|
|
Неполярные (высокочастотные) органические диэлектрики.Полиэтилен - продукт полимеризации газообразного этилена. По условию полимеризации делится на полиэтилен высокого давления (ПВД) и полиэтилен низкого давления (ПНД). ПНД обладает более высокой прочностью, а ПВД - эластичностью (600 %), химически стоек, нагрев резко снижает прочность. Выпускается в виде гранул, листов, плёнки. В РЭА применяется в качестве плёночной изоляции ВЧ- кабелей, для каркасов катушек, ВЧ- кондиционеров свойства приведены в таблице. Полистирол - полимер стирола. Прозрачный стеклообразный материал, химически стойкий, влагостойкий, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Хорошо работает в ВЧ и СВЧ диапазоне. Применяют в виде плёнок, каркасов катушек, ламповых панелей, антенных изоляторов, ВЧ- разъёмов и т.д. Недостаток - низкая нагревостойкость, склонность к старению. Эти недостатки частично устраняют добавлением до 30% кварцевой муки либо белой сажи. Фторопласт - 4 (политетрафторэтилен) - термопластичный полимер молочно-белого цвета. Изделия получают прессованием и спеканием. Является одним из лучших диэлектриков для работы в ВЧ и СВЧ диапазоне. Высокая нагревостойкость (300 °С). Химическая стойкость выше золота и платины. Имеет малый коэффициент трения, мягок, легко обрабатывается резанием. Используется в виде плёнок ВЧ изоляции, деталей уплотнения и трения скольжения. Свойства неполярных полимеров Таблица 2
Слабо полярные (низкочастотные) полимеры. Сюда относятся каучуковые материалы. Их производят на основе натурального (НК) или синтетического (СК) каучука. В чистом виде они обладают низкой прочностью, низкой нагревостойкостыо и плохими диэлектрическими свойствами. Эти недостатки устраняются с помощью вулканизации (140-145° С) под давлением в течение 40-120 мин. с добавлением серы и других наполнителей. Получается резина 5-7 % S- мягкая; 7-14%- твёрдая резина; >30-35% "роговая" резина-эбонит. Электроизоляционные свойства каучуковых материалов. Таблица 3
Полярные низкочастотные полимеры. К этой группе диэлектриков относятся: поливинилхлорид, капрон, нейлон, фторопласт-3, лавсан, силиконы. Для полярных полимеров характерны высокое значение ε и tgδ. Чаще всего полярные полимеры термопластичны, обладают линейной структурой молекул. Электроизоляционные свойства полярных полимеров приведены в таблице 4: Поливинилхлорид - термопластичный низкотемпературный материал. Химически стоек, легко обрабатывается резанием, литьём, прессованием, штамповкой. Листовой - винипласт. Лавсан в зависимости от скорости охлаждения может быть кристаллическим или аморфным. При содержании до 75% кристаллической фазы обладает повышенной механической прочностью и нагревостойкостью (265°С). Лавсановые плёнки обладают высокими электроизоляционными свойствами. При микронных толщинах Екр -1000 МВ/м.
Электроизоляционные свойства полярных полимеров Таблица 4
Лавсан в зависимости от скорости охлаждения может быть кристаллическим или аморфным. При содержании до 75% кристаллической фазы обладает повышенной механической прочностью и нагревостойкостью (265°С). Лавсановые плёнки обладают высокими электроизоляционными свойствами. При микронных толщинах Екр -1000 МВ/м. Капрон, нейлон - полиамидные смолы, обладают высокой механической прочностью. Используются как конструкт. Фторопласт 3 (политрифторэтилен) не обладает текучестью. Силиконы - кремний органические смолы. Кремний повышает нагревостойкость. Недостаток - нестойкость к органическим растворителям и маслам.
Электроизоляционные волокнистые и слоистые пластики. Их достоинство - высокая механическая прочность и гибкость, лёгкая обрабатываемость и дешевизна. Они обладают невысокой электрической прочностью. Недостаток - высокая гигроскопичность. Для улучшения свойств пропитывают жидкими диэлектриками. По виду исходного сырья различают: - материалы из растительных волокон (бумага, картон, х/б ткань); - материалы из животных волокон (натуральный шёлк); - материалы из синтетических волокон (ацетатный шёлк, капрон, лавсан и др.); - материалы из неорганических волокон (стеклоткань, асбест). Наиболее применимы в радиоэлектронной аппаратуре: конденсаторная бумага, электрокартон, хлопчатобумажная ткань (текстолит), стекловолокно (стеклотекстолит). Конденсаторную бумагу производят из древесины хвойных пород. Два сорта: КОН- 1-средней плотности, КОН - 2 -особо высокой плотности. По толщине 0,004 - 0,002 мм. Для улучшения механических и диэлектрических свойств пропитывают жидкими диэлектриками. У пропитанной конденсаторной бумаги электрическая прочность возрастает в 3-6 раз. Однако бумага склонна к старению при длительном воздействии электрического тока. При старении все диэлектрические характеристики ухудшаются. Электрокартон отличается от конденсаторной бумаги большей толщиной - 0,1 - 3мм. Гетинакс - слоистый материал, состоящий из хлопчатобумажной или шёлк (натуральный, синтетический), пропитанный связующим веществом. Стеклотекстолит - из стеклянной нити. Тонкая стеклянная нить по прочности сравнима со стальной нитью того же диаметра. Основные свойства: высокая нагревостойкость, малая гигроскопичность и высокие диэлектрические свойства. Материалы печатных схем. Для производства печатных плат применяют слоистые пластики, на которые наклеивают тонкую металлическую фольгу, так, например фольгированные пластики. Фольгу наклеивают с одной или с двух сторон пластика (односторонние, двусторонние). В качестве клея используют термореактивные смолы. Фольгированный гетинакс - дешевый материал, но используется в основном в бытовой РЭА. Он чувствителен к температуре, влажности, частоте. Лучшими свойствами обладают фольгированные стеклотекстолиты.
Характеристики фольгированных пластиков. Таблица 5
Для нужд микроэлектроники освоен выпуск гибких фольгированных лент, которые позволяют по сравнению с обычным радиомонтажом уменьшить в десятки раз массу и объём аппаратуры, снизить затраты на её производство.
Неорганические диэлектрики. Основу неорганических диэлектриков составляют оксиды металлов. Разнообразие оксидов даёт выбор диэлектриков с различными диэлектрическими и механическими свойствами. Для неорганических диэлектриков характерна высокая нагревостойкость. Их часто используют в сочетании с органическими, что позволяет реализовать лучшие свойства, присущие обоим классам диэлектриков. Неорганические стёкла. Стёкла независимо от состава - аморфные материалы. При нормальных условиях обладают механическими свойствами твёрдых тел. При нагреве плавно меняют свои физико-химические свойства. Образуются при охлаждении расплава, состоящего из оксидов и различных технологических добавок - стеклообразующей шихты. В состав шихты могут входить кислотные оксиды SiO2, В2Оз, P2O5; основные оксиды Nа2О3, К2О, СаО, MgO и другие. При варке стекла, оксиды образуют силикаты, бораты, алюминаты. Если в составе стекла содержится SiO2, они называются силикатными. Химический состав стекла определяет его свойства. С увеличением SiO2 увеличивается тугоплавкость, улучшаются его диэлектрические свойства, снижается коэффициент линейного расширения. Присутствие щелочных оксидов снижает tgδ уменьшает нагревостойкость. В микроэлектронике получили распространение тонкие диэлектрические плёнки. Рассмотрим некоторые методы получения диэлектрических материалов (плёнок), поскольку они непосредственно влияют на их свойства. Рассмотрим методы получения силикатных пленок: - методы термического окисления поверхности кристаллического кремния; - методы осаждения диэлектрических пленок из парогазовой среды; Эти методы применяют в ходе технологического процесса изготовления современных микросхемах. Термическое окисление - сложный физико-химический процесс. Он включает: диффузия окислителя из готовой среды к поверхности Si; химическая реакция окисления (с образовании пленки оксида); диффузия окислителя через слой оксида; химическая реакция на границе раздела SiO2-Si. Окисления проводят в обезвоженном (сухом) кислороде или в парах воды. Пластины Si помещают в кварцевую трубу, проходящую через печь. Через трубу пропускают поток окислителя. Температура 1000-1250°С. Реакция: Si + О2 Si + 2Н2O Скорость роста пленки в парах воды, чем в чистом кислороде, однако оксидная пленка получается рыхлой. 2) В последнее время распространение получили процессы осаждения диэлектрических пленок проведением химических реакций на поверхности нагретых подложек в специально составленных газовых смесях. Энергию для протекания этих химических реакций подводят в виде тепла; облучением квантами света; тлеющим плазменным разрядом. Термическое осаждение диэлектрических пленок из парогазовой среды ведется в специальном реакторе.
Реактор для химического ожидания диэлектрических пленок из парогазовой смеси. 1) Печь; 2) Пьедестал; 3) Подложки.
Давление в камере 30-250 Па, Т=300-900 С. Подложки устанавливают перпендикулярно газовому потоку. Достаточная однородность пленок (5%); возможность обработки подложек больших размеров. Недостатки - низкая скорость осаждения; использование токсичных и химических агрессивных газов. В качестве нагревателей: источник инфокрасного измерения; токи высокой частоты; резистивный нагрев.
а) SiH4 + O2 б) SiCl4 + 2Н2O Получение нитрида кремния(Si3N4) a) 3SiH4 + 4NH3 б) 3SiCl2H2 +4NH3 в) 3SiCl4 + 4NH3 Плазмохимическое осаждение диэлектрических пленок. Рисунок Реактор для плазмохимического осаждения диэлектрических пленок. 1 высококачественный ввод 2) Изолятор 3) Верхний электрод 4) Нижний электрод 5) Пьедестал 6) Подложки При подаче в.ч. напряжения на электроды образуется тлеющий разряд, который служит источником энергии для протекания химических реакций. Нижний электрод нагревается резистивным или инфокрасным нагревателем до T=100 - 400 С, давление 7-100 Па. Достоинства: низкая температура осаждения пленок Недостатки: небольшой объем; трудность автоматизации нагрузки и разгрузки; возможность загрязнения подложек рыхлым осадком. Химические реакции: Оксида кремния SiH4 + N2О Нитрида кремния SiH4 + NН3 2SiH4 + N2 Состав пленки может быть разным в зависимости от условий протекания реакции: Si, Nx, Ну, где X и Y зависят от частоты, давления, температуры, и т.д. Диэлектрические свойства некоторых пленок.
Керамика. В.ч. керамика - наиболее используемый диэлектрический материал в электронике. Он отличается нагревостойкостью, влагостойкостью, стабильностью, химической нейтральностью, дает прочный контакт с металлами путем пайки мягкими и твёрдыми припоями. Основные компоненты: оксиды Al, Si, Ti, Циркония Zr, Sn, Mg, и др. Три типа керамики: А - в.ч. для конденсаторов; Б - н.ч. для конденсаторов; В - в.ч. для установочных изделий (каркасы, панели, стойки, и т.д.) Слюдяные материалы. Слюда является минерал, легко расщепляется на тонкие листочки. По химической природе слюда относится к водным алюмосиликатам. В качестве примесей содержит Fe, Na, Ca, и др. Слюда имеет высокую электропрочность. Епр=100..200 МВ/м, нагревостойкость (Тпл=1250.. 1300 С). Свойства зависят от температуры. Изоляционные материалы: Миканит, микаткань, стекломикаткань. Микалекс - смесь порошкообразной слюды и тонко размолотого легкоплавкого стекла. Новомикалекс - на основе искусственной слюды, tg =0,0008; Т=600 С; Епр=30МВ/м
Активные диэлектрики. Поляризация под действием механических напряжений. Пьезоэлектрики. Известно, что обязательным исследованием механических напряжений в упругом теле является деформация, значение которой определяется модулем упругости. Но в некоторых кристаллах помимо деформации обнаруживается еще и поляризованность. Материалы, способные поляризоваться под действием механических напряжений в отсутствии внешнего электрического поля, называются пьезоэлектриками, а физическое явление электризации, сопровождающей деформацию - пьезоэффектом. Его причиной служит смещение положительных и отрицательных ионов или отдельных фрагментов молекул в кристаллах, не имеющие центра симметрии.
Пьезоэффект в них можно вызвать не только чистым сжатием или растяжением, но и скручиванием, изгибом, сгибом. Пьезоэффект обратим, т.е. пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле деформируется.
Количественной мерой пьезоэффекта является пьезомодуль - коэффициент пропорциональности между поляризованностью и механическим напряжением. P=d * δ где, d - пьезомодуль, Кл/Н. Среднее значение d находится на уровне 10-10 Кл/Н По физико-химическим свойствам ПЭ (пьезоэлектрики) делятся на 2 группы: а) воднорастворимые б) воднонерастворимые 1) АДР (дигидрофосфот алюминия), сульфат лития, сегнетова соль. Достоинства - большие значения пьезомодуля, возможность выращивания совершенных монокристаллов из водных растворов. Недостатки - малая механическая прочность, малая термическая и химическая стабильность, сильная гигроскопичность. 2) Кварц, ниоба лития (LiNbOs), танталит лития (LiTaOs) Кварц - твёрдый химически стойкий, термостойкий материал с высокими стабильными упругими и электрическими свойствами в широком диапазоне температур (в плоть до 873 К). Кристаллы имеют сложную форму. Из них вырезают пластины т.н. среды с разнообразными свойствами - пьезомодулями, добротностью, частотой колебаний, температурным коэффициентом. Потребность высокая природного кварца (кристаллов) не хватает. Научились выращивать гидротермальный метод - кристаллизация SiО2 из садовых растворов при повышенных температурах (633..673К), и давлениях (107 Па), в автоклавах скорость выращивания = 0,5 мм в сутки. Крупный кристалл выращивается до полугода. Кварц используется для стабилизации частоты 1 кГц - 200 МГц, генерация и прием ультразвуковых стандартной частоты дают суточное отклонение 10-12 % от наминала.
На рис. (1а) показана плотная металлическая сфера, заряженная отрицательно, (Для простоты нарисованы только дополнительно внесенные электроны). Благодаря взаимному отталкиванию электронов они располагаются равномерно по поверхности сферы, а внутри сфера остается нейтральной. Если этим же зарядом (этим же количеством электронов) наэлектризовать другую металлическую сферу большего размера, то электроны расположатся опять на ее поверхности, но дальше друг от друга (рис 1б). В таком случае говорят, что электрическая емкость второй сферы больше. И действительно, для того, чтобы получить ту же самую плотность частиц, надо добавить к сфере еще электронов.
Теперь ясно, что металлические тела больших размеров имеют большую электрическую емкость. Однако емкость любой системы можно увеличить не только за счет увеличения ее размеров, но и другими способами. Это показано на рис (1в), где два одинаковых металлических тел, заряженных разноименными зарядами, помещены близко друг к другу. Благодаря взаимному притяжению заряды располагаются более густо на обращённых друг к другу сторонах тел. Так «освобождается место» для введения дополнительных внешних зарядов, т.е. увеличивается емкость. Эта особенность используется в различных видах конденсаторов. Можно еще добавить, что любое заряженное тело является носителем определенной энергии. Эта энергия введена внешней причиной, которая зарядило тело. Аналогичный случаи представляет собой надутая автомобильная шина, она - «носитель» энергии, переданной тем, кто надул шину. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНДЕНСАТОРАХ.
Рис. 2 а) и б) устройство конденсатора; в) обозначение конденсатора Система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком, называется конденсатором (рис. 2). Главным свойством конденсатора является то, что на его обкладках (электродах) могут накапливаться равные по величине и противоположные по знаку электрические заряды. Другим важным свойством конденсатора является его способность пропускать переменный ток и. не пропускать постоянный. (В дальнейшем рассмотрим это подробнее). На рис (За) схематично показан незаряженный конденсатор, металлические обкладки которого электрически нейтральны, потому, что число положительных и отрицательных частиц на каждом электроде одинаково, и они взаимно нейтрализуются. В заряженном конденсаторе положительному электроду (обкладке) недостает свободных электронов, а отрицательный имеет избыток (рис. 3б). В этом случае между обкладками заряженного конденсатора существует определенное напряжение, а б диэлектрике возникает электрическое поле.
Рис. 3. а) в незаряженном конденсаторе одна из его обкладок нейтральна; б) положительная обкладка заряженного конденсатора имеет недостаток электронов, а отрицательная - избыток.
Напряжение между обкладками, которое возникает при зарядке конденсатора, зависит от количества электричества, так и от емкости конденсатора. Если два конденсатора различной емкости зарядить одним и тем же количеством электричества, то напряжение на меньшем конденсаторе будет выше напряжения на большем. Подобный случай представляют два различных по величине сосуда, в которые налито одинаковое количество воды. Очевидно, уровень воды в меньшем сосуде будет выше уровня в большем (рис. 4).
Единица измерения электрической емкости называется фарада (Ф) в честь английского физика Майкла Фарадея (1791 - 1867). Конденсатор имеет емкость 1 фарада, если при зарядке его одним кулоном электричества получаем между обкладками напряжение 1 вольт. Следовательно, можно записать: 1 фарад = 1 кулон / 1 вольт. Поскольку емкость обозначается буквой С, количество электричества - Q, напряжение U, получим такую формулу: C = Q/U. Эта формула определяет связь между емкостью конденсатора, количеством электричества, которым заряжен конденсатор, и напряжением, возникающим между его электродами. Конденсатор емкостью 1Ф имел бы очень большие размеры. Поэтому применяемые на практике конденсаторы имеют значительно меньшую емкость, для измерения которой используются единицы микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ). Эти единицы могут быть представлены в таком виде: 1мкф = 10 -6Ф; 1нФ = 10 -9Ф; 1пФ=10 -12Ф. Отсюда видно, что 1мкФ = 1000нФ, а 1нФ = 1000пФ.
Пример. Какое напряжение возникнет между обкладками конденсатора емкостью 20 мкФ, если зарядить его зарядом в 0,001 кулона? Используя формулу (1), находим: U = Q/С = 10 -3 / 20 * 10 -6 = 103 / 20 = 50 В.
Если тем же количеством электричества зарядим конденсатор емкостью 1пФ, то между его обкладками возникнет напряжение 1 миллион вольт! Выше мы выяснили, что емкость зависит как от размеров конденсатора, так и от условий для взаимного притяжения противоположных по знаку зарядов. С увеличением площади обкладок увеличивается и емкость конденсатора, потому что создаются условия для накопления большего количества зарядов. Однако этот способ увеличения емкости приводит к увеличению размеров самого конденсатора, а это нежелательно. Другим способом увеличения емкости данного конденсатора является уменьшение расстояния между его обкладками. В результате разноименные заряды оказываются ближе друг к другу, электрическое поле между его обкладками становиться более интенсивным и силы притяжения между зарядами увеличиваются. Таким образом, на каждой обкладке заряды скапливаются более густо и освобождают место для других зарядов, т.е. емкость увеличивается. Но сближать обкладки можно только до определенного предела, после чего значительно увеличивается опасность короткого замыкания или пробоя.
РОЛЬ ДИЭЛЕКТРИКА
Наиболее рациональный способ увеличения емкости конденсатора - это помещение подходящего диэлектрика, между эго обкладками. Рассмотрим это подробнее Рис.5.
В нормальном состоянии валентные электроны любого диэлектрика обращаются вокруг атомного ядра по круговым орбитам (последние показаны символично на рис. 5а). При помещении диэлектрика в электрическое поле, оно действует на обращающиеся электроны и деформирует их орбиты. В результате этого молекулы диэлектрика превращаются в диполи, т.е. в частицы, которые на своих противоположных концах заряжаются разноименно (рис. 5б). Находящиеся внутри диэлектрика разноименные заряды взаимно нейтрализуются, а заряды на его двух противоположных сторонах остаются нескомпенсированными, т.е. их можно рассматривать как фиктивные (несвободные, связанные с веществом) заряды, расположенные на поверхности диэлектрика (рис. 5в). Это явление называется поляризацией диэлектрика. Чем больше фиктивных зарядов образуется на поверхности диэлектрика, тем более они поляризуются.
На рис. ба показан заряженный конденсатор, между обкладками которого есть вакуум (свободное пространство). Как уже нам известно, емкость такого конденсатора зависит от площади обкладок и расстояния между ними. Следует отметить, что здесь заряды на каждой из обкладок не расположены особенно плотно друг к другу. Это получается потому, что расстояние между двумя обкладками довольно большое и силы взаимного притяжения между зарядами не особенно велики. На рис. 66 между электродами такого же заряженного конденсатора помещен диэлектрик. Вследствие возникшей поляризации фиктивные заряды на поверхности диэлектрика оказываются очень близко к зарядам на обкладках, и поэтому силы взаимного притяжения более значительны. Таким образом, заряды на обкладках скапливаются гуще и освобождают место для других зарядов (рис. 6б), т.е. емкость конденсатора увеличивается. Очевидно, чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем значительнее увеличивается емкость конденсатора. В количественном отношении степень поляризации характеризуется величиной εr, которая называется относительной диэлектрической проницаемостью вещества. Для различных диэлектриков эта величина различна (например, для стекла εr =3/12, для слюды εr =6/8, а для воздуха εr=1 и т.д.) и дается в справочниках. Большинство наиболее применяемых диэлектриков имеют εr в пределах от 1 до 20. Существует, однако, особая группа веществ, называемых сегнетоэлектриками, у которых поляризация чрезвычайно сильна и εr =50/100000. Сегнетоэлектрики используются для изготовления миниатюрней конденсаторов, обладающих относительно большой емкостью. В заключении следует добавить, что диэлектрики, используемые для изготовления конденсаторов, должны обладать не только большим значением относительной диэлектрической проницаемости, но и удовлетворять следующим условиям: а) иметь большую электрическую прочность, т.е. тонкий слой диэлектрика должны выдерживать значительные напряжения, чтобы не наступил пробой; б) иметь не большие потери на высоких частотах. Когда между обкладками конденсатора действуют переменные напряжения, они вызывают циклическую переориентацию молекул диэлектрика, что, со своей стороны, приводит к его нагреву, а это является излишней потерей энергии. Хорошие диэлектрики на высоких частотах нагреваются сравнительно слабо. Таковы, например, полистирол, специальная керамика и т.д.
ЕМКОСТЬ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА
В предыдущих параграфах мы выяснили, что чем больше площадь обкладок, чем меньше расстояние между ними и чем больше диэлектрическая проницаемость используемого диэлектрика, тем больше емкость данного конденсатора. Емкость плоского конденсатора с одинаковыми обкладками вычисляется по формуле: C = 8,85*10 -12* εr*S/d. Здесь εr - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S - площадь одной из обкладок в м2 a d - расстояние между обкладками в метрах.
Пример. Найти емкость плоского конденсатора, если S = 100 см2, d = 1 мм, а диэлектрик - вощеная бумага с εr = 4. Приводим величины к основным единицам и подставляем в верхнюю формулу C = 8,85*10 -12* εr*S/d = 8,85*10 -12 * 4 * 10 -2/10 -3 = 354*10 -12 Ф = 354 пФ. Учитывая вышесказанное, можем дать следующее физическое объяснение величины εr: относительная диэлектрическая проницаемость данного диэлектрика - это число, которое показывает, во сколько раз возрастает емкость данного плоского вакуумного конденсатора, если вместо вакуума использовать данный диэлектрик.
КОНДЕНСАТОР В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА На рис. 7 показана электрическая цепь, состоящая из батарейки, лампочки и конденсатора. При замыкании цепи лампочка светит короткое время; после чего гаснет, не смотря на то, что цепь замкнута. Поэтому и говорят, что конденсаторы не пропускают постоянный ток.
Подобная же схема представлена на рис 8а. При замыкании ключа К в цепи некоторое время протекает т.н. зарядный ток. Он протекает только до тех пор, пока заряжается конденсатор, и это явление называется переходным процессом. Зарядка конденсатора не происходит мгновенно, а постепенно по т.н. экспоненциальном закону. В момент включения напряжение между обкладками конденсатора равно нулю, т.е. конденсатор представляет собой короткое замыкание в цепи (рис. 8б) и поэтому зарядный ток наибольший. В следующий момент напряжение на конденсаторе начинает увеличиваться, при этом оно имеет противоположное направление направлению ЭДС источника. Таким образом, общее напряжение в цепи уменьшается (на рис. 8в оно равно U=4.5 - 1=3.5 В), поэтому уменьшается и зарядный ток. На рис. 9 показано изменение тока и напряжения в рассматриваемой конкретной схеме. Видно, что переходный процесс продолжается довольно долго. Однако для практических расчетов принимаем, что переходный процесс кончается тогда, когда напряжение на конденсаторе достигает 95% напряжения источника тока или когда зарядный ток достигает только 5% тока в первый момент включения. Этим переходный процесс практически заканчивается, т.е. конденсатор заряжен, и ток в цепи больше не протекает.
Продолжительность переходного процесса можно вычислить по формуле t = 3 * R * C Здесь t – время в секундах, С - емкость в фарадах, a R – сопротивления в Омах всей цепи, в которой происходит зарядка, включая и R1 источника тока. Эта формула показывает, что большая емкость через большое сопротивление заряжаемся дольше, а малая емкость через малое сопротивление заряжается быстрее. Пример. За какое время зарядится конденсатор емкостью С = 10 мкФ через сопротивление R = 10 Ом?
Приводим емкость к основным единицам и подставляем в формулу t = 3 * R * C = 3 * 10 * 10 - 6= 0,0003 с. Если бы тот же конденсатор заряжали через сопротивление 1 MOм, то переходный процесс длился бы 30 секунд. При разрядке конденсатора через сопротивление происходят те же самые явления, т.е. разрядка происходит не мгновенно, а тоже по экспоненциальном закону, а продолжительность переходного процесса можно найти по формуле, данной выше. На рис.10, показана схема разрядки конденсатора через сопротивление и график переходного процесса. Видно, что как напряжение, так и ток разряда уменьшается по экспоненте.
КОНДЕНСАТОР В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Как известно, переменный ток в металлах представляет собой колебательное движение электронов то в одном, то в другом направлении. Если к источнику переменного подключить конденсатор, то его обкладки будут периодически заряжаться и разряжаться электронами (рис. 11). Несмотря на то, что электроны не проникают сквозь диэлектрик, во внешней цепи их движение колебательное, т.е. протекает переменный ток. Сопротивление, которое конденсатор оказывает переменному току, называется емкостным сопротивлением и измеряется в Омах. Оно обозначается Хс и вычисляется по формуле Хс = 1/ω*С = 1/2 * π * f *С. Отсюда следует, что емкостное сопротивление зависит как от величины емкости конденсатора, так и от частоты. Чем больше емкость, тем выше частота, тем меньше емкостное сопротивление. Пример. Найти емкостное сопротивление конденсатора емкостью ОД мкФ при частоте 50 Гц.
Этот же конденсатор при частоте 500 Гц будет иметь емкостное сопротивление Хс=3200 Ом, а при частоте 1 МГц - Хс = 1,6 Ом, т.е. будет представлять собой почти короткое замыкание для токов высокой частоты. Зависимость емкостного сопротивления этого конденсатора от частоты (называется еще частотной характеристикой) показана на рис 12.
Емкостное сопротивление данного конденсатора можно найти легче и быстрее при помощи номограммы, данной на рис. 13. Например, на номограмме легко находим при f = 50 кГц конденсатор емкостью С = 1 нФ имеет емкостное сопротивление Хс ≈ 3 кОм.
Теперь, когда мы уже знаем, что представляет собой емкостное сопротивление, можем записать закон Ома для переменного тока через конденсаторы U = Xc * I, Xc = U / I, I = U / Xc
Пример. Какой ток протечет в цепи (рис 14.), если конденсатор емкостью С= 8 мкФ подключить к осветительной сети. Превращаем микрофарады в фарады и находим емкостное сопротивление конденсатора Xc=1 / 2 * π * f *C= 1 / 2 * π * 50 * 8 *10 -6 = 400 Ом После чего по закону Ома получаем I = U / Xc = 220 / 400 = 0,55 А Очень часто говорят, что сопротивление конденсатора реактивно. Чтобы объяснить это, снова рассмотрим опыт, показанный на рис. 14, задав себе вопрос: какова мощность, выделяемая на конденсаторе? На первый взгляд эту мощность можем найти, используя формулу: Р = U * l = 220 * 0.55 = 120 Вт. Но коснувшись конденсатора рукой, установим, что даже и после продолжительной работы он остается холодным, а каждый из нас отвинчивал нагретую электрическую лампочку и знает, какая она горячая! А почему же конденсатор остается холодным?
Причина в том, что конденсатор - это реактивное сопротивление, т.е. в нем максимум напряжения и тока не наступает одновременно, как в активном сопротивлении. Чтобы понять это, припомним, как изменяется ток и напряжение при подключении конденсатора к источнику постоянного напряжения на рис. 9, где даны графики напряжения и тока. Из этого рисунка видно, что в первый момент включения напряжение между обкладками равно нулю, а ток максимальный. После того, как конденсатор зарядится и его напряжение станет максимальным, ток через конденсатор уменьшится до нуля. Упомянутая особенность конденсатора проявляется и тогда, когда он подключен к переменному синусоидальному напряжению. Это показано на рис. 15. Из этого графика следует, что когда ток максимальный, то напряжение между обкладками конденсатора равно нулю, а когда напряжение максимально, ток через конденсатор равен нулю. Следовательно, прилаженное напряжение и протекающий ток имеют разности фаз 90° и. ток опережает напряжение. 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
SiO2 - в сухом кислороде;
Для получения оксида кремния применяют смесь и реакции;
