Как найти значение емкости конденсатора в цепи

Главная
→
Примеры решения задач ТОЭ
→
Расчет электрической цепи постоянного тока с конденсаторами

Расчет электрической цепи постоянного тока с конденсаторами

Расчет электрической цепи постоянного тока с конденсаторами

Основные положения и соотношения

1. Общее выражение емкости конденсатора

C= Q U .

2. Емкость плоского конденсатора

C= ε a ⋅S d = ε r ⋅ ε 0 ⋅S d ,

здесь

S — поверхность каждой пластины конденсатора;

d — расстояние между ними;

ε_a = ε_r·ε₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;

ε_r — диэлектрическая проницаемость среды (относительная диэлектрическая проницаемость);

ε 0 = 1 4π⋅ с 2 ⋅ 10 −7 ≈8,85418782⋅ 10 −12    Ф м  – электрическая постоянная.

3. При параллельном соединении конденсаторов С₁, С₂, …, С_n эквивалентная емкость равна

C= C 1 + C 2 +…+ C n = ∑ k=1 n C k .

4. При последовательном соединении конденсаторов эквивалентная емкость определяется из формулы

1 C = 1 C 1 + 1 C 2 +…+ 1 C n = ∑ k=1 n 1 C k .

Для двух последовательно соединенных конденсаторов эквивалентная емкость составляет:

C= C 1 ⋅ C 2 C 1 + C 2 ,

а напряжения между отдельными конденсаторами распределяются обратно пропорционально их емкостям:

U 1 =U⋅ C 2 C 1 + C 2 ;    U 2 =U⋅ C 1 C 1 + C 2 .

5. Преобразование звезды емкостей в эквивалентный треугольник емкостей или обратно (рис. а и б)

Рис. 0

осуществляется по формулам:

Y→Δ { C 12 = C 1 ⋅ C 2 ΣC ;   C 13 = C 1 ⋅ C 3 ΣC ;   C 23 = C 2 ⋅ C 3 ΣC , где          ΣC= C 1 + C 2 + C 3 , Δ→Y { C 1 = C 12 + C 13 + C 12 ⋅ C 13 C 23 ; C 2 = C 12 + C 23 + C 12 ⋅ C 23 C 13 ; C 3 = C 13 + C 23 + C 13 ⋅ C 23 C 12 .

6. Энергия электростатического поля конденсатора:

W= C⋅ U 2 2 = Q⋅U 2 = Q 2 2C .

7. Расчет распределения зарядов в сложных цепях, содержащих источники э.д.с. и конденсаторы, производится путем составления уравнений по двум законам:

1) По закону сохранения электричества (закон сохранения электрического заряда): алгебраическая сумма зарядов на обкладках конденсаторов, соединенных в узел и не подключенных к источнику энергии, равна алгебраической сумме зарядов, имевшихся на этих обкладках до их соединения:

ΣQ=Σ Q ′ .

2) По второму закону Кирхгофа: алгебраическая сумма э. д. с. в замкнутом контуре равна алгебраической сумме напряжений на участках контура, в том числе на входящих в него конденсаторах:

∑ k=1 n E k = ∑ k=1 n U C k = ∑ k=1 n Q k C k .

Приступая к решению задачи, надо задаться полярностью зарядов на обкладках конденсаторов.

Решение задач на расчет электрической цепи постоянного тока с конденсаторами

Задача. Доказать формулу эквивалентной емкости при последовательном соединении конденсаторов (рис. 1).

Рис. 1

Решение

На рис. 1 представлено последовательное соединение трех конденсаторов. Если батарею конденсаторов подключить к источнику напряжения U₁₂, то на левую пластину конденсатора С₁ перейдет заряд +q, на правую пластину конденсатора С₃ заряд –q.

Вследствие электризации через влияние правая пластина конденсатора С₁ будет иметь заряд –q, а так как пластины конденсаторов С₁ и С₂ соединены и были электронейтральны, то вследствие закона сохранения заряда заряд левой пластины конденсатора C₂ будет равен +q, и т. д. На всех пластинах конденсаторов при таком соединении будет одинаковый по величине заряд.

Найти эквивалентную емкость — это значит найти конденсатор такой емкости, который при той же разности потенциалов будет накапливать тот же заряд q, что и батарея конденсаторов.

Разность потенциалов U₁₂ = φ₁ — φ₂ складывается из суммы разностей потенциалов между пластинами каждого из конденсаторов

U 12 = φ 1 − φ 2 =( φ 1 − φ A )+( φ A − φ B )+( φ B − φ 2 )= U 1A + U AB + U B2 .

Воспользовавшись формулой напряжения на конденсаторе

U= q C ,

запишем

q C = q C 1 + q C 2 + q C 3 .

Откуда эквивалентная емкость батареи из трех последовательно включенных конденсаторов

1 C = 1 C 1 + 1 C 2 + 1 C 3 .

В общем случае эквивалентная емкость при последовательном соединении конденсаторов

1 C = 1 C 1 + 1 C 2 +…+ 1 C n = ∑ k=1 n 1 C k .

Задача 1. Определить заряд и энергию каждого конденсатора на рис. 2, если система подключена в сеть с напряжением U = 240 В.

Рис. 2

Емкости конденсаторов: C₁ =50 мкФ; C₂ =150 мкФ; C₃ =300 мкФ.

Решение

Эквивалентная емкость конденсаторов C₁ и C₂, соединенных параллельно

C₁₂ = C₁ + C₂ = 200 мкФ,

эквивалентная емкость всей цепи равна

C= C 12 ⋅ C 3 C 12 + C 3 = 200⋅300 500 =120  мкФ.

Заряд на эквивалентной емкости

Q = C·U = 120·10^–6·240 = 288·10^–4 Кл.

Той же величине равен заряд Q₃ на конденсаторе C₃, т.е. Q₃ = Q = 288·10^–4 Кл; напряжение на этом конденсаторе

U 3 = Q 3 C 3 = 288⋅ 10 −4 300⋅ 10 −6 =96  В.

Напряжение на конденсаторах C₁ и C₂ равно

U₁ = U₂ = U — U₃ = 240 — 96 = 144 В.

их заряды имеют следующие значения

Q₁ = C₁·U₁ = 50·10^–6·144 = 72·10^–4 Кл;

Q₂ = C₂·U₂ = 150·10^–6·144 = 216·10^–4 Кл.

Энергии электростатического поля конденсаторов равны

W 1 = Q 1 ⋅ U 1 2 = 72⋅ 10 −4 ⋅144 2 ≈0,52  Дж; W 2 = Q 2 ⋅ U 2 2 = 216⋅ 10 −4 ⋅144 2 ≈1,56  Дж; W 3 = Q 3 ⋅ U 3 2 = 288⋅ 10 −4 ⋅96 2 ≈1,38  Дж.

Задача 2. Плоский слоистый конденсатор (рис. 3), поверхность каждой пластины которого S = 12 см², имеет диэлектрик, состоящий из слюды (ε_r1 = 6) толщиною d₁ = 0,3 мм и стекла (ε_r2 = 7) толщиною d₂ =0,4 мм.

Пробивные напряженности слюды и стекла соответственно равны E₁ = 77 кВ/мм, E₂ = 36 кВ/мм.

Рис. 3

Вычислить емкость конденсатора и предельное напряжение, на которое его можно включать, принимая для более слабого слоя двойной запас электрической прочности.

Решение

Эквивалентная емкость слоистого конденсатора определится как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов

C= C 1 ⋅ C 2 C 1 + C 2 = ε a1 ⋅S d 1 ⋅ ε a2 ⋅S d 2 ε a1 ⋅S d 1 + ε a2 ⋅S d 2 = ε a1 ⋅ ε a2 ⋅S ε a1 ⋅ d 2 + ε a2 ⋅ d 1 .

Подставляя сюда числовые значения, предварительно заменив ε_a1 = ε_r1·ε₀ и ε_a2 = ε_r2·ε₀, получим

C= ε 0 ⋅ ε r1 ⋅ ε r2 ⋅S ε r1 ⋅ d 2 + ε r2 ⋅ d 1 =8,85⋅ 10 −12 ⋅ 6⋅7⋅12⋅ 10 −4 6⋅0,4⋅ 10 −3 +7⋅0,3⋅ 10 −3 =99⋅ 10 −12   Ф.

Обозначим общее напряжение, подключаемое к слоистому конденсатору, через U_пр, при этом заряд конденсатора будет равен

Q = C·U_пр.

Напряжения на каждом слое будут равны

U 1 = Q C 1 = C⋅ U пр ε a1 ⋅S d 1 = ε a2 ⋅ d 1 ε a1 ⋅ d 2 + ε a2 ⋅ d 1 ⋅ U пр ; U 2 = Q C 2 = C⋅ U пр ε a2 ⋅S d 2 = ε a1 ⋅ d 2 ε a1 ⋅ d 2 + ε a2 ⋅ d 1 ⋅ U пр .

Напряженности электростатического поля в каждом слое

E 1 = U 1 d 1 = ε a2 ε a1 ⋅ d 2 + ε a2 ⋅ d 1 ⋅ U ′ пр ; E 2 = U 2 d 2 = ε a1 ε a1 ⋅ d 2 + ε a2 ⋅ d 1 ⋅ U ″ пр .

Здесь U’_np — общее напряжение, подключаемое к конденсатору, при котором пробивается первый слой, a U»_np — общее напряжение, при котором происходит пробой второго слоя.

Из последнего выражения находим

U ′ пр = E 1 ⋅ ε a1 ⋅ d 2 + ε a2 ⋅ d 1 ε a2 =49,5  кВ; U ″ пр = E 2 ⋅ ε a1 ⋅ d 2 + ε a2 ⋅ d 1 ε a1 =27,0  кВ.

Таким образом, более слабым слоем является второй; согласно условию, принимая для него двойной запас прочности, находим, что конденсатор может быть включен на напряжение, равное

27,0 кВ / 2 = 13,5 кВ.

Задача 3. Обкладки плоского конденсатора с воздушным диэлектриком расположены на расстоянии d₁ = 1 см друг от друга. Площадь обкладок S = 50 см². Конденсатор заряжается до напряжения U = 120 В и затем отсоединяется от источника электрической энергии.

Определить, какую надо совершить работу, если увеличить расстояние между пластинами до d₂ = 10 см. Краевым эффектом можно пренебречь; другими словами, емкость конденсатора можно считать обратно пропорциональной расстоянию между обкладками.

Решение

Энергия заряженного плоского конденсатора равна

W 1 = C 1 ⋅ U 2 2 = ε 0 ⋅S d 1 ⋅ U 2 2 ,

где С₁ — емкость до раздвижения обкладок.

Так как конденсатор отключен от источника, то при изменении расстояния между обкладками его заряд остается постоянным. Поэтому из~ соотношения

Q = C₂·U₂,

где C₂ — емкость конденсатора после раздвижения обкладок, следует, что, так как C₂ = ε₀·S/d₂ стало меньше в 10 раз (d₂ увеличилось в 10 раз), то напряжение на конденсаторе U₂ увеличилось в 10 раз, т. е. U₂ = 10U.

Таким образом, энергия конденсатора после отключения и раздвижения обкладок на расстояние d₂ будет больше первоначальной

W 2 = ε 0 ⋅S d 2 ⋅ U 2 2 2 = ε 0 ⋅S 10 d 1 ⋅ ( 10U ) 2 2 =10⋅ ε 0 ⋅S d 1 ⋅ U 2 2 =10⋅ W 1 .

Увеличение энергии произошло за счет работы внешних сил, затраченной на раздвижение обкладок.

Таким образом, надо совершить работу, равную

W 2 − W 1 =9⋅ W 1 =9⋅ ε 0 ⋅S d 1 ⋅ U 2 2 =2,86⋅ 10 −7   Дж.

Задача 4. Для схемы (рис. 4) определить напряжение каждого конденсатора в двух случаях: при замкнутом и разомкнутом ключе К.

Даны: C₁ = 30 мкФ; C₂ = 20 мкФ; r₁ = 100 Ом. r₂ = 400 Ом. r₃ = 600 Ом, U = 20 В.

Решение

Ключ К разомкнут. Конденсаторы соединены между собой последовательно; их ветвь находится под полным напряжением источника; напряжение распределяется между ними обратно пропорционально емкостям

U 1 = C 2 C 1 + C 2 ⋅U= 20⋅ 10 −6 30⋅ 10 −6 +20⋅ 10 −6 ⋅20=8  В; U 2 =U− U 1 =20−8=12  В.

Рис. 4

Ключ К замкнут. Через сопротивления r₁ и r₂ протекает ток

I= U r 1 + r 2 = 20 500 =0,04  А,

а через сопротивление r₃ ток не протекает.

Поэтому точки c и d равнопотенциальны (φ_c = φ_d). Следовательно, напряжение между точками a и c (U_ac = φ_a — φ_c) равно напряжению между точками a и d (U_ad = φ_a — φ_d).

Таким образом, напряжение на первом конденсаторе равно падению напряжения на сопротивлении r₁

U_C1 = I·r₁ = 0,04·100 = 4 В.

Аналогично напряжение на втором конденсаторе равно

U_C2 = I·r₂ = 0,04·400 = 16 В.

Задача 5. Определить напряжение на зажимах конденсаторов и их энергию после перевода рубильника из положения 1 в положение 2, показанное пунктиром на рис. 5, если U = 25 В; C₁ = 5 мкФ; C₂ = 120 мкФ. Конденсатор C₂ предварительно не был заряжен.

Рис. 5

Решение

Когда рубильник находится в положении 1, то конденсатор C₁ заряжен до напряжения U и его заряд равен

Q = C₁·U = 5·10^–6·25 = 125·10^–6 Кл.

После перевода рубильника в положение 2, заряд Q распределяется между конденсаторами C₁ и C₂ (рис. 5). Обозначим эти заряды через Q’₁ и Q’₂.

На основании закона сохранения электричества имеем

Q = Q’₁ + Q’₂ = 125 10^–6 Кл. (1)

По второму закону Кирхгофа имеем

0= U C1 − U C2 = Q ′ 1 C 1 − Q ′ 2 C 2 ,

или

Q ′ 1 5⋅ 10 −6 − Q ′ 2 120⋅ 10 −6 =0.   (2)

Решая уравнения (1) и (2), найдем

Q’₁ = 5 10^–6 Кл; Q’₂ = 120 10^–6 Кл.

Доставка свежих и аппетитных японских суши в Новороссийске — ям ям..

Напряжение на зажимах конденсаторов станет равным

U C1 = Q ′ 1 C 1 = U C2 = Q ′ 2 C 2 = 5⋅ 10 −6 5⋅ 10 −6 =1  В.

Энергия обоих конденсаторов будет равна

W= C 1 ⋅ U C1 2 2 + C 2 ⋅ U C2 2 2 =62,5⋅ 10 −6   Дж.

Подсчитаем энергию, которая была запасена в конденсаторе С₁, при его подключении к источнику электрической энергии

W нач = C 1 ⋅U 2 = 5⋅ 10 −6 ⋅ 25 2 2 =1562,5⋅ 10 −6   Дж.

Как видим, имеет место большая разница в запасе энергии до и после переключения. Энергия, равная 1562,5·10^–6 — 62,5·10^–6 = 1500·10^–6 Дж, израсходовалась на искру при переключении рубильника из положения 1 в положение 2 и на нагревание соединительных проводов при перетекании зарядов из конденсатора C₁ в конденсатор C₂ после перевода рубильника в положение 2.

Задача 6. Вычислить напряжение, которое окажется на каждом из конденсаторов схемы (рис. 6) после перевода рубильника К из положения 1 в положение 2.

Емкости конденсаторов равны: C₁ = 10 мкФ; C₂ = 30 мкФ; C₃ = 60 мкФ; напряжение U = 30 В, а э. д. с. E = 50 В.

Рис. 6

Решение

Рубильник находится в положении 1. Заряд конденсатора C₁ равен

Q₁ = C₁·U = 10·10^–6·30 = 0,3·10^–3 Кл.

В указанном положении рубильника конденсаторы C₂ и C₃ соединены последовательно друг с другом, поэтому их заряды равны: Q₂ = Q₃. Знаки зарядов показаны на рис. 6 отметками без кружков. По второму закону Кирхгофа имеем

E= U C2 + U C3 = Q 2 C 2 + Q 3 C 3 = Q 2 ⋅ C 2 + C 3 C 2 ⋅ C 3 ,

откуда

Q 2 = Q 3 = C 2 ⋅ C 3 C 2 + C 3 ⋅E= 30⋅ 10 −6 ⋅60⋅ 10 −6 90⋅ 10 −6 ⋅50=1⋅ 10 −3   Кл.

При переводе рубильника в положение 2 произойдет перераспределение зарядов. Произвольно задаемся новой полярностью зарядов на электродах (показана в кружках; предположена совпадающей с ранее имевшей место полярностью); соответствующие положительные направления напряжений на конденсаторах обозначены стрелками. Обозначим эти заряды через Q’₁, Q’₂ и Q’₃. Для их определения составим уравнения на основании закона сохранения электрических зарядов и второго закона Кирхгофа.

Для узла a

Q’₁ + Q’₂ — Q’₃ = Q₁ + Q₂ — Q₃. (1)

Для контура 2ebda2

0= U ′ C1 − U ′ C2 = Q ′ 1 C 1 − Q ′ 2 C 1 .

Для контура bcadb

E= U ′ C2 − U ′ C3 = Q ′ 2 C 2 + Q ′ 3 C 3 .

Уравнения (1) — (3), после подстановки числовых значений величин, примут вид

Q’₁ + Q’₂ — Q’₃ = 0,3·10^–3; (4)

3Q’₁ — Q’₂ = 0; (5)

2Q’₂ + Q’₃ = 3·10^–3. (6)

Решая совместно уравнения (4) — (6), получим

Q’₁ = 0,33·10^–3 Кл; Q’₂ = 0,99·10^–3 Кл; Q’₃ = 1,02·10^–3 Кл.

Так как знаки всех зарядов оказались положительными, то фактическая полярность обкладок соответствует предварительно выбранной.

Напряжения на конденсаторах после перевода рубильника будут равны

U C1 = Q ′ 1 C 1 = 0,33⋅ 10 −3 10⋅ 10 6 =33  В; U C2 = Q ′ 2 C 2 = 0,99⋅ 10 −3 30⋅ 10 6 =33  В; U C3 = Q ′ 3 C 3 = 1,02⋅ 10 −3 60⋅ 10 6 =17  В.

Задача 7. Определить заряд и напряжение конденсаторов, соединенных по схеме рис. 7, если C₁ = 5 мкФ; C₂ = 4 мкФ; C₃ = 3 мкФ; э. д. с. источников E₁ = 20 В и E₂ = 5 В.

Рис. 7

Решение

Составим систему уравнений на основании закона сохранения электричества и второго закона Кирхгофа, предварительно задавшись полярностью обкладок конденсаторов, показанной в кружках

− Q 1 + Q 2 − Q 3 =0; E 1 = U C1 − U C3 = Q 1 C 1 − Q 3 C 3 ; E 2 =− U C2 − U C3 =− Q 2 C 2 − Q 3 C 3 .

Подставляя сюда числовые значения и решая эту систему уравнений, получим, что Q₁ = 50 мкКл; Q₂ = 20 мкКл; Q₃ = –30 мкКл.

Таким образом, истинная полярность зарядов на обкладках конденсаторов C₁ и C₂ соответствует выбранной, а у конденсатора C₃ — противоположна выбранной.

Задача 8. Пять конденсаторов соединены по схеме рис. 3-22, а, емкости которых C₁ = 2 мкФ; C₂ = 3 мкФ; C₃ = 5 мкФ; C₄ = 1 мкФ; C₅ = 2,4 мкФ.

Рис. 8

Индивидуалка Дана (34 лет) т.8 926 650-82-63 Москва, метро Сокол.

Определить эквивалентную емкость системы и напряжение на каждом из конденсаторов, если приложенное напряжение U = 10 В.

Решение

1-й способ. Звезду емкостей C₁, C₂ и C₃ (рис. 8, а) преобразуем в эквивалентный треугольник емкостей (рис. 8, б)

C 12 = C 1 ⋅ C 2 C 1 + C 2 + C 3 =0,6  мкФ; C 13 = C 1 ⋅ C 3 C 1 + C 2 + C 3 =1,0  мкФ; C 23 = C 2 ⋅ C 3 C 1 + C 2 + C 3 =1,5  мкФ.

Емкости C₁₂ и C₅ оказываются соединенными параллельно друг другу и подключенными к точкам 1 и 2; их эквивалентная емкость

C₆ = C₁₂ + C₅ = 3 мкФ.

Аналогично

C₇ = C₁₃ + C₄ = 2 мкФ.

Схема принимает вид изображенный на рис. 8, в. Емкость схемы между точками а и b равняется

C ab = C 23 + C 6 ⋅ C 7 C 6 + C 7 =2,7  мкФ.

Вычислим напряжение на каждом из конденсаторов.

На конденсаторе C₇ напряжение равно

U 7 = C 6 C 6 + C 7 ⋅U=6  В.

Таково же напряжение и на конденсаторах C₄ и C₁₃

U₄ = U₃₁ = 6 В.

Напряжение на конденсаторе C₆ равно

U₆ = U — U₇ = 4 В;

U₅ = U₁₂ = 4 В.

Вычислим заряды

Q₄ = C₄·U₄ = 6·10^–6 Кл;

Q₅ = C₅·U₅ = 9,6·10^–6 Кл;

Q₁₂ = C₁₂·U₁₂ = 6·10^–6 Кл;

Q₁₃ = C₁₃·U₃₁ = 2,4·10^–6 Кл.

По закону сохранения электричества для узла 1 схем 8, а и б имеем

–Q₄ — Q₁ + Q₅ = –Q₄ — Q₁₃ + Q₁₂ + Q₅,

отсюда

Q₁ = Q₁₃ — Q₁₂ = 3,6·10^–6 Кл,

а напряжение на конденсаторе, емкостью C₁ составляет

U 1 = Q 1 C 1 =1,8  В.

Далее находим напряжения и заряды на остальных конденсаторах

U₃₁ = U₁ + U₃,

отсюда

U₃ = U₃₁ — U₁ = 4,2 В;

Q₃ = C₃·U₃ = 21·10^–6 Кл,

также

U₁₂ = U₂ — U₁ = 4,2 В,

откуда

U₂ = U₁₂ + U₁ = 5,8 В;

Q₂ = C₂·U₂ = 17,4·10^–6 Кл.

Так как знаки всех зарядов оказались положительными, то фактическая полярность зарядов на обкладках совпадает с предварительно выбранной.

2-й способ. Выбрав положительные направления напряжений на конденсаторах (а тем самым и знаки зарядов на каждом из них) по формуле закона сохранения электричества (закона сохранения заряда) составляем два уравнения и по второму закону Кирхгофа три уравнения (рис. 8, а)

для узла 1

Q₅ — Q₁ — Q₄ = 0; (1)

для узла О

Q₁ + Q₂ — Q₃ = 0; (2)

для контура О13О

Q 1 C 1 − Q 4 C 4 + Q 3 C 3 =0;  (3)

для контура О12О

Q 1 C 1 + Q 5 C 5 − Q 2 C 2 =0;  (4)

для контура a3О2b

Q 3 C 3 + Q 2 C 2 =U.  (5)

Система уравнений (1) — (5) — содержит пять неизвестных: Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ и Q₅. Решив уравнения, найдем искомые заряды, а затем и напряжения на конденсаторах. При втором способе решения эквивалентную емкость схемы С_ab можно найти из отношения

C ab = Q U ,

где Q = Q₃ + Q₄, или Q = Q₂ + Q₅.

Задача 9. В схеме рис. 9 найти распределение зарядов, если E₁ = 20 В; E₂ = 7 В; C₁ = 7 мкФ; C₂ = 1 мкФ; C₃ = 3 мкФ; C₄ = 4 мкФ; C₅ = C₆ = 5 мкФ.

Рис. 9

Решение

При выбранном распределении зарядов (в кружках), как показано на схеме, система уравнений будет иметь вид:

для узла а

Q₁ + Q₂ + Q₃ = 0;

для узла b

–Q₃ — Q₄ — Q₅ = 0;

для узла c

–Q₁ + Q₄ + Q₆ = 0;

для контура afcba

E 1 = U C1 + U C4 − U C3 = Q 1 C 1 + Q 4 C 4 − Q 3 C 3 ;

ля контура gdbag

E 2 = U C5 − U C3 + U C2 = Q 5 C 5 − Q 3 C 3 + Q 2 C 2 ;

для контура cbdc

0= U C4 − U C5 − U C6 = Q 4 C 4 − Q 5 C 5 − Q 6 C 6 .

Подставляя сюда числовые значения и решая полученную систему шести уравнений, найдем искомые заряды

Q₁ = 35 мкКл; Q₂ = –5 мкКл; Q₃ = –30 мкКл;

Q₄ = 20 мкКл; Q₅ = 10 мкКл; Q₆ = 15 мкКл.

Таким образом, истинные знаки зарядов Q₁, Q₄, Q₅ и Q₆ соответствуют выбранным, а знаки Q₂ и Q₃ противоположны выбранным.

Фактическое расположение знаков зарядов на конденсаторах дано не в кружках.

Задача 10. Определить заряд и энергию каждого конденсатора в схеме (рис. 10). Данные схемы: C₁ = 6 мкФ; C₂ = 2 мкФ; C₃ = 3 мкФ; r₁ = 500 Ом; r₂ = 400 Ом; U = 45 В.

Рис. 10

Решение

Через сопротивления протекает ток

I= U r 1 + r 2 =0,05  А.

Задавшись полярностью зарядов на обкладках конденсаторов, составим систему уравнений:

− Q 1 + Q 2 + Q 3 =0; U= U C1 + U C2 = Q 1 C 1 + Q 2 C 2 ; I⋅ r 1 = U C1 + U C3 = Q 1 C 1 + Q 3 C 3 ,

или

Q 1 = Q 2 + Q 3 ; 45= Q 1 6⋅ 10 −6 + Q 2 2⋅ 10 −6 ; 25= Q 1 6⋅ 10 −6 + Q 3 3⋅ 10 −6 .

Решив эту систему уравнений, найдем, что

Q₁ = 90 мкКл; Q₂ = 60 мкКл; Q₃ = 30 мкКл.

---

последовательное соединение конденсаторов,
параллельное соединение конденсаторов,
Расчет цепи конденсаторов,
Конденсатор в цепи постоянного тока,
Цепи с конденсаторами

Комментарии

Конденсаторы часто встречающийся элемент в электрических схемах.
Они нужны для накопления заряда, сглаживания пульсаций электрического тока, фильтрация отдельных видов частот,
создание фазовых сдвигов обеспечивающих работу электрических двигателей и для других технических решений.

Что такое конденсатор

Конденсаторы — это компоненты в электронике, которые могут накапливать электрические заряды.

Эти детали используются в любом электронном устройстве.

Свойство конденсатора – это накопление заряда и последующая его отдача.

От чего зависит емкость и заряд конденсатора

Емкость конденсатора это физическая величина по которой производится оценка его возможностей выполнять свои функциональные задачи.

Практическое значение емкости выражается в способности электрического устройства к накоплению заряда.

Величина напряжения на пластинах в прямой пропорции влияет на количественные характеристики заряда на обкладках.
Формула определения емкости выглядит как

C = q/U,

где С — емкость конденсатора,

q — означает количество заряда на одной из пластин,

U — разница потенциалов на обкладках.
Приведенная формула расчета имеет в большей степени теоретический характер.

Существует иное определение емкости, которое полезнее в практическом смысле.

В формуле C = єS/d обозначена ее связь с площадью S обкладок, расстоянием между пластинами d и свойствами диэлектрика є.

Из формулы следует, что чем больше площадь обкладок, тем больший заряд может на них разместиться и чем больше расстояние между пластинами,
тем слабее заряженные частицы будут притягиваться друг к другу, увеличивая их шансы покинуть обкладку.

Максимальная диэлектрическая проницаемость материала, расположенного между пластинами, увеличивает емкость конденсатора без изменения габаритных характеристик.

Как устроен конденсатор

Конденсатор состоит из двух или нескольких металлических пластин, между которыми располагается диэлектрический материал.
Электроны начинают двигаться, но не в состоянии преодолеть диэлектрик, из-за этого между пластинами накапливается электрический заряд.

Хорошими диэлектрическими свойствами обладают бумага покрытая оксидом алюминия, слюда, электролит, керамика и подобные материалы.

Заряды на разных обкладках одинаковые по величине, но противоположные по знаку.

Виды конденсаторов

Конденсаторы различаются по целому ряду параметров: по конфигурации, по типу диэлектрика,
по материалу обкладок, по виду изменения емкости (постоянные, переменные, подстрочные),
по рабочему напряжению.
Ниже на рисунке рассмотрим основные виды электрических устройств различной конфигурации.

Плоский

Плоский вид устройства, – это две пластины, которые располагаются параллельно друг против друга.
Они отличаются компактностью, сохраняя при этом большую емкость.

Емкость плоского конденсатора возрастает по мере увеличения площади пластин и при уменьшении расстояния между ними.

Для расчета емкости плоского конденсатора следует пользоваться формулой C = ε₀ εS / d

Сферический

Сферический конденсатор это две концентрично расположенные сферы с находящимся между ними тонким диэлектриком.
Наружную поверхность внешней обкладки заземляют для создания электрического поля непосредственно между обкладками.
С учетом геометрии обкладок расчет емкости сферического конденсатора производится по формуле

C = 4πεε₀ Rr/ R — r, где R — радиус наружной обкладки, r — радиус внутренней.

Цилиндрический

Цилиндрический конденсатор выполнен из двух полых цилиндров с разными радиусами образующих их окружностей с общей осью.
Между наружной поверхностью малого цилиндра и внутренней поверхностью большого находится диэлектрик.
Для расчета емкости цилиндрического конденсатора можно воспользоваться формулой
C = 2πєє0L/ ln (R2/R1),

где L — длина цилиндрических обкладок,

R2 — радиус наружного цилиндра,

R1 — радиус внутреннего цилиндра,

ln — обозначение логарифмического действия.

Полярные

Полярные конденсаторы – это приборы, имеющие полярность, а именно плюс и минус.
Важно чтобы плюсовой контакт был соединен с «плюсом» источника питания, а минусовой с его «минусом».
Нарушение полярности может привести даже к взрыву конденсатора.
К полярным принадлежат танталовые, ионисторы, конденсаторы с электролитическим диэлектриком.

Танталовые

В танталовых конденсаторах, относящихся к электролитическому типу, в качестве диэлектрика используется спеченный танталовый порошок оксид тантала, отсюда происходит их название.
Такой диэлектрик сводит практически к нулю ток утечки.

Недостаток заключается в невозможности работать в электрических цепях с высоким напряжением.

Танталовый конденсатор включает в себя 4 элемента – анод, диэлектрик, электролит и катод.

В отличие от электролитических танталовые имеют меньшую собственную индуктивность, благодаря чему их можно применять на высоких частотах.

Компактность танталовых устройств позволяет их использовать в качестве составляющих монтажных схем.

Ионисторы

Ионисторы принадлежат к разряду электрохимических конденсаторов.
Особенность конструкции заключается в сочетании свойств обычного конденсатора и аккумуляторной батареи.
Пространство между электродами заполняется твердым электролитом на основе рубидия и аналогичных материалов.
Такая конструкция исключает самопроизвольный разряд ионистора.

Быстрая разрядка и зарядка делают возможным его использование в некоторых видах электрических схем вместо аккумулятора.

Аккумулятор, в отличие от ионистора, потребует значительное время для своей зарядки.
Емкость ионистора отличается повышенным значением среди всех электролитических устройств.

Работает ионистор только с источником постоянного напряжения.

Электролитические

Большое распространение получили электролитические конденсаторы, у которых одна из обкладок выполнена в виде алюминиевой фольги.
Другой обкладкой служит твердый или жидкий электролит обеспечивающий движение заряженных частиц для сохранения оксидной пленки.

Емкость электролитического конденсатора на сегодняшний день является наибольшей при соотношении емкости и объема элемента.

Электролитические элементы устанавливаются в фильтрах, но важно соблюдение полярности.

По сравнению с танталовыми конденсаторами в электролитических  идут значительный ток утечки.

Процессы переноса заряженных частиц происходят медленно, что увеличивает количество выделяемого тепла.
Отсюда перегрев и низкий срок службы.

Неполярные

Неполярные конденсаторы корректно работают при любых вариантах подключения их в электрическую схему.

Это связано с похожей структурой материалов образующих границу между обкладкой и диэлектриком.
Стороны одинаковы. Все это приводит к тому, что во время установки конденсатора нет необходимости соблюдать полярность.
В качестве неполярных электрических устройств в основном используются сухие, реже электролитические, изготовленные по измененной технологии.

Керамические

Керамические конденсаторы имеют высокие электрические показатели, маленькие габариты и приемлемую стоимость.

Устанавливаются элементы в контурах радиоаппаратуры.
Керамические конденсаторы подразделяются на

• с постоянной емкостью
• подстроечные.

Элементы с постоянной емкостью – устанавливают в контурах генераторов и гетеродинов.
Подстроечные – используются для подгонки параметров колебательных контуров.
Широкое распространение получили благодаря разнообразию емкостей, широкому диапазону рабочих напряжений,
стандартными типоразмерами аналогичными керамическим устройствам разных производителей.

Пленочные

Особенностью таких устройств будет диэлектрик в виде пленки.
Пленка изготавливается из фторопласта, металлизированной бумаги, полипропилена, поликарбоната и подобных материалов.
Металлическая пленка или фольга напыляются или напрессовываются на диэлектрик.

Благодаря большому количества слоев – получается увеличение площади, соответственно, существенно увеличивается емкость.

Из достоинств пленочного конденсатора следует отметить сравнительно высокую надежность, стабильность теплового состояния при действии нагрузок вызванных переменным током.

К недостаткам можно отнести невысокое значение диэлектрической проходимости.

Пленочные конденсаторы используются в цепях постоянного тока, всевозможных фильтрах и резонансных схемах.

Smd

В цепях управления некоторых видов плат используются небольшие по размерам Smd конденсаторы, имеющие форму маленьких кирпичиков.
На плату радиоэлемент устанавливается посредством правила поверхностного монтажа.
Smd устройства бывают следующих видов:

• электролитические
• керамические;
• танталовые.

Керамические SMD конденсаторы, имеющие диэлектрик с высокой проницаемостью, маркируются тремя буквами.
Первыми двумя буквами обозначается нижняя и верхняя предельно допустимая граница рабочего диапазона температур,
третья буква используется при обозначении отклонений изменения емкости для измеряемых диапазонов.

Маленькие размеры Smd конденсаторов не всегда позволяют нанести маркировку на корпус или она будет очень мелкая.

В таких случаях без специального измерительного прибора, например, мультиметра не обойтись.

Переменные

Конденсаторы переменной емкости (КПЕ) состоят из части секций металлических пластин.
Одна из них двигается плавно по отношению ко второй.
Во время передвижения получается, что подвижные пластины (ротора), попадают в зазоры неподвижной пластины (статора).
Благодаря процессу площадь перекрытия одних пластин другими изменяется, в результате чего изменяется у конденсатора емкость.
Слоем диэлектрика в этом случае является воздух.

В конденсаторах, установленных в небольших устройствах, используется твердый диэлектрик, например, фторопласт или полиэтилен.

В старых радиоприемниках устройство применялось для настройки на определенную частоту колебательного контура работающей радиостанции.

Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе

Напряжение, подаваемое на конденсатор, не должно превышать максимальное, так как может произойти пробой диэлектрика и выход элемента из строя.

Для анализа работы конденсатора в цепи переменного тока, критерием для сравнения следует брать максимальную амплитудную величину напряжения.

Это значит, что если на нем обозначено какое то максимальное напряжение DC WV , то в действительности при включении в сеть оно должно быть на 1,4 меньше.

Величина и значение потери у конденсатора

Ток утечки конденсатора – критический фактор для использования, особенно если его применяют для силовой электроники.
Потеря напрямую завязана со свойствами диэлектрика.

Никакой диэлектрик не способен гарантировать на 100% изоляцию металлических обкладок.

Через изолятор всегда будет проходить ток, меньший или больший в зависимости от свойств диэлектрика и теряться энергия.
Кроме изолирующих способностей диэлектрика на ток утечки влияют факторы:

• температура окружающего пространства;
• срок годности конденсатора без напряжения, температура;
• величина тока утечки прямо пропорциональна приложенному к обкладкам напряжению.

Восстановить работоспособность конденсатора после длительного хранения можно, приложив к нему рабочее напряжение с выдержкой в течение нескольких минут.

При этом этапе окислительный слой заново накапливается и восстанавливает работоспособность конденсатора.

Конденсатор в цепи электрического тока

Принцип работы конденсатора простой – подается напряжение и накапливается заряд.
Накопитель по-разному ведет себя в двух вариантах электрической цепи.

Постоянного

Если в цепь с присоединенным к ней конденсатором подать ток, то стрелка на амперметре придет в движение и быстро вернется в предыдущее положение.
Это связано с тем, что прибор быстро заряжается и ток исчез.
Через обкладки разделенные диэлектриком постоянный ток проходить не может.
Практическое применение конденсатора в такой цепи вызывает много вопросов.
В условиях постоянного тока конденсатор функционирует, но непродолжительное время.
Переходные процессы в виде зарядки и разрядки снимают все сомнения.
В электронных схемах на постоянном токе конденсаторы один из самых распространенных компонентов.

Переменного

При подключении переменного напряжения полюса конденсатора меняют плюс на минус с частотой подачи напряжения.
В данном случае электроны передвигаются сначала в одну, а потом в другую.
На обкладках при такой смене остаются излишки заряда, которые собственно и создают ток во внешней цепи.

Конденсатор в цепи переменного тога выступает в качестве резистора.

Сопротивления конденсатора в зависимости от

Сопротивление конденсатора зависит от частоты подаваемого на него напряжения и показателя емкости.

Частоты и сдвига фаз

Устройство накопления зарядов одинаковой емкости на разных частотах оказывает различный уровень сопротивления.
Оно растет или уменьшается.

При повышении частоты входного напряжения сопротивление, называемое емкостным уменьшается.

На низких частотах имеется сдвиг по фазе входного напряжения и напряжения на нагрузке.

С увеличением частоты сдвиг по фазе уменьшается.

При достижении частоты определенного уровня фазовый сдвиг стремиться к нулю.

Хс = 1/ωС,

где ω — круговая частота, равная произведению 2πf,

С—емкость цепи в фарадах.

Номинала конденсатора

Емкость конденсатора влияет на процесс зарядки и разрядки при прохождении через него переменного тока.

Устройство с меньшей емкостью будет быстрее отдавать заряд и вновь заряжаться.

Сопротивление переменному току будет выше, чем при медленной зарядке и разрядке.

Отсюда вывод: емкостное сопротивление находится в обратной зависимости от номинала конденсатора.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Наиболее популярным типом соединения конденсаторов является параллельное.
При этом подключении электроемкость повышается, а напряжение остается исходным.

К одной точке может подключаться несколько конденсаторов.

Так как электрическая емкость конденсаторов равна площади обкладок, общая емкость при таком виде соединения пропорциональна сумме емкостей всех конденсаторов в цепи.

Собщ.= C1+C2.

При последовательном соединении конденсаторов общая емкость снижается, а напряжение работы конденсатора возрастает.

Конденсаторы подключены так, что только первый и последний имеют доступ к источнику ЭДС/тока одной из своих пластин.
Заряд одинаковый на всех пластинах, но наружные получают заряд от источника, а внутренние образуются благодаря разделению зарядов ранее нейтрализовавших друг друга.
Емкость последовательного соединения двух конденсаторов мы можем вычислить по формуле

Собщ.= С1*С2/ C1+C2.

Формулы для вычисления

Измерения емкости осуществляется по специально выведенной формуле.
Электрическая емкость (С) — это отношение сообщенного заряда (Q) к образующему в результате этого потенциалу (U).
Формулу, которую используют, чтобы измерить емкость, выглядит следующим образом:
C=Q/V .
Единицей измерения служит фарада, которая обозначается буквой Ф.
Емкость величиной 1 фарада будет хранить заряд q = 1 кулон при напряжении на обкладках U =1 Вольт.
Так как конденсаторы имеют разные виды, формулы также используются разные.

Посредством математических выражений

Математическое выражение для определения емкости конденсатора С = q*U в единицах измерения в системе СИ каждой из входящих в формулу
физических величин определяет значение 1 фарады.

Как зависит емкость от среды диэлектрика

Влияние изолятора на емкость конденсатора зависит от проводящих свойств вещества внутри этой прокладки.
Способность межпластинного проводника на изоляцию называют диэлектрической проницаемостью.
С учетом характеристик диэлектрика формула емкости плоского устройства станет:
С = є0є S/d,
где под буквой є стоит значение диэлектрической проницаемости изолятора,
а є0 — постоянная величина равная диэлектрической проницаемости вакуума (воздуха).

На практике применяется коэффициент, обозначающий во сколько раз применяемый диэлектрик уменьшает электрическое поле по сравнению с воздухом.

Таблица:

Как измерить емкость

Существует некоторое количество способов измерения емкости конденсатора с помощью приборов и различных методик.
В статье описывается использование мультиметра, осциллографа, тестера и мостовых измерителей.

Мультиметром

В начале, прежде чем начать измерение емкости конденсатора, его необходимо разрядить до полного исчезновения тока.

Как пример: сделать это с путем замыкания выводов отверткой.

Если пренебречь этим нюансом, то мультиметр может поломаться.

Измерить емкость с помощью мультиметра можно следующим образом:
активируйте режим «Сх» и установите предел замера 2000 пФ, если он есть.
На стандартном устройстве он равный 20 мкФ;
Установите конденсатор в соответствующие гнезда в мультиметре или используйте щупы для подключения конденсатора.
На экране прибора будет отображено значение емкости.

Осциллографом

Для измерения понадобиться кроме осциллографа собрать схему из тестируемого конденсатора, резистора и генератора синусоидальных колебаний.

Точки подключения осциллографа к схеме находятся до резистора и после конденсатора.

Частота колебаний генератора изменяется до получения на экране осциллографа одинаковых по амплитуде синусоидальных кривых.
Это делается для точности измерений.
Представьте как рассчитать емкость конденсатора с помощью амплитудных значений напряжений?
Для этого  требуется воспользоваться формулой UR/UC*2πfR подставив в нее измеренные значения.
С его помощью также рассчитывается ток утечки конденсатора косвенным способом – через снижение напряжения на предварительно известном сопротивлении.
Осциллограф способен вычислить емкость конденсаторов от 20 pF до 200 mkF.

Тестером не имеющим прямой функции

Для нахождения варианта определения емкости с помощью тестера, но без функции замера емкости,
обратите внимание на формулу мгновенного значения тока во время его зарядки или разрядки i = С dU/dt.

Здесь дело в том, что кроме тестера, секундомера следует собрать схему с источником питания,

конденсатором и резистором с большим сопротивлением для увеличения времени процесса зарядки или разрядки.
После снятия всех показаний с тестера и секундомера можно, достаточно приближенно вычислить и узнать емкость.
Зная, как определить емкость конденсатора современными приборами, будет несложно разобраться и с устройством со времен СССР.
На экране происходит вывод не цифр, а отклонения стрелки, за которой важно внимательно следить.
Измерение емкости осуществляется только на разряженном конденсаторе.
Щупы выведите к контактам конденсатора, если он рабочий, то стрелка изначально отклонится и по мере заряда займет исходную позицию.
Скорость передвижения стрелки зависит от объема емкости.
Если стрелка тестера не сдвинулась с места, либо эта величина минимальная или отклонилась и зависла в одном положении – это показатель неисправности конденсатора.

Мостовыми измерителями

Емкость конденсатора измеряется методом сравнения с эталонной емкостью.
Для чего выполняется мостовая схема, где одно плечо работает с образцовым электрическим устройством, другое с тестируемым.
Показания моста могут быть реализованы на цифровых носителях.

Единицы расчета

Математическое выражение фарада

C=Q/V, где С – электрическая емкость, Q – сообщенный заряд, V – приложенное напряжение.

Диэлектрическая проницаемость

D = εF, где D – электрическая индукция в среде, ε — диэлектрическая проницаемость среды, F — сила взаимодействия между зарядами в вакууме.

Маркировка конденсаторов

На корпусе каждого конденсатора имеется специальная маркировка – буква и цифра.
По сравнению с резисторами, маркировка конденсатора, обозначающая емкость и код отклонения емкости, довольно-таки сложная и разнообразная.
Иногда обозначения наносятся прописными буквами – MF (микрофарады), fd – фарады.
Также на корпусе указаны положительные и отрицательные символы, помогающие определить полярность конденсатора.

Способы обозначения конденсатора

Единицей измерения емкости конденсатора является фарад, поэтому на корпусе элемента обязательно присутствует буква Ф или F:

• 1 миллифарад = 10-3 фарад = 1мФ;
• 1 микрофарад = 10-6 фарад = 1 мкФ;
• 1 нанофарад = 10-9 фарад = 1 нФ;
• 1 пикофарад = 10-12 фарад = 1 пФ.

Если на элементе не обозначен номинал, то целое значение свидетельствует о том, что емкость указана в пикофарадах.
На корпусе емкость указывается с отклонением, если указана буква J – то диапазон отклонения менее 5%, буква М – 20%.

Код конденсаторов импортных

Устройства зарубежного производства, так же как и российские, имеют маркировку согласно международных стандартов.
Данный нормативный документ предполагает нанесение кода из трех цифр. Первые две цифры обозначают емкость в пикофарадах.
Третья цифра говорит о количестве нулей, например, если емкость будет меньше 1 пикофарады, цифра будет выглядеть как «0».

Кодовая для конденсаторов поверхностного монтажа

Маркировка электролитических SMD конденсаторов состоит из емкости и рабочего напряжения.
Например,108V, где закодирована электроемкость 10 пф и рабочее напряжение 8 Вольт.
Знак плюс находится рядом с полоской.
Есть три основных способа кодировки:
код из двух или трех знаков (буквы или цифры), которые указывают на рабочее напряжение и номинальную емкость.
Показатели указываются буквой, а цифра является множителем;
четыре знака, обозначающие напряжение и номинальную емкость.
Первая буква – это рабочее напряжение, следующие символы – емкость в пикофарадах, последняя цифра – количество нулей;

если площадь корпуса большая, кода располагают на две строки.
Верхняя строка – номинал емкости, нижняя – рабочее напряжение.

Содержание:

1. Последовательное соединение конденсаторов
2. Параллельное соединение конденсаторов
3. Смешанное соединение конденсаторов
4. Пример расчета

В данной статье приведены различные схемы соединения конденсаторов, а так же формулы их расчета с примером.

1. Последовательное соединение конденсаторов

Если условно разделить выводы каждого из конденсаторов на первый и второй выводы последовательное соединение конденсаторов будет выполняется следующим образом: второй вывод первого конденсатора соединяется с первым выводом второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора, соединяется с первым выводом третьего и так далее. Таким образом мы получим группу (блок) последовательно соединенных конденсаторов с двумя свободными выводами — первым выводом первого конденсатора в блоке и вторым выводом последнего конденсатора, через которые данный конденсаторный блок и подключается в электрическую цепь.

Схема последовательного соединения конденсаторов будет иметь следующий вид:

Фактически последовательное соединение конденсаторов имеет следующий вид:

При данной схеме соединения заряды на конденсаторах будут одинаковы:

Q_общ=Q₁=Q₂=Q₃, 

где: Q₁, Q₂, Q₃ — соответственно заряд на первом, втором, третьем и т.д. конденсаторах

Напряжение на каждом конденсаторе при такой схеме зависит от его емкости:

U₁=Q/C₁; U₂=Q/C₂; U₃=Q/C₃, где:

• U₁, U₂, U₃ — соответственно напряжение на первом, втором, третьем конденсаторах
• C₁, C₂, C₃ — соответственно емкости первого, второго, третьего конденсаторов

При этом общее напряжение составит:

U_общ=U₁+U₂+U₃+…+U_n

Рассчитать общую емкость конденсаторов при последовательном соединении можно по следующим формулам:

• При последовательном соединении двух конденсаторов:

С_общ=(C₁*C₂)/(C₁+C₂)

• При последовательном соединении трех и более конденсаторов:

1/С_общ=1/C₁+1/C₂+1/C₃+…+1/C_n

1. Параллельное соединение конденсаторов

Если условно разделить выводы каждого из конденсаторов на первый и второй выводы параллельное соединение конденсаторов будет выполняется следующим образом: первые выводы всех конденсаторов соединяются в одну общую точку (условно — точка №1) вторые выводы всех конденсаторов соединяются в другую общую точку (условно — точка №2). В результате получается группа (блок) параллельно соединенных конденсаторов подключение которой к электрической цепи производится через условные точки №1 и №2.

Схема параллельного соединения конденсаторов будет иметь следующий вид:

Таким образом параллельное соединение конденсаторов будет иметь следующий вид:

При данной схеме напряжение на всех конденсаторах будет одинаково:

U=U₁=U₂=U₃

Заряд же на каждом из конденсаторов будет зависеть от его емкости:

Q₁=U*C₁; Q₂=U*C₂; Q₃=U*C₃

При этом общий заряд цепи будет равен сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов:

Q_общ=Q₁+Q₂+Q₃…+…Q_n.

Рассчитать общую емкость конденсаторов при параллельном соединении можно по следующей формуле:

С_общ=C₁+C₂+C₃+…+C_n

1. Смешанное соединение конденсаторов

Схема в которой присутствует две и более группы (блока) конденсаторов с различными схемами соединения называется схемой смешанного соединения конденсаторов.

Приведем пример такой схемы:

Для расчетов такие схемы условно разделяются на группы одинаково соединенных конденсаторов, после чего расчеты ведутся для каждой группы по формулам приведенным выше.

Для наглядности приведем пример расчета общей емкости данной схемы.

1. Пример расчета

Условно разделив схему на группы получим следующее:

Как видно из схемы на первом этапе мы выделили 3 группы (блока) конденсаторов, при этом конденсаторы в первой и второй группе соединены последовательно, а конденсаторы в третьей группе — параллельно.

Произведем расчет каждой группы:

• Группа 1 — последовательное соединение трех конденсаторов:

1/C_1,2,3 = 1/C₁+1/C₂+1/C₃ = 1/5+1/15+1/10=0,2+0,067+0,1 = 0,367 → C_1,2,3 = 1/0,367 = 2,72 мкФ

• Группа 2 — последовательное соединение двух конденсаторов:

С_4,5 = (C₄*C₅)/(C₄+C₅)= (20*30)/(20+30) = 600/50 = 12 мкФ

• Группа 3 — параллельное соединение трех конденсаторов:

С_6,7,8 = C₆+C₇+C₈ = 5+25+30 = 60 мкФ

В результате расчета схема упрощается:

Как видно в упрощенной схеме осталась еще одна группа из двух параллельно соединенных конденсаторов, произведем расчет ее емкости:

• Группа 4 — параллельное соединение двух групп конденсаторов:

С_1,2,3,4,5 = C_1,2,3+C_4,5 = 2,72+12 = 14,72 мкФ

В конечном итоге получаем простую схему из двух последовательно соединенных групп конденсаторов:

Теперь можно определить общую емкость схемы:

С_общ = (C_1,2,3,4,5*C_6,7,8)/(C_1,2,3,4,5+C_6,7,8) = 14,72*60/14,72+60 = 883,2/74,72 = 11,8 мкФ

---

---

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте ответа на интересующий Вас вопрос? Задайте его на форуме! Наши специалисты обязательно Вам ответят.

↑ Наверх

ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Цель работы

Целью
данной работы является изучение законов
электростатики и одного из методов
измерения емкости конденсатора.

Краткая теория

Конденсатором
называется система, состоящая из двух
проводников, разделенных слоем
диэлектрика, в которой обеспечивается
сильная электрическая связь между
накопленными на этих проводниках
зарядами. Проводники, образующие
конденсатор, называются обкладками. В
зависимости от формы обкладок конденсаторы
бывают сферические, цилиндрические,
плоские. За заряд конденсатора принимается
заряд одной обкладки, взятый по абсолютной
величине.

Емкостью
конденсатора
называется скалярная физическая
величина, характеризующая способность
конденсатора накапливать электрический
заряд и численно равная заряду, который
должен быть перенесен с одной обкладки
конденсатора на другую, чтобы разность
потенциалов между ними изменилась на
единицу.

.
(2.03.1)

Емкость конденсатора
зависит от формы и размеров его обкладок,
диэлектрической проницаемости материала
диэлектрика и не зависит от свойств
проводников, из которых изготовлены
обкладки. Единицей измерения электрической
емкости в системе СИ является фарад
(Ф = Кл/В).

Емкость конденсатора
может быть измерена различными методами.
В данной работе использован метод,
основанный на измерении накопленного
конденсатором заряда. При этом емкость
рассчитывается в соответствии с
определением (2.03.1).

Д
ля
определения емкости неизвестного
конденсатора C_x
собирают цепь по рис. 5.

При подключении
к источнику питания конденсатор
заряжается. Заряд, накапливаемый на
обкладках конденсатора, при неизменном
значении разности потенциалов 
пропорционален его емкости. В стационарном
состоянии разность потенциалов равна
ЭДС источника E.

. (2.03.2)

При разрядке
конденсатора в цепи протекает убывающий
во времени электрический ток. По
определению, сила тока

. (2.03.3)

Нас интересует
заряд Q,
т. е. необходимо вычислить
.

Для этого служит
электронное устройство, называемое
интегратором.

При подключении
заряженного конденсатора к интегратору,
который в свою очередь подключен к
вольтметру, в цепи интегратора протекает
ток. Напряжение на выходе интегратора
пропорционально интегралу от силы тока
на его входе, т. е. заряду:

,
(2.03.4)

где b – постоянная
интегратора (она неизвестна).

Напряжение U_x
измеряется цифровым вольтметром.
Сопоставляя формулы (2.03.2) и (2.03.4), получаем:

. (2.03.5)

В полученном
выражении постоянная интегратора b
и разность
потенциалов на конденсаторе E
являются неизвестными. Поэтому только
на основании (2.03.5) определить C_x
оказывается невозможным. Для того, чтобы
избежать определения величин b
и Е,
в данной
работе применяется хорошо известный
метод калибровки. Включим вместо
конденсатора C_x
конденсатор с известной емкостью C₁
и проведем аналогичные измерения. При
этом на выходе интегратора получим
отсчет U₁
и по аналогии с (2.03.5) запишем:

.
(2.03.6)

Разделив друг на
друга равенства (2.03.5) и (2.03.6), получим

, (2.03.7)

где U_x
и U₁ – показания
вольтметра при разряде неизвестного и
известного конденсаторов соответственно
(максимальные значения показаний на
индикаторном табло вольтметра); C₁
емкость известного конденсатора.

Выполнение работы

Необходимые
приборы:
конденсатор с известной емкостью
(С₁ = 4700 пФ ± 10 %);
конденсатор с неизвестной емкостью C_x,
которая определяется в данной работе;
источник постоянного тока с эдс E;
переключатель; интегратор; цифровой
вольтметр. Все элементы схемы, кроме
вольтметра, смонтированы внутри
лабораторного стенда.

Схема
экспериментальной установки для
определения емкости конденсатора
показана на рис. 6 и на панели лабораторного
стенда.

Порядок выполнения
работы

1. Подготовьте
   цифровой вольтметр к работе согласно
   инструкции по эксплуатации, находящейся
   на лабораторном столе.

2. Подготовьте схему
   для измерения емкости неизвестного
   конденсатора C_x,
   для чего гибкими перемычками попарно
   соедините клеммы 1 и 3, 5 и 7, 6 и 8, а выходные
   клеммы интегратора 9 и 10 соедините с
   входом вольтметра (см. рис. 6).

3. Включите лабораторный
   стенд тумблером, расположенным в левой
   части передней стенки.

4. П
   ереключателем
   S₁
   конденсатор C_x
   подключается к источнику E
   (в верхнем положении) и заряжается
   (время полной зарядки конденсатора ~10
   с).

5. Интегратор
   разряжается нажатием кнопки Ри.
   Кнопка Ри
   на интеграторе предназначена для его
   принудительного разряда и подготовки
   прибора к новому измерению.

6. Затем переключателем
   S₁
   неизвестный конденсатор подключается
   к интегратору (в нижнем положении).
   Поскольку используемый в данной работе
   интегратор не является идеальным,
   происходит его самопроизвольный разряд
   по окончании процесса интегрирования.
   Поэтому в качестве U_x
   следует принимать максимальное значение
   показаний на табло вольтметра. Показание
   U_x
   на табло вольтметра записывается в
   табл. 3.1.

7. Измерения показаний
   вольтметра при разрядке неизвестного
   конденсатора проводят 5 раз.

8. После этого клеммы
   1 и 3 размыкаются, а клеммы 2 и 4 замыкаются
   (см. рис. 6). При этом вместо неизвестного
   конденсатора в цепь включается
   конденсатор с известной емкостью C₁.
   С ним проводят пять измерений, согласно
   вышеописанному порядку. Результаты
   также записываются в табл. 3.1.

9. Конденсаторы C_X
   и C₁
   соединяются параллельно путем добавления
   перемычки между клеммами 1 и 3. Проводится
   пять измерений для цепи из двух
   параллельно соединенных конденсаторов.

10. Конденсаторы
    C_X
    и C₁
    соединяются
    последовательно, для чего удаляют
    перемычки 1 — 3, 2 — 4 и устанавливают
    перемычку между клеммами 2 и 3. Проводятся
    пять измерений для цепи из двух
    последовательно соединенных конденсаторов.
    Все результаты также записываются в
    табл. 3.1.

Таблица
3.1

Результаты измерений

Номер опыта	Неизвестная емкость Cx	Известная емкость C1	Параллельное соединение	Последовательное соединение
Ux, В	Ux, В	U1, В	U1, В	Uпар, В	Uпар, В	Uпос, В	Uпос, В
1
2
3
4
5
Средние значения	=	=	=	=	=	=	=	=

Определяются
средние значения показаний вольтметра
U_x,
U₁,
U_пар,
U_пос.
По этим средним значениям вычисляются
опытные значения величин емкостей.

; (2.03.8)

;
(2.03.9)

.
(2.03.10)

Теоретическое
значение емкости параллельного cоединения
конденсаторов вычисляется следующим
образом:

. (2.03.11)

Емкость
последовательного соединения конденсаторов
рассчитывается по следующей формуле:

, (2.03.12)

из которой следует
расчетная формула для вычисления емкости
последовательного соединения
конденсаторов:

. (2.03.13)

Используя
значение
,
рассчитанное по формуле (2.03.8), вычислите
по формулам (2.03.12) и (2.03.13) значения
емкостей параллельного и последовательного
соединений конденсаторов. Результат
расчетов сравните с экспериментальными
значениями, определенными по формулам
(2.03.9) и (2.03.10).

Вычисление
погрешностей

Средние относительные
погрешности емкостей вычисляются по
формулам:

; (2.03.14)

; (2.03.15)

.
(2.03.16)

Средние абсолютные
погрешности емкостей:

; (2.03.17)

;
(2.03.18)

.
(2.03.19)

Окончательные
результаты измерения емкостей
конденсаторов записывается в виде:

; (2.03.20)

;
(2.03.21)

. (2.03.22)

Сравните
значения емкостей параллельного и
последовательного соединений
конденсаторов, полученные опытным
путем, и рассчитанные по теоретическим
формулам (2.03.11) и (2.03.13). Если разница
между теоретическими и опытными
значениями емкостей параллельного и
последовательного соединения конденсаторов
не превышает соответствующей абсолютной
погрешности, можно считать, что данный
метод удовлетворительно обеспечивает
проведение измерений емкостей.

КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ

1. Дайте определение
   емкости конденсатора.

2. Объясните по
   схеме цепи назначение используемых
   приборов.

3. Подробно объясните
   принцип определения емкости в данной
   работе.

4. Выведите расчетные
   формулы для определения емкостей C_x,
   C_пар,
   C_пос.

5. Каковы единицы
   измерения емкости?

6. Изобразите схемы
   параллельного и последовательного
   соединений конденсаторов. Запишите
   формулы для результирующих емкостей.

7. Выведите формулы
   для расчета погрешностей C_x,
   C_пар,
   C_пос.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Иродов И.Е. Основные законы
электромагнетизма. М.: Высшая школа,
1983. 51 – 54 с.

Калашников С. Г. Электричество. М.:
Наука, 1970. 77 – 91с.

Савельев И. В. Курс общей физики. Т
2. М.: Наука, 1982. 87 – 89 с.

Физический практикум. Электричество
и оптика /Под ред. В. И. Ивероновой. М.:
Наука, 1968. 815 с.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #