La fuerza de atracción entre las placas de un condensador de placas paralelas. Mal funcionamiento del condensador. Cómo encontrar el voltaje del capacitor

Contenido:

Uno de los elementos importantes de un circuito eléctrico es un condensador, cuyas fórmulas le permiten calcular y seleccionar la opción más adecuada. La función principal de este dispositivo es acumular una determinada cantidad de electricidad. El sistema más sencillo incluye dos electrodos o placas separados por un dieléctrico.

¿En qué se mide la capacitancia de un capacitor?

Una de las características más importantes de un condensador es su capacidad. Este parámetro está determinado por la cantidad de electricidad acumulada por este dispositivo. La acumulación se produce en forma de electrones. El número de ellos colocados en el condensador determina el valor de capacitancia de un dispositivo en particular.

La unidad utilizada para medir la capacitancia es el faradio. La capacidad de un condensador de 1 faradio corresponde a una carga eléctrica de 1 culombio y la diferencia de potencial entre las placas es de 1 voltio. Esta formulación clásica no es adecuada para cálculos prácticos, ya que el condensador no recoge cargas, sino electrones. La capacidad de cualquier condensador depende directamente del volumen de electrones que pueden acumularse durante las condiciones normales de funcionamiento. El faradio todavía se usa para indicar capacitancia y los parámetros cuantitativos están determinados por la fórmula: C = Q / U, donde C significa capacitancia, Q es carga en culombios y U es voltaje. Así, la relación mutua entre carga y voltaje es visible, lo que influye en la capacidad del condensador para acumular y retener una cierta cantidad de electricidad.

La fórmula utilizada para los cálculos es:
en el cual ε 0 = 8,854187817 x 10 -12 f/m es un valor constante. Otras cantidades: ε es la constante dieléctrica del dieléctrico ubicado entre las placas, S es el área de la placa y d es el espacio entre las placas.

Fórmula de energía del condensador

Estrechamente relacionada con la capacidad hay otra cantidad conocida como . Después de cargar cualquier condensador, se forma en él una cierta cantidad de energía, que posteriormente se libera durante el proceso de descarga. Las placas del condensador interactúan con esta energía potencial. Forman cargas opuestas que se atraen entre sí.

Durante el proceso de carga, se consume energía de una fuente externa para separar cargas con valores positivos y negativos, que luego se ubican en las placas del capacitor. Por tanto, de acuerdo con la ley de conservación de la energía, no desaparece sin dejar rastro, sino que permanece dentro del condensador en forma de un campo eléctrico concentrado entre las placas. Las cargas opuestas forman la interacción y posterior atracción de las placas entre sí.

Cada placa de condensador bajo la acción de una carga crea una intensidad de campo eléctrico igual a E/2. El campo total será la suma de ambos campos que surgen en cada placa con cargas idénticas de valores opuestos.

Así, la energía del condensador se expresa mediante la fórmula: W=q(E/2)d. A su vez, la tensión se expresa utilizando los conceptos de tensión y distancia y se representa como la fórmula U=Ed. Este valor, sustituido en la primera fórmula, muestra la energía del condensador de la siguiente forma: W = qU/2. Para obtener el resultado final, es necesario utilizar la definición de capacitancia: C=q/U, y al final la energía de un capacitor cargado quedará así: W el = CU 2 /2.

Fórmula de carga del condensador

Para realizar la carga, el condensador debe estar conectado a un circuito de CC. Para ello se puede utilizar un generador. Cada generador tiene resistencia interna. Cuando el circuito está cerrado, el condensador se carga. Entre sus placas aparece un voltaje igual a la fuerza electromotriz del generador: U c = E.

La placa conectada al polo positivo del generador se carga positivamente (+q), y la otra placa recibe una carga igual con un valor negativo (-q). La cantidad de carga q es directamente proporcional a la capacitancia del capacitor C y al voltaje en las placas Uc. Esta dependencia se expresa mediante la fórmula: q = C x Uc.

Durante el proceso de carga, una de las placas del condensador gana y la otra pierde una determinada cantidad de electrones. Se transfieren a través de un circuito externo bajo la influencia de la fuerza electromotriz del generador. Este movimiento es una corriente eléctrica, también conocida como corriente capacitiva de carga (Icharge).

La corriente de carga fluye por el circuito en casi milésimas de segundo, hasta el momento en que la tensión del condensador se iguala a la fuerza electromotriz del generador. El voltaje aumenta suavemente y luego disminuye gradualmente. Además, el valor del voltaje del capacitor será constante. Durante la carga, una corriente de carga fluye a través del circuito. Al principio alcanza su valor máximo, ya que la tensión del condensador tiene un valor cero. Según la ley de Ohm, cargo = E/R i, ya que toda la fem del generador se aplica a la resistencia Ri.

Fórmula de corriente de fuga de condensador

La corriente de fuga de un capacitor se puede comparar con el efecto de una resistencia con cierta resistencia R conectada a ella. La corriente de fuga está estrechamente relacionada con el tipo de capacitor y la calidad del dieléctrico utilizado. Además, el diseño de la vivienda y el grado de contaminación se convierten en un factor importante.

Algunos condensadores tienen una carcasa con fugas, lo que provoca la penetración de humedad del aire y un aumento de la corriente de fuga. Esto se aplica principalmente a dispositivos en los que se utiliza papel engrasado como dieléctrico. Debido a una disminución de la resistencia del aislamiento eléctrico se producen importantes corrientes de fuga. Como resultado, se altera la función principal del condensador: la capacidad de recibir y mantener una carga de corriente eléctrica.

La fórmula básica para el cálculo es la siguiente: I ut = U/R d, donde I ut es la corriente de fuga, U es el voltaje aplicado al capacitor y R d es la resistencia de aislamiento.

Temas del codificador del Examen Estatal Unificado: capacitancia eléctrica, capacitor, energía del campo eléctrico del capacitor.

Los dos artículos anteriores se dedicaron a una consideración separada de cómo se comportan los conductores en un campo eléctrico y cómo se comportan los dieléctricos. Ahora necesitamos combinar este conocimiento. El hecho es que el uso conjunto de conductores y dieléctricos en dispositivos especiales es de gran importancia práctica. condensadores.

Pero primero introduzcamos el concepto. capacidad eléctrica.

Capacitancia de un conductor solitario.

Supongamos que el conductor cargado se encuentra tan lejos de todos los demás cuerpos que se puede ignorar la interacción de las cargas del conductor con los cuerpos circundantes. En este caso, el conductor se llama aislado.

El potencial de todos los puntos de nuestro conductor, como sabemos, tiene el mismo valor, que se llama potencial del conductor. Resulta que El potencial de un conductor aislado es directamente proporcional a su carga.. El coeficiente de proporcionalidad generalmente se denota por , por lo que

La cantidad se llama capacitancia eléctrica conductor y es igual a la relación entre la carga del conductor y su potencial:

(1)

Por ejemplo, el potencial de una esfera solitaria en el vacío es igual a:

donde es la carga de la pelota y su radio. De ahí la capacidad de la pelota:

(2)

Si la bola está rodeada por un medio dieléctrico con constante dieléctrica, entonces su potencial disminuye en un factor de:

En consecuencia, la capacidad de la pelota aumenta varias veces:

(3)

El aumento de capacitancia en presencia de un dieléctrico es el hecho más importante. Nos volveremos a encontrar con él cuando consideremos los condensadores.

De las fórmulas (2) y (3) vemos que la capacidad de la bola depende únicamente de su radio y la constante dieléctrica del medio ambiente. Lo mismo ocurrirá en el caso general: la capacidad de un conductor aislado no depende de su carga; está determinado únicamente por el tamaño y la forma del conductor, así como por la constante dieléctrica del medio que rodea al conductor. La capacitancia tampoco depende de la sustancia conductora.

¿Cuál es el significado del concepto de capacidad? La capacitancia muestra cuánta carga se le debe dar a un conductor para aumentar su potencial en V. Cuanto mayor sea la capacitancia, para ello será necesario aplicar más carga al conductor.

La unidad de medida de la capacidad es faradio(F). De la definición de capacidad (1) se desprende claramente que Ф = C/V.

Para divertirnos, calculemos la capacidad del globo (¡es un conductor!). Consideramos que el radio es aproximadamente igual a km.

MkF.

Como puede ver, F es una capacidad muy grande.

La unidad de medida de capacitancia también es útil porque permite ahorrar mucho en la designación de la dimensión de la constante dieléctrica. De hecho, expresemos a partir de la fórmula (2):

Por tanto, la constante dieléctrica se puede medir en F/m:

Es más fácil recordar así, ¿no?

Capacitancia de un condensador de placas paralelas.

En la práctica, la capacitancia de un conductor solitario rara vez se utiliza. En situaciones normales, los guías no son solitarios. Un conductor cargado interactúa con los cuerpos circundantes e induce cargas en ellos, y el potencial del campo de estas cargas inducidas (¡según el principio de superposición!) cambia el potencial del propio conductor. En este caso, ya no se puede argumentar que el potencial del conductor será directamente proporcional a su carga, y el concepto de capacitancia del conductor en sí pierde su significado.

Sin embargo, es posible crear un sistema de conductores cargados que, incluso si se acumula una carga significativa en ellos, casi no interactúa con los cuerpos circundantes. Entonces podemos volver a hablar de capacitancia, pero esta vez de la capacitancia de este sistema de conductores.

El ejemplo más simple e importante de tal sistema es condensador plano. Consta de dos placas metálicas paralelas (llamadas revestimientos), separados por una capa dieléctrica. En este caso, la distancia entre las placas es mucho menor que sus propias dimensiones.

Primero, veamos aire Un condensador con aire entre las placas.

Sean iguales las cargas de las placas y . Esto es exactamente lo que sucede en los circuitos eléctricos reales: las cargas de las placas son iguales en magnitud y de signo opuesto. La cantidad, la carga de la placa positiva, se llama carga del condensador.

Sea el área de cada plato. Encontremos el campo creado por las placas en el espacio circundante.

Dado que las dimensiones de las placas son grandes en comparación con la distancia entre ellas, el campo de cada placa lejos de sus bordes puede considerarse un campo uniforme de un plano cargado infinito:

Aquí está la intensidad de campo de la placa positiva, la intensidad de campo de la placa negativa y la densidad de carga superficial en la placa:

En la figura. 1 (izquierda) muestra los vectores de intensidad de campo de cada placa en tres áreas: a la izquierda del capacitor, dentro del capacitor y a la derecha del capacitor.

Arroz. 1. Campo eléctrico de un condensador de placas paralelas.

Según el principio de superposición, para el campo resultante tenemos:

Es fácil ver que a la izquierda y a la derecha del condensador el campo desaparece (los campos de las placas se anulan entre sí):

Dentro del condensador el campo se duplica:

(4)

El campo resultante de las placas de un condensador plano se muestra en la figura. 1 a la derecha. Entonces:

Dentro de un condensador plano se crea un campo eléctrico uniforme, cuya intensidad se calcula según la fórmula (4). Fuera del condensador, el campo es cero, por lo que el condensador no interactúa con los cuerpos circundantes.

No olvidemos, sin embargo, que esta afirmación se deriva del supuesto de que las placas son planos infinitos. De hecho, sus tamaños son finitos y los llamados efectos de borde: El campo es diferente de uniforme y penetra en el espacio exterior del condensador. Pero en la mayoría de las situaciones (y más aún en los problemas de física del Examen Estatal Unificado), los efectos de borde pueden despreciarse y uno puede actuar como si la afirmación en cursiva fuera cierta sin ninguna reserva.

Sea la distancia entre las placas del capacitor igual a . Dado que el campo dentro del capacitor es uniforme, la diferencia de potencial entre las placas es igual al producto de (¡recuerde la relación entre voltaje e intensidad en un campo uniforme!):

(5)

La diferencia de potencial entre las placas del condensador, como vemos, es directamente proporcional a la carga del condensador. Esta afirmación es similar a la afirmación "el potencial de un conductor solitario es directamente proporcional a la carga del conductor", con la que comenzó toda la conversación sobre la capacitancia. Siguiendo con esta analogía, definimos capacidad del condensador como la relación entre la carga de un condensador y la diferencia de potencial entre sus placas:

(6)

La capacitancia de un capacitor muestra cuánta carga se le debe impartir para que la diferencia de potencial entre sus placas aumente en V. La fórmula (6), por lo tanto, es una modificación de la fórmula (1) para el caso de un sistema de dos conductores: un condensador.

De las fórmulas (6) y (5) encontramos fácilmente capacidad del condensador de aire plano:

(7)

Depende únicamente de las características geométricas del condensador: el área de las placas y la distancia entre ellas.
Supongamos ahora que el espacio entre las placas está lleno de un dieléctrico con constante dieléctrica. ¿Cómo cambiará la capacitancia del capacitor?

La intensidad del campo dentro del capacitor disminuirá en un factor, por lo que en lugar de la fórmula (4) ahora tenemos:

(8)

En consecuencia, el voltaje a través del capacitor:

(9)

Desde aquí capacitancia de un capacitor de placas paralelas con dieléctrico:

(10)

Depende de las características geométricas del condensador (el área de las placas y la distancia entre ellas) y de la constante dieléctrica del dieléctrico que llena el condensador.

Una consecuencia importante de la fórmula (10): llenar un capacitor con un dieléctrico aumenta su capacidad.

Energía de un condensador cargado

Un condensador cargado tiene energía. Esto puede comprobarse por la experiencia. Si carga un capacitor y lo conecta a una bombilla, entonces (siempre que la capacidad del capacitor sea lo suficientemente grande) la bombilla se encenderá por un corto tiempo.

En consecuencia, la energía se almacena en un condensador cargado, que se libera cuando se descarga. No es difícil entender que esta energía es la energía potencial de interacción entre las placas del condensador; después de todo, las placas, al tener cargas opuestas, se atraen entre sí.

Ahora calcularemos esta energía y luego veremos que hay una comprensión más profunda del origen de la energía de un condensador cargado.

Comencemos con un condensador de aire de placa plana. Respondamos a la siguiente pregunta: ¿cuál es la fuerza de atracción de sus placas entre sí? Usamos los mismos valores: carga del capacitor, área de la placa.

Tomemos un área en la segunda placa tan pequeña que la carga de esta área pueda considerarse una carga puntual. Esta carga es atraída hacia la primera placa con una fuerza

¿Dónde está la intensidad de campo de la primera placa?

Por eso,

Esta fuerza se dirige paralela a las líneas de campo (es decir, perpendicular a las placas).

La fuerza de atracción resultante de la segunda placa sobre la primera es la suma de todas estas fuerzas con las que todo tipo de pequeñas cargas de la segunda placa son atraídas hacia la primera placa. Con esta suma, el factor constante se saca del paréntesis y todo lo que está entre paréntesis se suma y da . Como resultado obtenemos:

(11)

Supongamos ahora que la distancia entre las placas ha cambiado del valor inicial al valor final. La fuerza de atracción de las placas realiza el siguiente trabajo:

El signo es correcto: si las placas se acercan, entonces la fuerza realiza un trabajo positivo, ya que las placas se atraen entre sí. Por el contrario, si quitas las placas clase="tex" alt="(d_2 > d_1)"> !}, entonces el trabajo realizado por la fuerza de atracción resulta negativo, como debería ser.

Teniendo en cuenta las fórmulas (11) y (7) tenemos:

Esto se puede reescribir de la siguiente manera:

(12)

El trabajo de la fuerza potencial de atracción de las placas resultó ser igual al cambio con un signo menos de la cantidad. Esto simplemente significa que: la energía potencial de interacción de las placas, o energía del condensador cargado.

Usando la relación, de la fórmula (12) puedes obtener dos fórmulas más para la energía del capacitor (¡compruébalo tú mismo!):

(13)

(14)

Las fórmulas (12) y (14) son especialmente útiles.

Supongamos ahora que el condensador está lleno de un dieléctrico con constante dieléctrica. La fuerza de atracción de las placas disminuirá en un factor y en lugar de (11) obtenemos:

Al calcular el trabajo de fuerza, como es fácil ver, la cantidad ingresará la capacidad, y las fórmulas (12) - (14) permanecerá sin cambios. La capacitancia del condensador en ellos ahora se expresará mediante la fórmula (10).

Entonces, las fórmulas (12) - (14) son universales: son válidas tanto para un capacitor de aire como para un capacitor con dieléctrico.

Energía del campo eléctrico

Prometimos que después de calcular la energía del condensador daríamos una interpretación más profunda del origen de esta energía. Bueno, comencemos.

Consideremos un condensador de aire y transformemos la fórmula (14) para su energía:

Pero - el volumen del condensador. Obtenemos:

(15)

Mire atentamente esta fórmula. ¡Ya no contiene nada específico del condensador! vemos energía del campo eléctrico, concentrado en un cierto volumen.

La energía de un condensador no es más que la energía del campo eléctrico contenido en su interior.

Entonces, el campo eléctrico en sí tiene energía. Aquí no hay nada sorprendente para nosotros. Las ondas de radio y la luz solar son ejemplos de la propagación de la energía transportada en el espacio por ondas electromagnéticas.

La cantidad, la energía por unidad de volumen del campo, se llama densidad de energía volumétrica. De la fórmula (15) obtenemos:

(16)

No queda ninguna cantidad geométrica en esta fórmula. Proporciona la conexión más pura posible entre la energía del campo eléctrico y su intensidad.

Si el capacitor está lleno de dieléctrico, entonces su capacitancia aumenta en un factor, y en lugar de las fórmulas (15) y (16) tendremos:

(17)

(18)

Como vemos, la energía del campo eléctrico también depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentra el campo.
Es notable que las fórmulas resultantes para la energía y la densidad de energía vayan mucho más allá de los límites de la electrostática: son válidas no sólo para el campo electrostático, sino también para campos eléctricos que varían con el tiempo.

Condensador– un componente electrónico diseñado para almacenar carga eléctrica. La capacidad de un condensador para acumular carga eléctrica depende de su característica principal:. contenedores

La capacitancia de un condensador (C) se define como la relación entre la cantidad de carga eléctrica (Q) y el voltaje (U). La capacitancia de un capacitor se mide en faradios (F) - unidades que llevan el nombre del físico británico Michael Faraday. Capacidad en un faradio(1F) es igual a la cantidad de carga en un colgante(1C), creando un voltaje a través del capacitor en un faradio un voltio (1V). recordemos eso (1C) es igual a la cantidad de carga que pasa a través del conductor durante un segundo

(1 segundo) a una corriente de

• un amperio

• (1A).

• Sin embargo, un colgante tiene una cantidad muy grande de carga en relación con la cantidad de carga que pueden almacenar la mayoría de los condensadores.

Por esta razón, los microfaradios (μF o uF), nanofaradios (nF) y picofaradios (pF) se utilizan habitualmente para medir la capacitancia.

1 µF = 0,000001 = 10 -6 F

1nF = 0,000000001 = 10-9F

En cuanto a su finalidad, un condensador se parece a una batería, pero sigue siendo muy diferente en su principio de funcionamiento, capacidad máxima y velocidad de carga/descarga.

Consideremos el principio de funcionamiento de un condensador de placa plana. Si le conecta una fuente de energía, las partículas cargadas negativamente en forma de electrones comenzarán a acumularse en una placa del conductor y las partículas cargadas positivamente en forma de iones comenzarán a acumularse en la otra. Como hay un dieléctrico entre las placas, las partículas cargadas no pueden "saltar" al lado opuesto del condensador.

Sin embargo, los electrones se mueven desde la fuente de energía a la placa del capacitor. Por tanto, en el circuito circula corriente eléctrica.

Al comienzo de conectar el capacitor al circuito, hay la mayor cantidad de espacio libre en sus placas. En consecuencia, la corriente inicial en este momento encuentra la menor resistencia y es máxima.

A medida que el condensador se llena de partículas cargadas, la corriente cae gradualmente hasta que se agota el espacio libre en las placas y la corriente se detiene por completo.

El tiempo entre los estados de un capacitor "vacío" con un valor de corriente máximo y un capacitor "lleno" con un valor de corriente mínimo (es decir, su ausencia) se llama

Período de transición de carga del condensador.

Carga del condensador. Voltaje

Al comienzo del período de transición de carga, el voltaje entre las placas del capacitor es cero.

• Tan pronto como comienzan a aparecer partículas cargadas en las placas, surge un voltaje entre cargas diferentes.

• La razón de esto es el dieléctrico entre las placas, que "impide" que cargas con signos opuestos, tendientes entre sí, se muevan al otro lado del condensador.

• En la etapa inicial de carga, el voltaje aumenta rápidamente porque la alta corriente aumenta muy rápidamente la cantidad de partículas cargadas en las placas.

Cuanto más se carga el condensador, menor es la corriente y más lento aumenta el voltaje.

Después de cargar el capacitor, apague la fuente de energía y conecte la carga R. Como el capacitor ya está cargado, él mismo se ha convertido en una fuente de energía.

La carga R formó un pasaje entre las placas. Los electrones cargados negativamente acumulados en una placa, de acuerdo con la fuerza de atracción entre cargas diferentes, se moverán hacia iones cargados positivamente en la otra placa.

En el momento de conectar R, el voltaje en el capacitor es el mismo que después del final del período de carga de transición.

La corriente inicial según la ley de Ohm será igual al voltaje en las placas dividido por la resistencia de la carga.

Tan pronto como fluya corriente por el circuito, el condensador comenzará a descargarse. A medida que se pierde la carga, el voltaje comenzará a caer. Por tanto, la corriente también bajará. A medida que los valores de voltaje y corriente disminuyen, su tasa de disminución disminuirá.

El tiempo de carga y descarga de un capacitor depende de dos parámetros: la capacitancia del capacitor C y la resistencia total en el circuito R. Cuanto mayor sea la capacitancia del capacitor, más carga debe pasar a través del circuito y más tiempo pasará. requerirá el proceso de carga/descarga (la corriente se define como la cantidad de carga que pasa a lo largo del conductor por unidad de tiempo). Cuanto mayor sea la resistencia R, menor será la corriente. En consecuencia, se necesitará más tiempo para cargar.

El producto RC (resistencia por capacitancia) forma la constante de tiempo τ (tau).

En un τ, el condensador se carga o descarga en un 63%. En cinco τ el condensador se carga o descarga por completo.

• Para mayor claridad, sustituyamos los valores: un condensador con una capacidad de 20 microfaradios, una resistencia de 1 kiloohmio y una fuente de alimentación de 10V.

• El proceso de carga se verá así:

• Dispositivo condensador. ¿De qué depende la capacidad?

La capacitancia de un capacitor de placas paralelas depende de tres factores principales:

Área de la placa - A

Distancia entre placas – d

Constante dieléctrica relativa de la sustancia entre las placas - ɛ

Si el condensador no está en un circuito eléctrico, entonces las partículas cargadas ubicadas en sus placas están influenciadas por dos fuerzas.

La primera es la fuerza de repulsión entre cargas similares de partículas vecinas en la misma placa.

La segunda es la fuerza de atracción de cargas opuestas entre partículas ubicadas en placas opuestas. Resulta que cuanto más cerca están las placas entre sí, mayor es la fuerza de atracción total entre cargas de signo opuesto y más carga se puede colocar en una placa. Constante dieléctrica relativa Un factor igualmente importante que influye en la capacitancia del condensador es la propiedad del material entre las placas, como por ejemplo

constante dieléctrica relativa ɛ . Esta es una cantidad física adimensional que muestra¿Cuántas veces es menor la fuerza de interacción entre dos cargas libres en un dieléctrico que en el vacío?

Los materiales con una constante dieléctrica más alta permiten una mayor capacitancia.

Esto se explica por el efecto

• polarización

• – desplazamiento de electrones de átomos dieléctricos hacia la placa del condensador cargada positivamente.

• La polarización crea un campo eléctrico interno en el dieléctrico, que debilita la diferencia de potencial (voltaje) general del capacitor. El voltaje U impide el flujo de carga Q al capacitor. Por lo tanto, reducir el voltaje ayuda a colocar más carga eléctrica en el capacitor.

• A continuación se muestran ejemplos de valores de constantes dieléctricas para algunos materiales aislantes utilizados en condensadores.

• Aire – 1.0005

Papel – de 2,5 a 3,5

Vidrio – de 3 a 10 Mica – de 5 a 7 Polvos de óxido metálico – de 6 a 20

Cabe señalar que cuando se trabaja con tensión alterna, lo que se debe tener en cuenta es el valor pico (el valor de tensión instantáneo más alto durante un período). Por ejemplo, si el voltaje efectivo de la fuente de alimentación es de 50 V, entonces su valor máximo será superior a 70 V. En consecuencia, es necesario utilizar un condensador con una tensión nominal superior a 70 V. Sin embargo, en la práctica, se recomienda utilizar un condensador con una tensión nominal de al menos el doble de la tensión máxima posible que se le aplicará.

corriente de fuga

Además, cuando se opera un condensador, se tiene en cuenta un parámetro como la corriente de fuga. Dado que en la vida real por el dieléctrico entre las placas todavía pasa una pequeña corriente, esto conduce a la pérdida de la carga inicial del condensador con el tiempo.

Algunos de los componentes electrónicos más utilizados son condensadores. Y en este artículo tendremos que descubrir en qué consisten, cómo funcionan y para qué sirven :)

Primero veamos dispositivo condensador, para luego pasar suavemente a sus principales tipos y características, así como a los procesos de carga/descarga. Como puedes ver, tenemos muchas cosas interesantes que explorar hoy 😉

Entonces, el capacitor más simple consta de dos placas conductoras planas ubicadas paralelas entre sí y separadas por una capa dieléctrica. Además, la distancia entre las placas debe ser mucho menor que, de hecho, las dimensiones de las placas:

Tal dispositivo se llama condensador plano, y los platos – placas de condensador. Vale aclarar que aquí estamos considerando un condensador ya cargado (estudiaremos el proceso de carga en sí un poco más adelante), es decir, una determinada carga se concentra en las placas. Además, el mayor interés es en el caso en que las cargas de las placas del condensador son idénticas en magnitud y de signo opuesto (como en la figura).

Y como la carga se concentra en las placas, aparece un campo eléctrico entre ellas, como se muestra con flechas en nuestro diagrama. El campo de un condensador plano se concentra principalmente entre las placas; sin embargo, también surge un campo eléctrico en el espacio circundante, lo que se denomina campo de fuga. Muy a menudo se descuida su influencia en las tareas, pero no debes olvidarlo :)

Para determinar la magnitud de este campo, considere otra representación esquemática de un capacitor de placa plana:

Cada una de las placas del condensador crea individualmente un campo eléctrico:

La expresión para la intensidad de campo de una placa cargada uniformemente es la siguiente:

Aquí está la densidad de carga superficial: . A es la constante dieléctrica del dieléctrico ubicado entre las placas del capacitor. Dado que el área de las placas del condensador es la misma que la magnitud de la carga, entonces los módulos de intensidad del campo eléctrico son iguales entre sí:

Pero las direcciones de los vectores son diferentes: dentro del condensador, los vectores se dirigen en una dirección y afuera, en la dirección opuesta. Así, dentro de las placas el campo resultante se define de la siguiente manera:

¿Cuál será el voltaje fuera del capacitor? Y todo es simple: a la izquierda y a la derecha de las placas, los campos de las placas se compensan entre sí y la tensión resultante es 0 :)

Procesos de carga y descarga de condensadores.

Hemos descubierto el dispositivo, ahora averigüemos qué sucede si conectamos una fuente de CC al condensador. En los diagramas de circuitos, un condensador se designa de la siguiente manera:

Entonces, hemos conectado las placas del capacitor a los polos de la fuente de CC. ¿Qué pasará?

Electrones libres de la primera placa. condensador se precipitará hacia el polo positivo de la fuente y, por lo tanto, faltarán partículas cargadas negativamente en la placa y ésta quedará cargada positivamente. En este caso, los electrones del polo negativo de la fuente de corriente se moverán a la segunda placa del condensador, como resultado de lo cual aparecerá un exceso de electrones en ella, en consecuencia, la placa quedará cargada negativamente. Así, en las placas del condensador se forman cargas de diferentes signos (este es exactamente el caso que consideramos en la primera parte del artículo), lo que provoca la aparición de un campo eléctrico que creará un cierto valor entre las placas del condensador. el condensador. El proceso de carga continuará hasta que esta diferencia de potencial sea igual al voltaje de la fuente de corriente, después de lo cual el proceso de carga finalizará y se detendrá el movimiento de electrones a través del circuito.

Cuando se desconecta de la fuente, el condensador puede retener las cargas acumuladas durante mucho tiempo. En consecuencia, un condensador cargado es una fuente de energía eléctrica, lo que significa que puede liberar energía a un circuito externo. Creemos un circuito simple simplemente conectando las placas del capacitor entre sí:

En este caso, el circuito comenzará a fluir. corriente de descarga del condensador, y los electrones comenzarán a moverse de la placa cargada negativamente a la positiva. Como resultado, el voltaje a través del capacitor (la diferencia de potencial entre las placas) comenzará a disminuir. Este proceso finalizará en el momento en que las cargas de las placas del condensador se igualen entre sí, por lo que el campo eléctrico entre las placas desaparece y la corriente deja de fluir por el circuito. Así es como se descarga el condensador, por lo que libera toda la energía acumulada al circuito externo.

Como puedes ver, aquí no hay nada complicado :)

Capacidad y energía de un condensador.

La característica más importante es la capacitancia eléctrica del capacitor, una cantidad física que se define como la relación entre la carga del capacitor de uno de los conductores y la diferencia de potencial entre los conductores:

La capacitancia se mide en faradios, pero 1 F es bastante grande, por lo que la capacitancia se mide con mayor frecuencia en microfaradios (μF), nanofaradios (nF) y picofaradios (pF).

Y como ya hemos derivado la fórmula para calcular el voltaje, expresemos el voltaje en el capacitor de la siguiente manera:

Aquí tenemos la distancia entre las placas del capacitor y la carga del capacitor. Sustituyamos esta fórmula en la expresión de la capacitancia del capacitor:

Si usamos aire como dieléctrico, entonces en todas las fórmulas podemos sustituir

Las siguientes expresiones son válidas para la energía almacenada en un capacitor:

Además de la capacitancia, los condensadores se caracterizan por otro parámetro: la cantidad de voltaje que puede soportar su dieléctrico. Cuando el voltaje es demasiado alto, los electrones del dieléctrico son arrancados de los átomos y el dieléctrico comienza a conducir corriente. Este fenómeno se llama avería del condensador y, como resultado, las placas sufren un cortocircuito entre sí. En realidad, la característica que se utiliza a menudo cuando se trabaja con condensadores no es el voltaje de ruptura, sino el voltaje de operación, es decir, el valor de voltaje al que el capacitor puede funcionar indefinidamente durante un tiempo prolongado y no se producirá una ruptura.

En general, hoy analizamos las propiedades básicas de los capacitores, su estructura y características, así que aquí terminamos el artículo, y en el siguiente discutiremos varias opciones para conectar capacitores, ¡así que visite nuestro sitio web nuevamente!

necesitarás

• - conocimiento de la capacitancia o de los parámetros geométricos y físicos del condensador;
• - conocimiento de la energía o carga de un condensador.

Instrucciones

Encuentre el voltaje entre las placas del capacitor si se conoce el valor actual de la energía acumulada por él, así como su capacitancia. La energía almacenada por un capacitor se puede calcular usando la fórmula W=(C∙U²)/2, donde C es la capacitancia y U es el voltaje entre las placas. Por tanto, el valor del voltaje se puede obtener como la raíz del doble del valor de la energía dividido por la capacitancia. Es decir, será igual a: U=√(2∙W/C).

La energía almacenada en un condensador también se puede calcular en función de la cantidad de carga que contiene (cantidad) y el voltaje entre las placas. La fórmula que define la correspondencia entre estos parámetros es: W=q∙U/2 (donde q es la carga). Por tanto, conociendo la energía y , podemos calcular el voltaje entre sus placas mediante la fórmula: U=2∙W/q.

Dado que la carga de un condensador es proporcional tanto al voltaje aplicado a sus placas como a la capacitancia del dispositivo (está determinada por la fórmula q=C∙U), entonces, conociendo la carga y la capacitancia, se puede encontrar el voltaje. En consecuencia, para realizar el cálculo se utiliza la fórmula: U=q/C.

Para obtener el valor de voltaje en un capacitor con parámetros geométricos conocidos, primero calcule su capacitancia. Para un condensador de placas simple que consta de dos placas conductoras separadas por , cuya distancia es insignificante en comparación con sus dimensiones, la capacitancia se puede calcular mediante la fórmula: C=(ε∙ε0∙S)/d. Aquí d es la distancia entre las placas y S es su área. El valor ε0 es la constante eléctrica (una constante igual a 8,8542 10^-12 F/m), ε es la constante dieléctrica relativa del espacio entre las placas (se puede encontrar en libros de referencia física). Después de calcular la capacitancia, calcule el voltaje usando uno de los métodos indicados en los pasos 1-3.

tenga en cuenta

Para obtener resultados correctos al calcular voltajes entre las placas de los condensadores, antes de realizar los cálculos, introduzca los valores de todos los parámetros en el sistema SI.

Para saber si se puede utilizar un condensador en un lugar particular del circuito, es necesario determinarlo. El método para encontrar este parámetro depende de cómo está marcado en el condensador y de si está marcado.

necesitarás

• medidor de capacitancia

Instrucciones

en grande condensadores capacidad normalmente se indica en texto plano: 0,25 µF o 15 uF. En este caso, el método para determinarlo es trivial.

En los más pequeños condensadores(incluido SMD) capacidad dos o tres dígitos. En el primer caso se indica en picofaradios. En el segundo caso, los dos primeros dígitos capacidad, y el tercero, en qué unidades se expresa: 1 - decenas de picofaradios;
2 - cientos de picofaradios;
3 - nanofaradios;
4 - decenas de nanofaradios;
5 - fracciones de microfaradio.

También existe un sistema de designación de capacidades que utiliza combinaciones de letras y números latinos. Las letras representan los siguientes números: A - 10;
B-11;
C-12;
D-13;
E-15;
F-16;
G-18;
H-20;
J-22;
K - 24;
L - 27;
M - 30;
N-33;
P-36;
P - 39;
R-43;
S-47;
T-51;
U - 56;
V-62;
W - 68;
X-75;
Y-82;
Z - 91. El número resultante debe multiplicarse por el número 10, previamente elevado a una potencia igual al número siguiente. El resultado se expresará en picofaradios.

Hay condensadores capacidad en el que no está marcado en absoluto. Probablemente los haya conocido en los encendedores de lámparas fluorescentes. En este caso, mida capacidad Sólo es posible con un dispositivo especial. Son digitales y puente. En cualquier caso, si se suelda un condensador a un dispositivo en particular, se debe desenergizar, descargar los condensadores del filtro y el propio condensador. capacidad que debe medirse y solo luego desoldarse. Luego debe conectarse al dispositivo. En el medidor digital, primero seleccione el límite más grueso y luego cámbielo hasta que muestre una sobrecarga. Después de eso, el interruptor se mueve hacia atrás un límite y se leen las lecturas, y por la posición del interruptor se determinan en qué unidades se expresan en el medidor de puente, cambiando secuencialmente, en cada uno de ellos, desplace el regulador. de un extremo de la escala al otro hasta que desaparezca el sonido del altavoz. Una vez logrado la desaparición, el resultado se lee en la escala del regulador y las unidades en las que se expresa también están determinadas por la posición del interruptor. Luego se vuelve a instalar el condensador en el dispositivo.

tenga en cuenta

Nunca conecte condensadores cargados al medidor.

Fuentes:

• Manual de sistemas de designación de capacidad.

Encuentra el valor de la electricidad. cargar posible de dos maneras. El primero es medir la fuerza de la interacción de lo desconocido. cargar con un valor conocido y usando la ley de Coulomb para calcular su valor. La segunda consiste en introducir una carga en un campo eléctrico conocido y medir la fuerza con la que actúa sobre él. para medir cargar que fluye a través de la sección transversal de un conductor durante un tiempo determinado, mida la intensidad de la corriente y multiplíquela por el valor del tiempo.

necesitarás

• dinamómetro sensible, cronómetro, amperímetro, medidor de campo electrostático, condensador de aire.

Instrucciones

Medición cargar con él con una carga conocida Si un cuerpo es conocido, acerque una carga desconocida y mida entre ellos en metros. Las cargas comenzarán a interactuar. Usando un dinamómetro, mida la fuerza de su interacción. Calcular el valor de la incógnita. cargar- para ello se multiplica el cuadrado de la distancia medida por el valor de la fuerza y ​​se divide por la carga conocida. Divide el resultado por 9 10^9. El resultado será el valor. cargar en culombios (q=F r²/(q0 9 10^9)). Si las cargas se repelen, entonces son semejantes, pero si se atraen, son opuestas.

Valor de medición cargar introducido en el campo eléctrico Mida el valor del campo eléctrico constante con un dispositivo especial (medidor de campo eléctrico). Si no existe tal dispositivo, tome un capacitor de aire, cárguelo, mida el voltaje en sus placas y divida la distancia entre las placas; este será el valor del campo eléctrico dentro del capacitor en voltios por metro. Agregue una carga desconocida al campo. Usando un dinamómetro sensible, mida la fuerza que actúa sobre él. Tome la medida en . Divida el valor de la fuerza por la intensidad del campo eléctrico. El resultado será el valor. cargar en culombios (q=F/E).

Medición cargar que fluye a través de un conductor transversal. Monte un circuito eléctrico con conductores y conecte un amperímetro en serie. Conéctelo a la fuente de corriente y mida la corriente usando un amperímetro en amperios. Al mismo tiempo, utilice un cronómetro para medir la corriente en el circuito. Multiplicando el valor actual por el tiempo resultante, encuentre la carga a través de la sección transversal de cada uno durante este tiempo (q = I t). Al tomar medidas, asegúrese de que los conductores no se sobrecalienten y que no se produzca un cortocircuito.

Un condensador es un dispositivo que puede almacenar cargas eléctricas. La cantidad de energía eléctrica acumulada en un capacitor se caracteriza por su capacidad. Se mide en faradios. Se cree que una capacitancia de un faradio corresponde a un condensador cargado con una carga eléctrica de un culombio con una diferencia de potencial entre sus placas de un voltio.

Instrucciones

Determinar la capacidad del piso. condensador según la fórmula C = S e e0/d, donde S es el área de superficie de una placa, d está entre las placas, e es la constante dieléctrica relativa que llena el espacio entre las placas (en el vacío es igual) , e0 es la constante eléctrica igual a 8,854187817 10 (-12) F/m. Con base en la fórmula anterior, el valor de capacitancia dependerá del área de los conductores, entre ellos y del material dieléctrico. La mica también se puede utilizar como dieléctrico.

Calcular la capacitancia de una esfera. condensador según la fórmula C = (4P e0 R²)/d, donde P es el número “pi”, R es el radio de la esfera, d es el tamaño del espacio entre sus esferas. El valor de la capacitancia de la esférica. condensador es directamente proporcional a la esfera concéntrica e inversamente proporcional a la distancia entre las esferas.

Calcular la capacidad del cilíndrico. condensador según la fórmula C = (2П e e0 L R1)/(R2-R1), donde L es la longitud condensador, P es el número “pi”, R1 y R2 son los radios de sus placas cilíndricas.

Si los capacitores en el circuito están conectados en paralelo, calcule su capacitancia total usando la fórmula C = C1+C2+...+Cn, donde C1, C2,...Cn son las capacitancias de los capacitores conectados en paralelo.

Calcule la capacitancia total de los capacitores conectados en serie usando la fórmula 1/C = 1/C1+1/C2+...+1/Cn, donde C1, C2,...Cn son las capacitancias de los capacitores conectados en serie.

tenga en cuenta

Se debe marcar cualquier condensador, que puede ser alfanumérico o de color. El marcado refleja sus parámetros.

Fuentes:

• Codificación de colores de resistencias, condensadores e inductores.

La capacitancia es una cantidad expresada en faradios en el sistema SI. Aunque, de hecho, solo se utilizan sus derivados: microfaradios, picofaradios, etc. En cuanto a la capacidad eléctrica de un condensador plano, depende del espacio entre las placas y su área, del tipo de dieléctrico ubicado en este espacio.

Instrucciones

Si las placas del condensador tienen la misma área y están ubicadas estrictamente una encima de la otra, calcule el área de una de las placas, cualquiera. Si uno de ellos está desplazado con respecto al otro o son diferentes, es necesario calcular el área de la región en la que las placas se superponen entre sí.

En las condiciones de la tarea que se le ha encomendado, puede indicar tanto la constante dieléctrica absoluta de un material determinado, que se encuentra entre las placas del condensador, como la relativa. La permeabilidad absoluta se expresa en F/m (faradios por metro), mientras que la permeabilidad relativa es una cantidad adimensional.

En el caso de la constante dieléctrica relativa del medio (dieléctrica en este caso), se utiliza un coeficiente que indica la constante dieléctrica absoluta del material y la misma característica, pero en el vacío, o más precisamente, cuantas veces la primera es mayor que el segundo. Convierta la permitividad relativa a absoluta y luego multiplique el resultado por la constante eléctrica. Es 8,854187817*10^(-12) F/m y es, de hecho, la constante dieléctrica del vacío.