Что такое электрическая емкость и в чем она измеряется

Конденсатор постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Рисунок 2. Схема устройства конденсаторапостоянной емкости

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических (станиолевых) листов с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком, как схематически показано на рисунке 2. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или трубку. Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином.

Рисунок 3. Внешний вид современных конденсаторов постоянной емкости

Определим емкость плоского конденсатора. Возьмем произвольную замкнутую поверхность вокруг одной из пластин конденсатора. Тогда по теореме Гаусса поток вектора напряженности, проходящий через любую замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд, равен:

(1)

Предполагая, что поле конденсатора однородно (пренебрегая искажением поля у краев пластин), получаем напряженность электрического поля в конденсаторе:

(2)

где d – расстояние между пластинами или толщина диэлектрика. Подставив значение E из формулы (2) в формулу (1), получим:

откуда

Так как

то выражение емкости плоского конденсатора примет вид:

где S – площадь пластин в м²; d – толщина диэлектрика в м; ε – относительная электрическая проницаемость диэлектрика (диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин (обкладок) S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика поставить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Видео об устройстве конденсатора постоянной емкости:

Метод амперметра и вольтметра.

Пренебрегая потерями в диэлектрике конденсатора, емкость его можно определить методом амперметра и вольтметра. Измерив ток и напряжение (рис. 22) и зная частоту переменного тока, емкость можно определить по формуле
где I—ток, а\ U — напряжение, е; m— угловая частота сети, равная 314 для установок 50 гц.
При измерении емкости этим методом напряжение должно быть синусоидальным, так как в противном случае за счет высших гармоник может произойти значительное искажение кривой тока, что может привести к большим погрешностям измерения. Наличие в кривой подводимого напряжения составляющих высших гармоник дает завышенные значения емкости. Во избежание этой ошибки при измерении емкости методом амперметра и вольтметра конденсатор должен быть присоединен к линейному, а не к фазному напряжению сети, так как в последнем (напряжение фаза — нуль) могут быть высшие гармоники.
Для уменьшения влияния высших гармоник на точность измерения по методу амперметра и вольтметра следует, кроме того, включать в цепь последовательно с конденсатором активное сопротивление, равное около 10% реактивного сопротивления конденсатора, т. е.
где и — угловая частота сети, равная 314 для установок 50 гц; С — емкость конденсатора, мф.
Это же сопротивление служит для защиты амперметра от повреждения в случае наличия короткого замыкания в испытываемом конденсаторе.
Метод ваттметра. Определив по показанию приборов (рис. 23) ток, напряжение и мощность, можно вычислить сначала активное сопротивление г~Р/1г, полное сопротивление цепи i
; или, объединив
комую емкость по формуле написанные формулы, получим:
Точность измерений при этом методе такая же или несколько выше, чем у предыдущего.
Измерение ваттметром мощности потерь в конденсаторе не всегда возможно вследствие ее малости. Поэтому чаще пользуются мостовыми методами измерения емкости.

Что такое тестер конденсаторов

Конденсатор представляет собой радиодеталь, состоящую из двух обкладок, сделанных из проводников и диэлектрического слоя между ними. Электрическая емкость элемента измеряется в фарадах. Эта величина очень большая, поэтому на практике используются микрофарады или пикофарады.

Выполнение измерения емкости

Конденсаторы обычно бывают электролитическими или пленочными. В последних параметры мало меняются с течением времени. У электролитических ситуация другая. Жидкий состав, находящийся внутри, постепенно высыхает, и деталь теряет свои полезные свойства. Часто по внешнему виду нельзя судить по его исправности. Для проверки его нужно выпаивать.

Другая ситуация, когда важно проверить емкость, — это нарушение его работы от различных причин случайного характера — скачков напряжения или работы в условиях повышенной температуры. Неисправный элемент может послужить причиной неисправной работы всего устройства

Чтобы изучить ситуацию, необходимо определить, соответствует ли емкость конденсатора номинальному значению. Для этой цели применяют тестеры конденсаторов.

Они могут быть цифровыми или аналоговыми. Во время проверки может определяться емкость или ESR, параметр, который представляет собой последовательное эквивалентное сопротивление.

Высокоточное измерение

В некоторых мультиметрах имеется возможность непосредственной проверки емкости.

ESR-измерители производят определение эквивалентного последовательного сопротивления. Здесь речь идет о реактивном сопротивлении, которое обусловлено емкостью. Оно может существенно возрастать при увеличении частоты. Этот параметр оценивают с помощью сложных алгоритмов. Если он принимает слишком большую величину, то в некоторых ситуациях может быть нарушен температурный режим работы элемента. Это особенно опасно для электролитических элементов.

Существуют специальные измерители емкости.

Аналоговое устройство

ESR-метр

Такой измерительный прибор оснащен жидкокристаллическим дисплеем. У него имеются 2 щупа: красный и черный. Первый считается положительным, второй — отрицательным. Перед тем, как проверять, элемент разряжают, закорачивая выводы друг на друга. Чтобы провести измерение, щупы соединяют с выводами конденсатора. Если используется полярная модель, необходимо при этом учитывать полярность щупов.

Затем прибор включают и через несколько секунд на экране появляются величины емкости и параметра ESR.

Измеритель емкости

Мультиметр

Для определения исправности конденсатора мультиметр можно перевести в режим определения сопротивления. Переключатель нужно установить на 2 МОм или 200 Ком. Нужно подобрать этот параметр таким образом, чтобы зарядка происходила не сразу, а в течение нескольких секунд.

К его выводам элемента, который нужно выпаять из схемы, подключают красный и черный щупы. Теперь необходимо следить за данными на дисплее. Если там 0, то это означает обрыв контактов или другое механическое повреждение. Если tester показывает увеличивающиеся цифры и в конце концов появляется 1, то это говорит о работоспособности детали. Если сразу появляется единица, то это означает, что в конденсаторе произошел пробой.

При использовании аналогового прибора у исправной детали можно будет увидеть постепенное движение стрелки. Мгновенная установка минимального значения говорит об обрыве, а максимального — свидетельствует о пробое.

В мультиметре предусмотрена возможность непосредственного измерения емкости. Для этого нужно установить переключатель аппарата для ее измерения и выбрать наиболее подходящую шкалу. Обычно для контактов конденсатора предусматриваются особые клеммы. Если их нет, надо воспользоваться красным и черными щупами. В последнем случае необходимо воспользоваться такими же клеммами, как при измерении сопротивления.

Если значение емкости равно или близко к номинальному, то элемент исправен и может быть использован. В противном случае он неработоспособен. Считается, что совпадение с разницей не более 20% говорит о радиотехнической пригодности детали.

Протечка электролита

Методы проверки

Каждый аккумулятор имеет определённый срок службы. Этот показатель во многом зависит от его ёмкости, которой по мере эксплуатации устройства свойственно уменьшаться. Дело в том, что батарея не хранит энергию, а содержит химически активные вещества, взаимодействие которых позволяет получать электрический ток. С течением времени степень реакции ухудшается, и значит, что ёмкость аккумулятора имеет большое влияние на работоспособность авто.

Снижение данного параметра приводит к проблемам с запуском. Чтобы этого избежать, желательно держать его под контролем. Для этого нужно научиться определять его величину в любой момент. Существует множество способов определения ёмкости аккумулятора. Рассмотрим самые простые:

1. Тестирование под нагрузкой. В качестве последней обычно используют лампочку. Если номинальная ёмкость не велика, то вполне подойдёт и фара. Алгоритм действий:
   • отключаем АКБ от генератора;
   • подключаем нагрузку на промежуток времени от одной до двух минут;
   • снимаем нагрузку; присоединяем к батарее мультиметр в режиме определения ёмкости;
   • фиксируем значение.
2. Использование тестера. Это прибор, обладающий расширенным функционалом. Выбираем необходимый режим его работы при помощи специальной кнопки. Проводим замеры, определяем значение.

Более подробно о методах проверки ёмкости можно почитать тут.

Определение

Как уже было сказано, емкостная характеристика батареи показывает, сколько устройство по времени может питать нагрузку, которую к нему подключили. Другими словами этот параметр определяется так: максимальное количество электроэнергии, которое может накопить аккумулятор в течение полного цикла зарядки. Измеряется емкость в Амперах на часы для больших агрегатов и в Миллиамперах на часы для небольших батареек.

Автомобильный AKB Varta

Единица измерения дает понять, что она является произведением силы постоянного тока разряда или заряда АКБ, умноженной на время. Бытует мнение, что емкость является характеристикой энергии батареи, но это не так, поскольку она не может полностью определить энергию. Поясняется это тем, что чем больше напряжение на клеммах и внутри АКБ, тем больше значение накопленной в ней энергии. Из физики понятно, что энергия электричества считается в Джоулях из произведения напряжения на силу тока и на время.

Важно! Исходя из этого, электроэнергия АКБ, используемого для источника бесперебойного питания, равняется номинальной емкостной характеристике, умноженной на номинальное напряжение и измеряется в Ваттах. Схема простого измерителя

Схема простого измерителя

Если ряд АКБ с одной емкостью соединить последовательно, получится агрегат с емкостью, равной сумме входящих в него батарей. Энергия же при этом будет равна электроэнергии одного АКБ, умноженной на их количество.

Аккумуляторы и электроемкость

Основными характеристиками аккумуляторных батарей является:

• Номинальное напряжение.
• Емкость.
• Максимальный ток разряда.

В данном случае для определения количественной характеристики времени работы или, говоря простым языком, чтобы рассчитать, на какое время работы прибора хватит аккумулятора, используют величину ёмкости.

В аккумуляторных батареях для описания электрической ёмкости используют следующие размерности:

• А*ч — ампер-часы для больших аккумуляторов, например автомобильных.
• мА*ч — милиампер-часы, для аккумуляторов для носимых устройств, например смартфонов, квадрокопетров и электронных сигарет.
• Вт*часы — ватт-часы.

Эти характеристики позволяют определить, сколько времени работы выдержит аккумулятор при конкретной нагрузке. Для определения электрическую емкость аккумулятора измеряют в кулонах (Кл). В свою очередь кулон равен количеству электричества, переданному аккумулятору при силе тока 1А за 1с. Тогда если перевести в часы, то при токе в 1А за 1 час передается 3600 Кл.

Одним из способов измерения емкости аккумулятора является его разряд заведомо известным током, при этом вы должны замерить время разряда. Допустим, если аккумулятор разрядился до минимального уровня напряжения за 10 часов током в 5А – значит его емкость 50 А*ч

Электроемкость – это важная величина в электронике и электротехнике. На практике конденсаторы применяются практически в каждой схеме электронного устройства. Например, в блоках питания – для сглаживания пульсаций, уменьшения влияния высоковольтных всплесков на силовые ключи. Во времязадающих цепях различных схем, а также в ШИМ-контроллерах для того, чтобы задать рабочую частоту. Аккумуляторы также применяются повсеместно. Вообще задачи накапливания энергии и сдвига фаз встречаются очень часто.

Более подробно изучить вопрос поможет предоставленное видео:

Кратко объяснение изложено в этом видео уроке:

Теперь вы знаете, что такое электрическая емкость, в каких единицах происходит ее измерение и от чего зависит данная величина. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и понятной!

Материалы по теме:

• Как определить емкость конденсатора
• Что такое электрический заряд
• Закон Кулона простыми словами

Электролитические конденсаторы

В радиотехнике применяются также электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы изготовляются двух типов: жидкостные и сухие. В обоих типах конденсаторов употребляется оксидированный алюминий. Путем специальной электрохимической обработки на поверхности алюминия получают тонкий (порядка нескольких десятков микрон) слой оксида алюминия Al₂O₃, представляющий так называемую оксидную изоляцию алюминия. Оксидная изоляция обладает электроизолирующими свойствами, а также является механически прочной, нагревостойкой, но гигроскопичной.

В жидкостных электролитических конденсаторах алюминиевую оксидированную пластину помещают внутрь металлического корпуса, который служит второй пластиной. В корпус заливают электролит, состоящий из раствора борной кислоты с некоторыми примесями.

Сухие электролитические конденсаторы изготовляют путем сворачивания трех лент. Одна лента представляет собой алюминиевую оксидированную фольгу (тонко раскатанный лист металла). Другой пластиной является лента из алюминиевой фольги. Между двумя металлическими лентами помещается бумажная или марлевая лента, пропитанная вязким электролитом. Плотно свернутые ленты помещаются в алюминиевый корпус и заливаются битумом. Тонкий оксидный изолирующий слой с высокой электрической проницаемостью (ε = 9) позволяет получить дешевые конденсаторы с большой удельной емкостью.

Видео об устройстве электролитического конденсатора:

https://youtube.com/watch?v=tuVEW69oXuw

Конденсаторы

Конденсатор — это две пластины из проводящего материала, расположенные друг напротив друга, между которым находится слой диэлектрика. В заряженном состоянии обкладки имеют разные потенциалы: одна из них будет положительной, а вторая отрицательной. Электроемкость конденсатора зависит от величины заряда на его обкладках и разности потенциалов, напряжения между ними. Между пластинами возникает электростатическое поле, которое удерживает заряды на обкладках. Формула электрической емкости конденсатора в общем случае:

C=q/U

Если сказать простыми словами, то емкость конденсатора зависит от площади пластин и расстояния между ними, а также относительной диэлектрической проницаемости материала, расположенного между ними. Их различают по используемому диэлектрику:

• керамические;
• плёночные;
• слюдяные;
• металлобумажные;
• электролитические;
• танталовые и пр.

По форме обкладок:

• плоские;
• цилиндрические;
• сферические и пр.

Так как формула площади фигуры зависит от её формы, то и формула ёмкости будет разной для каждого случая.

Для плоского конденсатора:

Для двух концентрических сфер с общим центром:

Для цилиндрического конденсатора:

Как и у других элементов электрической цепи и в этом случае есть два основных способа соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

От этого зависит итоговая электрическая емкость полученной цепи. Расчёты ёмкости нескольких конденсаторов напоминают расчёты сопротивления резисторов в разном включении, только формулы для способов соединения расположены наоборот, то есть:

1. При параллельном соединении общая электроемкость цепи является суммой емкостей каждого из элементов. Каждый следующий подключенный увеличивает итоговую емкость

Cобщ=C1+C2+C3

1. При последовательном подключении электроемкость цепи снижается, подобно снижение сопротивления в цепи параллельно включённых резисторов. То есть:

Cобщ=(1/С1)+ (1/С2)+ (1/С3)

Важно! В параллельной схеме соединения напряжения на обкладках каждого элемента одинаковы. Это используют для получения больших значений электроемкости

В последовательном включении двух элементов напряжения на обкладках каждого из конденсаторов составляют по половине общего напряжения. Для трёх – трети и так далее.