Электрический Конденсатор

Электрический конденсатор — это пассивный электронный компонент, предназначенный для накопления, хранения и передачи электрического заряда. Его основное свойство, называемое ёмкостью, измеряется в фарадах (Ф). Конденсатор состоит из двух проводящих пластин (обкладок), разделённых изолирующим материалом (диэлектриком). В простейшей форме это устройство, способное накапливать электрическую энергию в виде заряда, создавая электрическое поле между обкладками.

Конденсаторы широко используются в электротехнике и электронике для решения самых разных задач, таких как фильтрация сигналов, сглаживание пульсаций напряжения, временное хранение энергии, генерация и преобразование сигналов.

История создания и развития конденсатора

Идея накопления электрического заряда появилась ещё в XVIII веке. Вот основные этапы развития концепции и технологий, связанных с конденсаторами:

1. 1745 год — Лейденская банка. Лейденская банка считается первым устройством для хранения электрического заряда. Она представляла собой стеклянную ёмкость с водой, которая служила диэлектриком, а металлическая фольга на внутренней и внешней сторонах сосуда выступала в роли обкладок. Лейденская банка стала первым примером использования эффекта накопления заряда.
2. XIX век — Прогресс в теоретических основах. С развитием теории электричества и работ учёных, таких как Джеймс Клерк Максвелл, понимание свойств электрического поля и ёмкости позволило развивать более сложные конструкции.
3. XX век — Индустриальная революция в производстве конденсаторов. Изобретение новых диэлектриков, таких как керамика, полимеры и бумага, позволило производить конденсаторы с улучшенными характеристиками. В середине XX века появились электролитические конденсаторы с гораздо большей ёмкостью по сравнению с предыдущими типами.
4. Современность. Сегодня конденсаторы производятся в миниатюрных размерах для интегральных схем и в больших вариантах, таких как суперконденсаторы, для систем хранения энергии. Использование наноматериалов, таких как графен, открывает новые перспективы для повышения плотности энергии.

Значение и применение в электронике

Электрический конденсатор является незаменимым элементом в большинстве электрических и электронных устройств. Его универсальность объясняется широким спектром функций, которые он может выполнять:

1. Сглаживание пульсаций. В выпрямителях конденсаторы используются для сглаживания переменного напряжения, преобразуя его в более стабильное постоянное.
2. Фильтрация сигналов. Конденсаторы применяются в схемах фильтрации высокочастотных помех, например, в радиоприёмниках и усилителях.
3. Хранение энергии. В системах питания, таких как источники бесперебойного питания (UPS), конденсаторы используются для кратковременного хранения энергии, позволяя компенсировать краткосрочные перебои.
4. Генерация сигналов. В генераторах колебаний и осцилляторах конденсаторы формируют цепи, которые создают или поддерживают сигналы определённой частоты.
5. Компенсация реактивной мощности. В промышленных электрических сетях конденсаторы помогают улучшить коэффициент мощности, снижая потери энергии.
6. Современные технологии. В гибридных и электрических автомобилях, а также в возобновляемой энергетике (например, солнечные панели), суперконденсаторы используются для хранения энергии и её быстрого высвобождения.

В общем электрический конденсатор — это ключевой компонент, который определяет эффективность, производительность и стабильность работы множества электрических систем. От простых бытовых приборов до сложных промышленных установок, конденсаторы играют центральную роль в обеспечении надёжности и функциональности.

Принцип работы конденсатора

Основные понятия: ёмкость, напряжение, заряд

1. Ёмкость (C). Ёмкость конденсатора — это способность устройства накапливать электрический заряд при заданном напряжении. Она измеряется в фарадах (Ф). Чем больше ёмкость, тем больше заряда может хранить конденсатор.
2. Напряжение (V). Напряжение — это разность электрических потенциалов между двумя обкладками конденсатора. Оно определяет, сколько энергии может быть накоплено при данном заряде.
3. Заряд (Q). Заряд — это количество электричества, накопленного на обкладках конденсатора. Заряд прямо пропорционален ёмкости и напряжению:
   $$Q=C\cdot V$$

Принцип накопления и хранения электрического заряда

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок, разделённых диэлектриком. Когда к обкладкам подключают источник напряжения:

1. На одной обкладке возникает избыток электронов (отрицательный заряд), а на другой — их недостаток (положительный заряд).
2. Диэлектрик между обкладками препятствует протеканию тока, но создаёт электрическое поле, которое удерживает заряд.
3. Заряд остаётся на обкладках, пока напряжение между ними сохраняется, или пока не подключён разрядный контур.

Особенность работы конденсатора заключается в том, что он может быстро заряжаться и разряжаться, что делает его идеальным для использования в цепях переменного тока и высокочастотных приложениях.

Формула ёмкости

Формула ёмкости плоского конденсатора:

$$C=\epsilon \cdot \frac{A}{d}$$

Где:

• C — ёмкость (Ф).
• ε — диэлектрическая проницаемость материала между обкладками
  $\epsilon ={\epsilon }_0\cdot {\epsilon }_{\mathrm{r.}}$
  • ε0 — электрическая постоянная
    $8.85\cdot 10^{-12}\text{Ф}\mathrm{/}\text{м.}$
  • εr — относительная диэлектрическая проницаемость материала.
• A — площадь обкладок (м²).
• d — расстояние между обкладками (м).

Зависимость ёмкости от параметров конденсатора

Площадь пластин (A). Ёмкость прямо пропорциональна площади обкладок. Увеличение площади позволяет накопить больше заряда, так как увеличивается площадь взаимодействия электрического поля.

$$C\propto A$$

Расстояние между пластинами (d). Ёмкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Чем меньше расстояние, тем сильнее электрическое поле, и, следовательно, тем больше ёмкость.

$$C\propto \frac{1}{d}$$

Диэлектрическая проницаемость материала (ε). Ёмкость зависит от свойств диэлектрика, который увеличивает способность удерживать электрическое поле. Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (например, керамика) позволяют создавать конденсаторы с большей ёмкостью.

$$C\propto \epsilon$$

Таким образом, ёмкость конденсатора определяется конструктивными характеристиками и свойствами материалов. Умение правильно выбирать параметры конденсатора под конкретную задачу — ключевой аспект проектирования электрических схем.

Устройство конденсатора

Основные элементы конструкции

Электрический конденсатор состоит из двух ключевых элементов:

1. Проводящие обкладки. Это две металлические пластины (или полосы), которые служат для накопления электрического заряда. Обкладки обычно изготавливаются из алюминия, меди или других проводящих материалов. Они являются местом, где электрический заряд накапливается и удерживается.
2. Диэлектрик между обкладками. Диэлектрик — это изолирующий материал, расположенный между обкладками, который препятствует протеканию тока, но позволяет создавать электрическое поле. Основная функция диэлектрика — увеличение ёмкости за счёт повышения способности удерживать заряд.

Виды диэлектриков

Выбор диэлектрика напрямую влияет на характеристики и область применения конденсатора. Основные виды диэлектриков:

1. Воздух
   • Простая конструкция, используется в переменных конденсаторах.
   • Преимущества: высокая стабильность, малая утечка.
   • Недостатки: ограниченная ёмкость.
2. Бумага
   • Пропитанная маслом или парафином для улучшения диэлектрических свойств.
   • Применяется в высоковольтных конденсаторах.
3. Керамика
   • Используется в керамических конденсаторах с малой и средней ёмкостью.
   • Преимущества: высокая стабильность, небольшие размеры.
   • Подходит для высокочастотных приложений.
4. Слюда
   • Естественный минерал с отличными изоляционными свойствами.
   • Используется в точных и стабильных конденсаторах.
   • Преимущества: высокая надёжность и термостойкость.
5. Полимеры
   • Синтетические материалы, такие как полиэтилен, полипропилен, полиэстер.
   • Используются в плёночных конденсаторах.
   • Преимущества: высокая устойчивость к влаге, низкая утечка заряда.
6. Электролиты
   • Жидкие или твёрдые материалы, содержащие ионы.
   • Применяются в электролитических конденсаторах (алюминиевые, танталовые).
   • Преимущества: высокая ёмкость при компактных размерах.
   • Недостатки: ограниченный срок службы, чувствительность к полярности.

Типы корпусов и конструкций

Конденсаторы выпускаются в разных формах и конструкциях, что определяет их предназначение и способ монтажа. Основные типы:

1. Плёночные конденсаторы. Состоят из металлической плёнки и полимерного диэлектрика. Используются в фильтрах и высоковольтных цепях.
2. Цилиндрические конденсаторы. Часто применяются в электролитических конденсаторах. Обкладки свернуты в цилиндр, что позволяет экономить место.
3. Чип-конденсаторы. Миниатюрные устройства для поверхностного монтажа (SMD). Используются в компактных электронных устройствах.
4. Переменные конденсаторы. Ёмкость может изменяться за счёт механического изменения расстояния между обкладками или площади их перекрытия. Применяются в радиочастотных устройствах.
5. Суперконденсаторы. Высокоёмкостные устройства, способные накапливать значительное количество энергии. Используются в системах накопления энергии и гибридных устройствах.

Современные конденсаторы разработаны для удовлетворения различных потребностей: от сверхкомпактных чип-конденсаторов в смартфонах до мощных электролитических конденсаторов в энергетике. Правильный выбор конструкции и материалов позволяет обеспечить их надёжность и долговечность в конкретных приложениях.

Основные характеристики конденсаторов

Электрические конденсаторы обладают рядом ключевых параметров, которые определяют их поведение в цепях и области применения.

Номинальная ёмкость

• Определение: Способность конденсатора накапливать электрический заряд. Измеряется в фарадах (Ф), на практике используются кратные единицы:
  • Микрофарад (μF): 0,000001 Ф.
  • Нанофарад (nF): 0,000000001 Ф.
  • Пикофарад (pF): 0,000000000001 Ф.

Рабочее напряжение

• Определение: Максимальное напряжение, которое можно приложить к конденсатору без риска пробоя.
• Обозначение: Обычно указывается на корпусе конденсатора (например, 25 В, 400 В).
• Особенности: При превышении напряжения может произойти пробой диэлектрика. Для надёжной работы рекомендуется выбирать конденсатор с запасом по напряжению (обычно 1,5-2х от рабочей величины)

Допуск ёмкости (точность)

• Определение: Допустимое отклонение фактической ёмкости от номинального значения.
• Обозначение: Указывается в процентах (например, ±5%.
• Классы точности:
  • Высокоточные конденсаторы (±1%): для критичных схем.
  • Стандартные конденсаторы (±10%−20%): для общего применения.

Тангенс угла потерь

• Определение: Отношение реактивной мощности конденсатора к активной. Показывает потери энергии на нагрев.
• Обозначение: tan δ.
• Особенности: Чем он ниже, тем выше качество конденсатора. Для низкочастотных и точных схем выбираются конденсаторы с малыми потерями.

Температурный коэффициент

• Определение: Изменение ёмкости конденсатора при изменении температуры.
• Обозначение: Измеряется в ppm/°C (частей на миллион на градус Цельсия).
• Типы коэффициентов:
  • Положительный: ёмкость растёт с температурой.
  • Отрицательный: ёмкость уменьшается.
  • Нулевой: стабильная ёмкость в широком диапазоне температур (предпочтительно).
• Применение: Для температурно-стабильных схем используются конденсаторы с минимальным температурным коэффициентом.

Время зарядки и разрядки

Определение: Время, за которое конденсатор заряжается или разряжается до 63 % своего максимального значения напряжения.

Формула расчёта:

$$\tau =R\cdot C$$

Где τ — постоянная времени, R — сопротивление в цепи, C — ёмкость.

Особенности: Быстро заряжающиеся конденсаторы нужны в импульсных схемах. Долгозаряжающиеся — в схемах хранения энергии.

Характеристики конденсаторов определяют их поведение в различных условиях эксплуатации. Понимание этих параметров важно для выбора подходящего компонента для конкретной задачи.

Виды электрических конденсаторов

Электрические конденсаторы классифицируются по типу конструкции, материалам и назначению. Рассмотрим основные виды.

1. Постоянные конденсаторы

Конденсаторы с фиксированной ёмкостью, наиболее часто применяемые в электротехнике и электронике.

Керамические конденсаторы

• Устройство: Диэлектрик из керамики, проводящие пластины из металлизированного слоя.
• Преимущества: Малый размер. Высокая стабильность на высоких частотах. Низкие потери.
• Применение: Радиочастотные фильтры, генераторы, стабилизация напряжения.
• Особенности: Диапазон ёмкости: от нескольких пикофарад до микрофарад. Температурная зависимость ёмкости зависит от класса: Class I (стабильные, точные). Class II (большая ёмкость, менее стабильные).

Электролитические конденсаторы

Используют электролит как один из электродов, обеспечивая высокую ёмкость в компактном размере.

• Алюминиевые электролитические:
  • Диапазон ёмкости: от 1 до 10000 мкФ.
  • Применение: Источники питания, сглаживание пульсаций, фильтры.
  • Недостатки: Ограниченный срок службы, высокая утечка тока.
• Танталовые электролитические:
  • Диапазон ёмкости: от 0,1 до 1000 мкФ.
  • Преимущества: Более стабильные характеристики. Меньший размер по сравнению с алюминиевыми.
  • Недостатки: Чувствительность к перенапряжению.
  • Применение: Миниатюрные устройства, где требуется стабильность.

Пленочные конденсаторы

• Устройство: Пластинчатые обкладки из металла с изоляцией из пластиковых плёнок (полиэтилентерефталат, полипропилен).
• Преимущества: Низкие потери. Долговечность.
• Применение: Фильтры, цепи обратной связи, высоковольтные приложения.
• Диапазон ёмкости: до нескольких микрофарад.

Слюдяные конденсаторы

• Устройство: Диэлектрик из натуральной слюды.
• Преимущества: Высокая точность (±1%). Низкий температурный коэффициент.
• Применение: Радиочастотные и точные схемы.
• Диапазон ёмкости: несколько пикофарад.

Полимерные конденсаторы

• Устройство: Диэлектрик из специального проводящего полимера.
• Преимущества: Низкое внутреннее сопротивление. Высокая стабильность.
• Применение: Цифровая электроника, источники питания.

2. Переменные конденсаторы

• Особенности: Ёмкость изменяется за счёт механического изменения площади перекрытия обкладок или расстояния между ними.
• Применение: Настройка частоты в радиоприёмниках. Резонансные цепи.
• Пример: Воздушные и вакуумные переменные конденсаторы.

Суперконденсаторы (ионисторы)

• Особенности:
  • Ультравысокая ёмкость (до нескольких тысяч фарад).
  • Низкое напряжение (обычно 2,7 − 5 В).
  • Быстрое зарядка и разрядка.
• Преимущества:
  • Высокая плотность энергии.
  • Большой срок службы (миллионы циклов).
• Применение:
  • Буферные источники питания.
  • Регенеративные тормозные системы в транспорте.
  • Вспомогательная энергия для микроконтроллеров.

Разнообразие типов электрических конденсаторов позволяет выбрать оптимальное решение для любой области применения: от маломощной электроники до тяжёлой промышленности.

Применение конденсаторов

Электрические конденсаторы находят широкое применение в различных областях электроники, электротехники и энергетики благодаря своей способности накапливать, сохранять и отдавать электрический заряд. Рассмотрим основные направления их использования.

В электронных схемах

1. Сглаживание пульсаций в выпрямителях

• Принцип: Конденсаторы устанавливаются на выходе выпрямителя для сглаживания переменных составляющих напряжения, превращая пульсирующий ток в более стабильный.
• Типы используемых конденсаторов: Электролитические (для больших ёмкостей). Пленочные или керамические (для высокочастотных пульсаций).
• Пример: Источники питания в бытовой технике и компьютерах.

2. Фильтрация сигналов

• Роль: Конденсаторы работают как элементы фильтров для устранения нежелательных высокочастотных шумов или ограничения полосы частот.
• Типы фильтров:
  • Низкочастотные фильтры: Пропускают низкие частоты, блокируют высокие.
  • Высокочастотные фильтры: Пропускают высокие частоты, блокируют низкие.
• Применение: Радиоприёмники: улучшение качества сигнала. Аудиотехника: устранение фонового шума.

3. Генерация сигналов

• Конденсаторы используются в схемах осцилляторов для формирования синусоидальных, прямоугольных или других сигналов.
• Пример применения: Электронные генераторы: кварцевые осцилляторы, LC-генераторы. Тактовые генераторы в микропроцессорных устройствах.

В схемах электропитания

1. Хранение и передача энергии

• Конденсаторы способны временно накапливать энергию и отдавать её в нагрузку.
• Пример: Буферные элементы в схемах ИБП (источников бесперебойного питания). Схемы управления электродвигателями.

2. Повышение мощности

• Конденсаторы уменьшают провалы напряжения и компенсируют реактивную мощность в энергосистемах.
• Применение: Электрические приводы: обеспечение стабильной работы. Ламповые усилители: поддержание напряжения на определённом уровне.

В электротехнических системах

Компенсация реактивной мощности

• Реактивная мощность возникает из-за индуктивных нагрузок (двигатели, трансформаторы). Конденсаторы компенсируют эту мощность, улучшая коэффициент мощности.
• Преимущества: Снижение потерь в линиях электропередачи. Экономия электроэнергии.
• Пример: Установка батарей конденсаторов на подстанциях.

В альтернативной энергетике

Суперконденсаторы

• Особенности: Высокая ёмкость позволяет быстро накапливать и отдавать большие объёмы энергии. Долговечность: миллионы циклов заряд-разряд.
• Применение: Солнечные панели: накопление энергии и поддержание её уровня. Ветровые турбины: сглаживание скачков энергии. Гибридные системы: обеспечение высокой мощности в кратковременные периоды нагрузки (например, в транспортных средствах).

Использование конденсаторов охватывает как традиционные электротехнические системы, так и современные высокотехнологичные устройства. От сглаживания пульсаций в обычных источниках питания до применения в сложных системах альтернативной энергетики — их роль остаётся ключевой.

Преимущества и недостатки различных типов конденсаторов

Конденсаторы различного типа обладают своими особенностями, которые делают их более подходящими для определённых задач. Рассмотрим основные типы и их преимущества и недостатки.

1. Керамические конденсаторы

Преимущества:

• Низкая стоимость: одни из самых доступных конденсаторов.
• Компактность: подходят для миниатюрных схем.
• Высокое быстродействие: идеальны для работы на высоких частотах.
• Широкий диапазон температур: устойчивы к температурным изменениям.
• Надёжность: обладают длительным сроком службы.

Недостатки:

• Низкая ёмкость: обычно не превышает нескольких микрофарад.
• Тангенс угла потерь: в некоторых моделях высокий (особенно при больших ёмкостях).
• Чувствительность к механическим напряжениям: может изменяться ёмкость.

2. Электролитические конденсаторы

Преимущества:

• Высокая ёмкость: вплоть до нескольких тысяч микрофарад.
• Небольшие размеры: при высокой ёмкости.
• Широкое применение: подходят для сглаживания пульсаций и фильтрации.

Недостатки:

• Ограниченный срок службы: деградация электролита со временем.
• Низкое рабочее напряжение: ограничены по диапазону напряжений.
• Полярность: требуют правильного подключения (иначе возможен выход из строя).
• Повышенный ток утечки: заметен при длительном хранении.

3. Слюдяные конденсаторы

Преимущества:

• Высокая стабильность параметров: практически не изменяют свои характеристики со временем.
• Малый тангенс угла потерь: идеально для высокочастотных цепей.
• Долговечность: служат десятилетиями.

Недостатки:

• Высокая стоимость: из-за сложности производства.
• Ограниченная ёмкость: как правило, не превышает нескольких нанофарад.
• Габариты: занимают больше места, чем керамические или электролитические аналоги.

4. Плёночные конденсаторы

Преимущества:

• Широкий диапазон ёмкости: от пико- до микрофарад.
• Низкий ток утечки: эффективны в схемах с малой утечкой заряда.
• Высокая надёжность: устойчивы к перегрузкам по напряжению.
• Хорошая температурная стабильность.

Недостатки:

• Габариты: крупнее, чем электролитические аналоги при той же ёмкости.
• Стоимость: дороже керамических конденсаторов.
• Чувствительность к повреждениям: механическое воздействие может разрушить структуру.

5. Суперконденсаторы

Преимущества:

• Высокая плотность энергии: способны аккумулировать и отдавать значительное количество энергии.
• Длительный срок службы: выдерживают миллионы циклов заряд-разряд.
• Высокая мощность: обеспечивают мгновенный выход энергии.
• Простота утилизации: не содержат токсичных веществ.

Недостатки:

• Высокая стоимость: дороже других типов конденсаторов.
• Высокий ток утечки: заметен в длительных статических приложениях.
• Ограниченное рабочее напряжение: требуют последовательного соединения для работы с высоким напряжением.
• Чувствительность к температуре: при высоких температурах снижается эффективность.

Сравнительная таблица:

Тип конденсатора	Преимущества	Недостатки	Типичные области применения
Керамический	Дешёвые, компактные, быстрые	Низкая ёмкость, чувствительность	Высокочастотные схемы, фильтрация
Электролитический	Высокая ёмкость, компактные	Ограниченный срок службы, полярность	Источники питания, сглаживание пульсаций
Слюдяной	Стабильность, долговечность	Высокая цена, малая ёмкость	Радиотехника, высокочастотные схемы
Плёночный	Надёжные, стабильные, широкий диапазон	Крупные, дорогие	Автоматика, энергосистемы, фильтры
Суперконденсатор	Большая плотность энергии, долговечность	Дорогие, утечка заряда	Энергетика, транспорт, резервные системы

Современные технологии и перспективы

Развитие технологий производства конденсаторов направлено на увеличение их эффективности, ёмкости и долговечности. Рассмотрим ключевые направления современных исследований и перспективы.

Разработка гибридных конденсаторов

Гибридные конденсаторы сочетают преимущества электролитических конденсаторов (высокая ёмкость) и суперконденсаторов (долговечность и высокая плотность энергии).

• Особенности: Использование жидких или твёрдых электролитов для увеличения ёмкости. Применение углеродных материалов на основе графена для повышения проводимости.
• Преимущества: Более высокий срок службы. Подходит для приложений, где требуется как высокая ёмкость, так и стабильность работы.

Использование графена и наноматериалов

Графен — перспективный материал для производства конденсаторов благодаря его уникальным свойствам: Высокая электрическая проводимость. Огромная площадь поверхности для накопления заряда.

Примеры технологий:

• Графеновые суперконденсаторы: обеспечивают ёмкость, значительно превышающую традиционные суперконденсаторы.
• Наноматериалы: Нанотрубки для повышения механической прочности. Нанокомпозиты для улучшения стабильности и теплопроводности.

Потенциальное применение: Электромобили (ускорение зарядки). Системы бесперебойного питания (UPS).

Применение в системах хранения энергии

С развитием возобновляемых источников энергии, таких как солнечные панели и ветряные турбины, требования к системам накопления энергии становятся всё более жёсткими.

• Роль суперконденсаторов: Высокая скорость зарядки и разрядки. Большой срок службы без деградации.
• Примеры применения: Хранение энергии в микроэлектростанциях. Балансировка пиковых нагрузок в сетях.

Будущее: развитие гибридных систем, которые объединяют аккумуляторы и суперконденсаторы для повышения общей эффективности.

Подведем итог

Конденсаторы остаются ключевыми компонентами современной электроники, играя незаменимую роль в системах питания, фильтрации и управления энергией.

• Роль в современной электронике:
  • Устойчивое развитие технологий невозможно без использования конденсаторов.
  • Они обеспечивают энергоэффективность, стабильность и производительность в самых разных приложениях.
• Рекомендации по выбору:
  • Для фильтрации: керамические или плёночные конденсаторы.
  • Для сглаживания пульсаций: электролитические.
  • Для накопления энергии: суперконденсаторы или гибридные модели.
• Будущее технологии:
  • Активное внедрение графена и наноматериалов.
  • Повышение плотности энергии и долговечности.
  • Использование в новых энергетических и экологических проектах.

Итого, инновации в производстве конденсаторов открывают широкие перспективы для их применения, делая устройства компактнее, эффективнее и долговечнее.

Еще немного истории

Здесь мы рассмотрим теоретические основы работы и историю изобретения конденсатора. Как известно, конденсатор — своеобразный двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

История создания. В 1745 году был создан первый конденсатор — «лейденская банка». Она представляла собой закупоренную наполненную водой стеклянную банку, оклеенную внутри и снаружи фольгой. Сквозь крышку в банку был воткнут металлический стержень. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона. Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых материалов. Выяснилось, что металлы и вода — лучшие проводники электричества. Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным путем получить электрическую искру.

Однако при раскопках был найден глиняный сосуд неизвестного назначения, внутри которого стоял медный пустотелый цилиндр с железным стержнем, укрепленным по центру асфальтовой пробкой. Вскоре американский химический журнал опубликовал гипотезу о назначении загадочного сосуда. Авторы гипотезы, указывая, что на дне сосуда найдены остатки оливкового масла, считают, что он служил конденсатором, причем цилиндр и стержень были обкладками, а масло, налитое в сосуд,— диэлектриком. Конденсатор заряжали, многократно перенося заряд на стержень с какого-либо диэлектрика, натертого о шерсть или мех. Затем можно было получить от банки сильный разряд. Не здесь ли, пишет журнал, следует искать исток легенды о волшебной лампе Аладина? Помните, чтобы вызвать джинна, следовало применить странный способ — как следует потереть лампу. В сказках разных народов мира встречается множество волшебных предметов, но ни один из них не требует такого обращения.

Все становится понятным, если считать, что джинн — это поражавший воображение зрителей электрический разряд и что в сказке с некоторыми поэтическими вольностями описан способ зарядки лейденской банки. На вопрос, для чего могли служить такие конденсаторы, можно ответить: для зажигания священного огня в храме, для эффектной демонстрации перед верующими непонятной и невидимой силы, заключенной в волшебном сосуде. Не исключено и применение электрического разряда в более полезных целях. Еще древние римляне лечили радикулит »и некоторые другие заболевания, сажая больного на электрического ската. Но, насколько известно, никаких опытов, подтверждающих работоспособность такого конденсатора, проведено не было.

   Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

• — Конденсаторы используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..
• — При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой.
• — Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
• — В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.
• — Как датчики малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
• — Конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит.

На принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1000000 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею, или C = C1 + C2 + … + Cn. Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади. При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы.

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения. Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя. Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения. Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе. При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с тефлоновым диэлектриком. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками.

По виду диэлектрика различают такие типы конденсаторов:

• — Конденсаторы вакуумные — обкладки без диэлектрика находятся в вакууме.
• — Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
• — Конденсаторы с жидким диэлектриком.
• — Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные, слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
• — Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
• — Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде.

Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

   Конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

• — Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости.
• — Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением — варикапы. Применяются для перестройки частоты резонансного контура.
• — Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

Процесс заряда конденсатора. При замыкании ключа 1 пластины конденсатора окажутся подключенными к батарее и на них появятся противоположные по знаку электрические заряды («+» и «—»). Произойдет заряд конденсатора и между его пластинами возникнет электрическое поле. При заряде конденсатора свободные электроны правой пластины переместятся по проводнику в направлении положительного   полюса   батареи и на этой  пластине останется недостаточное количество электронов, в результате чего она приобретет, положительный заряд. Свободные электроны с отрицательного полюса батареи переместятся на левую пластину конденсатора и на ней появится избыток электронов — отрицательный заряд. Таким образом, в проводах, соединяющих пластины конденсатора с батареей, будет протекать электрический ток. Если между конденсатором и батареей не включено большое сопротивление, то время заряда конденсатора очень мало и ток в проводах протекает кратковременно. При заряде конденсатора энергия, сообщаемая батареей, переходит в энергию электрического поля, возникающего между пластинами конденсатора.

Процесс разряда конденсатора При замыкании ключа 2, пластины заряженного конденсатора окажутся соединенными между собой. При этом произойдет разряд конденсатора и исчезнет электрическое поле между его пластинами. При разряде конденсатора избыточные электроны с левой пластины переместятся по проводам к правой пластине, где их недостает; когда количество электронов на пластинах конденсатора станет одинаковым, процесс разряда закончится и ток в проводах исчезнет. Энергия электрического поля конденсатора при его разряде расходуется на работу, связанную с перемещением зарядов,— на создание электрического тока.

Время разряда конденсатора через провода, обладающие малым сопротивлением, также весьма мало. Конденсаторы большей ёмкости способны накопить столько энергии, что хватит на питание светодиода в течении нескольких минут.