Понятие электрической емкости. Единицы измерения. Конденсаторы. (10+)

Электрическая емкость. Понятие. Единицы измерения

Материал является пояснением и дополнением к статье:
Единицы измерения физических величин в радиоэлектронике
Единицы измерения и соотношения физических величин, применяемых в радиотехника.

Если от одного тела отводить заряженные определенным образом частицы (например, электроны) к другому, то вследствие избытка заряженных частиц между двумя телами возникнет разность потенциалов, то есть электрическое напряжение. Емкость между двумя телами показывает нам, сколько заряженных частиц нужно перенести от одного тела к другому, чтобы получить заданное напряжение.

Вашему вниманию подборка материалов:

[Изменение напряжения, В ] = [Перенесенный заряд, К ] / [Емкость, Ф ]

Помня, что перенесенный заряд равен силе тока , помноженной на время его протекания, запишем формулу в более привычном виде:

[Изменение напряжения, В ] = [Сила тока, А ] * [Время, с ] / [Емкость, Ф ]

Конденсатор, прибор с нормированной емкостью

Электронный прибор, который специально предназначен для изменения напряжения пропорционально накопленному заряду, называется конденсатором. Практически любые тела в природе образуют между собой конденсатор, но электронным прибором он становится тогда, когда у него строго определенная емкость, что позволяет применять его в радиоэлектронных схемах.

Таким образом, ток в один Ампер, заряжает конденсатор емкостью один Фарад на один Вольт за одну секунду.

Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, так как в природе не бывает бесконечной силы тока. Если выводы заряженного конденсатора замкнуть, то сила тока должна быть бесконечной. На самом деле конденсатор и его выводы имеют некоторое внутреннее сопротивление, так что сила тока будет конечной, но может быть очень большой. Аналогично, если разряженный конденсатор подключить к источнику напряжения. Ток будет стремиться к бесконечности и будет ограничен внутренним сопротивлением конденсатора и источника напряжения.

Многие ошибки в переключательных и импульсных схемах связаны с тем, что разработчики забывают учесть тот факт, что напряжение на конденсаторе не может меняться мгновенно. Быстро открывающийся транзистор, подключенный напрямую к заряженному конденсатору, может просто сгореть или очень сильно нагреваться.

Емкость пластин и генератор Ван де Граафа

Конденсаторы обычно представляют собой две пластины, между которыми проложен слой диэлектрика.

[Емкость между двумя пластинами, Ф ] = * [Диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами ] * [Площадь пластин, кв. м ] /

[Диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м ] приблизительно равна 8.854E-12, [Расстояние между пластинами, м ] много меньше линейных размеров пластин.

Рассмотрим такой интересный случай. Пусть у нас есть две пластины с определенной разностью потенциалов. Начнем их физически разносить в пространстве. Мы тратим энергию, так как пластины притягиваются друг к другу. Напряжение между пластинами будет расти, так как заряд остается прежним, а емкость убывает.

На этом принципе основана работа генератора Ван де Граафа. Там на ленте транспортера установлены металлические пластины или крупицы вещества, способного переносить заряд. Когда эти крупицы приближаются к заземленной пластине, между ними и землей прилагается некоторое, довольно высокое напряжение (1000 и более Вольт). Они заряжаются. Дальше транспортер увозит их от заземленной пластины. Емкость между ними и землей падает в тысячи или десятки тысяч раз, напряжение, соответственно, растет в то же количество раз. Далее эти крупицы контактируют с телом, на котором накапливается заряд, и отдают ему часть своего заряда. Так можно получить 10 или даже 100 миллионов Вольт.

Единицы измерения, кратные Фараду (Farad)

Один Фарад - очень большая емкость. Сейчас появились специальные наноконденсаторы, в которых очень тонкие пластины, проложенные очень тонким, но электрически прочным изолятором намотаны в огромные бобины. Такие конденсаторы могут иметь емкость даже в десятки Фарад. Но электроника оперирует обычно с гораздо меньшими емкостями.

микрофарад	мкФ	mcF	1E-6 Ф	0.000001 Ф
нанофарад	нФ	nF	1E-9 Ф	0.001 мкФ
пикофарад	пФ	pF	1E-12 Ф	0.001 нФ

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!

Длина и расстояние Масса Меры объема сыпучих продуктов и продуктов питания Площадь Объем и единицы измерения в кулинарных рецептах Температура Давление, механическое напряжение, модуль Юнга Энергия и работа Мощность Сила Время Линейная скорость Плоский угол Тепловая эффективность и топливная экономичность Числа Единицы измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Угловая скорость и частота вращения Ускорение Угловое ускорение Плотность Удельный объем Момент инерции Момент силы Вращающий момент Удельная теплота сгорания (по массе) Плотность энергии и удельная теплота сгорания топлива (по объему) Разность температур Коэффициент теплового расширения Термическое сопротивление Удельная теплопроводность Удельная теплоёмкость Энергетическая экспозиция, мощность теплового излучения Плотность теплового потока Коэффициент теплоотдачи Объёмный расход Массовый расход Молярный расход Плотность потока массы Молярная концентрация Массовая концентрация в растворе Динамическая (абсолютная) вязкость Кинематическая вязкость Поверхностное натяжение Паропроницаемость Паропроницаемость, скорость переноса пара Уровень звука Чувствительность микрофонов Уровень звукового давления (SPL) Яркость Сила света Освещённость Разрешение в компьютерной графике Частота и длина волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Электрический заряд Линейная плотность заряда Поверхностная плотность заряда Объемная плотность заряда Электрический ток Линейная плотность тока Поверхностная плотность тока Напряжённость электрического поля Электростатический потенциал и напряжение Электрическое сопротивление Удельное электрическое сопротивление Электрическая проводимость Удельная электрическая проводимость Электрическая емкость Индуктивность Американский калибр проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Магнитодвижущая сила Напряженность магнитного поля Магнитный поток Магнитная индукция Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Радиоактивный распад Радиация. Экспозиционная доза Радиация. Поглощённая доза Десятичные приставки Передача данных Типографика и обработка изображений Единицы измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 микрофарад [мкФ] = 1E-06 фарад [Ф]

Исходная величина

Преобразованная величина

фарад эксафарад петафарад терафарад гигафарад мегафарад килофарад гектофарад декафарад децифарад сантифарад миллифарад микрофарад нанофарад пикофарад фемтофарад аттофарад кулон на вольт абфарад единица емкости СГСМ статфарад единица емкости СГСЭ

Подробнее об электрической емкости

Общие сведения

Электрическая емкость - это величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд, равная отношению электрического заряда к разности потенциалов между проводниками:

C = Q/∆φ

Здесь Q - электрический заряд, измеряется в кулонах (Кл), - разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

В системе СИ электроемкость измеряется в фарадах (Ф). Данная единица измерения названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

Фарад является очень большой емкостью для изолированного проводника. Так, металлический уединенный шар радиусом в 13 радиусов Солнца имел бы емкость равную 1 фарад. А емкость металлического шара размером с Землю была бы примерно 710 микрофарад (мкФ).

Так как 1 фарад - очень большая емкость, поэтому используются меньшие значения, такие как: микрофарад (мкФ), равный одной миллионной фарада; нанофарад (нФ), равный одной миллиардной; пикофарад (пФ), равный одной триллионной фарада.

В системе СГСЭ основной единицей емкости является сантиметр (см). 1 сантиметр емкости - это электрическая емкость шара с радиусом 1 сантиметр, помещенного в вакуум. СГСЭ - это расширенная система СГС для электродинамики, то есть, система единиц в которой сантиметр, грам, и секунда приняты за базовые единицы для вычисления длины, массы и времени соответственно. В расширенных СГС, включая СГСЭ, некоторые физические константы приняты за единицу, чтобы упростить формулы и облегчить вычисления.

Использование емкости

Конденсаторы - устройства для накопления заряда в электронном оборудовании

Понятие электрической емкости относится не только к проводнику, но и к конденсатору. Конденсатор - система двух проводников, разделенных диэлектриком или вакуумом. В простейшем варианте конструкция конденсатора состоит из двух электродов в виде пластин (обкладок). Конденсатор (от лат. condensare - «уплотнять», «сгущать») - двухэлектродный прибор для накопления заряда и энергии электромагнитного поля, в простейшем случае представляет собой два проводника, разделённые каким-либо изолятором. Например, иногда радиолюбители при отсутствии готовых деталей изготавливают подстроечные конденсаторы для своих схем из отрезков проводов разного диаметра, изолированных лаковым покрытием, при этом более тонкий провод наматывается на более толстый. Регулируя число витков, радиолюбители точно настраивают контура аппаратуры на нужную частоту. Примеры изображения конденсаторов на электрических схемах приведены на рисунке.

Историческая справка

Еще 250 лет назад были известны принципы создания конденсаторов. Так, в 1745 г. в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор - «лейденскую банку» - в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки, а обкладками служили вода в сосуде и ладонь экспериментатора, державшая сосуд. Такая «банка» позволяла накапливать заряд порядка микрокулона (мкКл). После того, как ее изобрели, с ней часто проводили эксперименты и публичные представления. Для этого банку сначала заряжали статическим электричеством, натирая ее. После этого один из участников прикасался к банке рукой, и получал небольшой удар током. Известно, что 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, с ужасом вскрикнули.

В Россию «лейденская банка» пришла благодаря русскому царю Петру I, который познакомился с Мушенбруком во время путешествий по Европе, и подробнее узнал об экспериментах с «лейденской банкой». Петр I учредил в России Академию наук, и заказал Мушенбруку разнообразные приборы для Академии наук.

В дальнейшем конденсаторы усовершенствовались и становились меньше, а их емкость - больше. Конденсаторы широко применяются в электронике. Например, конденсатор и катушка индуктивности образуют колебательный контур, который может быть использован для настройки приемника на нужную частоту.

Существует несколько типов конденсаторов, отличающихся постоянной или переменной емкостью и материалом диэлектрика.

Примеры конденсаторов

Промышленность выпускает большое количество типов конденсаторов различного назначения, но главными их характеристиками являются ёмкость и рабочее напряжение.

Типичные значение ёмкости конденсаторов изменяются от единиц пикофарад до сотен микрофарад, исключение составляют ионисторы, которые имеют несколько иной характер формирования ёмкости – за счёт двойного слоя у электродов – в этом они подобны электрохимическим аккумуляторам. Суперконденсаторы на основе нанотрубок имеют чрезвычайно развитую поверхность электродов. У этих типов конденсаторов типичные значения ёмкости составляют десятки фарад, и в некоторых случаях они способны заменить в качестве источников тока традиционные электрохимические аккумуляторы.

Вторым по важности параметром конденсаторов является его рабочее напряжение . Превышение этого параметра может привести к выходу конденсатора из строя, поэтому при построении реальных схем принято применять конденсаторы с удвоенным значением рабочего напряжения.

Для увеличения значений ёмкости или рабочего напряжения используют приём объединения конденсаторов в батареи. При последовательном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение удваивается, а суммарная ёмкость уменьшается в два раза. При параллельном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается в два раза.

Третьим по важности параметром конденсаторов является температурный коэффициент изменения ёмкости (ТКЕ) . Он даёт представление об изменении ёмкости в условиях изменения температур.

В зависимости от назначения использования, конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, требования к параметрам которых некритичны, и на конденсаторы специального назначения (высоковольтные, прецизионные и с различными ТКЕ).

Маркировка конденсаторов

Подобно резисторам, в зависимости от габаритов изделия, может применяться полная маркировка с указанием номинальной ёмкости, класса отклонения от номинала и рабочего напряжения. Для малогабаритных исполнений конденсаторов применяют кодовую маркировку из трёх или четырёх цифр, смешанную цифро-буквенную маркировку и цветовую маркировку.

Соответствующие таблицы пересчёта маркировок по номиналу, рабочему напряжению и ТКЕ можно найти в Интернете, но самым действенным и практичным методом проверки номинала и исправности элемента реальной схемы остаётся непосредственное измерение параметров выпаянного конденсатора с помощью мультиметра.

Предупреждение: поскольку конденсаторы могут накапливать большой заряд при весьма высоком напряжении, во избежание поражения электрическим током необходимо перед измерением параметров конденсатора разряжать его, закоротив его выводы проводом с высоким сопротивлением внешней изоляции. Лучше всего для этого подходят штатные провода измерительного прибора.

Оксидные конденсаторы: данный тип конденсатора обладает большой удельной емкостью, то есть, емкостью на единицу веса конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторов представляет собой обычно алюминиевую ленту, покрытую слоем оксида алюминия. Второй обкладкой служит электролит. Так как оксидные конденсаторы имеют полярность, то принципиально важно включать такой конденсатор в схему строго в соответствии с полярностью напряжения.

Твердотельные конденсаторы: в них вместо традиционного электролита в качестве обкладки используется органический полимер, проводящий ток, или полупроводник.

Переменные конденсаторы: емкость может меняться механическим способом, электрическим напряжением или с помощью температуры.

Пленочные конденсаторы: диапазон емкости данного типа конденсаторов составляет примерно от 5 пФ до 100 мкФ.

Имеются и другие типы конденсаторов.

Ионисторы

В наши дни популярность набирают ионисторы. Ионистор (суперконденсатор) - это гибрид конденсатора и химического источника тока, заряд которого накапливается на границе раздела двух сред - электрода и электролита. Начало созданию ионисторов было положено в 1957 году, когда был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем на пористых угольных электродах. Двойной слой, а также пористый материал помогли увеличить емкость такого конденсатора за счет увеличения площади поверхности. В дальнейшем эта технология дополнялась и улучшалась. На рынок ионисторы вышли в начале восьмидесятых годов прошлого века.

С появлением ионисторов появилась возможность использовать их в электрических цепях в качестве источников напряжения. Такие суперконденсаторы имеют долгий срок службы, малый вес, высокие скорости зарядки-разрядки. В перспективе данный вид конденсаторов может заменить обычные аккумуляторы. Основными недостатками ионисторов является меньшая, чем у электрохимических аккумуляторов удельная энергия (энергия на единицу веса), низкое рабочее напряжение и значительный саморазряд.

Ионисторы применяются в автомобилях Формулы-1. В системах рекуперации энергии, при торможении вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в маховике, аккумуляторах или ионисторах для дальнейшего использования.

В бытовой электронике ионисторы применяются для стабилизации основного питания и в качестве резервного источника питания таких приборов как плееры, фонари, в автоматических коммунальных счетчиках и в других устройствах с батарейным питанием и изменяющейся нагрузкой, обеспечивая питание при повышенной нагрузке.

В общественном транспорте применение ионисторов особенно перспективно для троллейбусов, так как становится возможна реализация автономного хода и увеличения маневренности; также ионисторы используются в некоторых автобусах и электромобилях.

Электрические автомобили в настоящем времени выпускают многие компании, например: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Университет Торонто совместно с компанией Toronto Electric разработали полностью канадский электромобиль A2B. В нем используются ионисторы вместе с химическими источниками питания, так называемое гибридное электрическое хранение энергии. Двигатели данного автомобиля питаются от аккумуляторов весом 380 килограмм. Также для подзарядки используются солнечные батареи, установленные на крыше электромобиля.

Емкостные сенсорные экраны

В современных устройствах все чаще применяются сенсорные экраны, которые позволяют управлять устройствами путем прикосновения к панелям с индикаторами или экранам. Сенсорные экраны бывают разных типов: резистивные, емкостные и другие. Они могут реагировать на одно или несколько одновременных касаний. Принцип работы емкостных экранов основывается на том, что предмет большой емкости проводит переменный ток. В данном случае этим предметом является тело человека.

Поверхностно-емкостные экраны

Таким образом, поверхностно-емкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом. В качестве резистивного материала обычно применяется имеющий высокую прозрачность и малое поверхностное сопротивление сплав оксида индия и оксида олова. Электроды, подающие на проводящий слой небольшое переменное напряжение, располагаются по углам экрана. При касании к такому экрану пальцем появляется утечка тока, которая регистрируется в четырех углах датчиками и передается в контроллер, который определяет координаты точки касания.

Преимущество таких экранов заключается в долговечности (около 6,5 лет нажатий с промежутком в одну секунду или порядка 200 млн. нажатий). Они обладают высокой прозрачностью (примерно 90%). Благодаря этим преимуществам, емкостные экраны уже с 2009 года активно начали вытеснять резистивные экраны.

Недостаток емкостных экранов заключается в том, что они плохо работают при отрицательных температурах, есть трудности с использованием таких экранов в перчатках. Если проводящее покрытие расположено на внешней поверхности, то экран является достаточно уязвимым, поэтому емкостные экраны применяются лишь в тех устройствах, которые защищены от непогоды.

Проекционно-емкостные экраны

Помимо поверхностно-емкостных экранов, существуют проекционно-емкостные экраны. Их отличие заключается в том, что на внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод, к которому прикасаются, вместе с телом человека образует конденсатор. Благодаря сетке, можно получить точные координаты касания. Проекционно-емкостный экран реагирует на касания в тонких перчатках.

Проекционно-емкостные экраны также обладают высокой прозрачностью (около 90%). Они долговечны и достаточно прочные, поэтому их широко применяют не только в персональной электронике, но и в автоматах, в том числе установленных на улице.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

/1 = I ·T /U . Ф = ² · 4 · кг −1 · −2 = Дж /В 2 = Кл 2 /Дж = А · с / В = с/Ом .

В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц , названных по имени учёных, наименование единицы фарад пишется со строчной буквы , а её обозначение - с заглавной . Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях производных единиц, образованных с использованием фарада. Например, обозначение единицы измерения абсолютной диэлектрической проницаемости «фарад на метр » записывается как Ф/м.

В Международную систему единиц (СИ) фарад введён решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году одновременно с принятием системы СИ в целом .

Фарад - очень большая ёмкость для уединённого проводника. Ёмкостью 1 Ф обладал бы уединённый металлический шар, радиус которого равен 13 радиусам Солнца. Ёмкость же шара размером с Землю , используемого как уединённый проводник, составляла бы около 710 микрофарад.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

В фарадах измеряют электрическую ёмкость проводников , то есть их способность накапливать электрический заряд . Например в фарадах (и производных единицах) измеряют ёмкость кабелей, конденсаторов , межэлектродные ёмкости различных приборов. Промышленные конденсаторы имеют номиналы, измеряемые в микро- , нано- и пикофарадах и выпускаются ёмкостью до ста фарад; в звуковой аппаратуре используются гибридные конденсаторы ёмкостью до 40 фарад .

Кратные и дольные единицы

Образуют с помощью стандартных приставок СИ .

Кратные				Дольные
величина	название	обозначение		величина	название	обозначение
10 1 Ф	декафарад	даФ	daF	10 −1 Ф	децифарад	дФ	dF
10 2 Ф	гектофарад	гФ	hF	10 −2 Ф	сантифарад	сФ	cF
10 3 Ф	килофарад	кФ	kF	10 −3 Ф	миллифарад	мФ	mF
10 6 Ф	мегафарад	МФ	MF	10 −6 Ф	микрофарад	мкФ	µF
10 9 Ф	гигафарад	ГФ	GF	10 −9 Ф	нанофарад	нФ	nF
10 12 Ф	терафарад	ТФ	TF	10 −12 Ф	пикофарад	пФ	pF
10 15 Ф	петафарад	ПФ	PF	10 −15 Ф	фемтофарад	фФ	fF
10 18 Ф	эксафарад	ЭФ	EF	10 −18 Ф	аттофарад	аФ	aF
10 21 Ф	зеттафарад	ЗФ	ZF	10 −21 Ф	зептофарад	зФ	zF
10 24 Ф	иоттафарад	ИФ	YF	10 −24 Ф	иоктофарад	иФ	yF
применять не рекомендуется не применяются или редко применяются на практике

В советской практике использовались только две единицы - микрофарада и пикофарада. Ёмкость в 1-100 мФ и нФ выражалась в тысячах микрофарад и пикофарад соответственно. Ёмкость в 100-1000 мФ и нФ выражалась в десятых долях фарады и микрофарады соответственно. Никакие другие единицы использовать было не принято.
Также на схемах электрических цепей и часто в маркировке ранних конденсаторов советского производства целое число (например, 47) означало ёмкость в пикофарадах, а десятичная дробь (например, 10,0 или 0,1) - в микрофарадах. Никакие буквенные обозначения единиц измерения ёмкости на схемах не применялись. Позже и до сегодняшних дней любое число без указания единицы измерения стало обозначать ёмкость в пикофарадах, с буквой н - в нанофарадах, а с буквами мк - в микрофарадах. Использование других единиц ёмкости на схемах не стандартизовано, как и обозначение номинала на конденсаторах. На малогабаритных конденсаторах используют различного рода сокращения, например, после двух значащих цифр ёмкости в пикофарадах указывают число следующих за ними нулей. Таким образом, конденсатор с обозначением «270» имеет номинальную ёмкость 27 пикофарад, а «271» - 270 пикофарад.
В текстах на языках, использующих латиницу, очень часто при обозначении микрофарад в тексте заменяют букву µ (мю) на латинскую u (uF вместо µF) из-за отсутствия в раскладке греческих букв.