Что такое конденсатор? Как он работает?

Посмотрите в небо и в большинство дней вы увидите несколько огромных конденсаторов, плавающих над вашей головой. Конденсаторы — устройства хранения энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемниках и других видах электронного оборудования. Настраиваете радиоприемник на станцию, делаете фото с цифровой камеры со вспышкой, или листаете каналы на вашем телевизоре HDTV, вы косвенно пользуетесь конденсаторами. Конденсаторы, которые дрейфуют в небе, более известны как облака и, хотя они гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике, они хранят энергию точно таким же образом. Давайте поближе рассмотрим конденсаторы и как они работают!

Что такое конденсатор?

Конденсаторы

Конденсаторы

Возьмите два электрических проводника (пусть электричество течет по ним) и разделите их диэлектриком (материалом, который пропускает электрический поток очень плохо), и вы получите конденсатор: устройство, которое может хранить электрическую энергию. Добавление электрической энергии в конденсатор называется зарядкой; высвобождение энергии из конденсатора известно, как разрядка.

Конденсатор немного напоминает аккумуляторную батарею, но у нее другая работа. Аккумулятор использует химикаты, чтобы хранить электрическую энергию и выпускать ее очень медленно через контур; иногда (в случае кварцевых часов) это может занять до нескольких лет. Конденсатор, как правило, освобождает свою энергию гораздо быстрее—часто в течение секунд и менее. Если вы делаете фото со вспышкой, то вам нужно, чтобы ваша камера произвела яркий взрыв света в доли секунды. Конденсатор присоединен к вспышке заряжает конденсатор в течение нескольких секунд с помощью энергии из камеры батареи. (Требуется время для зарядки конденсатора и поэтому обычно нужно немного подождать.) После того, как конденсатор полностью зарядится, он может выпустить всю свою энергию в одно мгновение через ксеноновую лампу. Щелк! и фото готово.

Различные виды

Различные виды

Конденсаторы бывают различных форм и размеров, но они обычно имеют те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины, в основном по историческим причинам) и есть изолятор между ними (так называемый диэлектрик). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединениям, называемым клеммы, которые похожи на тонкие металлические ножки для подключения к электрической цепи.
Вы можете заряжать конденсатор, просто подсоединив его к электрической цепи. При включении питания, электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина приобретет положительный заряд, а другая пластина — равный по величине и противоположный по знаку (отрицательный) заряд. Если вы отключите питание, то конденсатор будет держать заряд (хотя он может медленно ослабевать со временем). Но если вы подключите конденсатор ко второй цепи, содержащей нечто вроде электрического мотора или лампы-вспышки, то заряд будет перетекать из конденсатора в мотор или лампу пока на пластинах не останется заряда.

Как видно, этот конденсатор состоит из фольги и бумажного изолятора

Как видно, этот конденсатор состоит из фольги и бумажного изолятора

Хотя конденсаторы имеют одну основную функцию(сохранение заряда), они могут быть использованы для разных целей в электрических цепях. Они могут быть применены в качестве приборов времени (потому что, разрядка конденсатора занимает определенное, предсказуемое количество времени), в качестве фильтров (цепей, которые пропускают только определенные сигналы в поток), для сглаживания напряжения в цепях, для тюнинга (в радиоприемниках и телевизорах), и для других целей. Большие суперконденсаторы могут также использоваться вместо батарей.

Конденсаторы и их емкость

Объем электрической энергии, который конденсатор может хранить, называется его емкостью. Емкость конденсатора немного напоминает объем ведра: чем больше ведро, тем больше воды оно может хранить; чем больше емкость, тем больше электроэнергии конденсатор может хранить. Есть три способа, чтобы увеличить емкость конденсатора. Один-увеличить размер пластины. Другой уменьшить расстояние между пластинами. Третий способ-использовать наиболее хороший изолятор в качестве диэлектрика. Диэлектрики изготовлены из различных материалов. В транзисторных радиоприемниках настройка осуществляется большим конденсатором переменной емкости, который не имеет ничего, кроме воздуха между его пластинами. В большинстве электронных схем, конденсаторы герметизированы, а диэлектрики изготовлены из слюды, стекла, бумаги, пропитанной маслом, или пластмасс , таких как майлар.

Как можно измерить емкость?

Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарад (Ф), назван в честь английского ученого Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад-это огромный объем емкости, поэтому на практике мы сталкиваемся лишь с долями фарада—обычно микрофарад (10?6 Ф, миллионная доля фарада [мкф]), нанофарад (10?9 Ф, миллиардная доля фарада [нФ]), и пикофарад (10?12 Ф, триллионная доля фарада, [пФ]). Емкость суперконденсатора может достигать тысячи фарад.

Почему конденсатор накапливает энергию?

Когда вы поднимаетесь по лестнице или в горы, вы совершаете работу против гравитационного поля Земли. Очень похожая вещь происходит в конденсаторе. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу, как противоположные полюса двух магнитов—или как твое тело и землю. Если вы разнимите их, вы должны «делать работу» против электростатических сил. После того, как вы разделили заряды, у вас появляется электрическая потенциальная энергия. Две пластины конденсатора держат разноименные заряды и расстояние между ними создает электрическое поле. Поэтому конденсатор хранит энергию.

P.S. Кстати в облаках ледяные частички трутся об воздух, создавая статическое электричество, вследствие этого в верхнем слое накапливается положительный заряд, а в нижней — отрицательный. После достижения определенного предела воздух уже не может быть изолятором и становиться проводником, далее происходит моментальная разрядка, то есть удар молнии.

Накопление заряда в облаке

Накопление заряда в облаке