Измерение электрической емкости в фарадах

Начиная свой путь в электрике, ученик или любитель радиоэлектроники вскоре сталкивается с такой единицей измерения, как фарад. Он должен знать, что измеряется в фарадах, какие существуют дольные и кратные единицы, какие из них чаще всего применяются в конденсаторных элементах. Помимо этого, требуется располагать соответствующей таблицей и знать, сколько микрофарад на 1 киловатт двигателя нужно употребить для приведения его в рабочее состояние.

Понятие емкости, правила измерения

Данная величина показывает, какое количество электронов (или других заряженных частиц) должно переместиться от одного объекта к другому для получения необходимого значения напряжения. Последнее возникает по той причине, что при перемещении частиц между объектами образуется разница потенциалов.

Единицей измерения емкостного значения является фарад (на письме обозначается заглавной кириллической литерой Ф). Когда при перенесении заряда в 1 Кулон напряжение меняется на 1 Вольт, значение емкости между перенесенными объектами составляет 1 Фарад. Формула зависимости емкости от напряжения имеет такой вид:

С (емкость) = Q (заряд)/U(напряжение).

Если мастер собрался измерять емкость используемого в радиоэлектронной схеме конденсатора, ему потребуется такой прибор, как мультиметр. С задачей способен справиться даже бюджетный аппарат, при этом наибольшая точность демонстрируется при работе с пленочными конденсаторными элементами. Для максимально точных замеров можно воспользоваться измерителем иммитанса, но данный прибор отличается очень высокой ценой (около 120 тыс. руб.). При использовании мультиметра нужно придерживаться следующего алгоритма:

1. Отсоединить электроцепь от источника нагрузки. Проверить отсутствие питания, установив на устройстве режим замера напряжения и поставив щупы к источнику: показатель должен быть равен нулю.
2. Снять заряд с конденсатора пассивным способом (подождать 20-30 минут) или активным (с помощью резистора). Для маленьких элементов нужен прибор с сопротивлением более 2 кОм. С достаточно крупными конденсаторами (например, в фотоаппаратах и бытовой технике) лучше вообще не работать в домашних условиях без подготовки – они накапливают опасно высокий заряд. Для разрядки такого элемента требуется резистор на 20 кОм и 5 Вт, подсоединенный через изолированный провод диаметром 3,3 мм2, предназначенный для эксплуатации под напряжением до 600 В.
3. Отключить конденсатор от цепи. После этого поставить мультиметр в режим замера емкости. Если прибор снабжен несколькими настроечными диапазонами, нужно поставить тот, что с наибольшей вероятностью окажется верным (сориентироваться можно по маркировке). При наличии клавиши Rel нужно нажать ее, чтобы емкость сошла со щуповых элементов.
4. Щупы помещаются к выводам конденсатора. При тестировании поляризованных элементов надо обязательно соблюдать полярность. Теперь нужно дождаться вывода данных на дисплей. Если высветилось слово overload (или OL), показатель слишком высокий для обнаружения данным прибором или в данном диапазоне (во втором случае нужно выбрать другой диапазон).

Важно! Нельзя подключать мультиметр к конденсаторному элементу, на корпусе которого имеются проколы или выпуклые места. Такие элементы вообще не стоит эксплуатировать – при подключении питания они способны взорваться.

Электроемкость

• не зависит от q и U;
• зависит от геометрических размеров проводника, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.

Электрической емкостью проводника наз. отношение заряда проводника к его потенциалу:

единица измерения емкости в СИ: Ф (фарад)

Конденсатор обладает свойством накапливать и сохранять электрическую энергию. Конденсатор представляет собой систему из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники наз. обкладками конденсатора. Если заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из его обкладок.

Электроемкостью конденсатора называют отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между обкладками. Основные слагаемые электроемкости представлены на рисунке ниже:

Обозначение на электрических схемах:

• Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора.
• Заряд конденсатора — это абсолютное значение заряда одной из обкладок конденсатора.

Виды конденсаторов:

• по виду диэлектрика — воздушные, слюдяные, керамические, электролитические.
• по форме обкладок — плоские, сферические.
• по величине емкости — постоянные, переменные (подстроечные).

Электроемкость плоского конденсатора

где S — площадь пластины (обкладки) конденсатора

• d — расстояние между пластинами
• εо — электрическая постоянная

ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Конденсатор — это система заряженных тел обладает энергией.

Энергия любого конденсатора:

где С — емкость конденсатора, (Ф) W— энергия (Дж) q — заряд конденсатора, (Кл) U — напряжение на обкладках конденсатора, (В

Энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную, или работе по разделению положительных и отрицательных зарядов необходимой при зарядке конденсатора. Конденсаторы применяются для накопления электрической энергии и использования ее при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в радиотехнике: колебательный контур, выпрямитель и других радиоэлектронных устройствах.

Конденсатор, прибор с нормированной емкостью

Работа тока — в чем измеряется

Это устройство специально заточено под изменение показателя напряжения в соответствии с накапливаемым зарядом. Конденсаторными свойствами могут обладать разные объекты, но главное отличие прибора – наличие у него фиксированной емкости. При возникновении между обкладками элемента емкостью в 1 Ф заряда в 1 Кулон между ними возникает напряжение в 1 В.

Важно! Начинающие проектировщики схем часто делают ошибки, основанные на игнорировании невозможности мгновенного изменения напряжения на устройстве. Если подсоединенный к конденсатору транзистор открывается максимально быстро, он перегреется или вовсе сгорит. При замыкании выводов заряженного устройства сила тока будет очень высокой, но все же не бесконечной. Она ограничена сопротивлением элемента и его выводных деталей.

Приборы используются не только в радиоэлектронике, но и, например, при работе с двигателями. При применении пускового конденсатора и добавочной обмотки на 1 кВт мощности потребуется 70 микрофарад емкости. Зная это, можно рассчитать общее требуемое количество емкости.

Электрический конденсатор

Устройство, предназначенное для накопления электрических зарядов, называется электрическим конденсатором.

Рисунок 1. Модель простейшего конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), разделенных между собой слоем диэлектрика. Чтобы зарядить конденсатор, нужно его обкладки соединить с полюсами электрической машины. Разноименные заряды, скопившиеся на обкладках конденсатора, связаны между собой электрическим полем. Близко расположенные пластины конденсатора, влияя одна на другую, позволяют получить на обкладках большой электрический заряд при относительно невысокой разности потенциалов между обкладками. Электрическая емкость конденсатора есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

Как показывают измерения, емкость конденсатора увеличится, если увеличить поверхность обкладок или приблизить их одну к другой. На емкость конденсатора оказывает влияние также материал диэлектрика. Чем больше электрическая проницаемость диэлектрика, тем больше емкость конденсатора по сравнению с емкостью того же конденсатора, диэлектриком в котором служит пустота (воздух). Выбирая диэлектрик для конденсатора, нужно стремиться к тому, чтобы диэлектрик обладал большой электрической прочностью (хорошими изолирующими качествами). Плохой диэлектрик приводит к пробою его и разряду конденсатора. Несовершенный диэлектрик повлечет за собой утечку тока через него и постепенный разряд конденсатора.

Длинные линии передачи высокого напряжения можно рассматривать как своеобразные обкладки конденсатора. Емкость провода нужно рассматривать не только относительно другого провода, но также относительно земли, стен помещений и окружающих предметов. Значительной емкостью обладают подводные и подземные кабели ввиду близкого расположения токоведущих жил между собой.

Область применения

Емкость конденсатора: единица измерения

Эта единица измерения используется не только для емкости конденсаторов, но и других проводниковых элементов (например, проводов). Поскольку 1 фарад – емкость довольно значительная, небольшие промышленные конденсаторные элементы чаще имеют номиналы, составляющие сотые, тысячные и т.д. доли фарада, например, микрофарады обозначение мкФ. У ионисторных сверхвысокоемких элементов показатель, напротив, может измеряться в килофарадах.

Кратные и дольные единицы

Чаще всего в электронике используются элементы с небольшими емкостями, в связи с чем у начинающих работать со схемами возникают вопросы: пФ это сколько фарад, 100 nf сколько микрофарад и так далее. В связи с этим надлежит иметь при себе таблицу перевода одних единиц в другие. К наиболее часто используемым дольным единицам относятся:

• микрофарад (мкФ) – 0,000001 Ф;
• нанофарад (нФ) – 0,000000001 Ф;
• пикофарад (пФ) – 0,000000000001 Ф.

Из кратных единиц используется килофарад (кФ), равный тысяче фарад. Такие показатели характерны для ионисторов. У обычных конденсаторов емкость, как правило, измеряется максимум десятками фарад.

В Советском Союзе на электросхемах и корпусах конденсаторов была тенденция указывать емкостным значением целое число (к примеру, 35). Подразумевать пикофарады, а дробное с одной цифрой после запятой – обозначало микрофарады. Буквы в таких маркировках емкости не использовались. На современных отечественных конденсаторах при указании емкости в пикофарадах измерительные единицы после числа обычно не пишут. Если указаны буквы «мк», подразумеваются микрофарады, если «н» – нанофарады. За рубежом используют маркировку из цветных полос.

Применение конденсаторов

Данная категория элементов очень широко применяется во всех областях электроники и ряде других отраслей промышленности. Среди основных сфер применения стоит обозначить:

• телевизионную и звуковоспроизводящую аппаратуру;
• радиолокационные приборы (здесь конденсаторы помогают генерировать импульсы и увеличивать их мощность);
• телефонные и телеграфные аппараты – в них устройства применяются с целью разделения типов цепей (по частоте, переменности-постоянности) и погашения искр в контактах;
• измерительные электронные приборы;
• лазеры (увеличение мощности импульсов);
• предохранение от перенапряжения в электроэнергетических установках;
• электросварочные работы с применением разряда;
• блокировку генерируемых машинами радиопомех;
• запуск электродвигателей и создание фазового сдвига в добавочной обмотке;
• генераторы, применяемые во время испытаний электротехники для получения импульсов тока и напряжения.

Конденсаторные элементы используются в очень широком спектре сфер – от печатных плат (миниатюрные smd-компоненты) до мощных двигателей и генераторов импульсов. Для корректного подбора конденсатора нужно уметь расшифровывать маркировку и обозначения на схемах, в частности, ориентироваться в обозначениях емкости устройств.

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