Конденсаторы — это простое пассивное устройство, которое может накапливать электрический заряд на своих пластинах при подключении к источнику напряжения.
В этом вводном уроке по конденсаторам мы увидим, что конденсаторы — это пассивные электронные компоненты, состоящие из двух или более частей проводящего материала, разделенных изолирующим материалом. Конденсатор — это компонент, который обладает способностью или «емкостью» хранить энергию в виде электрического заряда, создавая разность потенциалов (статическое напряжение) на своих пластинах, подобно небольшой перезаряжаемой батарее.
Существует множество различных типов конденсаторов: от очень маленьких конденсаторных шариков, используемых в резонансных цепях, до больших конденсаторов для коррекции коэффициента мощности, но все они делают одно и то же: сохраняют заряд.
В своей базовой форме конденсатор состоит из двух или более параллельных проводящих (металлических) пластин, которые не соединены и не соприкасаются друг с другом, а электрически разделены либо воздухом, либо каким-либо хорошим изолирующим материалом. Этим изоляционным материалом может быть вощеная бумага, слюда, керамика, пластик или какой-либо вид жидкого геля, который используется в электролитических конденсаторах.
В качестве хорошего введения в конденсаторы стоит отметить, что изолирующий слой между пластинами конденсатора обычно называют диэлектриком.
Из-за этого изолирующего слоя постоянный ток не может течь через конденсатор, поскольку он блокирует его, позволяя вместо этого на пластинах присутствовать напряжение в виде электрического заряда.
Проводящие металлические пластины конденсатора могут быть квадратными, круглыми или прямоугольными, а также иметь цилиндрическую или сферическую форму с общей формой, размером и конструкцией конденсатора с параллельными пластинами в зависимости от его применения и номинального напряжения.
При использовании в цепи постоянного или постоянного тока конденсатор заряжается до напряжения питания, но блокирует протекание тока через него, поскольку диэлектрик конденсатора не проводит ток и по сути является изолятором. Однако, когда конденсатор подключен к цепи переменного тока или переменного тока, кажется, что поток тока проходит прямо через конденсатор с небольшим сопротивлением или без него.
Существует два типа электрического заряда: положительный заряд в форме протонов и отрицательный заряд в форме электронов. Когда на конденсатор подается постоянное напряжение, положительный (+ve) заряд быстро накапливается на одной пластине, в то время как соответствующий и противоположный отрицательный (-ve) заряд накапливается на другой пластине. Для каждой частицы с зарядом +ve, попадающей на одну пластину, с пластины -ve уходит заряд того же знака.
Тогда пластины остаются нейтральными по заряду и из-за этого заряда между двумя пластинами устанавливается разность потенциалов. Как только конденсатор достигает устойчивого состояния, электрический ток не может течь через сам конденсатор и вокруг цепи из-за изолирующих свойств диэлектрика, используемого для разделения пластин.
Поток электронов на пластины известен как зарядный ток конденсатора, который продолжает течь до тех пор, пока напряжение на обеих пластинах (и, следовательно, на конденсаторе) не станет равным приложенному напряжению Vc. В этот момент говорят, что конденсатор «полностью заряжен» электронами.
Сила или скорость этого зарядного тока достигает максимального значения, когда пластины полностью разряжены (исходное состояние), и медленно снижается до нуля по мере того, как пластины заряжаются до разности потенциалов на пластинах конденсатора, равной напряжению источника.
Величина разности потенциалов, присутствующая на конденсаторе, зависит от того, сколько заряда было нанесено на пластины в результате работы, совершаемой напряжением источника, а также от того, какую емкость имеет конденсатор, и это показано ниже.
Конденсатор с параллельными пластинами является простейшей формой конденсатора. Его можно сконструировать из двух пластин из металла или металлизированной фольги, расположенных на расстоянии параллельно друг другу, при этом значение его емкости в фарадах фиксируется площадью поверхности проводящих пластин и расстоянием между ними. Изменение любых двух из этих значений изменяет значение его емкости, и это формирует основу работы переменных конденсаторов.
Кроме того, поскольку конденсаторы хранят энергию электронов в виде электрического заряда на пластинах, чем больше пластины и/или меньше их расстояние между ними, тем больше будет заряд, который конденсатор удерживает при любом заданном напряжении на его пластинах. Другими словами, пластины большего размера, расстояние меньше, емкость больше.
Приложив напряжение к конденсатору и измерив заряд на обкладках, отношение заряда Q к напряжению V даст значение емкости конденсатора и, следовательно, задается как: C = Q/V. Это уравнение также можно переписать. -приведена к знакомой формуле количества заряда на пластинах: Q = C x V.
Хотя мы сказали, что заряд хранится на обкладках конденсатора, точнее сказать, что энергия внутри заряда сохраняется в «электростатическом поле» между двумя обкладками. Когда электрический ток течет в конденсатор, он заряжается, поэтому электростатическое поле становится намного сильнее, поскольку оно сохраняет больше энергии между пластинами.
Аналогично, по мере того, как ток вытекает из конденсатора, разряжая его, разность потенциалов между двумя пластинами уменьшается, а электростатическое поле уменьшается по мере того, как энергия выходит из пластин.
Свойство конденсатора сохранять заряд на своих обкладках в виде электростатического поля называется емкостью конденсатора. Мало того, емкость также является свойством конденсатора, который сопротивляется изменению напряжения на нем.