Принцип устройства простейшего (плоского) конденсатора представлен на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства плоского конденсатора.

1 обкладки,
2 диэлектрик

Емкость такого конденсатора определяется известной формулой

Определяется формулой

Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J/kg до 1 J/kg или от 0,03 mWh/kg до 0,3 mWh/kg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления.

Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах , принцип устройства которых изображен на рис. 2.

Рис. 2. .

1 металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.),
2 диэлектрик из окиси металла (Al2O3 , Ta2O5 или др.),
3 бумага и т. п., пропитанная электролитом (H3BO3 , H2SO4 , MnO2 или др.) и глицерином

Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно малое напряжение (обычно на несколько вольт).

Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (супер-конденсаторы, ионисторы) , обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита, и электролита (рис. 3).

Рис. 3. .

1 электроды из микропористого графита,
2 электролит

Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает, благодаря пористости, до 10 000 m2 на каждый грамм массы электродов, что позволяет достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее время ультраконденсаторы выпускаются на напряжение до 2,7 V и емкостью до 3 kF. Их удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от 0,5 Wh/kg до 50 Wh/kg и имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до 300 Wh/kg.

Технология изготовления ультраконденсаторов весьма сложна, и стоимость на единицу сохраняемой в них энергии поэтому намного выше, чем у других конденсаторов, доходя до 50 000 ?/kWh. Несмотря на это, благодаря простоте конструкции, малым размерам, надежности, высокому кпд (95 % и более) и долговечности (несколько миллионов циклов заряда-разряда), они стали применяться как в транспортных средствах, так и в промышленных силовых установках взамен электрохимических аккумуляторов и других средств аккумулирования энергии. Особо выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или когда требуется быстрая (секундная) зарядка аккумулирующего устройства. Например, в 2005 году в Шанхае началась опытная эксплуатация ультраконденсаторных автобусов, батарея конденсаторов которых заряжается во время стоянки автобуса на каждой остановке.

Старейшим конденсатором и заодно старейшим аккумулятором электрической энергии могут считаться янтарные предметы, электризацию которых при трении шерстяной тканью обнаружил греческий философ Фалес приблизительно в 590 году д. р. Х. Он же назвал это явление электронным (от греческого слова электрон, ‘янтарь’). Первые электростатические генераторы, изобретенные в 17-ом веке, тоже представляли собой шаровые или цилиндрические конденсаторы, на поверхности которых мог накапливаться электрический заряд, достаточный для вызывания разрядных явлений. Первым настоящим конденсатором считается все же усилительная склянка, изобретенная 11 октября 1745 года в ходе опытов по электризации воды физиком-любителем, деканом Камминского (Cammin) кафедрального собора Эвальдом Юргеном фон Клейстом (Ewald Jurgen von Kleist, 1700–1748) (рис. 4);

Рис. 4. Конденсатор Эвальда Юргена фон Клейста.

1 склянка, наполненная водой,
2 гвоздь, образующий вместе с водой верхнюю обкладку,
3 провод к электростатическому генератору,
4 металлическая тарелка (нижняя обкладка).
U напряжение

У этого прибора можно четко различить две обкладки и диэлектрик между ними. Первый плоский конденсатор изготовил в 1747 году лондонский врач Джон Бэвис (John Bevis, 1693–1771), а сам термин конденсатор (ит. condensatore, ‘сгущать‘) ввел в 1782 году профессор экспериментальной физики университета Павии (Pavia, Италия) Алессандро Вольта (Alessandro Volta, 1745–1827). Первые электролитические конденсаторы разработал в 1853 году заведующий Кенигсбергским физиологическим институтом (Konigsberg, Германия) Герман фон Гельмгольц (Hermann von Helmholtz, 1821–1894), а первый ультраконденсатор с электродами из пористого графита представил на патентование в 1954 году научный сотрудник электротехнического концерна Дженерал Электрик (General Electric, США) Говард Беккер (Howard I. Becker). Практическое применение ультраконденсаторов стало быстро развиваться в первые годы 21-го века.

В том случае, если обкладки заряженного конденсатора замыкают при помощи проводника, то в проводнике появляется электрический ток, и через некоторое время конденсатор разряжается. При прохождении тока по проводнику выделяется некоторое количество теплоты, следовательно, конденсатор, обладающий зарядом, имеет энергию.

Определим энергию заряженного конденсатора. Будем считать, что конденсатор заряжают и этот процесс происходит очень медленно. Мгновенное значение напряжения между его обкладками обозначим как u. Так как процесс зарядки считаем квазистатическим, между обкладками увеличивается бесконечно медленно. Тогда потенциал каждой обкладки в каждый момент времени можно считать одинаковым в любом месте обкладки. При увеличении заряда обкладки на величину dq, совершается внешняя работа (работа источника) равная :

Используем формулу, которая связывает заряд, емкость и напряжение, получим:

В том случае, если емкость не зависит от напряжения электрического поля, то работа идет на увеличение энергии конденсатора (dW). Проинтегрируем выражение (2), учитывая, что напряжение изменяется от 0 до величины U, имеем:

Применяя формулу:

выражение для энергии поля конденсатора можно преобразовать к виду:

Именно благодаря своей способности запасать энергию, конденсаторы имеют большое значение в радиотехнике и электронике.

Энергия поля плоского конденсатора

Напряжение между обкладками плоского конденсатора может быть найдено как:

где d — расстояние между пластинами конденсатора. Учитывая, что для плоского конденсатора емкость определена выражением:

где - объем конденсатора; E - напряженность электрического поля в конденсаторе. Объемная плотность энергии (w) может быть найдена как:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Напряжение между обкладками плоского конденсатора равна В, м. Пространство между пластинами конденсатора заполняет стекло. Какова объемная плотность энергии такого конденсатора (w)?
Решение	Величина объемной плотности энергии поля определена как: Энергия (W) поля конденсатора может быть найдена как: При этом электрическая емкость конденсатора равна: Используем выражения (1.2) и (1.3) для преобразования формулы (1.1), учтем, что: получаем: Из справочников найдем, что диэлектрическая проницаемость стекла равна: , проведем вычисления:
Ответ

ПРИМЕР 2

Задание

Конденсаторы , , соединены так, как указано на рис. 1. и включены в цепь с напряжением U. Какова энергия первого конденсатора ()?

Рассмотрим конденсатор емкостью С, с разностью потенциалов ф12между пластинами. Зарядфравен Сф13. На одной пластине имеет­ся заряд Q, а на другой - Q. У в е л и ч и м заряд от Q до Q rdQ, пере­неся положительный заряд dQ с отрицательно заряженной пластины на положительную, т. е. произведя работу против разности потенци­алов ф12. Затраченная работа равна dW=(fi2dQ=QdQ;C. Следова­тельно, для того чтобы зарядить незаряженный конденсатор неко­торым конечным зарядом QK, требуется затратить работу

Это и есть энергия, «запасенная» в конденсаторе. Ее можно также выразить уравнением

U = Сф12/2. (21)

Емкость плоского конденсатора с площадью пластин А и зазором s равна C=A!4ns, а электрическое поле E=(p12/s. Следовательно, уравнение (21) эквивалентно также выражению

Это выражение согласуется с общей формулой (2.36) для энергии, запасенной в электрическом поле *).

*) Все вышесказанное относится к «воздушным конденсаторам», выпол­ненным из проводников, между которыми находится воздух. Как вам извест­но из лабораторных работ, большинство конденсаторов, применяемых в элек­трических контурах, заполнено изоляторами или «диэлектриками». Мы будем изучать свойства таких конденсаторов в гл. 9.

Было бы ошибочным создать впечатление, что не существует общих методов решения граничной задачи для уравнения Лапласа. Не имея возможности подробно рассмотреть этот вопрос, мы укажем на три полезные и интересные метода, с которыми вы встретитесь при дальнейшем изучении физики или прикладной математики. Первый метод - это элегантный метод анализа, называемый конформным отображением; он основан на теории функций комплексного пере­менного. К сожалению, его можно применять только к двумерной системе. Существуют системы, в которых ср зависит только от х и у, например, случай, когда все поверхности проводников расположены параллельно оси 2. Тогда уравнение Лапласа принимает вид

с граничными условиями, заданными на некоторых линиях или кри­вых в плоскости ху. В практике встречается много таких систем, или подобных им, поэтому метод, помимо математического интереса, является практически полезным. Например, точное решение для по­тенциала вблизи двух длинных парал­лельных полос легко получить мето­дом конформного отображения. Сило­вые линии и эквипотенциальные поверхности изображены в попереч­ном сечении па рис. 3.16. Рисунок дает нам представление о краевом эффекте поля плоских конденсаторов, длина которых велика по сравнению с расстоянием между пластинами. Поле, изображенное на рис. 3.11, б, было построено на основании такого решения. Вы сможете пользоваться этим методом после того, как более глубоко изучите функции комплек­сного переменного.

Вторым методом является числен­ное определение приближенных реше­ний задачи об электростатическом потенциале при заданных граничных

условиях. Этот очень простой и почти универсальный метод основан на свойстве гармонических функций, с которым вы уже знакомы: значение функции в точке равно ее среднему значению по окрестности этой точки. В этом методе потенциальная функция <р представлена только значениями ряда дискретных точек, включая дискретные точки на границах. Значения функции в точках, не лежащих на границах, подбираются до тех пор, пока каждое из них

Рис. 3.16. Силовые линии и эквипо­тенциальные поверхности для двух бесконечно длинных проводящих полос.

не будет равно среднему из соседних значений. В принципе это мож­но сделать, решая одновременно большое количество уравнений, равное числу внутренних точек. Но приближенное решение можно получить гораздо проще, систематически изменяя каждое значение, чтобы приблизить его к среднему из соседних значений, и повторяя этот процесс до тех пор, пока изменения не станут пренебрежимо малыми. Этот метод носит название метода релаксации. Единствен­ным препятствием к применению этого метода является трудоем­кость процесса вычисления, но теперь это препятствие устранено, так как расчет производится быстродействующими вычислительными машинами, которые идеально подходят для этого метода. Если вам это интересно, обратитесь к задачам 3.29 и 3.30.

Третьим методом приближенного решения краевой задачи яв­ляется вариационный метод. Он основан на принципе, который встречается во многих разделах физики, от ньютоновской динамики до оптики и квантовой механики. В электростатике этот принцип выражается в следующей форме: нам уже известно, что полная энер­гия электростатического поля дается выражением

Если вы решили задачу 2.19, то знаете, что в этом очень простом случае заряд на проводящей поверхности с постоянным потенциалом (состоящей из двух сфер, связанных проводом) распределен таким образом, чтобы энергия, запасенная во всем поле,была минималь­ной. Это общее правило. В любой системе проводников, при раз­личных фиксированных значениях потенциалов, заряд распреде­ляется по каждому проводнику таким образом, чтобы значение энер­гии, запасенной в поле, стало минимальным. Это становится почти очевидным, если указать, что любое уменьшение полной энергии по­ля связано с совершением работы перераспределения заряда *). Плоская поверхность воды в сосуде имеет то же объяснение.

Рассмотрим теперь потенциальную функцию q>(x, у, г) в некото­рой области, заключающей в себе несколько граничных поверхно­стей с заданными потенциалами. Точное значение функции ф(х, у,г), т. е. решение уравнения У2ф = 0, удовлетворяющее заданным потен­циалам на границах, отличается от всех других функций, удовлетво­ряющих граничным условиям, но не удовлетворяющих уравнению Лапласа, например от 1|з(лг, у, z), так как запасенная энергия для ф меньше, чем для г|э. Выразим энергию через ф, как в уравнении (2.38):

*) Рассуждая таким образом, мы считаем, что течение заряда сопровождается некоторым рассеянием энергии. Это так обычно и бывает. В противном случае система, не находящаяся вначале в состоянии равновесия, не могла бы придти в это состояние, избавившись от лишней энергии. Как вы думаете, что произошло бы в этом случае?

Теперь мы можем поставить граничную задачу по-новому, не упоминая о лапласиане. Потенциальная функция - это та функция, которая минимизирует интеграл уравнения (25) по сравнению со всеми другими функциями, удовлетворяющими тем же граничным условиям. Следовательно, возможным методом получения прибли­женного решения данной краевой задачи является испытание боль­шого количества функций, имеющих заданные граничные значения, и последующий выбор той функции, которая обеспечивает минималь­ное значение U. Можно также взять функцию с одним или двумя переменными параметрами и использовать эти математические «кнопки» для минимизации U. Этот метод особенно удобен для опре­деления самой энергии, часто наиболее важной неизвестной величи­ны. Поскольку энергия U минимальна для точного значения ф, то она мало чувствительна к отклонениям от этого значения. Задача 3.32 иллюстрирует простоту и точность вариационного метода.

Вариационный принцип представляет собой альтернатив­ную формулировку основного закона электростатического поля, и это для нас более существенно, чем польза, которую он при­носит при вычислениях. Известно, что формулировка физических законов в виде вариационных принципов часто весьма плодотворна. Профессор Р. П. Фейнман, известный своими блестящими работами в этой области, дал живое и элементарное изложение вариационных идей в книге «Фейнмановские лекции по физике» (см. т. 6, гл. 19).

К моменту написания этого раздела в сети были довольно мало доходчивого описания ионисторов. И авторы этих материалов часто использовали термин "Двойной электрический слой". Не хочу ругать любителей строгой терминологии, но на процесс понимания принципов работы ионистора эти три слова оказывают отрицательное влияние. Итак, дальше текст с понятными словами.

Ионистор - это суперконденсатор

Назначение ионистора - накапливать электрический заряд. И накапливает он его так же, как и обычный электрический конденсатор. Из школьного курса физики: обычный конденсатор - это две пластины разделенный изолятором. Когда на одной из платин появляется избыток электронов, а на другой - недостаток, электроны (-) с первой пластины устремляются поближе ко второй - положительно-заряженной (+). И если отключить батарейку от конденсатора, то напряжение на нем останется, потому что на разных платинах разная плотность электронов.

Можно использовать обычный конденсатор для накопления энергии, но его емкость обычно очень мала.

Расчет энергии конденсатора

W = (C * U 2)/2

W = (0.000001 * 1 2) / 2 = 0,0000005 Джоулей.

Это не энергия, а слезы. Для того, чтобы сдвинуть автомобиль с места - маловато будет. Из формулы видно, что чтобы увеличить энергию нужно увеличивать или емкость, или напряжение. Но напряжение увеличить сложно. Работать с напряжение в миллиард вольт неприятно. Поэтому остается один путь - увеличивать емкость. Чтобы увеличить емкость конденсатора нужно или увеличивать площать пластин или уменьшать расстояние между ними. Ионитор, как раз, может похваститься и невероятно маленьким расстоянием и огромной площадью. А делается это так.

Как работает ионистор

Чтобы увеличить площадь в ионисторах отказываются от пластин. Они есть, но емкость от их площади больше не зависит. В ионисторе роль платин выполняет порошок из углерода. Углерод, хоть и не яляется металлом, но у него много свободных электронов и, соответственно, он хорошо проводит электрический ток. Его можно раскрашить и массу из этого порошка приложить к электроду. Общая площадь электрода увеличится в миллионы раз. Так же поступают и со вторым электродом. Но пока у нас эти электроды разделены воздухом. Теперь окунаем эти электроны, в электролит.

Пусть электролитом будет обычная соленая вода (NaCl и H 2 O). Из физики известно, что в электролитах ток течет благодаря ионам - заряженным частицам вещества. В нашем случае это будут ионы натрия (Na+) и ионы хлора (Cl-).

Заряжаем ионистор

Если подать напряжение на электроды, то ионы натрия побегут к отрицательному электроду, а ионы хлора к положительному. Это и будет процесс заряда ионистора.

В конце концов, на положительно заряженной массе из углерода будет максимальное количество отрицательных ионов хлора, а на отрицательной - положительных ионов натрия. Ионы прилипнут к частицам углерода со всех сторон и останутся там, даже если убрать внешний источник напряжения.

Вот таким образом и работает ионистор. Вот только важное уточнение. Углеродные массы электродов не должны соприкосаться, чтобы электроны с одного не перебежали на другой. Поэтому обычно между электродами из пористого угля помежают изолятор. Его еще называют сепаратором или разделителем. У него две роли:

не давать ионам самопроизвольно перемежаться между электродами

исключать прикосновения электровов из углерода и тока из электронов

Разряжаем ионистор

Если подключить нагрузку к заряженному ионистору, то у электронов из углеродных электродов появиться стимул перебежать на другой электрод, проделав так нужную нам работу. Заряд на электродах по мере разрядки уменьшается и углерод больше не может их удерживать. И электролит снова становится однородным.

Расчет энергии ионистора

Емкость современных миниатюрных ионисторов достигает единиц Фарад. Для обычных конденсаторов - это единица МИКРОфарад. Т.е. если воспользовать формулой, то получится что ионистор на 100 фарад при напряжении в 1 вольт может сохранять энергию в 50 Джоулей. А это уже неплохо.

Конденсаторы являются неотъемлемой частью электрических схем. В большинстве случаев оперируют такими понятиями, как емкость и рабочее напряжение. Эти параметры являются основополагающими.

В некоторых случаях для более полного понимания работы упомянутого элемента необходимо иметь представление, что означает энергия заряженного конденсатора, как она вычисляется и от чего зависит.

Определение понятия энергии

Наиболее просто вести рассуждения применительно к плоскому конденсатору. В основе его конструкции лежат две металлических обкладки, разделенные тонким слоем диэлектрика.

Если подключить емкость к источнику напряжения, то нужно обратить внимание на следующее:

• На разделение зарядов по обкладкам электрическим полем затрачивается определенная работа. В соответствии с законом сохранения энергии, эта работа равняется энергии заряженного конденсатора;
• Разноименно заряженные обкладки притягиваются друг к другу. Энергия заряженного конденсатора в этом случае равняется работе, затраченной на сближение пластин друг к другу вплотную.

Данные соображения позволяют сделать вывод, что формулу энергии заряженного конденсатора можно получить несколькими способами.

Вывод формулы

Энергия заряженного плоского конденсатора наиболее просто определяется, исходя из работы по сближению обкладок.

Рассмотрим силу притяжения единичного заряда одной из обкладок к противоположной:

В данном выражении q0 – величина заряда, E – напряженность поля обкладки.

Поскольку напряженность электрического поля определяется из выражения:

E=q/(2ε0S), где:

• q – величина заряда,
• ε0 – электрическая постоянная,
• S – площадь обкладок,

формулу силы притяжения можно записать как:

Для всех зарядов сила взаимодействия между обкладками, соответственно, составляет:

Работа по сближению пластин равняется произведению силы взаимодействия на пройденное расстояние. Таким образом, энергия заряженного конденсатора определяется выражением:

Важно! В приведенном выражении должна быть разница в положениях пластин. Записывая только одну величину d, подразумеваем, что конечным результатом будет полное сближение, то есть d2=0.

С учетом предыдущих выражений можно записать:

Известно, что емкость плоского конденсатора определяется из такого выражения:

В результате энергия определяется как:

Полученное выражение неудобно тем, что вызывает определенные затруднения определения заряда на обкладках. К счастью, заряд, емкость и напряжение имеют строгую взаимосвязь:

Теперь выражение принимает полностью понятный вид:

Полученное выражение справедливо для конденсаторов любых типов, не только плоских, и позволяет без затруднений в любой момент времени определять накопленную энергию. Емкость обозначается на корпусе и является величиной постоянной. В крайнем случае ее несложно измерять, используя специальные приборы. Напряжение измеряется вольтметром с необходимой точностью. К тому же очень просто зарядить конденсатор не полностью (меньшим напряжением), снизив, таким образом, запасенную энергию.

Для чего необходимо знать энергию

В большинстве случаев применения емкостей в электрических цепях понятие энергии не употребляется. Особенно это относится к время,- и частотозадающим цепям, фильтрам. Но есть области, где необходимо использовать накопители энергии. Наиболее яркий пример –фотографические вспышки. В накопительном конденсаторе энергия источника питания накапливается сравнительно медленно – несколько секунд, но разряд происходит практически мгновенно через электроды импульсной лампы.

Конденсатор, подобно аккумулятору, служит для накопления электрического заряда, но между этими элементами есть много различий. Емкость аккумулятора несравненно выше, чем у конденсатора, но последний способен отдать ее практически мгновенно. Лишь недавно, с появлением ионисторов, это различие несколько сгладилось.

Какова же ориентировочная величина энергии? Можно для примера вычислить ее для уже упомянутой фотовспышки. Пускай, напряжение питания составляет 300 В, а емкость накопительного конденсатора – 1000 мкФ. При полном заряде величина энергии составит 45 Дж. Это довольно большая величина. Прикосновение к выводам заряженного элемента может привести к несчастному случаю.

Важно! Принудительный разряд путем закорачивания выводов металлическими предметами чреват выходом устройства из строя. Накопленная энергия конденсатора способна за долю секунды расплавить выводы внутри элемента и вывести его из строя.

Видео