Įvadas Šio fizikos referato tema yra kondensatoriai. Jame galima rasti daugįvairios ir naudingos informacijos apie kondensatorius. Referate rasitekondensatorių apibrėžimą ir konstrukciją, taip pat rasite gana nemažaifizikinių formulių susijusių su kondensatoriais. Be viso šito šiamereferate taip pat galima paskaityti apie kondensatorių jungimą, įkrovimą,iškrovimą ir galiausiai galėsite pasižiūrėti apie įvairias kondensatoriųrūšis ir jų techninę charakteristiką.
Turinys
Įvadas…………………………………………………………….………………………………………………………………….…1Turinys………………………………………………………………………………………………………………………………...2Kondensatoriai ir elektrinėtalpa……………………………………………………………..……………………………….3Kondensatoriųjungimas…………………………………………………………..…………………………………………….5Kondensatorių įkrovimas iriškrovimas…………………………………………………………………………………….6Kondensatoriųrūšys……………………………………………………………..………………………………………………..9Išvados………………………………………………………………………………………………………………………………..13Literatūrossąrašas………………………………………………………………………………………………………………..14
Kondensatoriai Praktikoje dažnai reikia sukaupti didelį elektros krūvį nedideliuoselaidininkuose, veikiant ribotai įtampai. Tam yra panaudojama aplinkiniųkūnų įtaka laidininko potencialui ir talpai: arti laidininko esantis kitaslaidininkas padidina jo talpą, todėl laidininke susikaupia didesnis krūvisesant tam pačiam potencialui. Kondensatorius – tai laidininkų sistema skirta elektros krūviui kaupti.Išvertus į lietuvių kalbą kondensatorius reiškia ,,tirštumą“. Šiuo atveju,,elektros krūvio tirštumą“. Natūralūs kondensatoriai yra, pavyzdžiui, du elektros tinklo laidai,dvi kabelio gyslos, kabelio gysla ir šarvas, perėjimo izoliatorius(izoliuojantis laidą nuo sienos arba metalinio korpuso sienelės). Naudojamiįvairių konstrukcijų kondensatoriai, gana dažnai – plokštieji, kuriuossudaro dvi lygiagrečios metalinės, izoliuotos viena nuo kitos plokštelės. Kondensatorių sudaro sudarytas iš dviejų laidininkų, kurie yra vadinamielektrodais. Elektrodai yra atskirti dielektriko sluoksniu, kuriskondensatoriuje atlieka dvejopą vaidmenį: pirma – neleidžia elektroskrūviams susijungti, antra – poliarizuojasi, tuo padidina kondensatoriaustalpą. Pirmąjį kondensatorių 1745m. sukūrė ir išbandė Leideno universitetoOlandijoje fizikas Peteris Mušenbrukas. Jis norėdamas ,,ištirpinti elektrąvandenyje“ didele elektros mašina elektrino vandenį , įleidęs vielą įbutelį. Atjungęs vielą nuo mašinos ir laikydamas ją vienoje rankoje, kitapaėmė butelį ir gavo stiprų elektros smūgį. Mišenbrukas suprato kas įvyko
ir išrado kondensatorių, dabar vadinamą Leideno stikline. Leideno stiklinęsudaro stiklinis indas, iš abiejų pusių apklijuotas metaline folija. Folijasudaro kondensatoriaus elektrodus. Išorinis elektrodas įžeminamas, ovidinis kontaktiniu strypu prijungiamas prie elektros šaltinio poliaus irįkraunamas. Kondensatoriaus elektrine talpa žymima raide C. Elektrinė talpaapskaičiuojama elektros krūvį (Q) padalinus iš įtampos (U) esančios tarpkondensatoriaus plokštelių. Tai užrašoma formule[pic]. SI sistemoje krūvio vienetas yra kulonas, o įtampos vienetas – voltas,tai talpos vienetas yra kulonas, padalytas iš volto. Jis vadinamas faradu(F): 1 F =[pic]. Tačiau praktikoje paprastai vartojami smulkesni vienetai – mikrofaradas(1μF = 10-6 F) arba pikofaradas (1pF = 10-12 F). Kondensatoriaus talpa priklauso nuo jo plokštelių – elektrodų – formosir matmenų, jų tarpusavio padėties, taip pat nuo dielektriko, skiriančiotas plokšteles, savybių . Pavyzdžiui, plokščiojo kondensatoriaus, tarp kurio plokštelių yravakuumas, talpa C =[pic] Čia S – vienos plokštelės plotas m2, d – atstumas tarp plokštelių m, ε0– elektrinė konstanta, nusakanti elektrinį lauką tuštumoje (vakuume). Elektrinės konstantos matavimo vienetas randamas šitaip: [ε0] = [[pic]] = [pic] = [pic]. Iš to seka, kad, elektrinė konstanta išreiškiama faradais metrui. Elektrinė konstanta priklauso nuo vienetų sistemos. Jos vertė SIvienetų sistemoje šitokia: [pic]= [pic] = 8,85 [pic] 10[pic][pic] Įvairių medžiagų dielektrines savybes galima palyginti su vakuumosavybėmis. Erdvę tarp kondensatoriaus plokštelių užpildžius kokia nors medžiaga –dielektriku, kondensatoriaus talpa padidės ε kartų. Tuomet ją bus galimarasti iš formulės C = [pic][pic] = εa[pic]. Daugiklis ε, vadinamas medžiagos santykine dielektrine skvarba, yrabematis dydis. Kai kurių dielektrikų santykinės dielektrinės skvarbosvertės pateikiamos lentelėse. Santykinės dielektrinės skvarbos ir elektrinės konstantos sandaugavadinama absoliutine dielektrine skvarba: εa = ee0. Pramonė išleidžia įvairios konstrukcijos bei paskirties, įvairiostalpos (1 pF – 1000 μF) kondensatorius iki 10 kV vardinės įtampos. Kintamosios srovės grandinėse naudojami popieriniai , žėrutiniai ,keraminiai kondensatoriai , o elektrolitiniai kondensatoriai naudojamitiktai nuolatinės srovės grandinėse. Popierinį kondensatorių sudaro dvi ilgos aliuminio folijos juostos,izoliuotos parafinuoto popieriaus juostomis. Elektrolitinio kondensatoriaus viena plokštelė yra aliuminio folija, okita – popierius ar audinys, impregnuotas tirštu elektrolito tirpalu;dielektrikas – labai plonas oksido sluoksnis ant aliuminio folijos.Kondensatorių jungimas
Norint gauti tam tikrą talpą arba kai tinklo įtampa viršija vardinękondensatoriaus įtampą, keli kondensatoriai jungiami nuosekliai,lygiagrečiai arba mišriai. Sujungus kondensatorius nuosekliai, visų kondensatorių elektrodųkrūviai bus vienodi, nes iš maitinimo šaltinio jie patenka tik į išoriniuselektrodus, o vidiniuose elektroduose jie gaunami tik pasiskirsčiuskrūviams, anksčiau neutralizavusiems vieni kitus. [pic] [pic] Nuosekliai sujungti Lygiagrečiai sujungti kondensatoriai kondensatoriai Vieno kondensatoriaus elektrodo krūvį pažymėjus Q, dviem nuosekliaisujungtiems kondensatoriams galima parašyti: U1 = [pic] ir U2 = [pic], T. y. Esant nevienodomis talpoms, kondensatorių įtampos bus skirtingos. Išreiškę įtampą grandinės gnybtuose U = U1 + U2 Krūvių ir talpų santykiu, gauname [pic] = [pic] + [pic]
Arba, suprastinus iš Q, [pic]= [pic] + [pic]: Iš čia bendroji, arba ekvivalentinė, dviejų nuosekliai sujungtųkondensatorių talpa C = [pic] + C2. Lygiagrečiai sujungus kondensatorius, visų kondensatorių įtampos busvienodos, o krūviai bendru atveju bus skirtingi: Q1 = C1U ir Q2 = C2U. Visų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių bendras krūvis yra lygusatskirų kondensatorių krūvių sumai, t. y. Dviejų lygiagrečiai sujungtųkondensatorių krūvis Q = Q1 + Q2; Iš čia bendroji, arba ekvivalentinė, talpa C = [pic] = Q1 + [pic] = C1 + C2, T. y. ekvivalentinė talpa lygi atskirų kondensatorių talpų sumai. Jei nuosekliai ar lygiagrečiai sujungta daugiau kondensatorių,pasinaudojus formulėmis, nesunkiai galima rasti ekvivalentines talpas.
Kondensatorių įkrovimas ir iškrovimasa) Kondensatoriaus įkrovimasIšnagrinėkime grandinę, sudarytą iš neįkrauto C talpos kondensatoriaus ir
varžos rezistoriaus, prijungtų prie nuolatinės įtampos U maitinimošaltinio. Kondensatoriaus įkrovimasKadangi įjungimo momentu kondensatorius dar neįkrautas, tai jo įtampa uc =0. Todėl pradiniu laiko momentu (t = 0) įtampos kritimas rezistoriuje Rlygus U, ir atsiranda srovė, kurios stiprumas i = [pic]= I. Tekant srovei i, kondensatoriuje palaipsniui kaupiasi krūvis Q, ir jame atsiranda įtampa uc =[pic], o įtampos kritimas rezistoriuje R, pagal antrąjį Kirchhofo dėsnį, mažėja: iR = U – uc.Vadinasi, srovė i = U –[pic]mažėja, mažėja ir krūvio kaupimosi greitis, nes grandine tekanti srovė i =[pic].Laikui bėgant, krūvis Q ir įtampa uc didėja vis lėčiau, o srovė grandinėjepalaipsniui mažėja proporcingai skirtumui U – uc.Per pakankamai ilgą laiką (teoriškai per be galo ilgą laiką) įtampakondensatoriuje pasiekia maitinimo šaltinio įtampą, srovė pasidaro lyginuliui, ir kondensatoriaus įkrovimo procesas pasibaigia.Praktiškai susitarta laikyti, jog kondensatoriaus įkrovimas baigtas, kaisrovė sumažėja iki 1% nuo pradinės vertės U/R, arba kondensatoriaus įtampapasiekia 99% maitinimo šaltinio įtampos U.Kondensatoriaus įkrovimas vyksta juo lėčiau, juo didesnė srovę ribojantigrandinės varža R ir juo didesnė kondensatoriaus talpa C, nes, esantdidesnei talpai, reikia sukaupti didesnį krūvį. Proceso greitisapibūdinamas grandinės laiko konstanta τ = RC;juo didesnė τ, tuo lėtesnis procesas.Grandinės laiko konstanta turi laiko dimensiją, nes [τ] = [RC] = Ω [pic] [pic] = Ω [pic] A [pic] [pic] = s.Įjungus grandinę, per laiką, lygų τ, kondensatoriaus įtampa pasiekiamaždaug 63% nuo maitinimo šaltinio įtampos, o per 5 τ laiką kondensatoriausįkrovimo procesą galima laikyti baigtu.Įkraunant kondensatorių, jo įtampa Uc = U – Ue-t/τ = U (1 – e-t/τ),t. y. ji lygi maitinimo šaltinio nuolatinės įtampos ir laisvosios įtamposUe-t/τ, kuri, laikui bėgant, mažėja rodiklinės funkcijos (eksponentės)dėsniu nuo U iki nulio.Kondensatoriaus įkrovimo srovė ic = ([pic]) e-t/τ = Ie-t/τ.
Srovė ic rodiklinės funkcijos dėsniu mažėja nuo pradinės vertės I =[pic].b) Kondensatoriaus iškrovimasDabar išnagrinėkime kondensatoriaus C, kuris buvo įkrautas iš maitinimošaltinio iki įtampos U, iškrovimo per rezistorių R procesą. Pradiniumomentu grandinėje atsiranda srovė i = [pic] = I, kondensatorius pradedamažėti. Įtampai uc mažėjant, mažėja ir srovė grandinėje i =[pic]. Per laiką5τ = 5RC kondensatoriaus įtampa ir srovė grandinėje sumažėja maždaug iki 1%nuo pradinių verčių, ir kondensatoriaus iškrovimo procesą galima laikytibaigtu. [pic] Kondensatoriaus iškrovimas.Kondensatoriui išsikraunant, jo įtampa lygi: uc = Ue-t/τ,t. y. ji mažėja rodiklinės funkcijos dėsniu.Kondensatoriaus iškrovimo srovė ic = – [pic] = –Ie-t/τ,t. y. ji mažėja tuo pačiu dėsniu, kaip ir įtampa.Visa įkrovimo metu kondensatoriaus elektriniame lauke sukaupta energijaiškrovimo metu išsiskiria kaip šiluma rezistoriuje R.Atjungus nuo maitinimo šaltinio įkrautą kondensatorių, jo elektrinis laukasnegali ilgai išlikti nepakitęs, nes kondensatoriaus dielektrikas irizoliacija tarp jo gnybtų turi tam tikrą laidumą.Kondensatoriaus iškrovimas, kuris vyksta dėl blogo dielektriko irizoliacijos, vadinamas saviiškrova. Kondensatoriaus saviiškrovos laikokonstanta τ nepriklauso nuo plokštelių formos ir atstumo tarp jų.Kondensatoriaus įkrovimo ir iškrovimo procesai vadinami perėjimo procesais. Kondensatorių rūšys1. Vakuuminiai pastovios talpos kondensatoriai.Tokio tipo kondensatoriai naudojami darbui su kintamos ir pastovios srovėsgrandinėmis. Bendra techninė charakteristika.1) Leidžiami talpos didumo nukrypimai yra +(-)5; +(-)10; +(-)20%2) Kondensatoriaus patvarumas – 2000 val.3) Kondensatoriuas laikymas sandėlių sąlygomis – 12 metų.4) Baigiantis galiojimui talpos pakeitimas virš nustatyto leidžiamonukrypimo ne daugiau +(-)20%.2. Pastovios talpos kondensatoriai su organiniu sintetiniu dielektriku.Tokio tipo kondensatoriai naudojami nuslopinti radioryšio trukdžiams.Bendra techninė charakteristika.1) Leidžiami talpos didumo nukrypimai yra +100% ir –10%2) Leidžiami talpos pakeitimai kraštutinėmis sąlygomis dirbamoje
temperatūroje atžvilgiu išmatuotos normaliomis sąlygomis yra +(-)10%.3) Kintamos talpos bandomosios įtampos dažnumas – 10004) Izoliacijos pasipriešinimas tarp išvedimų:normaliomis sąlygomis ne mažiau 10000 MΩ;esant +1250 C temperatūrai ne mažiau 500 MΩ.5) Garantinis kondensatoriaus galiojimo laikas 500 val.6) Garantinis saugojimo laikas 8,5 metai.7) Baigiantis laikymo laikotarpiui izoliacijos pasipriešinimas nemažiau 5000 MΩ.3. Kombinuoti kondensatoriai.Šio tipo kondensatoriai su įtampos nukrypimais nuo 3 iki 20 kV naudojamidarbui pastovios ir pulsuojančios srovės grandinėse. Priklausomai nuokondensatoriaus konstrukcijos korpuso kondensatoriai gaminami keraminiuosecilindriniuose korpusuose. Bendra techninė charakteristika.1) Talpos didumo leidžiami nukrypimai – +(-)5; +(-)10; +(-)20%2) Leidžiami talpos pakeitimai kraštutinėmis sąlygomis dirbamojetemperatūroje atžvilgiu išmatuotos normaliomis sąlygomis yra +(-)10%.3) Izoliacijos pasipriešinimas +200 C temperatūroje:tarp sujungtų kartu išvedimų ir korpuso ne mažiau 5000 MΩ. tarp išvedimų, dėl kondensatoriaus nukrypimų iki 0,1 мкф ne daugiau 10000 MΩ. 0,2 мкф ir virš ne daugiau 2000 MΩ· мкф 1000 C temperatūroje:tarp išvedimų dėl kondensatoriaus nukrypimų iki 0,1 мкф ne daugiau 1000 MΩ. 0,2 мкф ir virš ne daugiau 200 MΩ· мкф4)Garantinis kondensatoriaus galiojimo laikas +700 C temperatūroje – 5000val.5) Garantinis laikymo sandėliuose laikas – 12 metų.6) Baigiantis galiojimo laikui:talpos pakeitimas virš nustatytų nukrypimų ne daugiau +(-)10%izoliacijos pasipriešinimas ne mažiau 50%4. Vakuuminiai (polikarbonatiniai) kondensatoriai.Šio tipo kondensatoriai su įtampos nukrypimais nuo 63 iki 400 V naudojamidarbui pastoviose, kintamose ir pulsuojančiose grandinėse. Šiekondensatoriai gaminami darbui sauso ir drėgno klimato sąlygomis.5. Vakuuminiai kintamos talpos kondensatoriai.Tokio tipo kondensatoriai gaminami nominalios įtampos 25 kV ir naudojamidarbui pastovios ir kintamos srovės, dažniu iki 60 Мгц, grandinėse. Bendra techninė charakteristika.1) Leidžiami talpos didumo nukrypimai pagal nominalią vertę:Minimali talpa +10%;Maksimali talpa –10%.2) talpos temperatūrinis koeficientas 10 C temperatūros intervale nuo–60 iki +1250 C, priklausomai nuo drėgnumo iki 80 %, yra +30 (+(-)10)·10-6.3) Bandomoji įtampa pastovios ar kintamos srovės, dažniu 50гц, yra30kV.4) Izoliacijos pasipriešinimas normaliomis sąlygomis ne mažiau 10000GΩ.5) Sukimosi momentas ne daugiau 0,05 кгц·м6) Leidžiamas pertvarkymų skaičius nuo minimalios iki maksimaliostalpos ir atvirkščiai ne daugiau 2000.7) Pilnų talpos pertvarkymų ciklų per minutę skaičius ne daugiau 5.8) Ilgaamžiškumas – 1000 val.9) Garantinis kondensatoriaus laikymas 5 metai.6. Kondensatoriai su oro dielektrikais.Jie naudojami darbui pastovios ir kintamos srovės grandinėse. Bendra techninė charakteristika.1) Pastovios srovės leidžiama darbinė įtampa 160V.2) talpos temperatūrinis koeficientas 10 C temperatūros intervale nuo–60 iki +1250 C, priklausomai nuo drėgnumo iki 80 %, yra ne daugiau +300 ·10-63) Pastovios srovės bandomoji įtampa 500V.4) Izoliacijos psipriešinimas:normaliomis sąlygomis ne mažiau 1000 MΩ;kai temperatūra +1250 C ne mažiau 500 MΩ.5) Sukimosi momentas nuo 60 iki 400 гц·цм.6) Pilnas sukimosi kampas 3600 .7) Kondensatoriaus ilgaamžiškumas veikiant 160V įtampai – 5000val.8) Kondensatoriuas laikymas sandėliuose 12 metų.Daugiau ar mažiau panašūs yra šie kondensatorių tipai: kondensatoriai sukietais dielektrikais, kondensatoriai su žėrutiniais dielektrikais,kondensatoriai su popieriniu dielektriku, kondensatoriai su dielektriku išoksidinio sluoksnio ant ventilinio metalo ir t.t.Išvados Mano žinios apie kondensatorius prieš rašant referatą buvo ganėtinaimenkos, tačiau jis man padėjo pagilinti savo žinias šioje srityje, nors irpareikalavo nemažai pastangų. Darbo eigoje neiškilo didesnių problemų, jisvyko sklandžiai. Manau, kad darbą atlikau gana gerai, detaliai. Manonuomone šis referatas galėtų būti naudingas dėstant pamoką apiekondensatorius, kadangi jame yra daug vertingos ir įdomios informacijos šiatema.
Literatūros sąrašas
1. V.Popovas, S. Nikolajevas “Bendroji elektrotechnika ir elektronikos pagrindai” Vilnius, 1887. 2. Vytautas Tarasonis “Fizika XI klasei” Vilnius, 1997. 3. G. Miakiševas, B. Buchovcevas ”Fizika X-XI klasei“ Šviesa, 1992. 4. www. Google.lt