Какой накопитель энергии самый энергоемкий

Падение напряженности и общая емкость

Ёмкость конденсатора – это величина, определяющая количество заряда, который он способен в себе сохранить. Выражение имеет следующий вид:

C = q/U.

Здесь q – заряд, накопленный между обкладками конденсатора, U – напряжение к ним приложенное.

Вышеописанная формула представляет общий случай. На практике при расчете ёмкости конденсатора следует учитывать ряд других переменных:

C = E0ES/d,

где:

E0 – электрическая постоянная, равная 8,85*10-12 Ф/м,
E – диэлектрическая проницаемость среды, в которой располагаются обкладки конденсатора,
S – их площадь пересечения,
d – расстояние между обкладками.

Стандартная модель конденсатора имеет следующий вид.

Модель конденсатора

Обкладки чаще всего изготовлены из тонкого листового алюминия и скручены в рулон. Делается это для увеличения их площади, ведь так ёмкость конденсатора становится существенно больше.

От выбора диэлектрика, устанавливаемого производителем между обкладками конденсатора, зависит номинальное и максимальное напряжение прибора. Это, в свою очередь, определяет его сферу применения. Если к обкладкам приложить чрезмерную разность потенциалов, то напряжённость поля между ними превысит допустимый уровень, и произойдёт пробой диэлектрика. Подобная ситуация особенно пагубно влияет на электролитические конденсаторы и ионисторы. В случае их пробоя прибор частично или полностью теряет способность накапливать заряд и в дальнейшем становится непригодным для работы.

При последовательном и параллельном включении разных конденсаторов существенно изменяются их характеристики. Данное свойство этих деталей активно используется инженерами-электронщиками и радиолюбителями. Знание принципов подключения позволяет им более продуктивно разрабатывать новые устройства.

Источники

https://smolgelios.ru/svet/soedinenie-kondensatorov.html
https://amperof.ru/teoriya/posledovatelnoe-soedinenie-kondensatorov.html
https://seti.guru/parallelnoe-i-posledovatelnoe-soedinenie-kondensatorov
https://odinelectric.ru/knowledgebase/parallelnoe-i-posledovatelnoe-soedinenie

Янв 25, 2021

Конденсаторы

Для практического использования электрической энергии необходимо уметь ее накапливать. Для этого используют специальные устройства — конденсаторы.

Конденсаторы — это устройства, которые состоят из двух или более проводников, разделенных тонким слоем диэлектрика.

Проводники, из которых состоит конденсатор, называются обкладками.

Как правило, при зарядке конденсатора заряды его обкладок равны по величине и противоположны по знаку. Под зарядом конденсатора понимают значение заряда положительно заряженной обкладки.

Термин «конденсатор» от латинского слова condensare — сгущать ввел А.Вольта (итальянский физик) в 1782 г. Первые электрические конденсаторы были изготовлены Э.Клейстом и П. Ван Мушенбреком в 1745 г. По имени города Лейдена, где работал Мушенбрек, французкий физик Жан Нолле назвал их лейденскими банками.

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

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

\(~C = \dfrac{q}{\varphi_1 — \varphi_2}\) или \(~C = \dfrac qU .\)

Из этой формулы видно, что чем больше напряжение между обкладками конденсатора, тем больше на них заряд. Но для каждого конденсатора существует предельное (максимальное) напряжение, выше которого диэлектрик начнет разрушаться. При этом заряды обкладок конденсатора мгновенно нейтрализуются, происходит пробой, т.е. конденсатор выходит из строя.

Виды конденсаторов

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;
по типу диэлектрика (рис. 1) —бумажные (а), воздушные (б), слюдяные, керамические, электролитические (в) и т.д.;
по рабочему напряжению — низковольтные (напряжение пробоя до 100 В) и высоковольтные (выше 100 В);
по возможности изменения своей емкости — постоянной емкости (см. рис. 1, а, в), переменной емкости (см. рис. 1, б), подстроечные (рис. 2).

Рис. 1

Другие виды конденсаторов показаны на рисунке 3.

См. так же Wikipedia Классификация конденсаторов

Электроемкость плоского конденсатора C зависит от площади обкладок S, расстояния между ними d и диэлектрической проницаемости диэлектрика ε, заполняющего пространство между обкладками конденсатора, но не зависит от материала, из которого эти пластины изготовлены

\(~C = \dfrac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon \cdot S}{d},\)

где ε — электрическая постоянная.

*Вывод формулы

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:

\(\vec{E}=\vec{E}_{1} +\vec{E}_{2},\)

где \( E_{1} = E_{2} =\dfrac{\sigma }{2\varepsilon _{0} \cdot \varepsilon } =\dfrac{q}{2\varepsilon _{0} \cdot \varepsilon \cdot S}\) — напряженности электрических полей каждой из обкладок конденсатора, σ — поверхностная плотность заряда на обкладках конденсатора. Тогда в проекциях на ось 0Х:

справа и слева от пластин — \(E_х = 0\);

между пластин — \(E=2E_{1} =\dfrac{q}{\varepsilon _{0} \cdot \varepsilon \cdot S}.\)

Рис. 4

Электроемкость плоского конденсатора \(~C = \dfrac qU\), где \(U = E \cdot d,\) d — расстояние между пластин. Следовательно,

\(C =\dfrac{q}{E\cdot d} = \dfrac{q}{d} \cdot \dfrac{1}{E} = \dfrac{q}{d} \cdot \dfrac{\varepsilon _{0} \cdot \varepsilon \cdot S}{q} = \dfrac{\varepsilon _{0} \cdot \varepsilon \cdot S}{d}.\).

При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах и т. п.
Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
Емкость конденсатора заметно изменяется при малейших изменениях параметра конденсатора. Так малое изменение расстояния между обкладками учитывается в измерителях малых перемещений, изменение состава диэлектрика при изменении влажности фиксируется в измерителях влажности, учет изменения высоты диэлектрика между обкладками конденсатора позволяет измерять уровень жидкости и т.п.
Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.

Конденсаторы испарительного охлаждения

По сути, конденсатор испарительного охлаждения – это конденсатор воздушного охлаждения, в котором теплообменная поверхность орошается водой. Испарение воды на теплообменной поверхности вызывает повышение эффективности теплообмена. Существует два типа таких конденсаторов: с распылением и с увлажнением (рис. 13).

Рисунок 13 – Гидравлический контур испарительных конденсаторов: а) с распылением воды; б) с увлажнением воздуха

Основной проблемой конденсаторов испарительного типа является образование осадка (накипи в виде твердых отложений) на теплообменной поверхности при длительной эксплуатации. В связи с этим применяют схему, в которой орошение происходит не на саму поверхность теплообменника, а на специальные панели, которые используются как расходный материал. Эти панели служат в роли «влажного фильтра», т.е. воздух проходя через эти панели увлажняется и охлаждается перед тем как взаимодействовать с самим конденсатором. Это позволяет снизить температуру воздуха на входе в конденсатор в среднем на 5-10 °C. Орошение и увлажнение осуществляется в жаркое летнее время, при высоких температурах окружающей среды.

Преимуществом такого решения является: увеличение производительности конденсатора, защита от слишком высоких температур конденсации.

К недостаткам таких схем можно отнести: загрязнение и забивание теплообменных поверхностей при длительной эксплуатации, расход воды изза испарения, дополнительные расходы на контур циркуляции и орошение воды, есть необходимость в водоподготовке.

Электроемкость

Различают электроемкость уединенного проводника, системы проводников (в частности, конденсаторов).

Электроемкость уединенного проводника

Уединенным называется проводник, расположенный вдали от других заряженных и незаряженных тел так, что они не оказывают на этот проводник никакого влияния.

Электроемкость уединенного проводника — физическая величина, равная отношению электрического заряда уединенного проводника к его потенциалу:

\(~C = \dfrac{q}{\varphi}\) или \(~C = \dfrac{\Delta q}{\Delta \varphi}\).

В СИ единицей электроемкости является фарад (Ф).

1 Ф — это электроемкость такого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл.

Поскольку 1 Ф очень большая единица емкости, применяют дольные единицы:

1 пФ (пикофарад) = 10-12 Ф, 1 нФ (нанофарад) = 10-9 Ф, 1 мкФ (микрофарад) = 10-6 Ф и т.д.

Электроемкость проводника не зависит от рода вещества и заряда, но зависит от его формы и размеров, а также от наличия вблизи диэлектрика.

Если уединенным проводником является заряженная сфера, то потенциал поля на ее поверхности

\(~\varphi = \dfrac{q}{4 \pi \cdot \varepsilon_0 \cdot \varepsilon \cdot R} = \dfrac{k \cdot q}{\varepsilon \cdot R}\),

где R — радиус сферы, ε — диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится проводник. Тогда электроемкость уединенного сферического проводника

\(~C = \dfrac{q}{\varphi} = 4 \pi \cdot \varepsilon_0 \cdot \varepsilon \cdot R = \dfrac{\varepsilon \cdot R}{k}.\)

Электроемкость сферы размерами с Землю равна всего 709 мкФ.
Электроемкость сферы равна 1 Ф, если радиус сферы в 1400 раз больше радиуса Земли, т.е. R = 9⋅1012 м.

Электроемкость двух проводников

Обычно на практике имеют дело с двумя и более проводниками. Рассмотрим два проводника произвольной формы, находящиеся в однородном диэлектрике. Сообщим им заряды +q и –q. При этом между проводниками установится некоторая разность потенциалов (напряжение): φ₁ – φ₂ = U.

Эксперимент показывает, что увеличение заряда каждого проводника, например, в 2 раза приводит к увеличению напряжения между ними также в 2 раза, т.е. отношение \(\dfrac{q}{U}\) для данной пары проводника остается постоянным:

\(\dfrac{q_1}{U_1} = \dfrac{q_2}{U_2} = \ldots = const = C.\)

Электроемкость двух проводника — физическая величина, равная отношению электрического заряда одного из проводников к разности потенциалов (напряжению) между ними

\(~C = \dfrac{q}{\varphi_1 — \varphi_2} = \dfrac{q}{U}. \)

Электроемкость двух проводников зависит от формы и размеров проводников, от их взаимного расположения и относительной диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между ними.

Схема «Н-типа»

Естественно, что комплектация батарей производится исходя из потребностей, которые предъявляются заказчиком. Устройства состоят из каркаса, произведенного из специальных видов металлов, в котором размещаются конденсаторы. Для защиты конденсаторов покрывают оцинкованием. Также в корпусе устройства находятся различные типы изоляторов, ошиновка, устройства для измерения силы тока, агрегаты для усиления защиты устройства, реакторы, которые ограничивают ток и набор фурнитуры. Продукция предприятия может поставляться как в собранном, так и в разобранном виде. Конечный сбор производится под контролем руководителя инженерной службы предприятия. Долгие годы успешного производства батарей позволяет в значительной степени упростить монтаж, уменьшив временные и материальные затраты на установку устройства. Таким образом, продукция предприятия отличается своим качеством и приемлемой стоимостью.

Общие сведения

Слово «конденсатор» переводится с латинского как «сгущение». Поэтому устройство, позволяющее получить однородное электрическое поле, и было названо эти термином. В физике существует чёткое определение такого прибора. Согласно ему, конденсатором называется система из двух плоских проводников расстояние между которыми гораздо меньше их размеров. Первым таким устройством стала «Лейденская банка».

В 1745 году голландец Питерван Мушенбрук и его ученик Кюнеус в городе Лейдене собрали прибор в форме банки предназначенный для хранения и накапливания зарядов. Устройство содержало следующие компоненты:

стеклянный цилиндр;
внешнюю и внутреннюю оболочки;
деревянную пробку;
проволочный проводник.

Оболочки покрывали сосуд примерно на две трети и были выполнены из листового олова. Через пробку обеспечивающую герметичность банки проходил металлический стержень. Касаясь подводника заряженным телом, учёный передавал заряды в ёмкость. При соприкосновении электроны перемещались на проводник и накапливались на электроде. В итоге одна обкладка конденсатора заряжалась положительно, а другая — отрицательно.

Как оказалось, такая конструкция была способна накапливать запас электричества. Изобретение первого конденсатора привело к более глубокому изучению природы электричества. С его помощью стало возможным разобраться в поведении диэлектриков и проводников, понять механизм разделения зарядов.

С физической точки зрения, в устройстве проходят следующие процессы. Две разделённые пластины заряжаются частицами с разным знаком. Вектор напряжённости положительно заряженного проводника направлен от него во все стороны. При этом силовые линии, которые создаются между обкладками не зависят от расстояния, одинаковые по модулю и направлению. Поэтому с внешней стороны отрицательной пластины создаётся такое же поле, но с линиями входящими в неё.

Так как заряды на электродах одинаковые, то напряжённость поля внутри обкладок равняется E = E1 * E2 = 2E1 = 2E2. Снаружи силовые линии направлены друг на друга, поэтому суммарное значение энергии за пластинами равняется нулю.

https://youtube.com/watch?v=_emA7uRBQlc

Расчет параметров конденсатора онлайн

Не знаю как Вам, а мне никогда не нравилось работать и вычислять ёмкости конденсаторов. Больше всего раздражало наличие в исходных данных, ёмкостей в разных номиналах, в пикофарадах, в нанофарадах, микрофарадах. Их приходилось переводить в Фарады, что влекло за собой глупейшие ошибки в расчетах. Конденсатор — в принципе это любая конструкция, которая может сохранять накопленный электрический потенциал. Если же эта конструкция, не только хранит электроэнергию, но и генерирует её, то это уже источник электропитания и никак не конденсатор.

Конструкция конденсаторов может быть любой, но чаще всего в практике используется плоский конденсатор, состоящий из двух проводящих пластин, между которыми находится какой либо диэлектрик. Это связано с тем, что расчет ёмкости такого конденсатора ведется по известной формуле и простотой его создания. Свернув такой плоский конденсатор в рулон, мы получаем, что при фактическом скромном размере «рулона», там находится плоский конденсатор, длиной в десятки сантиметров и обладающий повышенной ёмкостью.

Емкости конденсаторов некоторых форм известны, и мы дальше их рассмотрим.

Но хотелось бы заметить, что на наш взгляд, потенциал развития конденсаторов до конца не завершен. Ведь форма конструкции какого либо конденсатора может быть любая, материалы из которого сделаны обкладки или диэлектрический слой тоже могут быть любыми в пределах таблицы Менделеева. Единственная сложность, это невозможность теоретически просчитать потенциальную ёмкость, новосозданного (другой конструкции) конденсатора. Это усложняет нахождение самой лучшей конструкции конденсатора.

Есть хорошая книга по рассмотрению электрической ёмкости различных фигур. Для любопытных рекомендую поискать на просторах Интернета: Расчет электрической ёмкости в авторстве Ю.Я.Иоселль 1981 года

Данный бот рассчитывает параметры типовых форм конденсаторов. Отличие от других калькуляторов, присутствующих в интернете, это возможность задавать параметры, которые Вам известны, для того что бы рассчитать остальные.

И последнее нововведение, которое вы можете использовать. Вам не обязательно придется переводить заданные данные в метры, фарады и т.д. Достаточно обозначить размерность данных.

Например, если ёмкость известна и равно 100 пикофарад, то боту можно так и написать c=100пикофарад или с=100пФ, бот сам переведет в Фарады.

Результат, тоже будет выдан оптимально визуальному восприятию пользователя.

Это стало возможно с созданием бота Система единиц измерения онлайн

Плоский конденсатор.

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

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

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

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

Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:

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

Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:

E_{пл} = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon}

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

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

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

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

Соответственно, вне конденсатора (слева и справа от обкладок) поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0.

Свободные электрические колебания в параллельном контуре.

Основные свойства индуктивности:

— Ток, протекающий в катушке индуктивности, создаёт магнитное поле с энергией . — Изменение тока в катушке вызывает изменение магнитного потока в её витках, создавая в них ЭДС, препятствующую изменению тока и магнитного потока.

Период свободных колебаний контура LC

можно описать следующим образом:

Если конденсатор ёмкостью C

заряжен до напряженияU , потенциальная энергия его заряда составит. Если параллельно заряженному конденсатору подключить катушку индуктивностиL , в цепи пойдёт ток его разряда, создавая магнитное поле в катушке.

Магнитный поток, увеличиваясь от нуля, создаст ЭДС в направлении противоположном току в катушке, что будет препятствовать нарастанию тока в цепи, поэтому конденсатор разрядится не мгновенно, а через время t

1, которое определяется индуктивностью катушки и ёмкостью конденсатора из расчётаt 1 = . По истечении времениt 1, когда конденсатор разрядится до нуля, ток в катушке и магнитная энергия будут максимальны. Накопленная катушкой магнитная энергия в этот момент составит. В идеальном рассмотрении, при полном отсутствии потерь в контуре,EC будет равнаEL . Таким образом, электрическая энергия конденсатора перейдёт в магнитную энергию катушки.

Изменение (уменьшение) магнитного потока накопленной энергии катушки создаст в ней ЭДС, которая продолжит ток в том же направлении и начнётся процесс заряда конденсатора индукционным током. Уменьшаясь от максимума до нуля в течении времени t

2 =t 1, он перезарядит конденсатор от нуля до максимального отрицательного значения (-U ). Так магнитная энергия катушки перейдёт в электрическую энергию конденсатора.

Описанные интервалы t

1 иt 2 составят половину периода полного колебания в контуре. Во второй половине процессы аналогичны, только конденсатор будет разряжаться от отрицательного значения, а ток и магнитный поток сменят направление. Магнитная энергия вновь будет накапливаться в катушке в течении времениt 3, сменив полярность полюсов.

В течении заключительного этапа колебания (t

4), накопленная магнитная энергия катушки зарядит конденсатор до первоначального значенияU (в случае отсутствия потерь) и процесс колебания повторится.

В реальности, при наличии потерь энергии на активном сопротивлении проводников, фазовых и магнитных потерь, колебания будут затухающими по амплитуде. Время t

1 +t 2 +t 3 +t 4 составит период колебаний . Частота свободных колебаний контура ƒ = 1 /T Частота свободных колебаний является частотой резонанса контура, на которой реактивное сопротивление индуктивности XL=2πfL

равно реактивному сопротивлению ёмкостиXC=1/(2πfC) .

Расчёт частоты резонанса LC-контура:

Предлагается простой онлайн-калькулятор для расчёта резонансной частоты колебательного контура.

Необходимо вписать значения и кликнуть мышкой в таблице. При переключении множителей автоматически происходит пересчёт результата.

Виды конденсаторов

Основные технические параметры этих изделий во многом зависят от проницаемости и других свойств промежутка между обкладками. В частности, проходящий через этот слой ток определяет длительность сохранения запаса энергии. По материалу диэлектрика различают следующие виды конденсаторов:

вакуумный;
воздушный (газовый);
жидкий;
твердый неорганический (слюда)/ органический (бумажный);
полимерный;
электролитический;
оксидный.

Для улучшения потребительских параметров используют различные комбинации представленных материалов.

Серийные модели постоянной емкости рассчитаны на сохранение исходных характеристик на протяжении всего срока службы. Также выпускают переменные модели. Для увеличения (уменьшения) емкости применяют:

механический ручной или электрический привод;
изменение напряжения (варикапы) или температуры.

Миниатюрные подстроечные конденсаторы нужны для точной настройки электрической схемы

Также применяют классификацию по форме и взаимному расположению обкладок. Специальные конденсаторы (пусковые, высоковольтные и др.) создают для решения отдельных задач.

Неполярные

Это связано с похожей структурой материалов образующих границу между обкладкой и диэлектриком. Стороны одинаковы. Все это приводит к тому, что во время установки конденсатора нет необходимости соблюдать полярность. В качестве неполярных электрических устройств в основном используются сухие, реже электролитические, изготовленные по измененной технологии.

Керамические

Устанавливаются элементы в контурах радиоаппаратуры. Керамические конденсаторы подразделяются на

с постоянной емкостью
подстроечные.

Элементы с постоянной емкостью – устанавливают в контурах генераторов и гетеродинов. Подстроечные – используются для подгонки параметров колебательных контуров. Широкое распространение получили благодаря разнообразию емкостей, широкому диапазону рабочих напряжений, стандартными типоразмерами аналогичными керамическим устройствам разных производителей.

Пленочные

Особенностью таких устройств будет диэлектрик в виде пленки. Пленка изготавливается из фторопласта, металлизированной бумаги, полипропилена, поликарбоната и подобных материалов. Металлическая пленка или фольга напыляются или напрессовываются на диэлектрик.

Пленочные конденсаторы используются в цепях постоянного тока, всевозможных фильтрах и резонансных схемах.

Smd

В цепях управления некоторых видов плат используются небольшие по размерам Smd конденсаторы, имеющие форму маленьких кирпичиков. На плату радиоэлемент устанавливается посредством правила поверхностного монтажа. Smd устройства бывают следующих видов:

электролитические
керамические;
танталовые.

Керамические SMD конденсаторы, имеющие диэлектрик с высокой проницаемостью, маркируются тремя буквами. Первыми двумя буквами обозначается нижняя и верхняя предельно допустимая граница рабочего диапазона температур, третья буква используется при обозначении отклонений изменения емкости для измеряемых диапазонов.

В таких случаях без специального измерительного прибора, например, мультиметра не обойтись.