Диэлектрики
В большинстве конденсаторов между пластинами проложен изолирующий материал (диэлектрик), например, бумага или пластмассовая пленка. Этим достигается сразу несколько целей. Во-первых, диэлектрики лучше противостоят электрическому пробою, чем воздух, и к конденсатору можно приложить более высокое напряжение без утечки заряда через зазор между обкладками. Во-вторых, при наличии прокладки из диэлектрика пластины можно расположить ближе друг к другу без опасения, что они могут соприкасаться. Наконец, экспериментально обнаружено, что при заполнении пространства между пластинами диэлектриком его емкость увеличивается в К раз, т.е.
где С0 — емкость, отвечающая вакууму между обкладками, а С — емкость в случае, когда пространство между пластинами заполнено диэлектриком. Множитель К называют относительной диэлектрической проницаемостью; значения К для ряда диэлектриков приведены в табл. 25.1.
Обратите внимание на то, что для воздуха при давлении 1 атм К = 1,0006, и поэтому емкость конденсатора с воздушным зазором очень мало отличается от емкости этого конденсатора в вакууме.
Для плоского конденсатора:
С = Кε0 A/d — [плоский конденсатор] (25.8),
когда пространство между пластинами целиком заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью К. Величина Кε0 так часто встречается в формулах, что нередко вводят величину
которую называют абсолютной диэлектрической проницаемостью. Тогда емкость плоского конденсатора принимает вид
Напомним, что ε0 — это электрическая постоянная. Плотность энергии, запасенной электрическим полем Е
Влияние диэлектрика на емкость впервые всесторонне исследовал Фарадей. Он обнаружил, что, когда пространство между пластинами конденсатора заполнено диэлектриком, на пластинах при том же напряжении накапливается несколько больший заряд, нежели когда между пластинами воздух. Иначе говоря, если заряд на каждой пластине конденсатора с воздушным промежутком равен Q0, то после введения диэлектрика и подключения конденсатора к батарее с прежним напряжением V0 заряд каждой из пластин увеличится до
Q = KQ0 [при постоянном напряжении] .
Это соответствует формуле (25.7), поскольку после введения диэлектрика емкость равна
где С0 = Q0/V0 — емкость в отсутствие диэлектрика.
Рассмотрим теперь несколько иной случай (выше мы, вводя диэлектрик, поддерживали напряжение постоянным). Пусть пластины конденсатора, подключенного к батарее с напряжением V0, приобретают заряд
Прежде чем ввести диэлектрик, отключим конденсатор от батареи. После введения диэлектрика (который заполняет все пространство между пластинами) заряд Q0 на каждой из пластин не изменится. В этом случае мы обнаружим, что разность потенциалов между пластинами уменьшится в К раз:
Емкость же вновь будет равна
Оба этих результата согласуются с выражением (25.7).
Электрическое поле внутри диэлектрика также изменяется. При отсутствии диэлектрика между пластинами напряженность электрического поля между обкладками плоского конденсатора определяется формулой (24.3):
где V0 — разность потенциалов между пластинами, a d — расстояние между ними.
Если конденсатор изолирован, так что заряд на пластинах после введения диэлектрика не изменяется, то разность потенциалов упадет до значения V = V0/K. Напряженность электрического поля в диэлектрике теперь будет равна
E = V/d = V0/Kd или Е = E0/К [в диэлектрике]. (25.10)
Таким образом, напряженность электрического поля внутри диэлектрика также ослабляется в К раз. Электрическое поле внутри диэлектрика (изолятора) ослабляется, но, не до нуля, как в случае проводника.
Происходящее в диэлектрике можно объяснить с молекулярной точки зрения. Рассмотрим конденсатор, обкладки которого разделены воздушным «промежутком. На одной обкладке имеется заряд +Q, на другой заряд -Q (рис. 25.7, а).
Конденсатор изолирован (не подключен к батарее). Разность потенциалов между пластинами V0 определяется выражением (25.1): Q = C0V0. (Индекс 0 соответствует воздуху между пластинами.) Введем теперь между пластинами диэлектрик (рис. 25.7, b). Молекулы диэлектрика могут быть полярными — иначе говоря, они могут обладать постоянным дипольным моментом, будучи нейтральными. В электрическом поле возникнет вращательный момент, который будет стремиться развернуть диполи параллельно полю (рис. 25.7, b); тепловое движение препятствует идеальной ориентации всех молекул, однако, чем сильнее поле, тем выше будет степень выстроенности молекул. Даже если молекулы не полярны, в электрическом поле между обкладками у них произойдет разделение заряда, и молекулы приобретут индуцированный (наведенный) дипольный момент: электроны, не отрываясь от молекулы, сместятся в сторону положительной обкладки. Поэтому картина всегда будет такой, как показано на рис. 25.7, b. В конечном итоге все выглядит так, как если бы на обращенной к положительной обкладке внешней стороне диэлектрика имелся результирующий отрицательный заряд, а на противоположной — положительный (рис. 25.7, c). Из-за появления на диэлектрике этого индуцированного заряда часть электрических силовых линий не пройдет сквозь диэлектрик, а будет заканчиваться (или начинаться) на зарядах, наведенных на его поверхности. Соответственно напряженность электрического поля внутри диэлектрика окажется меньше, чем в воздухе.
Можно представить себе эту картину и по-иному (рис. 25.7, d). Напряженность электрического поля внутри диэлектрика представляет собой векторную сумму напряженности поля Е0, создаваемого «свободными» зарядами на обкладках, и напряженности поля Еинд, создаваемого зарядами, индуцированными в диэлектрике; поскольку эти поля направлены в противоположные стороны, результирующая напряженность электрического поля внутри диэлектрика Е0 — Еинд будет меньше Е0. Точное соотношение дается формулой (25.10):
Из соображений симметрии ясно, что, если размеры пластин велики по сравнению с расстоянием между ними, заряд, индуцированный на поверхности диэлектрика, не зависит от того, заполняет ли диэлектрик все пространство между пластинами или нет, если только его поверхности параллельны обкладкам. Формула (25.10) справедлива и в этом случае, хотя равенство V = V0/K уже не верно (почему?). Электрическое поле между двумя параллельными пластинами связано с поверхностной плотностью заряда σ выражением
Таким образом, где σ = Q/A — поверхностная плотность заряда на обкладке, а Q — полный заряд проводника, называемый часто свободным зарядом (поскольку в проводнике заряды могут свободно перемещаться). Аналогично мы определим поверхностную плотность индуцированного заряда σинд
где Eинд — напряженность электрического поля, создаваемого индуцированным зарядом Qинд = σиндA на поверхности диэлектрика (рис. 25.7, г); Qинд называют обычно связанным зарядом (так как в диэлектрике (изоляторе) заряды не могут свободно перемещаться). Поскольку, как показано выше, Еинд = Е0(1 — 1/К), получаем
Так как К больше 1, индуцированный на диэлектрике заряд всегда меньше заряда на обкладках конденсатора.
Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:
Внутри конденсатора с расстоянием между обкладками 1 мм находится пластина из диэлектрика
Конденсаторы являются одними из самых важных электронных компонентов, используемых в различных устройствах, от простых радиопередатчиков до сложных электрических схем. Они используются для хранения и высвобождения электрической энергии, что делает их неотъемлемой частью многих электрических цепей.
Одним из важных параметров конденсатора является расстояние между его обкладками. Расстояние между обкладками конденсатора определяет его емкостную и электрическую характеристику. Чем меньше расстояние между обкладками, тем больше емкость конденсатора и тем больше электрическая энергия, которую он может хранить.
Для достижения желаемого значения емкости конденсатора, производители часто используют материал, называемый диэлектриком, который размещается между обкладками конденсатора. Диэлектрик обладает диэлектрической постоянной, которая является мерой его способности сопротивлять проводимости электрического тока. Расстояние между обкладками конденсатора и его диэлектриком оказывает значительное влияние на значение емкости и другие характеристики конденсатора.
Важно отметить, что при слишком малом расстоянии между обкладками возникает опасность короткого замыкания, а при слишком большом расстоянии возрастает уровень помех и паразитной емкости.
Поэтому выбор оптимального расстояния между обкладками конденсатора зависит от требующихся его характеристик и условий эксплуатации. Важно учесть такие факторы, как максимальное рабочее напряжение, среда эксплуатации и желаемая емкость. Нужно найти баланс между компактностью, емкостью и электрическими свойствами конденсатора, чтобы обеспечить его эффективную работу в определенной системе.
Основные принципы работы конденсатора с диэлектриком
Конденсатор с диэлектриком — это электронное устройство, состоящее из двух обкладок, разделенных диэлектриком. Диэлектрик, как правило, является непроводящим материалом, таким как вакуум, воздух, стекло или пластик.
Основной принцип работы конденсатора с диэлектриком заключается в накоплении электрического заряда на обкладках конденсатора. Когда на конденсатор подается электрическое напряжение, заряды разных знаков начинают накапливаться на разных обкладках. Диэлектрик, находящийся между обкладками, предотвращает прямое взаимодействие зарядов, но позволяет им взаимодействовать электрическим полем.
Расстояние между обкладками конденсатора с диэлектриком играет важную роль в его работе. Большее расстояние между обкладками приводит к большей емкости конденсатора, так как больше зарядов может накапливаться на поверхностях обкладок. И наоборот, меньшее расстояние между обкладками уменьшает емкость конденсатора.
Емкость конденсатора с диэлектриком определяется формулой:
C = ε * ε0 * A / d
где C — емкость (Фарад), ε — диэлектрическая проницаемость, ε0 — электрическая постоянная (F/m), A — площадь обкладок (м²), d — расстояние между обкладками (м).
Таким образом, изменяя расстояние между обкладками, можно контролировать емкость конденсатора и его характеристики. Это делает конденсаторы с диэлектриком полезными компонентами во многих электронных устройствах, где требуется хранение или передача электрической энергии.
Внутренняя структура конденсатора с диэлектриком
Конденсатор с диэлектриком состоит из двух обкладок из проводящего материала, между которыми находится изолирующий материал, называемый диэлектриком. Внутренняя структура конденсатора может быть представлена следующим образом:
- Внешняя обкладка: это одна из двух проводящих пластин, которая находится внешней по отношению к диэлектрику. Она служит для соединения конденсатора с электрической цепью.
- Внутренняя обкладка: это вторая проводящая пластина, которая находится внутренней по отношению к диэлектрику. Вместе с внешней обкладкой она образует пару обкладок, между которыми формируется электрическое поле.
- Диэлектрик: это изолирующий материал, который находится между обкладками. Диэлектрик предназначен для предотвращения прямого контакта между обкладками и создания электрического поля.
Внутренняя структура конденсатора с диэлектриком имеет важное значение для его работы. Расстояние между обкладками, которое определяется толщиной диэлектрика, оказывает влияние на емкость конденсатора. Чем меньше расстояние между обкладками, тем больше емкость конденсатора.
Внутренняя структура конденсатора с диэлектриком может также зависеть от его типа. Например, плоский конденсатор имеет плоские обкладки, расположенные параллельно друг другу, а электролитический конденсатор имеет специальный электролитический слой между обкладками.
Правильный выбор диэлектрика и оптимального расстояния между обкладками позволяет повысить эффективность работы конденсатора и его надежность. Учитывайте эти факторы при выборе конденсаторов для различных электрических схем и приложений.
Значение расстояния между обкладками в конденсаторе с диэлектриком
Расстояние между обкладками в конденсаторе с диэлектриком играет важную роль в его работе. Оно определяет емкостную емкость конденсатора, а также его диэлектрическую прочность и электрическую изоляцию.
Емкость конденсатора, как известно, зависит от площади обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика. Однако расстояние между обкладками также влияет на емкость. Чем меньше это расстояние, тем большую емкость можно получить при заданных площади обкладок и диэлектрической проницаемости.
Однако, есть ограничение на минимальное расстояние между обкладками, определяемое диэлектрической прочностью материала диэлектрика. Если расстояние слишком мало, возникает риск пробоя диэлектрика, что может привести к повреждению конденсатора и его неправильной работе.
Также, расстояние между обкладками влияет на электрическую изоляцию конденсатора. Чем больше это расстояние, тем лучше изолируются обкладки друг от друга. Это особенно важно при работе в высоких напряжениях, чтобы избежать пробоев и утечек тока.
В таблице ниже приведены примеры типичных значений расстояния между обкладками для различных типов конденсаторов:
| Тип конденсатора | Расстояние между обкладками (мм) |
|---|---|
| Керамический | 0.1 — 10 |
| Полиэстеровый | 0.1 — 5 |
| Алюминиевый электролитический | 0.5 — 50 |
| Танталовый | 0.1 — 1 |
Конечно, конкретное значение расстояния между обкладками может различаться в зависимости от конкретного производителя и модели конденсатора. Важно учитывать электрические параметры, указанные в технических характеристиках конденсатора, при выборе и использовании.
Влияние диэлектрика на емкость конденсатора
Диэлектрик играет важную роль в работе конденсатора, влияя на его емкость. Емкость конденсатора определяет его способность накапливать и хранить электрический заряд. Изменение диэлектрика может значительно влиять на емкость конденсатора.
Емкость конденсатора зависит от ряда факторов, включая геометрию обкладок, площадь поверхности обкладок и расстояние между ними. Однако, самым важным фактором, влияющим на емкость конденсатора, является диэлектрик.
Диэлектрик – это непроводящий материал, который разделяет обкладки конденсатора и предотвращает прямое электрическое взаимодействие между ними. Он обладает рядом свойств, которые влияют на емкость конденсатора.
Основные свойства диэлектрика, влияющие на емкость конденсатора:
- Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) — это величина, определяющая способность диэлектрика удерживать электрический заряд. Чем выше значение ε, тем больше емкость конденсатора.
- Толщина диэлектрика (d) — расстояние между обкладками конденсатора. Чем меньше толщина диэлектрика, тем больше емкость конденсатора.
- Площадь поверхности обкладок (A) — это площадь, которую занимают обкладки конденсатора. Чем больше площадь поверхности обкладок, тем больше емкость конденсатора.
- Температурные характеристики — диэлектрики могут изменять свои электрические свойства в зависимости от температуры. Некоторые диэлектрики могут иметь положительные, отрицательные или нулевые температурные коэффициенты.
Подбор диэлектрика в зависимости от требований задачи позволяет оптимизировать емкость конденсатора. Различные диэлектрики имеют разные значения относительной диэлектрической проницаемости, температурных характеристик и других свойств.
В таблице приведены некоторые распространенные диэлектрики и их характеристики:
| Диэлектрик | Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) | Температурный коэффициент (-/°C) |
|---|---|---|
| Вакуум | 1 | 0 |
| Воздух | 1.00055 | 0.00367 |
| Керамический диэлектрик | 5-150 | 0-77 |
| Пластиковый диэлектрик | 2-10 | 0-225 |
| Керамический емкостной диэлектрик | 100-10 000 | 30-220 |
Выбор диэлектрика должен основываться на требуемых характеристиках конденсатора, таких как емкость, температурные стабильность и прочность. Различные приложения могут требовать конденсаторы с разными диэлектриками для достижения оптимальной работы.
Вопрос-ответ
Зачем в конденсаторе нужен диэлектрик?
Диэлектрик в конденсаторе необходим для разделения обкладок и создания электрического поля между ними. Он позволяет увеличить ёмкость конденсатора и уменьшить напряжение между обкладками.
Как влияет расстояние между обкладками на ёмкость конденсатора?
Расстояние между обкладками напрямую влияет на ёмкость конденсатора: чем меньше расстояние, тем больше ёмкость. Это связано с тем, что при меньшем расстоянии силовые линии электрического поля в конденсаторе становятся более плотными, что увеличивает его ёмкость.
Какой диэлектрик лучше всего использовать в конденсаторе?
Выбор диэлектрика зависит от конкретного применения конденсатора. Разные диэлектрики имеют разные свойства, такие как диэлектрическая проницаемость, теплопроводность, стойкость к высоким температурам и химическим веществам. Например, в электролитических конденсаторах часто используется алюминиевая фольга с диэлектриком из оксида алюминия. В керамических конденсаторах часто используется диэлектрик из керамики.
Зачем диэлектрик в конденсаторе? Есть у нас две пластины, анод и катод. Распределили между ними разноименные заряды в оп
Распределили между ними разноименные заряды в определенном объеме, и затем эту разность потенциалов можно использовать, замкнуть анод и катод между собой, получить разряд. Зачем диэлектрик, объясните пожалуйста.
Лучший ответ
Между двумя пластинами диэлектриком является воздух. При попытке уменьшить размеры конденсатора, но сохранить его ёмкость, пластины распологают на меньшем расстоянии. Диэлектрических способностей воздуха становится мало. И его заменяют другими более стойкими материалами.
Остальные ответы
чтобы небыло случайного разряда
технологически пластины сделаны в виде фольги свернутой в рулон, зазор между ними и обеспечивает диэлектрик, не так все просто как в книжке.
при увеличении диэлектрической проницаемости увеличивается заряд на пластинах, т. е. увеличивается емкость
Интересно, а как ты распределишь между ними разноимённые заряды, если они соприкасаются между собой. А без диэлектрика их соприкосновение обеспечено по определению, так как воздух, это тоже диэлектрик. )))
чем выше качество диэлектрика, тем лучше кондесатор и меньше в нём потерь на утечки тем более если он в цепях высокой частоты и напряжения, тангенс угла потерь напрямую зависит от качества диэлектрика
Диэлектрик нужен, чтобы между пластинами не было прямого контакта (анод-катод — это из другой оперы) , а иначе электроны ринутся брататься с положительными зарядами и у них будет дружба и согласие и никакого напряжения. в отношениях))).
У воздушных конденсаторов емкость ограничена площадью пластин и диэлектрической проницаемостью воздуха.
Конструктивно очень сложно изготовить воздушный конденсатор такой же емкости и величины как современный электролит.
Вот и придумали как избавиться от воздуха с помощью диэлектрика и фольги плотно сворачивая их в рулон.
Но воздушные конденсаторы продолжают использовать как подстроечные переменные конденсаторы для оперативной регулировки и настройки в электросхемах. напр. . их широко используют для подстройки частоты в радиосвязи и. т. д..
Чтобы увеличить энергию электрического поля. Скажем, чем больше бак, тем бензина залить можно больше.
Емкость конденсатора, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды между обкладками. У титаната бария, например, этот параметр в тысячи раз выше чем у воздуха. Соответственно, такой же будет разница в габаритах конденсаторов одной емкости.
В общем, диэлектрик в конденсаторе выполняет роль, аналогичную ферромагнитному сердечнику в катушке индуктивности — запасает энергию
емкость конденсатора
Есть формула : e*eo*s/d = c, где е — проницаемость диэлектрика, с — емкость. А зная емкость, знаем энергию
От чего зависит емкость конденсатора
Конденсатор предназначен для временного хранения электрической энергии в форме потенциальной энергии разделенных в пространстве положительных и отрицательных электрических зарядов, то есть в форме электрического поля в пространстве между ними. Соответственно электрический конденсатор включает в себя три главных составляющих компонента: две проводящие обкладки, на которых в заряженном конденсаторе находятся разделенные заряды, и слой диэлектрика, расположенный между обкладками.
Обкладки конденсатора, в зависимости от типа данного электротехнического изделия, могут быть изготовлены разнообразными способами, начиная от простых алюминиевых пластин, скрученных в рулон с бумажной прослойкой, заканчивая химически оксидированными обкладками или металлизированным слоем диэлектрика. В любом случае имеется слой диэлектрика и обкладки, между которыми он плотно закреплен — это и есть в принципе конденсатор.
В качестве диэлектрика может выступать бумага, слюда, полипропилен, тантал или другой подходящий электроизоляционный материал с необходимой диэлектрической проницаемостью и обладающий надлежащей электрической прочностью.
Как известно, энергия разделенных в пространстве электрических зарядов равна произведению количества перемещенного (с одного тела — на другое) заряда Q на разность потенциалов между заряженными телами U.
Так, энергия разделенных зарядов на обкладках конденсатора зависит не только от количества разделенных зарядов, но и от параметров его обкладок и диэлектрика, поскольку именно диэлектрик, поляризуясь, запасает энергию в форме электрического поля, напряженность которого и определяет разность потенциалов U между разделенными зарядами, находящимися на обкладках конденсатора.
Потому что разность потенциалов между разделенными в пространстве зарядами зависит от напряженности электрического поля и от расстояния между ними. По сути — от толщины диэлектрика между заряженными обкладками, если речь идет о конденсаторе.
Вместе с тем, чем больше площадь перекрытия обкладок A и чем больше абсолютная (и относительная) диэлектрическая проницаемость диэлектрика — тем сильнее притягиваются друг к другу находящиеся на обкладках разделенные заряды — тем существеннее их потенциальная энергия — тем большее количество работы потребовалось бы источнику ЭДС на то, чтобы зарядить данный конденсатор.
Разделяя заряды в процессе переноса электронов с одной обкладки на другую, источник ЭДС совершает именно такой объем работы по зарядке конденсатора, количество которой будет тождественно энергии заряженного конденсатора.
Таким обрезом, энергия заряженного конденсатора, помимо количества перемещенного с обкладки на обкладку заряда, (оно то может быть разным) будет зависеть от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между обкладками d, от абсолютной диэлектрической проницаемости диэлектрика e.
Данные определяющие параметры конструкции конкретного конденсатора постоянны, их отношение в совокупности можно назвать емкостью конденсатора C. Тогда мы можем с уверенностью сказать, что емкость конденсатора C зависит от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между ними d и от диэлектрической проницаемости диэлектрика e.
Зависимость емкости от данных параметров очень легко понять, если рассмотреть плоский конденсатор.
Чем больше площадь перекрытия его обкладок — тем больше емкость конденсатора, так как заряды взаимодействуют на большей площади.
Чем меньше расстояние между обкладками (по сути — толщина диэлектрической прослойки) — тем больше емкость конденсатора, потому что сила взаимодействия зарядов при их сближении увеличивается.
Чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками — тем больше емкость конденсатора, потому что больше напряженность электрического поля между обкладками.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика