэнергетику, электронику, системы управления, обработку сигналов и связь.

Электрическая емкость

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, определяющая его способность накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками или величину емкости ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.

Устройства для накопления заряда и энергии электрического поля, имеющие два вывода и обладающие высоким сопротивлением, используются в электротехнике и электронике и называются конденсаторами. Типичные значения емкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до десятков фарад (ионисторы). В связи с этим фарады часто используется с дольными десятичными приставками (микрофарады, пикофарады и нанофарады) и крайне редко — с кратными приставками. Для измерения емкости применяются мультиметры.

В Международной системе единиц (СИ) ёмкость измеряется в фарадах. В системе СГС в сантиметрах. 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между его обкладками напряжение 1 вольт. 1 фарад — это очень большая емкость. Для сравнения можно сказать, что емкость Земли около 700 микрофарад. В то же время, современные ионисторы, называемые также суперконденсаторами или двухслойными электрохимическими конденсаторами, могут иметь емкость в несколько фарад при рабочем напряжении до десяти вольт.

Использование конвертера «Электрическая емкость»

На этих страницах размещены конвертеры единиц измерения, позволяющие быстро и точно перевести значения из одних единиц в другие, а также из одной системы единиц в другую.

Конвертеры пригодятся инженерам, переводчикам и всем, кто работает с разными единицами измерения.

Пользуйтесь конвертером для преобразования нескольких сотен единиц в 76 категориях или несколько тысяч пар единиц, включая метрические, британские и американские единицы. Вы сможете перевести единицы измерения длины, площади, объема, ускорения, силы, массы, потока, плотности, удельного объема, мощности, давления, напряжения, температуры, времени, момента, скорости, вязкости, электромагнитные и другие.
Примечание. В связи с ограниченной точностью преобразования возможны ошибки округления. В этом конвертере целые числа считаются точными до 15 знаков, а максимальное количество цифр после десятичной запятой или точки равно 10.

Для представления очень больших и очень малых чисел в этом калькуляторе используется компьютерная экспоненциальная запись, являющаяся альтернативной формой нормализованной экспоненциальной (научной) записи, в которой числа записываются в форме a · 10

x. », то есть «…умножить на десять в степени…». Компьютерная экспоненциальная запись широко используется в научных, математических и инженерных расчетах.

Мы работаем над обеспечением точности конвертеров и калькуляторов TranslatorsCafe.com, однако мы не можем гарантировать, что они не содержат ошибок и неточностей. Вся информация предоставляется «как есть», без каких-либо гарантий. Условия.

Если вы заметили неточность в расчётах или ошибку в тексте, или вам необходим другой конвертер для перевода из одной единицы измерения в другую, которого нет на нашем сайте — напишите нам!

Канал Конвертера единиц TranslatorsCafe.com на YouTube

Что такое электрическая емкость и в чем она измеряется

Конденсатор постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Рисунок 2. Схема устройства конденсаторапостоянной емкости

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических (станиолевых) листов с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком, как схематически показано на рисунке 2. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или трубку. Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином.

Рисунок 3. Внешний вид современных конденсаторов постоянной емкости

Определим емкость плоского конденсатора. Возьмем произвольную замкнутую поверхность вокруг одной из пластин конденсатора. Тогда по теореме Гаусса поток вектора напряженности, проходящий через любую замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд, равен:

Предполагая, что поле конденсатора однородно (пренебрегая искажением поля у краев пластин), получаем напряженность электрического поля в конденсаторе:

где d – расстояние между пластинами или толщина диэлектрика. Подставив значение E из формулы (2) в формулу (1), получим:

откуда

Так как

то выражение емкости плоского конденсатора примет вид:

где S – площадь пластин в м²; d – толщина диэлектрика в м; ε – относительная электрическая проницаемость диэлектрика (диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин (обкладок) S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика поставить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Видео об устройстве конденсатора постоянной емкости:

Меры предосторожности

Выше был приведен пример с банкой воды. Там говорилось, что если воды налить больше, то воды выльется. А теперь подумайте, куда могут «вылиться» электроны в конденсаторе? Ведь он запечатан полностью!

Если вы подадите в цепи больше тока, чем тот, на который рассчитан конденсатор, то как только он зарядится, его излишек попытается выйти куда-то. А пространства свободного нет. Результатом будет взрыв. В случае незначительного превышения заряда хлопок будет небольшой. Но если подать колоссальное количество электронов на конденсатор, его просто разорвет, и диэлектрик вытечет.

Будьте аккуратны!

Вычисление с помощью формул

Вычисление номинальной емкости элемента требуется в 2 случаях:

1. Конструкторы электронной аппаратуры рассчитывают параметр при создании схем.
2. Мастера при отсутствии конденсаторов подходящей мощности и емкости используют расчет элемента для подбора из доступных деталей.

RC цепи рассчитывают с применением величины импеданса — комплексного сопротивления (Z). Rа — потери тока на нагревание участников цепи. Ri и Rе — учитывают влияние индуктивности и ёмкости элементов. На выводах резистора в RC цепи напряжение Uр обратно пропорционально Z.

Тепловое сопротивление увеличивает потенциал на нагрузке, а реактивное уменьшает. Работа конденсатора на частотах выше резонансных, когда растет реактивная составляющая комплексного сопротивления, приводит к потерям напряжения.

Частота резонанса обратно пропорциональна способности накапливать заряд. Из формулы для определения Fр вычисляют, какие значения Ск (емкости конденсатора) требуются для работы цепи.

Для расчета импульсных схем используют постоянную времени цепи, определяющую воздействие RC на структуру импульса. Если знают сопротивление цепи и время заряда конденсатора, по формуле постоянной времени вычисляют емкость. На истинность результата влияет человеческий фактор.

Мастера используют параллельные и последовательные соединения конденсаторов. Формулы расчета обратны формулам для резисторов.

Последовательное соединение делает емкость меньше меньшей в соединении элементов, параллельная схема суммирует величины.

Принцип работы конденсатора

Конструкция

На схемах конденсатор обозначается в виде двух параллельных линий, не связанных между собой:

Это соответствует его простейшей конструкции — двум пластинам (обкладкам), разделенным диэлектриком. Фактическое исполнение этого изделия чаще всего представляет собой завернутые в рулон обкладки с прослойкой диэлектрика или иные причудливые формы, но суть остается той же самой.

Емкость конденсатора

Электрическая ёмкость – способность проводника накапливать электрические заряды. Чем больше заряд вмещает проводник при данной разности потенциалов, тем больше ёмкость. Зависимость между зарядом Q и потенциалом φ выражается формулой:

C=Q/φ

где Q заряд в кулонах (Кл), φ потенциал в вольтах (В). −12 Ф/м, электрическая постоянная, а ε диэлектрическая проницаемость среды (табличная величина для каждого вещества).

В реальной жизни нам чаще приходится иметь дело не с одним проводником, а с системами таковых. Так, в обычном плоском конденсаторе емкость будет прямо пропорциональна площади пластин и обратно — расстоянию между ними:

C=εε0S/d

ε здесь — диэлектрическая проницаемость прокладки между пластинами.

Емкость параллельных и последовательных систем

Параллельное соединение емкостей представляет собой один большой конденсатор с тем же слоем диэлектрика и суммарной площадью пластин, поэтому общая емкость системы представляет собой сумму таковых у каждого из элементов. Напряжение при параллельном соединении будет одним и тем же, а заряд распределится между элементами схемы.​

C=C1+C2+C3

Последовательное соединение конденсаторов характеризуется общим зарядом и распределенным напряжением между элементами. Поэтому суммируется не емкость, а обратная ей величина:

1/C=1/С1+1/С2+1/С3

Из формулы емкости одиночного конденсатора можно вывести, что при одинаковых элементах, соединенных последовательно, их можно представить в виде одного большого с той же площадью обкладки, но с суммарной толщиной диэлектрика.

Соединение конденсаторов

Конденсаторы, так же как и сопротивления, можно подключать последовательно и параллельно. Кроме этого, в схемах бывают и смешанные соединения.

Как видите, электроемкость конденсатора в обоих случаях считается по-разному. Это также относится к напряжению и заряду. По формулам видно, что электроемкость конденсатора, вернее, их совокупности в схеме, будет наибольшей при параллельном соединении. При последовательном общая емкость значительно уменьшается.

При подключении последовательно заряд размещается равномерно. Он будет везде одинаков — как суммарный, так и на каждом конденсаторе. А когда соединение параллельное, суммарный заряд складывается

Это важно помнить при решении задач

Напряжение считается наоборот. При последовательном соединении складываем, а при параллельном оно равно везде.

Здесь приходится выбирать: если вам нужно больше напряжения, тогда жертвуем емкостью. Если емкость, то огромного напряжения не будет.

Заряд конденсатора. Ток

По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.

Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания, на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов, на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик, заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора. Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.

В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места. Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным. По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное место на обкладках и ток совсем не прекратится.

Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного» конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием), называют переходным периодом заряда конденсатора.

Эксплуатационные характеристики

Помимо указанных выше емкости, собственной индуктивности и энергоемкости, реальные конденсаторы (а не идеальные) обладают еще рядом свойств, которые нужно учитывать при выборе этого элемента для цепи. К ним относятся:

• номинальное напряжение,
• полярность,
• ток утечки,
• сопротивление материала обкладок,
• диэлектрические потери,
• зависимость емкости от температуры.

Чтобы понять, откуда берутся потери, необходимо разъяснить, что представляют собой графики синусоидальных тока и напряжения в этом элементе. Когда конденсатор заряжен максимально, ток в его обкладках равен нулю. Соответственно, когда ток максимален, напряжение отсутствует. То есть напряжение и ток сдвинуты по фазе на угол 90 градусов. В идеале конденсатор обладает только реактивной мощностью:

Q=UIsin 90

В реальности же обкладки конденсатора обладают собственным сопротивлением, а часть энергии расходуется на нагрев диэлектрика, что обуславливает ее потери. Чаще всего они незначительны, но иногда ими пренебрегать нельзя. Основной характеристикой этого явления служит тангенс угла диэлектрических потерь, представляющий собой отношение активной мощности (даваемой малыми потерями в диэлектрике) и реактивной. Измерить эту величину можно теоретически, представив реальную емкость в виде эквивалентной схемы замещения — параллельной или последовательной.

Определение тангенса угла диэлектрических потерь

При параллельном соединении величина потерь определяется отношением токов:

tgδ = Ir/Ic = 1/(ωCR)

В случае последовательного соединения угол вычисляется соотношением напряжений:

tgδ = Ur/Uc = ωCR

В реальности для замеров tgδ пользуются прибором, собранным по мостовой схеме. Его применяют для диагностики потерь в изоляции у высоковольтного оборудования. С помощью измерительных мостов можно измерять и другие параметры сетей.

Номинальное напряжение

Этот параметр указывается на маркировке. Он показывает предельную величину напряжения, которое может быть подано на обкладки. Превышение номинала может привести к пробою конденсатора и выходу его из строя. Зависит этот параметр от свойств диэлектрика и его толщины.

Полярность

Некоторые конденсаторы имеют полярность, то есть в схему его необходимо подключать строго определенным образом. Связано это с тем, что в качестве одной из обкладок используется какой-либо электролит, а диэлектриком служит оксидная пленка на другом электроде. При изменении полярности электролит просто разрушает пленку и конденсатор перестает работать.

Температурный коэффициент емкости

Он выражается отношением ΔC/CΔT где ΔT изменение температуры окружающей среды. Чаще всего эта зависимость линейна и незначительна, но для конденсаторов, работающих в агрессивных условиях, ТКЕ указывается в виде графика.

Разрушение конденсатора

Выход конденсатора из строя обусловлен двумя основными причинами — пробоем и перегревом. И если в случае пробоя некоторые их виды способны к самовосстановлению, то перегрев со временем приводит к разрушению.

Перегрев обусловлен как внешними причинами (нагреванием соседних элементов схемы), так и внутренними, в частности, последовательным эквивалентным сопротивлением обкладок. В электролитических конденсаторах он приводит к испарению электролита, а в оксиднополупроводниковых — к пробою и химической реакции между танталом и оксидом марганца.

Опасность разрушения в том, что часто оно происходит с вероятностью взрыва корпуса.

Повреждения в конденсаторах

Подумайте, как изменится электроемкость плоского конденсатора, если на нем будут повреждения? Существуют различные сбои, которые могут повлиять на работоспособность конденсаторов.

Например, они рассыхаются или вздуваются. После этого они становятся непригодными для нормальной работы устройства, куда установлены.

Рассмотрим примеры повреждений и выхода из строя конденсаторов. Вздуться могут все сразу.

Иногда из строя выходят только несколько. Такое бывает, когда конденсаторы разных параметров или качества.

Наглядный пример порчи (вздутие, разрыв и выход наружу содержимого).

Если вы увидите вот такие ленты, это крайняя степень повреждения. Хуже и быть не может.

Если вы заметите на устройстве (например на видеокарте в компьютере) такие вздутые конденсаторы, это повод задуматься о замене детали.

Подобные проблемы можно устранить только заменой на аналогичную деталь. У вас должны совпадать все параметры один в один. Иначе работа может быть некорректной или очень кратковременной.

Менять конденсаторы нужно аккуратно, не повредив платы. Выпаивать нужно быстро, не допуская перегрева. Если вы не умеете этого делать, лучше отнесите деталь в ремонт.

Основной причиной разрушения является перегрев, который возникает в случае старения или большого сопротивления в цепи.

Рекомендуется не затягивать с ремонтом. Поскольку у поврежденных конденсаторов изменяется емкость, устройство, где они расположены, будет работать с отклонением от нормы. И со временем это может стать причиной выхода из строя.

Если у вас на видеокарте вздулись конденсаторы, то их своевременная замена может исправить ситуацию. В противном случае может сгореть микросхема или что-то еще. В таком случае ремонт будет стоить очень дорого или вовсе окажется невозможным.

Физика для средней школы

Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора. Соединение конденсаторов

Конденсаторы состоят из двух или более близко расположенных друг к другу проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика (рис. 1), причем толщина слоя диэлектрика между проводниками значительно меньше размеров самих проводников.

Рис. 1

При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников.

Обкладкам конденсатора сообщают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды, что способствует накоплению зарядов, так как разноименные заряды притягиваются и поэтому располагаются на внутренних поверхностях пластин.

Под зарядом конденсатора понимают заряд одной пластины.

Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

Поле плоского конденсатора можно рассматривать как совокупность полей двух бесконечных разноименно заряженных плоскостей (рис. 2, а и б). Напряженность поля (рис. 2, в) можно найти по принципу суперпозиции

— напряженность поля конденсатора, где — поверхностная плотность заряда на обкладках конденсатора.

Рис. 2

Рассчитаем емкость плоского конденсатора.

Обозначим площадь одной обкладки S, расстояние между ними d.

Следовательно, емкость плоского конденсатора

Таким образом, емкость плоского конденсатора зависит от площади обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками конденсатора, но не зависит от материала, из которого эти пластины изготовлены.

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

1. по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;
2. по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;
3. по типу диэлектрика — воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и т.д.

Для получения необходимой емкости конденсаторы соединяют между собой в батареи, применяя при этом параллельное, последовательное и смешанное соединения.

При параллельном соединении конденсаторов одни обкладки всех конденсаторов соединяются в один узел, другие — в другой узел. Общий заряд равен алгебраической сумме зарядов каждой из обкладок отдельных конденсаторов (рис 3):

Рис. 3

Так как соединенные обкладки представляют собой один проводник, то потенциалы всех соединенных в один узел обкладок одинаковы и разность потенциалов между обкладками всех конденсаторов одинакова:

Емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Если параллельно соединяют n одинаковых конденсаторов, то

Рис. 4

Если между обкладками плоского конденсатора находятся два различных диэлектрика, причем первый занимает часть площади S₁ а второй — часть площади S₂ (например, воздушный конденсатор частично погружен в керосин (рис. 4)), то такую систему можно рассматривать как два параллельно соединенных конденсатора. Их общая емкость

Рис. 5

При последовательном соединении конденсаторов (рис. 5) потенциал соединенных между собой обкладок конденсаторов одинаков. Если сообщить одной из обкладок первого конденсатора заряд +q, то у второй обкладки будет заряд -q, у соседней обкладки второго конденсатора заряд +q и т.д. Следовательно,

Напряжение на батарее равно сумме напряжений на всех конденсаторах:

Величина, обратная емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов.

Если последовательно соединены n одинаковых конденсаторов, то

Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе

Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

максимальное рабочее напряжение конденсатора

В технической документации этот параметр чаще всего обозначается, как WV, что с английского Working Voltage (рабочее напряжение), или DC WV – Direct Current Working Voltage – постоянное рабочее напряжение конденсатора.

Здесь есть один нюанс, о котором часто забывают. Дело в том, что на конденсаторе написано именно на какое постоянное напряжение он рассчитан, а не переменное. Если такой конденсатор, как на рисунке выше, с максимальным рабочим напряжением в 50 Вольт вставите в цепь переменного тока с источником питания, который выдает 50 Вольт переменного тока, то ваш конденсатор взорвется. Так как 50 Вольт переменного тока – это действующее напряжение. Его максимальное значение будет 50 × √2 = 70,7 Вольт, что намного больше, чем 50 Вольт.

Принцип работы и назначение

В электрических схемах данные устройства могут использоваться с различными целями, но их основной функцией является сохранение электрического заряда, то есть, конденсатор получает электрический ток, сохраняет его и впоследствии передает в цепь. При подключении конденсатора к электрической сети на электродах конденсатора начинает накапливаться электрический заряд. В начале зарядки конденсатор потребляет наибольшую величину электрического тока, по мере зарядки конденсатора электроток уменьшается и когда емкость конденсатора будет наполнена ток пропадет совсем.

При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам, сам, как бы становится источником питания.

Основная техническая характеристика конденсатора, это емкость. Емкостью называется способность конденсатора накапливать электрический заряд. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда он может накопить и соответственно отдать обратно в электрическую цепь. Емкость конденсатора измеряется в Фарадах. Конденсаторы различаются по конструкции, материалов из которых они изготовлены и области применения. Самый распространенный конденсатор это – конденсатор постоянной емкости.

Конденсаторы постоянной емкости изготавливаются из самых различных материалов и могут быть – металлобумажными, слюдяными, керамическими. Такие конденсаторы как электрокомпонент используются во всех электронных устройствах.

Для увеличения площади обкладок пластины некоторых конденсаторов изготавливают из полосок фольги, разделенных полоской диэлектрика и скрученных в рулон. Увеличить емкость также можно уменьшением толщины диэлектрика между обкладками и применением материалов с большей диэлектрической проницаемостью. Между обкладками конденсаторов располагают твердые, жидкие вещества и газы, в том числе и воздух.

Из формулы очевиден и такой факт: даже при небольших площадях обкладок и на любых расстояниях между обкладками емкость не равна нулю. Два проложенных рядом проводника тоже обладают емкостью. В связи с этим высоковольтная кабельная линия способна накапливать заряд, а на высоких частотах проводники вносят в устройства связи «паразитные» емкости, с которыми приходится бороться.

Конденсаторы небольшой емкости получают на печатных платах, располагая две дорожки напротив друг друга. Каким бы качественным не был диэлектрик в конденсаторе, он все равно имеет сопротивление. Его величина велика, но в заряженном состоянии конденсатора ток между обкладками все равно есть. Это приводит к явлению «саморазряда»: заряженный конденсатор со временем теряет свой заряд. В таблице ниже подробно рассмотрена маркировка и расшифровка конденсаторов по их основным свойствам.

Таблица типовых обозначений и маркировки конденсаторов.

Емкость конденсатора измеряется в Фарадах, 1 фарад – это огромная величина. Такую ёмкость будет иметь металлический шар размеры которого будут превышать размеры нашего солнца в 13 раз. Шар размером в планету Земля будет иметь иметь емкость всего 710 микрофарад. Обычно, емкость конденсаторов которые мы применяем в электротехнических устройствах обзначается в микрофарадах  (mF), пикофарадах  (nF), нанофарадах ( nF).

Следует знать что, 1 микрофарад равен 1000 нанофарад. Соответственно, 0.1 uF равен 100 nF.  Кроме главного параметра, на корпусе элементов отмечается допустимое отклонение реальной ёмкости от указанной и напряжение, на которое рассчитано устройство. При его превышении прибор может выйти из строя. Этих знаний тебе будет вполне достаточно для начала и для того чтобы самостоятельно продолжить изучение конденсаторов и их физических свойств в специальной технической литературе.

Маркировка конденсаторов

Каким бы ни был конденсатор, есть два обязательным параметра, которые должны быть отражены в маркировке — это его емкость и номинальное напряжение.

Помимо этого, на большинстве из них существует цифро-буквенное обозначение его характеристик. В соответствии с российскими стандартами конденсаторы маркируются четырьмя знаками.

Первая буква К означает «конденсатор», следующая цифра — вид диэлектрика, далее следует указатель назначения в виде буквы, последний значок может означать как тип конструкции, так и номер разработки, это уже зависит от завода-изготовителя. Третий пункт часто пропускается. Используется такая маркировка на достаточно крупных изделиях, где ее можно разместить. По ГОСТ расшифровка будет выглядеть так:

Первые буквы:

1. К — конденсатор постоянной емкости.
2. КТ — подстроечник.
3. КП — конденсатор переменной емкости.

Вторая группа — тип диэлектрика:

• 1, 61 вакуум,
• 2, 60 воздух,
• 3 газ,
• 4 твердый,
• 10, 15 керамика,
• 20 кварц,
• 21 стекло,
• 22 стеклокерамика,
• 23 стеклоэмаль,
• 31, 32 слюда,
• 40, 41, 42 бумага,
• 50 алюминиевый электролитический,
• 51 танталовый,
• 52 объемно-пористый,
• 53, 54 оксидные,
• 71 полистирол,
• 72 фторопласт,
• 73 ПЭТ,
• 75 комбинированный,
• 76 лак и пленка,
• 77 поликарбонат.

На маленьких конденсаторах всего этого не разместить, поэтому там применяется сокращенная маркировка, которая с непривычки может даже потребовать калькулятора, а иногда — лупу. В этой маркировке зашифрованы емкость, номинал напряжения и отклонения от основного параметра. Остальные параметры наносить нет смысла: это, как правило, керамические конденсаторы.

Маркировка керамических конденсаторов

Иногда с ними все просто — емкость отмечена числом и единицами: pF — пикофарад, nF — нанофарад, μF микрофарад, mF — миллифарад. То есть, надпись 100nF можно читать прямо. Номинал, соответственно, числом и буквой V. Но иногда не умещается и это, потому применяют сокращения. Так, часто емкость умещается в трех цифрах (103, 109 и т. д.), где последняя означает число нулей, а первые две — емкость в пикофарадах. Если в конце стоит цифра 9, значит, нулей нет, а между первыми двумя ставят запятую. При цифре 8 на конце запятую переносят еще на один знак назад.

Например, обозначение 109 расшифровывается как 1 пикофарад, а 100–10 пикофарад, 681–680 пикофарад, или 0,68 нанофарад, а 104- 100 тыс. пФ или 100нФ

Часто можно встретить первую букву единицы измерения в качестве запятой: p50–0,5 пФ, 1n5–1,5 нФ, 15μ – 15 мкФ, 15m – 15 мФ. Иногда вместо p пишется R.-12 Ф.

На устройствах SMD емкость в пикофарадах обозначает буква, а цифра после нее — степень 10, на которую надо умножить это значение.

буква	C	буква	C	буква	C	буква	C
A	1	J	2,2	S	4,7	a	2,5
B	1,1	K	2,4	T	5,1	b	3,5
C	1,2	L	2,7	U	5,6	d	4
D	1,3	M	3	V	6,2	e	4,5
E	1,5	N	3,3	W	6,8	f	5
F	1,6	P	3,6	X	7,5	m	6
G	1,8	Q	3,9	Y	8,2	n	7
Y	2	R	4,3	Z	9,1	t	8

Номинальное рабочее напряжение таким же образом может маркироваться буквой, если полностью его написать проблематично. В России принят следующий стандарт буквенного обозначения номинала:

буква	V	буква	V
I	1	K	63
R	1,6	L	80
M	2,5	N	100
A	3,2	P	125
C	4	Q	160
B	6,3	Z	200
D	10	W	250
E	16	X	315
F	20	T	350
G	25	Y	400
H	32	U	450
S	40	V	500
J	50

Несмотря на списки и таблицы, лучше все-таки изучить кодировку конкретного производителя — в разных странах они могут отличаться.

К некоторым конденсаторам прилагается более развернутое описание их характеристик.

Емкость конденсатора

Соединение конденсаторов

Во многих случаях, чтобы создать нужную электроемкость, конденсаторы соединяют в группу, которая называется батареей.

Последовательным называют такое соединение конденсаторов, при котором отрицательно заряженная обкладка предварительного конденсатора соединена с положительно заряженной обкладкой следующего. В случае последовательного соединения на всех обкладках конденсаторов будут одинаковые по модулю заряды, соответственно одинаковыми будут и потенциалы обкладок, соединенных между собой проводниками.

Учтя это, выведем формулу для вычисления электроемкости батареи последовательно соединенных конденсаторов. Напряжение на батарее U _бы равна сумме напряжений на последовательно соединенных конденсаторах, действительно (φ ₁ — φ ₂ ) + (φ ₂ — φ ₃ ) + … + (φ _n -1 — φ _n ) = φ ₁ — φ _n или U ₁ + U ₂ + … + U _n = U _бы . Использовав соотношение q = CU, получим

Сократив на q, получим

Следовательно, для последовательного соединение электроемкость батареи меньше наименьшей из электроемкости отдельных конденсаторов.

Параллельным называется соединение конденсаторов, при котором все положительно заряженные обкладки присоединены к одному проводнику, а отрицательно заряженные — к другому. В этом случае напряжения на всех конденсаторах одинаковы и равны U, а заряд на батареи равна сумме зарядов на отдельных конденсаторах, q _б = q ₁ + q ₂ + … + q _n , откуда C _бы U = C ₁ U + C ₂ U + … + C _n U. После сокращения получаем формулу для вычисления электроемкости батареи параллельно соединенных конденсаторов, С _б = C ₁ + C ₂ + … + C _n. Для параллельного соединения электроемкость батареи больше, чем самая большая из электроемкости отдельных конденсаторов (равна сумме емкостей всех конденсаторов).

Энергия заряженного конденсатора. Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно выполнить работу, затрачиваемое на разделение положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии, эта работа равна энергии конденсатора A = W _эл .

Как известно, работа сил электрического поля по перемещению заряда на определенное расстояние равно A = qU, если напряжение постоянное (U = const). В случае подзарядки конденсатора напряжение на его обкладках растет от нуля до U, и, вычисляя работу поля, в этом случае нужно использовать ее среднее значение

соответственно энергия заряженного конденсатора

Поскольку q = CU, то получим еще две формулы для вычисления энергии конденсатора:

Разряд конденсатора

После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R. Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания. Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны, накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами, двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.

В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки. Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.

Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда, напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.

Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше времени потребует процесс зарядки/разрядки ( ток определяется как количество заряда, прошедшего по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.

Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу ? (тау). За один ? конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять ? конденсатор заряжается или разряжается полностью.

Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В. Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:

Электрическая ёмкость некоторых систем

Вычисление электрической ёмкости системы требует решение Уравнения Лапласа ∇2φ = 0 с постоянным потенциалом φ на поверхности проводников.
Это тривиально в случаях с высокой симметрией. Нет никакого решения в терминах элементарных функций в более сложных случаях.

В квазидвумерных случаях аналитические функции отображают одну ситуацию на другую, электрическая ёмкость не изменяется при таких отображениях. См.{3}}}\right)\right\}} a: Радиус проволокиl: ДлинаΛ: ln(l/a) Оцените статью:

Определение электрической емкости конденсатора

Цель работы: изучить понятия о электрической емкости и емкостном сопротивле-

нии конденсатора, определить емкости отдельных конденсаторов и

емкость батареи последовательно и параллельно соединенных кон-

денсаторов.

Приборы и принадлежности: два конденсатора, амперметр, вольтметр, реостат, со-

единительные провода.

Теория работы

Конденсатором называется устройство, обладающее способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать и отдавать значительные по величине электрические заряды. Конденсаторы применяются в электрических цепях (сосредоточенные емкости), в импульсных генераторах напряжения, в электроэнергетике (компенсаторы реактивной мощности), в измерительных целях (измерительные конденсаторы и емкостные датчики).

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком или вакуумом, толщина которого намного меньше линейных размеров проводников.

Основной характеристикой конденсатора является его емкость, под которой понимается электрическая емкость между обкладками конденсатора. Емкость конденсатора численно равна заряду q, приходящемуся на единицу разности потенциалов j₁-j₂ между обкладками:

. (1)

Единицей измерения емкости в системе СИ является фарад (Ф). Это емкость такого проводника, потенциал которого изменяется на один вольт при изменении заряда на нем в один кулон:

.

1 фарад – очень большая величина, поэтому в практике для измерения емкости применяются дольные единицы: микрофарад (1 мкФ = 10^-6 Ф) и пикофарад(1 пФ =

= 10^-12 Ф). На электрических схемах конденсатор условно обозначается буквой С.

Емкость конденсатора определяется его геометрией (формой и размерами обкладок, величиной зазора между ними), а также диэлектрическими свойствами среды, заполняющей пространство между обкладками. В зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские (проводники в виде двух плоских параллельных пластин), цилиндрические (два коаксиальных цилиндра) и сферические (две концентрические сферы).

Емкость плоского конденсатора равна

, (2)

где e₀ =8,85×10^-12 – электрическая постоянная; e – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь обкладок; d – расстояние между обкладками.

а)

При последовательном соединении n конденсаторов (рис. 1 а) их общая емкость определяется из выражения   . (3)

б) Рис. 1

При параллельном соединении n конденсаторов (рис. 1 б) их общая емкость равна   С= С1+ С2+…+ Сn. (4)   В формулах (3), (4) С1, С2,…, Сn – емкости отдельных конденсаторов. Если конденсатор включен в цепь постоянного тока, то в стационарном (установившемся) режиме ток в ветви с конденсатором отсутствует, поскольку диэлектрик между пластинами конденсатора не имеет свободных носителей заряда; конденсатор представляет собой разрыв цепи. При включении конденсатора в цепь переменного тока изменяется во времени заряд и потенциал обкладок конденсатора. Мгновенное значение тока в конден-

саторе равно скорости изменения заряда q на обкладках конденсатора:

(5)

При увеличении тока конденсатор заряжается, при уменьшении – разряжается. Цепь переменного тока конденсатор не разрывает: попеременно заряжаясь и разряжаясь, он обеспечивает движение носителей заряда (электрический ток) во внешней электрической цепи.

При увеличении тока растет заряд конденсатора, и в нем накапливается энергия W_э, локализованная в электрическом поле Е,занимающем объем V между обкладками конденсатора:

, (6)

где U = j₁-j₂ – напряжение или разность потенциалов между обкладками конденсатора.

При уменьшении тока уменьшается заряд конденсатора, и накопленная энергия W_э возвращается к источнику переменного тока.

Таким образом, в цепи переменного синусоидального тока конденсатор без потерь то потребляет энергию от источника, то отдает ее обратно источнику, т.е. за период не потребляет энергии тока, но определяет величину этого тока, оказывая сопротивление его протеканию. Такое сопротивление переменному току, при котором не потребляется энергия этого тока, называется реактивным. Для цепи с конденсатором, обладающей только емкостью (рис. 2 а), реактивное сопротивление является емкостным сопротивлением и равно

, (7)

где w = 2pf – круговая (циклическая) частота переменного синусоидального тока; f- частота переменного тока.

Рис. 2

Подключим конденсатор к источнику переменного напряжения, изменяющегося по синусоидальному закону

u=U_m sin wt, (8)

где u – мгновенное значение напряжения в момент времени t; U_m – максимальное (амплитудное) значение напряжения; wt – фаза.Через конденсатор потечет переменный ток этой же частоты w:

(9)

где амплитуда тока I_m =CwU_m. Таким образом, ток будет опережать напряжение на четверть периода (начальная фаза ).

На рис. 2 б показана волновая диаграмма, а на рис. 2 в – векторная диаграмма, иллюстрирующие опережение током напряжения по фазе на величину φ₀= 90⁰, вызываемое наличием в цепи переменного тока емкости С.

Под векторной диаграммой понимается диаграмма, изображающая совокупность векторов, построенная с соблюдением их взаимной ориентации по фазе. Длина каждого вектора равна амплитуде колебания, а направление вектора образует с некоторой осью (в нашем случае это горизонтальная ось – ось токов) угол, равный начальной фазе колебания.

В формулы (8), (9) входят максимальные значения тока I_m и напряжения U_m. Измерительные приборы, работающие в цепи переменного синусоидального тока, показывают действующие значения тока I и напряжения U, которые связаны с максимальными значениями I_m и U_m посредством формул

. (10)

Действующее значение переменного тока через конденсатор может быть определено с помощью закона Ома:

. (11)

С учетом (7) и (11) выражение для емкостного сопротивления конденсатора равно , откуда емкость конденсатора

. (12)

В Российской Федерации стандартная частота переменного синусоидального тока f = 50 Гц.

Порядок выполнения работы

I. Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой, представленной на рис. 3, подключив конденсатор С1. Обозначения на рис. 3: SА – выключатель, RР – потенциометр, PA – амперметр, PV- вольтметр, C1, C2 – конденсаторы.

Электричество и магнетизм

Энергию можно накапливать, поднимая груз (часы-ходики с кукушкой), закручивая пружину (обычные механические часы), сжимая газ (пневматическое оружие). Энергию можно также накапливать в виде электро­статического поля. Для этого служат устройства, называемые конденсаторами. В самом грубом приближении любой конденсатор — это пара проводников (обкладок), между которыми создается некая разность потенциалов . Способность конденсатора накапливать энергию в форме электростатического поля характеризуется величиной его емкости. Сам этот термин восходит к временам, когда бытовало представление об электрической жидкости. Представим себе сосуд, который мы наполняем та­кой жидкостью. Ее уровень (перепад высот между дном сосуда и поверх­ностью жидкости) соответствует разности потенциалов , до которой заряжается конденсатор. А количество жидкости в сосуде — заряду , сообщаемому конденсатору. В зависимости от формы сосуда, при том же уровне (разности потенциалов) в него войдет больше или меньше жидкости (зарядов). Отношение  и называется емкостью конденсатора.

Уединенные проводники также обладают емкостью.  Роль второй обкладки играют при этом бесконечно удаленные точки пространства. Рассмотрим, например, заряженную сферу радиусом . Вне сферы  имеется кулоновское электрическое поле

(2.6)

направленное вдоль радиуса. Потенциал, создаваемый заряженной сферой при , дается выражением

(2.7)

Внутри проводящей сферы , и, следовательно, потенциал во всех точках этой сферы постоянен и совпадает со значением потенциала на её поверхности:

(2.8)

Это значение в сущности является разностью потенциалов между поверхностью сферы и бесконечно удаленной точкой. По определению емкости

(2.9)

В СИ за единицу емкости принят фарад (в честь М. Фарадея): фарад это емкость такого проводника, которому для повышения потенциала на 1 В, необходимо сообщить заряд в 1 Кл:

 

Соотношение для емкости уединенной сферы в вакууме  показывает, что 1 Ф — это емкость шара с радиусом  м, что в 13 раз превышает радиус Солнца и в 1413 раз — радиус Земли. Таким образом, емкость Земли составляет примерно 1/1413 Ф, т. е.   мкФ. Иными словами, 1 Ф — это огромная емкость. Изготовлять конденсаторы такой емкости научились лишь относительно недавно, главным образом, благодаря совершенствованию технологии нанесения сверхтонких диэлектрических и металлических пленок. Например, габаритный размер конденсатора фирмы NEC/TOKIN (www.nec-tokin.net/now/english/index.html) емкостью в 1 Ф меньше 22 мм, а его масса 6,7 грамма.

Емкость конденсаторов: определение, формулы, примеры.

Определение 1

Конденсатор – это совокупность двух любых проводников, заряды которых одинаковы по значению и противоположны по знаку.

Его конфигурация говорит о том, что поле, созданное зарядами, локализовано между обкладками. Тогда можно записать формулу электроемкости конденсатора:

C=qφ1-φ2=qU.

Значением φ1-φ2=U обозначают разность потенциалов, называемую напряжением, то есть U. По определению емкость положительна. Она зависит только от размерностей обкладок конденсатора их взаиморасположения и диэлектрика. Ее форма и место должны минимизировать воздействие внешнего поля на внутреннее. Силовые линии конденсатора начинаются на проводнике с положительным зарядом, а заканчиваются с отрицательным. Конденсатор может являться проводником, помещенным в полость, окруженным замкнутой оболочкой.

Выделяют три большие группы: плоские, сферические, цилиндрические. Чтобы найти емкость, необходимо обратиться к определению напряжения конденсатора с известными значениями зарядов на обкладках.

Плоский конденсатор

Определение 2

Плоский конденсатор – это две противоположно заряженные пластины, которые разделены тонким слоем диэлектрика, как показано на рисунке 1.

Формула для расчета электроемкости записывается как

C=εε0Sd, где S является площадью обкладки, d – расстоянием между ними, ε – диэлектрической проницаемостью вещества. Меньшее значение d способствует большему совпадению расчетной емкости конденсатора с реальной.

Рисунок 1

При известной электроемкости конденсатора, заполненного N слоями диэлектрика, толщина слоя с номером i равняется di, вычисление диэлектрической проницаемости этого слоя εi выполняется, исходя из формулы:

C=ε0Sd1ε1+d2ε2+…+dNεN.

Сферический конденсатор

Определение 3

Когда проводник имеет форму шара или сферы, тогда внешняя замкнутая оболочка является концентрической сферой, это означает, что конденсатор сферический.

Он состоит из двух концентрических проводящих сферических поверхностей с пространством между обкладками, заполненным диэлектриком, как показано на рисунке 2. Емкость рассчитывается по формуле:

C=4πεε0R1R2R2-R1, где R1 и R2 являются радиусами обкладок.

Рисунок 2

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Цилиндрический конденсатор

Емкость цилиндрического конденсатора равняется:

C=2πεε0llnR2R1, где l – высота цилиндров, R1 и R2 – радиусы обкладок. Данный вид конденсатора имеет две соосные поверхности проводящих цилиндрических поверхности, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3

Определение 4

Важной характеристикой конденсаторов считается пробивное напряжение – напряжение, при котором происходит электрический разряд через слой диэлектрика.

Umax находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора. Формулы

Кроме отдельных конденсаторов используются их соединения. Наличие параллельного соединения конденсаторов применяют для увеличения его емкости. Тогда поиск результирующей емкости соединения сводится к записи суммы Ci, где Ci- это емкость конденсатора с номером i:

C=∑i=1NCi.

При последовательном соединении конденсаторов суммарная емкость соединения всегда будет по значению меньше, чем минимальная любого конденсатора, входящего в систему. Для расчета результирующей емкости следует сложить величины, обратные к емкостям отдельных конденсаторов:

Пример 1

Произвести вычисление емкости плоского конденсатора при известной площади обкладок
1 см2 с расстоянием между ними 1 мм. Пространство между обкладками находится в вакууме.

Решение

Чтобы рассчитать электроемкость конденсатора, применяется формула:

C=εε0Sd.

Значения:

ε=1, ε0=8,85·10-12 Фм;S=1 см2=10-4 м2;d=1 мм=10-3 м.

Подставим числовые выражения и вычислим:

C=8,85·10-12·10-410-3=8,85·10-13 (Ф).

Ответ: C≈0,9 пФ.

Пример 2

Найти напряженность электростатического поля у сферического конденсатора на расстоянии x=1 см=10-2 м от поверхности внутренней обкладки при внутреннем радиусе обкладки, равном R1=1 см=10-2 м, внешнем – R2=3 см=3·10-2 м. Значение напряжения – 103 В.

Решение

Производящая заряженная сфера создает напряженность поля. Его значение вычисляется по формуле:

E=14πεε0qr2, где q обозначают заряд внутренней сферы, r=R1+x – расстояние от центра сферы.

Нахождение заряда предполагает применение определения емкости конденсатора С:

q=CU.

Для сферического конденсатора предусмотрена формула вида

C=4πεε0R1R2R2-R1 с радиусами обкладок R1 и R2.

Производим подстановку выражений для получения искомой напряженности:

E=14πεε0U(x+R1)24πεε0R1R2R2-R1=U(x+R1)2R1R2R2-R1.

Данные представлены в системе СИ, поэтому достаточно заменить буквы числовыми выражениями:

E=103(1+1)2·10-4·10-2·3·10-23·10-2-10-2=3·10-18·10-6=3,45·104 Вм.

Ответ: E=3,45·104 Вм.

Лабораторная работа n7 определение электрической емкости конденсаторов при помощи баллистического гальванометра

1 Цель работы. Целью работы является определение электрической емкости двух конденсаторов и батареи из двух конденсаторов при параллельном и последовательном соединении.

2. Теория вопроса

Опыт показывает, что разные проводники, будучи заряжены одинаковым количеством электричества, имеют разные потенциалы.

Для уединенного проводника, т.е. проводника, вблизи которого нет других тел, которые могли бы повлиять на расположение в нем зарядов, между сообщенным зарядом Q и возникающим потенциалом  существует определенное, постоянное для данного проводника соотношение:

Q=C , (7.1)

т.е. потенциал проводника и его заряд связаны между собой линейно.

Коэффициент пропорциональности С в формуле (7.1) называется электрической емкостью уединенного проводника. Из выражения (7.1) следует, что Q=C при  = 1 ед. потенциала, т.е, электрическая емкость уединенного проводника есть физическая величина, численно равная количеству электричества, которое надо сообщить проводнику, чтобы потенциал его изменить на единицу.

Единицей электрической емкости в СИ служит фарад (Ф) – это емкость конденсатора, между обкладками которого при заряде 1Кл возникает напряжение 1В.

Часто употребляются дольные единицы: микрофарад (мкФ), пикофарад (пФ). 1 мкФ = 10^-6 Ф, 1 пФ = 10^-12 Ф.

Электрическая емкость уединенного проводника зависит от его геометрических размеров, формы и окружающего данный проводник безграничного диэлектрика.

Электрическая емкость неуединенного проводника зависит, кроме того, и от окружающих его тел, т.к. потенциал проводника зависит не только от сообщенного ему заряда, но и от зарядов всех тел, его окружающих. Если даже окружающие данный проводник тела и не были предварительно заряжены, то они зарядятся через влияние (при сообщеннии заряда рассматриваему проводнику) и изменят потенциал данного проводника.

Уединенные проводники обладают малой электрической емкостью. Даже шар таких размеров, как Земля, имеет электроемкость всего лишь 700 мкФ, что примерно в 1500 раз меньше единицы электрической емкости в СИ. Однако на практике бывает потребность в таких устройствах, которые при небольшом относительно окружающих тел потенциале, накапливали бы на себе заметные по величине заряды. Такими устройствами являются конденсаторы. В основу таких устройств положен факт, что электроемкость проводника возрастает при приближении к нему других тел.

Действительно, под влиянием поля, создаваемого заряженным проводником, на поднесенном к нему теле возникают индуцированные (на проводнике) или связанные (на диэлектрике) заряды. Заряды, противоположные по знаку заряда проводника Q, располагаются ближе к проводнику, чем одноименные с Q и, следовательно, оказывают большее влияние на его потенциал. Поэтому при поднесении к заряженному проводнику какого-либо тела потенциал проводника уменьшается по абсолютной величине. Согласно формуле (7.1) это означает увеличение электроемкости проводника.

Конденсатор представляет собой два проводника, имеющих равные и противоположные по знаку заряды, разделенные диэлектриком, причем конфигурация проводников такова, что поле, ими создаваемое, сосредоточено, в основном, между проводниками и не зависит от окружающих его тел. Образующие конденсатор проводники называют его обкладками.

Простейшим конденсатором является система тел, состоящая из двух плоскопараллельных металлических пластин, разделенных тонким слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским.

Найдем формулу для электрической емкости плоского конденсатора. Если площадь обкладки S, а заряд на ней Q ,то напряженность поля между обкладками

E=  / ₀ = Q / ₀ S . (7.2)

Мы воспользовались формулой для напряженности поля, образованного двумя бесконечными параллельными плоскостями, заряженными разноименно с одинаковой по величине поверхностной плотностью между пластинами расположен диэлектрик с диэлектрической проницаемостью  (рис.7.1).

Формула (7.2) приближенно справедлива и в случае плоскостей конечных размеров, если расстояние между плоскостями значительно меньше их линейных размеров (т.е. в случае плоского конденсатора). Используя известное соотношение для разности потенциалов между двумя точками, взятыми в однородном поле напряженностью Е ,

₁ – ₂ = Ed= Qd / ₀ S , (7.3)

получим для электроемкости плоского конденсатора следующую формулу:

C=Q/( ₁ – ₂)= (₀ S) / d , (7.4)

где d – расстояние между обкладками конденсатора.

Из формулы (7.4) следует, что электроемкость плоского конденсатора пропорциональна площади обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами конденсатора.

Помимо электроемкости, каждый конденсатор характеризуется предельным напряжением U_max , которое можно прикладывать к обкладкам конденсатора, не опасаясь его пробоя. При превышении этого напряжения между обкладками проскакивает искра, в результате чего разрушается диэлектрик,и конденсатор выходит из строя.

Рис. 7.1 Рис. 7.2

Располагая некоторым набором конденсаторов, можно значительно расширить число возможных значений электроемкости и рабочего напряжения, если применить соединение конденсаторов к батареи.

Существует два способа соединения конденсаторов: параллельно и последовательно.

При параллельном соединении (рис. 7.2) положительные обкладки всех конденсаторов батареи соединяются в один узел (точка А), а отрицательные обкладки – в другой узел (точка В). Точки А и В присоединяются к источнику тока. При этом верхние обкладки всех конденсаторов имеют один потенциал (1) , а нижние обкладки – другой общий потенциал (2) . Разность потенциалов на всех конденсаторах одинакова и равна U. Суммарный заряд, накапливаемый на верхних обкладках конденсаторов, будет определяться суммой зарядов на каждой из верхних пластин:

В нашем случае n=3. Согласно (7.1) заряд на одной из обкладок конденсатора

Qi=Ci U=Ci (₁ – ₂). (7.6)

Подставив это выражение в (9.5), получим:

Значит:

Т.е, при параллельном соединении конденсаторов электрические емкости складываются. Предельное напряжение батареи, очевидно, равно наименьшему из значений U_max для конденсаторов, включенных в батарею.

На рис.7.3 показано последовательное соединение конденсаторов. Правая обкладка первого конденсатора С₁ и левая обкладка второго конденсатора С₂ образуют единый проводник и имеют один потенциал ₂ и одинаковые по величине заряды +Q и -Q (избыток электронов на одной части проводника равен недостатку их на другой части его). Правая обкладка второго конденсатора С₂ и левая обкладка третьего конденсатора С₃ также имеют один потенциал ₃. Так как заряды на обкладках любого из этих конденсаторов по величине тоже должны быть равны, то, значит, на всех конденсаторах ,соединенных последовательно, заряды оказываются одинаковыми, равными Q.

Напряжения на конденсаторах, соединенных последовательно, будут различны:

Рис. 7.3.

Общее напряжение на последовательно соединенных конденсаторах равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах :

Значит:

Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов величина, обратная общей электрической емкости батареи конденсаторов, равна сумме величин, обратных электрическим емкостям отдельных конденсаторов.

При последовательном соединении доля общего напряжения, приходящаяся на данный конденсатор, обратна его электрической емкости. Причем необходимо, чтобы ни для одного из конденсаторов U_i не превышало указанное для него значение U_max.

Если все конденсаторы одинаковы и имеют электрические емкости С1 и предельное напряжение U_max, то при последовательном соединении (U_max) батареи равно N U_max, где N – число конденсаторов, имеющих одинаковые электроемкости.

Самый быстрый словарь в мире: Vocabulary.com

электрическая емкость электрическое явление, при котором сохраняется электрический заряд

конденсатор электролитический конденсатор постоянной емкости, состоящий из двух электродов, разделенных электролитом

электрический кабель кабель, обеспечивающий электрическое соединение для телефона или телевидения или электростанций

электрическая цепь: электрическое устройство, обеспечивающее путь для прохождения электрического тока

электрический контакт контакт, позволяющий току проходить от одного проводника к другому

Электростанция Коммунальное предприятие, обеспечивающее электроэнергией

электрическая цепь: электрическое устройство, обеспечивающее путь для прохождения электрического тока

электрическая мощность произведение напряжения и тока

электровоз локомотив, приводимый в движение электродвигателем

Розетка электрической розетки, обеспечивающая место в системе электропроводки, где может подаваться ток для работы электрических устройств

электрическое устройство Устройство, производящее электроэнергию или приводимое в действие

Электрический переключатель управления, состоящий из механического, электрического или электронного устройства для включения, разрыва или изменения соединений в цепи

поражение электрическим током рефлекторная реакция на прохождение электрического тока через тело

шунтировать проводник с низким сопротивлением параллельно другому устройству для отвода части тока

инженер-электрик человек, обученный практическому применению теории электричества

Электросистема Коммунальное предприятие, обеспечивающее электроэнергию

электричество физическое явление, которое может производить свет, тепло и энергию

преобразователь электрический преобразователь, преобразующий переменный ток в постоянный или наоборот

электролог специалист в области использования электричества для удаления родинок, бородавок или корней волос

электрическое одеяло одеяло, содержащее и электрический нагревательный элемент, который может регулироваться до желаемой температуры с помощью реостата

Емкость

vs.Энергия: Праймер

Электроэнергия измеряется как мощностью, так и энергией – ваттами и ватт-часами. Понимание разницы имеет решающее значение для понимания того, как работает электросеть.

Мощность – это максимальная мощность, которую генератор электроэнергии может физически производить, измеряется в мегаваттах (МВт). Вы часто будете видеть, что ISO ссылается на паспортную мощность генератора, которая представляет собой определение производителем максимальной выходной мощности в мегаваттах электроэнергии, которую генератор может производить без превышения проектных ограничений.Ресурсы спроса измеряются их способностью снижать спрос, также в МВт.

Мощность этих ресурсов вместе составляет мощность энергосистемы. В соответствии с федеральными стандартами надежности ISO New England требуется для обеспечения того, чтобы в регионе было достаточно ресурсов для выполнения минимального общего уровня производительности системы (требования к установленной мощности). ISO New England использует конкурентный форвардный аукцион мощности для обеспечения ресурсов для удовлетворения прогнозируемых потребностей в мощности системы за три года вперед (так называемое обязательство по предоставлению мощности).Электросеть Новой Англии летом и зимой имеет разные уровни мощности, поскольку разные температуры могут повлиять на мощность, которую способен производить генератор. ISO публикует информацию о том, сколько мощностей доступно каждый день для удовлетворения прогнозируемого пикового спроса, в своем утреннем отчете.

Энергия – это количество электроэнергии, производимой генератором за определенный период времени. Многие генераторы не всегда работают на полную мощность. Например, около 26% мощности системы Новой Англии составляют генераторы, работающие на угле и мазуте.Но вместе они произвели всего 3% электроэнергии в регионе в 2017 году. Мощность генератора может варьироваться в зависимости от условий на электростанции, наличия и стоимости топлива, изменчивости ветра и солнца, рыночных цен или инструкций по отправке от ISO. Вот почему важно, чтобы система имела различные типы ресурсов, в том числе те, которые могут запускаться или быстро набирать обороты в ответ на внезапные изменения потребительского спроса или выпуска других ресурсов.

Рассмотрим этот недавний реальный пример разницы между мощностью и энергией из зимы 2017/2018:

• Мощность. Имея мощность более 32 000 МВт, оказалось, что у региональной энергосистемы достаточно мощности для удовлетворения прогнозируемого зимнего пикового спроса в 21 197 МВт плюс потребности в резерве.
• Energy: Однако историческое двухнедельное похолодание и зимние бури серьезно подорвали реальную производительность энергосистемы. Холод вынудил некоторые генераторы отключиться от сети или снизить выработку энергии. Другими словами, в то время как было доступно достаточно мегаватт мощности , регион был опасно близок к тому, чтобы не хватить мегаватт-часов на энергии (имея достаточно мегаватт для удовлетворения спроса).

Что такое электрическая нагрузка? Определение и типы

Определение: Устройство, потребляющее электрическую энергию, известно как электрическая нагрузка.Другими словами, электрическая нагрузка – это устройство, которое потребляет электрическую энергию в форме тока и преобразует ее в другие формы, такие как тепло, свет, работа и т. Д. Электрическая нагрузка может быть резистивной, индуктивной, емкостной или некоторой их комбинацией. . Термин «нагрузка» используется по-разному.

• К указывает на устройство или совокупность оборудования, которые используют электрическую энергию.
• Для отображения мощности, требуемой от данной цепи питания.
• Электрическая нагрузка показывает ток или мощность, проходящую через линию или машину.

Классификация нагрузок показана на рисунке ниже.

Виды электрических нагрузок

Характер нагрузки зависит от коэффициента нагрузки, коэффициента спроса, коэффициента разнесения, коэффициента мощности и коэффициента использования системы. Ниже подробно описаны различные типы нагрузки.

Активная нагрузка

Резистивная нагрузка препятствует прохождению электрической энергии в цепи и преобразует ее в тепловую, из-за чего в цепи происходит выпадение энергии.Лампа и нагреватель являются примерами резистивной нагрузки. Резистивные нагрузки принимают мощность таким образом, чтобы ток и волна напряжения оставались в одной фазе. Таким образом, коэффициент мощности резистивной нагрузки остается равным единице.

Индуктивная нагрузка

Индуктивные нагрузки используют магнитное поле для выполнения работы. Трансформаторы, генераторы, двигатель являются примерами нагрузки. Индуктивная нагрузка имеет катушку, которая накапливает магнитную энергию при прохождении через нее тока.Волна тока индуктивной нагрузки отстает от волны напряжения, и коэффициент мощности индуктивной нагрузки также отстает.

Емкостная нагрузка

В емкостной нагрузке волна напряжения опережает волну тока. Примерами емкостных нагрузок являются конденсаторная батарея, цепь пуска трехфазного асинхронного двигателя и т. Д. Коэффициент мощности такого типа нагрузок является ведущим.

Виды электрических нагрузок в энергосистеме

Суммарные нагрузки на территорию зависят от ее численности и уровня жизни людей.Ниже перечислены различные типы нагрузок в энергосистеме.

1. Внутренняя нагрузка
2. Коммерческая загрузка
3. Промышленная нагрузка
4. Сельскохозяйственная нагрузка

1. Бытовая нагрузка – Бытовая нагрузка определяется как общая энергия, потребляемая электрическими приборами при выполнении домашних работ. Это зависит от уровня жизни, погоды и типа проживания. Бытовые нагрузки в основном состоят из освещения, вентилятора, холодильника, кондиционеров, миксера, измельчителя, обогревателя, духовок, небольших насосов, двигателя и т. Д.Бытовая нагрузка потребляет очень мало энергии и также не зависит от частоты. Эта нагрузка в основном состоит из освещения, охлаждения или обогрева.

2. Коммерческая нагрузка – Коммерческая нагрузка в основном состоит из освещения магазинов, офисов, рекламы и т. Д. Вентиляторы, обогреватели, кондиционеры и многие другие электрические приборы, используемые в таких заведениях, как рыночные рестораны и т. Д., Считаются коммерческими. нагрузка.

3. Промышленные нагрузки – Промышленные нагрузки включают мелкую, среднюю, крупную, тяжелую и надомную промышленность.Асинхронный двигатель составляет значительную часть общей нагрузки. Промышленные нагрузки – это сложная нагрузка. Общая нагрузка зависит от частоты и напряжения и составляет основную часть нагрузки системы.

4. Сельскохозяйственные нагрузки – Этот тип нагрузки в основном представляет собой нагрузку от мотопомповых установок для орошения. Коэффициент загрузки этой нагрузки очень мал, например 0,15 – 0,20.

Что такое емкость? – Определение, уравнения и примеры – Видео и стенограмма урока

Упражнение “Истина или ложь” емкости

Проверьте свои знания урока об определении и примерах емкости, определив, верны ли следующие утверждения.

Проезд

Распечатайте следующие вопросы на чистом листе бумаги и подчеркните или округлите ответ.

1. Емкость обратно пропорциональна напряжению и выражается в кулонах.

True | Ложь

2. Конденсатор емкостью 10 Фарад, подключенный к 12-вольтовой батарее, может хранить заряд 100 кулонов.

True | Ложь

3. В организме человека клеточная мембрана служит диэлектриком.

True | Ложь

4.Протоны текут к положительной клемме батареи и от отрицательной клеммы.

True | Ложь

5. Каучук – хороший пример диэлектрического материала.

True | Ложь

6. Нервная клетка может накапливать электрическую энергию и выделять ее в виде импульса.

True | Ложь

7. Проводящий материал, зажатый между двумя пластинами конденсатора, известен как диэлектрик.

True | Ложь

8. Две металлические пластины конденсатора будут заряжаться положительно при подключении через батарею.

True | Ложь

9. Источник напряжения, например аккумулятор, может создавать электрическое поле в конденсаторе.

True | Ложь

10. Конденсатор, накапливающий 12 кулонов заряда, подключенный к 3-вольтовой батарее, может давать емкость 4 фарада.

True | Ложь

Ключ ответа

1. Неверно, поскольку правильное утверждение гласит: «Емкость прямо пропорциональна напряжению и выражается в фарадах».

2.Неверно, потому что правильное утверждение звучит так: «Конденсатор емкостью 10 Фарад, подключенный к 12-вольтовой батарее, может хранить заряд 120 кулонов».

3. Верно

4. Неверно, потому что правильное утверждение звучит так: «Электроны текут к положительной клемме батареи и от отрицательной клеммы».

5. Верно

6. Верно

7. Неверно, потому что правильное утверждение звучит так: «Изолирующий материал, зажатый между двумя проводящими пластинами конденсатора, называется диэлектриком».

8. Неверно, потому что правильное утверждение звучит так: «Одна пластина конденсатора заряжена положительно, а другая – отрицательно при подключении к батарее».

9. верно

10. Верно

Основные электрические термины и определения

Переменный ток (AC) – Электрический ток, который меняет свое направление много раз в секунду через равные промежутки времени.

Амперметр – прибор для измерения расхода электрического тока в амперах.Амперметры всегда подключаются последовательно к проверяемой цепи.

Пропускная способность – Максимальное количество электрического тока, которое может выдержать проводник или устройство, прежде чем они будут подвержены немедленному или прогрессирующему износу.

Ампер-час (Ач) – Единица измерения емкости аккумулятора. Он получается путем умножения силы тока (в амперах) на время (в часах), в течение которого протекает ток. Например, батарея, которая обеспечивает 5 ампер в течение 20 часов, считается, что она обеспечивает 100 ампер-часов.

Ампер (А) – Единица измерения силы электрического тока, протекающего в цепи. Один ампер равен одному кулону в секунду.

Полная мощность – Измерено в вольт-амперах (ВА). Полная мощность – это произведение среднеквадратичного напряжения и среднеквадратичного тока.

Якорь – Подвижная часть генератора или двигателя. Он состоит из проводников, которые вращаются в магнитном поле, создавая напряжение или силу за счет электромагнитной индукции.Поворотные точки в регуляторах генератора также называют якорями.

Емкость – способность тела накапливать электрический заряд. Измеряется в фарадах как отношение электрического заряда объекта (Q, измеряется в кулонах) к напряжению на объекте (V, измеряется в вольтах).

Конденсатор – Устройство, используемое для хранения электрического заряда, состоящее из одной или нескольких пар проводников, разделенных изолятором. Обычно используется для фильтрации скачков напряжения.

Схема – Замкнутый путь, по которому текут электроны от источника напряжения или тока. Цепи могут быть включены последовательно, параллельно или в любой их комбинации.

Автоматический выключатель – автоматическое устройство для прекращения прохождения тока в электрической цепи. Для возобновления работы автоматический выключатель должен быть перезагружен (замкнут) после устранения причины перегрузки или отказа. Автоматические выключатели используются вместе с защитными реле для защиты цепей от неисправностей.

Проводник – Любой материал, по которому может свободно течь электрический ток. Проводящие материалы, такие как металлы, имеют относительно низкое сопротивление. Медная и алюминиевая проволока – самые распространенные проводники.

Вернуться к началу

Корона – Коронный разряд – это электрический разряд, вызванный ионизацией жидкости, такой как воздух, окружающей проводник, который электрически заряжен. Самопроизвольные коронные разряды возникают естественным образом в высоковольтных системах, если не принять меры по ограничению напряженности электрического поля.

Ток (I) – Поток электрического заряда через проводник. Электрический ток можно сравнить с потоком воды в трубе. Измеряется в амперах.

Цикл – изменение переменной электрической синусоидальной волны от нуля до положительного пика, от нуля до отрицательного пика и обратно до нуля. См. Частота.

Потребление – Среднее значение мощности или соответствующего количества за указанный период времени.

Диэлектрическая постоянная – величина, измеряющая способность вещества накапливать электрическую энергию в электрическом поле.

Электрическая прочность – Максимальное электрическое поле, которое чистый материал может выдержать в идеальных условиях без разрушения (т. Е. Без нарушения его изоляционных свойств).

Диод – полупроводниковый прибор с двумя выводами, обычно позволяющий току течь только в одном направлении. Диоды позволяют току течь, когда анод положительный по отношению к катоду.

Постоянный ток (DC) – Электрический ток, который течет только в одном направлении.

Электролит – Любое вещество, которое в растворе диссоциирует на ионы и, таким образом, становится способным проводить электрический ток. Водный раствор серной кислоты в аккумуляторной батарее является электролитом.

Электродвижущая сила – (ЭДС) Разность потенциалов, которая имеет тенденцию вызывать электрический ток. Измеряется в вольтах.

Электрон – крошечная частица, которая вращается вокруг ядра атома. Имеет отрицательный заряд электричества.

Вернуться к началу

Электронная теория – Теория, объясняющая природу электричества и обмен «свободными» электронами между атомами проводника. Это также используется как одна теория для объяснения направления тока в цепи.

Фарад – Единица измерения емкости. Один фарад равен одному кулону на вольт.

Феррорезонанс – (нелинейный резонанс) тип резонанса в электрических цепях, который возникает, когда цепь, содержащая нелинейную индуктивность, питается от источника, имеющего последовательную емкость, и цепь подвергается возмущению, например размыканию переключателя. .Это может вызвать перенапряжения и сверхтоки в системе электроснабжения и может представлять опасность для передающего и распределительного оборудования, а также для эксплуатационного персонала.

Частота – количество циклов в секунду. Измеряется в герцах. Если ток завершается один цикл в секунду, то частота составляет 1 Гц; 60 циклов в секунду равны 60 Гц.

Предохранитель – Устройство прерывания цепи, состоящее из полосы провода, которая плавит и разрывает электрическую цепь, если ток превышает безопасный уровень.Для восстановления работоспособности предохранитель необходимо заменить на аналогичный предохранитель того же размера и номинала после устранения причины неисправности.

Генератор – Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

Земля – Контрольная точка в электрической цепи, от которой измеряются напряжения, общий обратный путь для электрического тока или прямое физическое соединение с землей.

Прерыватели цепи при замыкании на землю (GFCI) – Устройство, предназначенное для защиты персонала, которое функционирует для обесточивания цепи или ее части в течение установленного периода времени, когда ток на землю превышает некоторое заданное значение, которое меньше необходимые для срабатывания устройства защиты от сверхтоков цепи питания.

Генри – единица измерения индуктивности. Если скорость изменения тока в цепи составляет один ампер в секунду, а результирующая электродвижущая сила составляет один вольт, то индуктивность цепи равна одному генри.

Герц – единица измерения частоты. Замена более раннего срока цикла в секунду (cps).

Импеданс – Мера сопротивления, которое цепь представляет току при приложении напряжения. Импеданс расширяет понятие сопротивления до цепей переменного тока и имеет как величину, так и фазу, в отличие от сопротивления, которое имеет только величину.

Вернуться к началу

Индуктивность – Свойство проводника, благодаря которому изменение тока, протекающего по нему, индуцирует (создает) напряжение (электродвижущую силу) как в самом проводнике (самоиндукция), так и в любых соседних проводниках. (взаимная индуктивность). Измеряется в генри (H).

Индуктор – Катушка с проволокой, намотанная на железный сердечник. Индуктивность прямо пропорциональна количеству витков в катушке.

Изолятор – Любой материал, по которому электрический ток не течет свободно.Изоляционные материалы, такие как стекло, резина, воздух и многие пластмассы, обладают относительно высоким сопротивлением. Изоляторы защищают оборудование и жизнь от поражения электрическим током.

Инвертор – Аппарат, преобразующий постоянный ток в переменный.

Киловатт-час (кВтч) – произведение мощности в кВт и времени в часах. Равно 1000 ватт-часов. Например, если лампочка мощностью 100 Вт используется в течение 4 часов, будет использовано 0,4 кВт · ч энергии (100 Вт x 1 кВт / 1000 Вт x 4 часа).Электроэнергия продается в киловатт-часах.

Счетчик киловатт-часов – Устройство, используемое для измерения потребления электроэнергии.

Киловатт (кВт) – равно 1000 Вт.

Нагрузка – Все, что потребляет электрическую энергию, например, лампы, трансформаторы, нагреватели и электродвигатели.

Отклонение нагрузки – Состояние, при котором происходит внезапная потеря нагрузки в системе, которая приводит к превышению частоты генерирующего оборудования.Тест сброса нагрузки подтверждает, что система может выдержать внезапную потерю нагрузки и вернуться к нормальным рабочим условиям с помощью регулятора. Банки нагрузки обычно используются для этих испытаний как часть процесса ввода в эксплуатацию электроэнергетических систем.

Взаимная индукция – Возникает, когда изменение тока в одной катушке индуцирует напряжение во второй катушке.

Ом – (Ом) Единица измерения сопротивления. Один Ом эквивалентен сопротивлению в цепи, передающей ток в один ампер, когда на нее действует разность потенциалов в один вольт.

Вернуться к началу

Закон Ома – Математическое уравнение, объясняющее взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением (V = IR).

Омметр – Прибор для измерения сопротивления электрической цепи в Ом.

Обрыв цепи – Обрыв или обрыв цепи возникает, когда цепь разрывается, например, из-за обрыва провода или разомкнутого переключателя, прерывающего прохождение тока через цепь. Это аналог закрытого клапана в водяной системе.

Параллельная цепь – Схема, в которой есть несколько путей для прохождения электричества. Каждая нагрузка, подключенная по отдельному пути, получает полное напряжение цепи, а общий ток цепи равен сумме токов отдельных ветвей.

Пьезоэлектричество – Электрическая поляризация в веществе (особенно в некоторых кристаллах) в результате приложения механического напряжения (давления).

Полярность – собирательный термин, применяемый к положительному (+) и отрицательному (-) концам магнита или электрического механизма, такого как катушка или батарея.

Мощность – Скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. Измеряется в ваттах.

Коэффициент мощности – Отношение фактической электрической мощности, рассеиваемой цепью переменного тока, к произведению среднеквадратичного значения. значения тока и напряжения. Разница между ними вызвана реактивным сопротивлением в цепи и представляет собой мощность, которая не выполняет полезной работы.

Защитное реле – релейное устройство, предназначенное для отключения автоматического выключателя при обнаружении неисправности.

Реактивная мощность – Часть электроэнергии, которая создает и поддерживает электрические и магнитные поля оборудования переменного тока. Существует в цепи переменного тока, когда ток и напряжение не совпадают по фазе. Измеряется в ВАРС.

Выпрямитель – электрическое устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный, позволяя току течь через него только в одном направлении.

Вернуться к началу

Реле – Электрический катушечный переключатель, который использует небольшой ток для управления гораздо большим током.

Сопротивление – сопротивление, которое магнитная цепь оказывает силовым линиям в магнитном поле.

Сопротивление – Противодействие прохождению электрического тока. Электрическое сопротивление можно сравнить с трением воды, протекающей по трубе. Измеряется в омах.

Резистор – Устройство, обычно сделанное из проволоки или углерода, которое оказывает сопротивление току.

Ротор – Вращающаяся часть электрической машины, например, генератора, двигателя или генератора переменного тока.

Самоиндукция – Напряжение, возникающее в катушке при изменении тока.

Полупроводник – твердое вещество, которое имеет проводимость между проводимостью изолятора и большинства металлов, либо из-за добавления примеси, либо из-за температурных эффектов. Устройства, изготовленные из полупроводников, особенно кремния, являются важными компонентами большинства электронных схем.

Последовательно-параллельная цепь – Схема, в которой некоторые компоненты схемы соединены последовательно, а другие – параллельно.

Последовательная цепь – Цепь, в которой есть только один путь для прохождения электричества. Весь ток в цепи должен проходить через все нагрузки.

Сервис – Проводники и оборудование, используемые для доставки энергии от системы электроснабжения к обслуживаемой системе.

Короткое замыкание – Когда одна часть электрической цепи входит в контакт с другой частью той же цепи, отклоняя ток от желаемого пути.

Вернуться к началу

Твердотельная схема – Электронные (интегральные) схемы, в которых используются полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, диоды и кремниевые выпрямители.

Транзистор – полупроводниковый прибор с тремя выводами, способный к усилению в дополнение к выпрямлению.

Истинная мощность – Измеряется в ваттах. Сила проявляется в материальной форме, такой как электромагнитное излучение, акустические волны или механические явления.В цепи постоянного тока (DC) или в цепи переменного тока (AC), полное сопротивление которой является чистым сопротивлением, напряжение и ток синфазны.

VARS – Единица измерения реактивной мощности. Вар может рассматриваться либо как мнимая часть полной мощности, либо как мощность, поступающая в реактивную нагрузку, где напряжение и ток указаны в вольтах и ​​амперах.

Переменный резистор – резистор, который можно настраивать в различных диапазонах значений.

Вольт-ампер (ВА) – Единица измерения полной мощности. Это произведение среднеквадратичного напряжения и среднеквадратичного тока.

Вольт (В) – единица измерения напряжения. Один вольт равен разности потенциалов, которая будет управлять током в один ампер против сопротивления в один ом.

Напряжение – Электродвижущая сила или «давление», которое заставляет электроны течь, и может быть сравнена с давлением воды, которое заставляет воду течь в трубе.Измеряется в вольтах.

Вольтметр – Прибор для измерения силы электрического тока в вольтах. Это разница потенциалов (напряжения) между разными точками электрической цепи. Вольтметры с высоким внутренним сопротивлением подключены (параллельно) к точкам измерения напряжения.

Ватт-час (Втч) – Единица электрической энергии, эквивалентная потребляемой мощности в один ватт в течение одного часа.

Ватт (Вт) – Единица электрической мощности.Один ватт эквивалентен одному джоулю в секунду, что соответствует мощности в электрической цепи, в которой разность потенциалов составляет один вольт, а сила тока – один ампер.

Вернуться к началу

Ваттметр – Ваттметр – это прибор для измерения электрической мощности (или скорости подачи электрической энергии) в ваттах любой данной цепи.

Форма волны – графическое представление электрических циклов, которое показывает величину изменения амплитуды за некоторый период времени.

---

Ссылки: Википедия, EPQ № 138 – Основные электрические термины и определения, NFPA-70, IEEE

Электрический потенциал и емкость – StatPearls

Определение / Введение

Электрический потенциал и емкость проистекают из концепции заряда. Заряд – это сравнение количества протонов и электронов, которыми обладает материал. Если протонов больше, чем электронов, то есть чистый положительный заряд. И наоборот, если электронов больше, чем протонов, чистый отрицательный заряд.Равное количество протонов и электронов имеют нейтральный заряд. Зарядные материалы также проявляют электрические силы: противоположные заряды притягиваются (например, положительные и отрицательные), а аналогичные заряды отталкиваются (например, положительные и положительные или отрицательные и отрицательные). Единица измерения заряда – кулон (Кл). Протоны и электроны по отдельности имеют заряд +1.602 E -19 C и -1,602 E -19 C соответственно. Значения заряда для протонов и электронов считаются элементарным зарядом, потому что накопление микроскопических электронов и протонов определяет макроскопический заряд.

Работа, совершаемая с движущимися зарядами, – это электрический потенциал. Как следует из названия, электрический потенциал измеряет изменение потенциальной энергии определенного заряда. Единицами измерения электрического потенциала являются джоули на кулон (Дж / Кл), которые измеряют количество работы на один заряд. Единица J / C обычно упоминается как вольт (В) и является повсеместной единицей измерения электрического потенциала. Концепцию электрического потенциала часто сравнивают с концепцией гравитационной потенциальной энергии. Чем выше объект находится над землей, тем большей гравитационной потенциальной энергией обладает объект.Точно так же, чем дальше объект от заряда, тем больше электрический потенциал доступен. Электрический потенциал от определенного заряда известен как точечный заряд и может быть измерен явно. Уравнение для определения электрического потенциала от конкретного точечного заряда:

Где V – электрический потенциал (В), k – постоянная величина, обратная диэлектрической проницаемости свободного пространства, обычно обозначаемая как 8,99 E 9 Н (м · м). / (C · C), q – заряд точки (C), а r – расстояние от точечного заряда (м), которое возведено в квадрат.Размерный анализ часто необходим, чтобы убедиться, что все единицы согласованы.

Электрический потенциал обратно пропорционален квадрату расстояния от точечного заряда. Это говорит о том, что чем дальше объект от точечного заряда, тем быстрее падает электрический потенциал. Кроме того, если электрический потенциал измеряется в различных точках вокруг объекта, вокруг объекта может быть сгенерирована кривая, в которой каждая точка имеет одинаковый потенциал. Если два объекта, содержащие заряды, расположены рядом друг с другом, то сила притяжения или отталкивания присутствует.Обычно это изображается линиями, исходящими от положительно заряженного источника, со стрелкой, указывающей на отрицательно заряженный источник и заканчивающейся на нем. Однако объяснение и применение электрических полей выходят за рамки этой статьи.

В то время как электрический потенциал измеряет способность выполнять работу с зарядом, емкость измеряет способность сохранять заряд. Единицей измерения емкости является кулон на напряжение (Кл / В), то есть количество заряда на приложенное напряжение.Фарад (F) обычно используется вместо отношения C / V для измерения емкости. Конденсатор используется для хранения емкости и создается, когда две пластины параллельны друг другу, причем каждый конец подключен к противоположным источникам заряда. Каждый заряд заполняет одну из параллельных пластин, создавая между ними электрическое поле. Затем конденсатор может разрядить заряды между двумя пластинами при подключении. Уравнение для определения емкости:

Где C – емкость (F), e0 – диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.85 E -12 Ф / м), k – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала между пластинами, A – геометрическая площадь обеих пластин (м · м), а d – расстояние между двумя пластинами (м). Емкость обратно пропорциональна расстоянию, поэтому чем больше расстояние между двумя пластинами, тем меньше доступная емкость. Кроме того, значение k определяется материалом между параллельными пластинами и прямо пропорционально емкости; в большинстве конденсаторов между конденсаторами есть твердое тело для улучшения емкости.[1] [2] [3]

Проблемы, вызывающие озабоченность

Электрический потенциал и емкость имеют широкий спектр применений в производстве и хранении энергии. Для работы каждого электроприбора необходимы заряд, электрический потенциал и емкость. В Рой и др. Аспекты электрического потенциала и емкости изучаются на фотогенерируемой электрической энергии для улучшения устройств накопления энергии. В этой работе Roy et al. изучите емкость аккумуляторной батареи, потому что конденсаторы – это временные батареи, которые удерживают заряд.Однако емкость – это лишь один из аспектов схемы, необходимой для создания эффективных электрических устройств. Другие аспекты, такие как ток и сопротивление, выходят за рамки этой статьи.

Правильное понимание электрического потенциала в системе может создавать материалы по-новому. Аспекты электрического потенциала используются при регенерации кости путем полимеризации. He et al. использовали культуру электрических клеток для создания материалов, используемых в их исследовании. Хотя это всего лишь один пример, область электрохимической инженерии в значительной степени зависит от точности электрического потенциала в топливных элементах и ​​батареях для обеспечения правильного распределения энергии.[4] [5] [6]

Основная проблема, связанная с электрическим потенциалом, заключается в том, что он становится более строгим с множественными точечными зарядами. Электрический потенциал также может быть препятствием для многих электрохимических исследований. Например, электролиз воды происходит при 1,23 В, что означает, что если более 1,23 В применяется к системе, содержащей воду, молекулы воды расщепляются на водород и кислород. У других молекул есть пороговые значения напряжения, которые необходимо учитывать при подаче напряжения в систему.

Другой проблемой, вызывающей беспокойство, является определение подходящего материала для конденсатора.Если материал создает слишком большую емкость, разряд может разрушить электрическую систему. Если емкость слишком мала, приложение работать не будет. Если материал не является устойчивым, конденсаторы быстро выйдут из строя и не будут экономичными. [7] [8]

Клиническая значимость

Электрический потенциал присутствует почти в каждом медицинском устройстве. У каждого есть определенный предел напряжения, который предотвращает выход устройства из строя. Электрический потенциал также присутствует в человеческом мозге.В среднем нейроны человека имеют напряжение 70 мВ. Емкость также присутствует почти в каждом медицинском устройстве, но она является основой дефибрилляторов. Конденсаторы – это временные батареи, которые могут разряжаться быстрее, чем обычные батареи, что необходимо при остановке сердца у пациента. [9] [10]

Вмешательство группы медсестер, смежных медицинских и межпрофессиональных групп

Хотя в большинстве случаев это не является необходимым для выполнения своих обязанностей, практикующие врачи, использующие устройства, основанные на электрическом потенциале, должны, по крайней мере, иметь некоторый уровень знакомства с этими концепциями.Это может помочь в электробезопасности, даже если это не входит в их непосредственное руководство по уходу за пациентом. Для тех, кто больше вовлечен во внутреннюю работу устройств в том, что касается диагностики или лечения, необходимо более тщательное понимание.

Понимание мощности и коэффициента мощности

Тема производства электроэнергии может быть сложной.

Все мы используем электричество, но мало кто задумывается о том, как оно вырабатывается и как оно попадает туда, где оно нам нужно.

Темой, которую часто неправильно понимают и упускают из виду большинство, не относящиеся к отрасли, в отношении производства электроэнергии, являются концепции мощности производства электроэнергии и коэффициента мощности. Их часто вводят в заблуждение в основных средствах массовой информации, но понимание их имеет решающее значение для понимания некоторых сильных и слабых сторон электроэнергии, вырабатываемой из таких источников, как ядерная энергия, уголь, природный газ, ветер и солнце.

Во-первых, давайте начнем с того, что означает термин «мощность», когда речь идет о производстве электроэнергии.

Мощность – это максимальная электрическая мощность, которую генератор может производить в определенных условиях. Каждая электростанция или генерирующий объект имеет «паспортную мощность», которая указывает максимальную мощность, которую может произвести генератор. Например, если электростанция XYZ имеет паспортную мощность 500 мегаватт, это означает, что электростанция способна производить 500 мегаватт, работая на постоянной полной мощности.

Коэффициент мощности – это соотношение между тем, что генерирующее устройство способно производить с максимальной производительностью, и фактической производительностью этого агрегата в течение определенного периода времени.Эти две переменные могут значительно отличаться.

Многие генераторы не всегда работают на полную мощность. Мощность генератора может варьироваться в зависимости от проблем технического обслуживания, погодных условий, таких как наличие ветра и солнца, затрат на топливо и / или в соответствии с инструкциями оператора электросети.

Коэффициент мощности для возобновляемых ресурсов, таких как ветровая или солнечная установка, значительно меньше, чем у ядерной, угольной или газовой электростанции с базовой нагрузкой, из-за изменчивости ветра и солнца.Электростанции с базовой нагрузкой, обычно использующие такие источники топлива, как атомная энергия, уголь, природный газ или гидроэлектростанции, могут работать непрерывно, в отличие от переменных ресурсов, таких как ветровые и солнечные установки.

Например, когда проект XYZ Wind Project будет запущен, его паспортная мощность может составить 500 мегаватт, но это не следует путать с фактической мощностью, производимой проектом. Помните, что ветер очень изменчив, поэтому коэффициент мощности ветряной электростанции значительно меньше ее номинальной мощности.По данным Управления энергетической информации США (EIA), средний коэффициент использования мощности для ветроэнергетических проектов в 2015 году составил 32,5 процента. Используя пример проекта XYZ Wind Project, это означает, что только треть его полной мощности вырабатывается в течение года из-за изменчивости ветра.

Для сравнения, согласно EIA, в 2015 году средний коэффициент использования мощности АЭС с базовой нагрузкой составлял более 92 процентов. Таким образом, вы можете видеть, что ветряная электростанция мощностью 500 мегаватт не эквивалентна 500 мегаваттной атомной электростанции из-за значительных различий в их коэффициентах мощности.

Понимание разницы между генерирующей мощностью и коэффициентом мощности – или, проще говоря, – максимальный энергетический потенциал и фактическая произведенная энергия – ключевое различие при рассмотрении различных типов источников электроэнергии – базовой и переменной – и помогает лучше понять сильные стороны и ограничения каждого ресурса выработки электроэнергии.

* * *

Energy Education 101 – это продолжающаяся серия NMPP Energy, посвященная темам, связанным с энергетикой, с целью предоставления простой, свободной от повестки дня информации, которая может помочь лучше понять энергию, которая питает наше современное общество.