Конденсатор має наступне схематичне зображення
Розглянемо водопровідну модель конденсатора. Раніше ми говорили про те, що струм може течи тільки в трубі, поєднаній в кільце в замкнутому ланцюгу. Але можна уявити порожню ємність, в яку можна заливати воду, поки ємність не заповниться. Це і є конденсатор - ємність, в яку можна заливати заряд.
Для більшої аналогії краще уявити собі водонапірну вежу, в моделі - трубу нескінченної довжини поставлену вертикально. Вода насосом закачується в цю трубу з нижнього торця і піднімається на висоту. Чим більше води закачали і чим вище вона піднялася - тим сильніше стовп води тисне на днище і вище там тиск. Так-то в цю нескінченну трубу можна скільки завгодно води (електричного заряду) закачати, але при цьому протидавлення стовпа води буде рости. Якщо качати заряд генератором напруги, то коли противодавлення зрівняється з тиском (напругою), створюваним генератором - закачування зупиниться.
Якщо характеристикою резистора є опір, то електричною характеристикою конденсатора є ємність.
C = Q/U
Ємність говорить, скільки заряду можна в конденсатор закачати, щоб напруга там піднялася до величини U. Можна сказати, що ємність характеризує діаметр труби. Чим гірше труба, тим швидше піднімається рівень води при закачуванні і зростає тиск на дні труби. Тиск залежить тільки від висоти водяного стовпа, а не від маси закачаної води.
В електричних термінах, чим менше ємність конденсатора, тим швидше зростає напруга при закачуванні туди заряду.
Нагадаю, що електричний струм I дорівнює кількості простікаючого заряду Q в секунду. Тобто I = Q/T, де T - час. Це все одно, що потік води обчислюється кубометрами в секунду. Або кілограмами в сек, потім перевіримо за розмірністю).
Тому конденсатор з маленькою ємністю заповнюється зарядом швидко, а з великою ємністю - повільно.
Розглянемо тепер електричні ланцюги з конденсатором.
Нехай конденсатор підключений до генератора напруги.
рис 9. Підключення конденсатора до генератора напруги.
«» Головний інженер повернув рубильник «» S1 і.. тидищ!!! Що сталося?
Ідеальний генератор напруги має нескінченну потужність і може видавати нескінченний струм. Коли замкнули рубильник в нашу ємність хлинула нескінченна кількість заряду в секунду і вона миттєво заповнилася і напруга на ній зросла до U.
Тепер розглянемо більш реальний ланцюг.
Це Другий Головний Ланцюг у житті інженера-електронника (після ділителя напруги) -
RC - ланцюжок.
RC-ланцюжок
RC-ланцюжки є інтегруючим і диференційним типом.
RC-ланцюжок інтегруючого типу
рис 10. З'єднання RC - ланцюжок інтегруючого типу до генератора напруги.
Що станеться в цій схемі, якщо замкнути вимикач S1?
Конденсатор С початково розряджений і напруга на ньому рано 0. Тому струм у перший момент дорівнює I = U/R. Потім конденсатор почне заряджатися, напруга на ньому збільшується, і струм через резистор почне зменшуватися. I=(U-Uc)/R. Цей процес буде продовжуватися, конденсатор буде заряджатися струмом, що зменшується, до напруги джерела U. Напруга на конденсаторі при цьому буде рости по експоненті.
рис 11. Графік зростання напруги на конденсаторі при подачі напруги величиною U (сходинки).
Питання: А якщо запитати такий ланцюжок від генератора струму, як буде рости напруга на конденсаторі?
Чому ланцюжок називається - «інтегруючого типу»?
Як вище було зазначено, струм у перший момент після подачі напруга дорівнюватиме I = U/R, оскільки конденсатор розряджений, і напруга на ньому дорівнює 0. І якийсь час, поки напруга на конденсаторі Uc мало в порівнянні з U, струм буде залишатися майже постійним. А при заряді конденсатора постійним струмом напруга на ньому зростає лінійно.
Uc = Q/C, а ми пам'ятаємо, що струм це кількість заряду в секунду, тобто швидкість протікання заряду. Іншими словами, заряд це інтеграл від струму.
Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt
тобто
Uc=1/RC * ∫ U * dt
Але все це близько до істини в початковий момент, поки напруга на конденсаторі мала.
Насправді все зводиться до того, що конденсатор заряджається постійним струмом.
А постійний струм видає генератор струму. (Див. питання вище)
Якщо джерело напруги видає нескінченно велику напругу і опір R також має нескінченно велику величину, то по факту ми маємо вже ідеальний генератор струму, і зовнішні ланцюги на величину цього струму впливу не чинять.
RC-ланцюжок диференціюючого типу
Ну тут все те ж саме, що в інтегруючому ланцюжку, тільки навпаки.
рис 12. Диференціює ланцюжок.
Більш детально властивості RC ланцюгів добре освітлені в інтернеті.
Паралельне та послідовне з "єднання конденсаторів
Так само як резистори, конденсатори можна з'єднувати послідовно і паралельно.
При паралельному з'єднанні ємності складаються - ну це і зрозуміло, це як заповнювати повідомлення судини, загальний обсяг виходить рівним сумі обсягів. При послідовному ж з'єднанні вийде так, що конденсатор з маленькою ємністю заповниться зарядом швидше, ніж конденсатор з великою ємністю. Напруга на маленькому конденсаторі швидко зросте майже до напруги джерела (ну і інші конденсатори внесуть свій внесок), струм у загальному ланцюгу зменшиться до нуля, і процес заряду конденсаторів припиниться. Таким чином ємність послідовно сполучених конденсаторів виходить менше ємності найменшого з них.
Upd.
Розглянемо більш детально процес заряду конденсатора на схемі рис.10 (за мотивами підручника І.В.Савельєва «» Курс загальної фізики «», том ІІ. «» Електрика «»)
Як було сказано в попередній статті Про природу електричного струму електричний струм - це рух заряджених частинок. У провідниках (на відміну від діелектриків-ізоляторів) частина електронів є вільними і такі електрони можуть перескакувати від одного атому до іншого. Загалом провідник електрично нейтральний - негативний заряд електронів компенсується позитивним зарядом ядер атомів. Щоб змусити електрони рухатися потрібно створити їх надлишок на одному кінці провідника і недолік на іншому. Цей надлишок електронів на одному полюсі створює батарейка внаслідок електрохімічних реакцій, що протікають в ній. Коли провідник приєднується до полюсів батарейки електрони від полюса, де їх надлишок починають рухатися до іншого полюса, тому що однойменні заряди відштовхують один одного. Ці вільні електрони рухаються всередині провідника по всьому обсягу.
Рух електронів в RC ланцюга на рис. 3 має інший характер. Оскільки ланцюг не замкнутий (обкладки конденсатора не з'єднані один з одним) постійний струм у ланцюгу йти не може. Тому надлишок електронів з полюса батарейки призводить до того, що провідник втрачає електричну нейтральність. Надлишковий заряд q, розподіляється по поверхні провідника так, щоб напруженість поля всередині провідника була дорівнює нулю. Ну це зрозуміло, однойменні заряди відштовхуються і прагнуть розташуватися подалі один від одного, тобто на поверхні. Якби не було резистора R, то перерозподіл зарядів по поверхні відбувався б миттєво. Однак резистор обмежує струм (рух зарядів) тому перерозподіл відбувається поступово. У міру зарядки конденсатора напруга на ньому зростає і струм через резистор зменшується. Надлишкові електрони концентруються на одній обкладці і створюють електричне поле. Це поле відштовхує електрони, що знаходяться на іншій обкладці і «» проштовхує «» їх далі по провіднику до негативного полюса батареї. (Знаки + і - в даному випадку беремо умовно). Таким чином у незамкнутому ланцюгу протікає струм заряду конденсатора. Цей струм не постійний і зменшується з часом. Однак, якщо в якийсь момент поміняти полярність батареї, то струм потече вже в зворотний бік. Якщо це перемикання робити досить часто, так щоб конденсатор не встигав повністю зарядитися, то в ланцюги весь час буде текти струм, то в один, то в інший бік. Це і відбувається, коли кажуть, що «» конденсатор проводить змінний струм «».
Для плаского конденсатора ємність дорівнює C = ^ 0 * ^ * S/d, де d - зазор між обкладками, - діелектрична проникність речовини, що заповнює зазор, S - площа обкладок.
Тобто на ємність впливає не тільки площа обкладок і відстань між ними, але і матеріал діелектрика, який між обкладками поміщений. Причому на ємність конденсатора матеріал діелектрика може впливати досить сильно, з різними додатковими ефектами, див. наприклад статтю "Поляризація діелектрика" "
Література
"Драма ідей у пізнанні природи" ", Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю., 1988
«» Курс загальної фізики «», том II «» Електрика «» І.В.Савельєв
Вікіпедія - статті про електрику.