Įvadas
Šio fizikos referato tema yra kondensatoriai. Jame galima rasti daug įvairios ir naudingos informacijos apie kondensatorius. Referate rasite kondensatorių apibrėžimą ir konstrukciją, taip pat rasite gana nemažai fizikinių formulių susijusių su kondensatoriais. Be viso šito šiame referate taip pat galima paskaityti apie kondensatorių jungimą, įkrovimą, iškrovimą ir galiausiai galėsite pasižiūrėti apie įvairias kondensatorių rūšis ir jų techninę charakteristiką.
…………………………………………………..14
Kondensatoriai
Praktikoje dažnai reikia sukaupti didelį elektros krūvį nedideliuose laidininkuose, veikiant ribotai įtampai. Tam yra panaudojama aplinkinių kūnų įtaka laidininko potencialui ir talpai: arti laidininko esantis kitas laidininkas padidina jo talpą, todėl laidininke susikaupia didesnis krūvis esant 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). Naudojami įvairių konstrukcijų kondensatoriai, gana dažnai – plokštieji, kuriuos sudaro dvi lygiagrečios metalinės, izoliuotos viena nuo kitos plokštelės.
Kondensatorių sudaro sudarytas iš dviejų laidininkų, kurie yra vadinami elektrodais. Elektrodai yra atskirti dielektriko sluoksniu, kuris kondensatoriuje atlieka dvejopą vaidmenį: pirma – neleidžia elektros krūviams susijungti, antra – poliarizuojasi, tuo padidina kondensatoriaus talpą.
Pirmąjį kondensatorių 1745m. sukūrė ir išbandė Leideno universiteto
Olandijoje fizikas Peteris Mušenbrukas. Jis norėdamas ,,ištirpinti elektrą vandenyje“ didele elektros mašina elektrino vandenį , įleidęs vielą į butelį. Atjungęs vielą nuo mašinos ir laikydamas ją vienoje rankoje, kita paėmė butelį ir gavo stiprų elektros smūgį. Mišenbrukas suprato kas įvyko ir išrado kondensatorių, dabar vadinamą Leideno stikline. Leideno stiklinę sudaro stiklinis indas, iš abiejų pusių apklijuotas metaline folija. Folija sudaro kondensatoriaus elektrodus. Išorinis elektrodas įžeminamas, o vidinis kontaktiniu strypu prijungiamas prie elektros šaltinio poliaus ir įkraunamas.
Kondensatoriaus elektrine talpa žymima raide C. Elektrinė talpa apskaičiuojama elektros krūvį (Q) padalinus iš įtampos (U) esančios tarp kondensatoriaus 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 – formos ir matmenų, jų tarpusavio padėties, taip pat nuo dielektriko, skiriančio tas plokšteles, savybių .
Pavyzdžiui, plokščiojo kondensatoriaus, tarp kurio plokštelių yra vakuumas, 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 SI
vienetų sistemoje šitokia:
[pic]= [pic] = 8,85 [pic] 10[pic][pic]
Įvairių medžiagų dielektrines savybes galima palyginti su vakuumo savybėmis.
Erdvę tarp kondensatoriaus plokštelių užpildžius kokia nors medžiaga –
dielektriku, kondensatoriaus talpa padidės ε kartų. Tuomet ją bus galima rasti iš formulės
C = [pic][pic] = εa[pic].
Daugiklis ε, vadinamas medžiagos santykine dielektrine skvarba, yra bematis dydis. Kai kurių dielektrikų santykinės dielektrinės skvarbos vertės pateikiamos lentelėse.
Santykinės dielektrinės skvarbos ir elektrinės konstantos sandauga vadinama absoliutine dielektrine skvarba:
εa = ee0.
Pramonė išleidžia įvairios konstrukcijos bei paskirties, įvairios talpos (1 pF – 1000 μF) kondensatorius iki 10 kV vardinės įtampos.
Kintamosios srovės grandinėse naudojami popieriniai , žėrutiniai , keraminiai kondensatoriai , o elektrolitiniai kondensatoriai naudojami tiktai nuolatinės srovės grandinėse.
Popierinį kondensatorių sudaro dvi ilgos aliuminio folijos juostos, izoliuotos parafinuoto popieriaus juostomis.
Elektrolitinio kondensatoriaus viena plokštelė yra aliuminio folija, o kita – 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 vardinę kondensatoriaus įtampą, keli kondensatoriai jungiami nuosekliai, lygiagrečiai arba mišriai.
Sujungus kondensatorius nuosekliai, visų kondensatorių elektrodų krūviai bus vienodi, nes iš maitinimo šaltinio jie patenka tik į išorinius elektrodus, o vidiniuose elektroduose jie gaunami tik pasiskirsčius krūviams, anksčiau neutralizavusiems vieni kitus.
[pic] [pic]
Nuosekliai sujungti
Lygiagrečiai sujungti kondensatoriai kondensatoriai
Vieno kondensatoriaus elektrodo krūvį pažymėjus Q, dviem nuosekliai sujungtiems 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 sujungtų kondensatorių talpa
C = [pic] + C2.
Lygiagrečiai sujungus kondensatorius, visų kondensatorių įtampos bus vienodos, o krūviai bendru atveju bus skirtingi:
Q1 = C1U ir Q2 = C2U.
Visų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių bendras krūvis yra lygus atskirų kondensatorių krūvių sumai, t. y. Dviejų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių 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 iškrovimas a) Kondensatoriaus įkrovimas
Išnagrinėkime grandinę, sudarytą iš neįkrauto C talpos kondensatoriaus ir varžos rezistoriaus, prijungtų prie nuolatinės įtampos U maitinimo šaltinio.
Kondensatoriaus įkrovimas
Kadangi įjungimo momentu kondensatorius dar neįkrautas, tai jo įtampa uc =
0. Todėl pradiniu laiko momentu (t = 0) įtampos kritimas rezistoriuje R
lygus 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 grandinėje palaipsniui mažėja proporcingai skirtumui U – uc.
Per pakankamai ilgą laiką (teoriškai per be galo ilgą laiką) įtampa kondensatoriuje pasiekia maitinimo šaltinio įtampą, srovė pasidaro lygi nuliui, ir kondensatoriaus įkrovimo procesas pasibaigia.
Praktiškai susitarta laikyti, jog kondensatoriaus įkrovimas baigtas, kai srovė sumažėja iki 1% nuo pradinės vertės U/R, arba kondensatoriaus įtampa pasiekia 99% maitinimo šaltinio įtampos U.
Kondensatoriaus įkrovimas vyksta juo lėčiau, juo didesnė srovę ribojanti grandinės varža R ir juo didesnė kondensatoriaus talpa C, nes, esant didesnei talpai, reikia sukaupti didesnį krūvį. Proceso greitis apibūdinamas 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 pasiekia maždaug 63% nuo maitinimo šaltinio įtampos, o per 5 τ laiką kondensatoriaus įkrovimo 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 įtampos
Ue-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 iškrovimas
Dabar išnagrinėkime kondensatoriaus C, kuris buvo įkrautas iš maitinimo šaltinio iki įtampos U, iškrovimo per rezistorių R procesą. Pradiniu momentu grandinėje atsiranda srovė i = [pic] = I, kondensatorius pradeda mažėti. Įtampai uc mažėjant, mažėja ir srovė grandinėje i =[pic]. Per laiką
5τ = 5RC kondensatoriaus įtampa ir srovė grandinėje sumažėja maždaug iki 1%
nuo pradinių verčių, ir kondensatoriaus iškrovimo procesą galima laikyti baigtu.
[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 energija iškrovimo metu išsiskiria kaip šiluma rezistoriuje R.
Atjungus nuo maitinimo šaltinio įkrautą kondensatorių, jo elektrinis laukas negali ilgai išlikti nepakitęs, nes kondensatoriaus dielektrikas ir izoliacija tarp jo gnybtų turi tam tikrą laidumą.
Kondensatoriaus iškrovimas, kuris vyksta dėl blogo dielektriko ir izoliacijos, vadinamas saviiškrova. Kondensatoriaus saviiškrovos laiko konstanta τ nepriklauso nuo plokštelių formos ir atstumo tarp jų.
Kondensatoriaus įkrovimo ir iškrovimo procesai vadinami perėjimo procesais.
Kondensatorių rūšys
1. Vakuuminiai pastovios talpos kondensatoriai.
Tokio tipo kondensatoriai naudojami darbui su kintamos ir pastovios srovės grandinėmis.
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 leidžiamo nukrypimo 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 – 1000
4) 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 ne mažiau 5000 MΩ.
3. Kombinuoti kondensatoriai.
Šio tipo kondensatoriai su įtampos nukrypimais nuo 3 iki 20 kV naudojami darbui pastovios ir pulsuojančios srovės grandinėse. Priklausomai nuo kondensatoriaus konstrukcijos korpuso kondensatoriai gaminami keraminiuose cilindriniuose korpusuose.
Bendra techninė charakteristika.
1) Talpos didumo leidžiami nukrypimai – +(-)5; +(-)10; +(-)20%
2) Leidžiami talpos pakeitimai kraštutinėmis sąlygomis dirbamoje temperatūroje 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· мкф
4)Garantinis kondensatoriaus galiojimo laikas +700 C temperatūroje – 5000
val.
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 naudojami darbui pastoviose, kintamose ir pulsuojančiose grandinėse. Šie kondensatoriai gaminami darbui sauso ir drėgno klimato sąlygomis.
5. Vakuuminiai kintamos talpos kondensatoriai.
Tokio tipo kondensatoriai gaminami nominalios įtampos 25 kV ir naudojami darbui 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, yra
30kV.
4) Izoliacijos pasipriešinimas normaliomis sąlygomis ne mažiau 10000
GΩ.
5) Sukimosi momentas ne daugiau 0,05 кгц·м
6) Leidžiamas pertvarkymų skaičius nuo minimalios iki maksimalios talpos 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 ·
10-6
3) 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 su kietais dielektrikais, kondensatoriai su žėrutiniais dielektrikais, kondensatoriai su popieriniu dielektriku, kondensatoriai su dielektriku iš oksidinio sluoksnio ant ventilinio metalo ir t.t.
Išvados
Mano žinios apie kondensatorius prieš rašant referatą buvo ganėtinai menkos, tačiau jis man padėjo pagilinti savo žinias šioje srityje, nors ir pareikalavo nemažai pastangų. Darbo eigoje neiškilo didesnių problemų, jis vyko sklandžiai. Manau, kad darbą atlikau gana gerai, detaliai. Mano nuomone šis referatas galėtų būti naudingas dėstant pamoką apie kondensatorius, kadangi jame yra daug vertingos ir įdomios informacijos šia tema.
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