Kopndensatoriai

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.

Turinys

Įvadas........................
..........................
.1
Turinys.......................
..........................
..2
Kondensatoriai ir elektrinė
talpa.........................
.............3
Kondensatorių
jungimas........................
..................5
Kondensatorių įkrovimas ir
iškrovimas......................
...........6
Kondensatorių
rūšys.........................
....................9
Išvados.......................
..........................
.13
Literatūros
sąrašas.......................
.....................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 joo 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: ppirma – 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, k

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. K
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 s

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

Leave a Comment