Номер 3, страница 442 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Задания к главе 10 «Электростатика». Задания по проектной и исследовательской деятельности. Глава 10. Электростатика. Электродинамика - номер 3, страница 442.

Условие.

3. Изучите различные типы конденсаторов постоянной ёмкости, используя раздел «Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости» интернет-ресурса http://gotourl.ru/7148. Через систему поиска найдите материалы по теме «Электрический конденсатор».

Решение.

Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости

Конденсаторы постоянной ёмкости классифицируются в основном по типу используемого диэлектрика. Каждый тип обладает уникальным набором характеристик, определяющим область его применения.

Керамические конденсаторы

В качестве диэлектрика используется специальная керамика. Это один из самых распространённых типов конденсаторов. Их главные преимущества – малые размеры, низкая стоимость, низкие эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) и индуктивность (ЭПИ), что позволяет им эффективно работать на высоких частотах. Различают два основных класса керамических конденсаторов:

• Класс 1 (например, NP0 или C0G): Обладают очень высокой стабильностью ёмкости при изменении температуры, напряжения и времени. У них низкие диэлектрические потери. Используются в высокочастотных и резонансных схемах, где важна точность.

• Класс 2 (например, X7R, X5R, Z5U, Y5V): Имеют значительно большую удельную ёмкость (ёмкость на единицу объёма), но их ёмкость сильно зависит от температуры и приложенного напряжения. Используются в цепях развязки по питанию и фильтрации, где высокая стабильность не требуется.

Плёночные конденсаторы

Диэлектриком служит тонкая полимерная плёнка (полиэстер, полипропилен, полистирол и др.). Эти конденсаторы отличаются высокой стабильностью параметров, низким током утечки, малыми диэлектрическими потерями и долгим сроком службы. Они не полярны. Полипропиленовые конденсаторы, в частности, широко применяются в аудиоаппаратуре высокого класса и в силовых цепях благодаря своей способности выдерживать высокие напряжения и токи.

Электролитические конденсаторы

Это полярные конденсаторы, диэлектриком в которых служит тончайший слой оксида, сформированный на поверхности металлического анода (обычно алюминия или тантала). Их ключевая особенность – очень большая ёмкость при относительно малых размерах. Они имеют полярность, и её несоблюдение при подключении может привести к выходу конденсатора из строя. Основные типы:

• Алюминиевые электролитические конденсаторы: Самый дешёвый тип конденсаторов с высокой ёмкостью. Используются для фильтрации в источниках питания, в звуковых цепях низкой частоты. Недостатки: сравнительно большие токи утечки, высокое ЭПС, ограниченный срок службы из-за высыхания электролита.

• Танталовые электролитические конденсаторы: Обеспечивают более высокую удельную ёмкость по сравнению с алюминиевыми, имеют лучшие частотные характеристики, более стабильные параметры и низкие токи утечки. Они более дорогие и очень чувствительны к перенапряжению. Применяются в цепях, где важны малые размеры и высокая надёжность.

Слюдяные конденсаторы

В качестве диэлектрика используется слюда. Эти конденсаторы отличаются исключительно высокой стабильностью ёмкости, низкими потерями, высокой точностью и надёжностью. Они могут работать при высоких частотах и напряжениях. Из-за высокой стоимости их применяют в основном в прецизионном и высокочастотном оборудовании, например, в эталонных фильтрах и генераторах.

Ответ: Основные типы конденсаторов постоянной ёмкости – керамические, плёночные, электролитические (алюминиевые и танталовые) и слюдяные. Выбор конкретного типа определяется требуемыми параметрами: диапазоном ёмкостей, рабочим напряжением, стабильностью, частотными характеристиками, габаритами и стоимостью. Керамические хороши для ВЧ-цепей, электролитические – для фильтров питания, плёночные – для аудио и точных цепей, а слюдяные – для прецизионной ВЧ-аппаратуры.

Материалы по теме «Электрический конденсатор»

Определение и устройство

Электрический конденсатор – это пассивный электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. В простейшем виде он состоит из двух проводящих пластин (обкладок), разделённых слоем диэлектрика. Диэлектрик – это материал, который не проводит электрический ток (например, воздух, бумага, керамика, оксидная плёнка).

Электрическая ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость (C). Ёмкость определяет способность конденсатора накапливать заряд. Она равна отношению заряда $q$, накопленного на одной из обкладок, к разности потенциалов (напряжению) $U$ между обкладками:

$C = \frac{q}{U}$

Единицей измерения ёмкости в системе СИ является Фарад (Ф). 1 Фарад – это очень большая величина, поэтому на практике используют дольные единицы: микрофарад (мкФ, $10^{-6}$ Ф), нанофарад (нФ, $10^{-9}$ Ф) и пикофарад (пФ, $10^{-12}$ Ф).

Для плоского конденсатора ёмкость можно рассчитать по формуле:

$C = \frac{\varepsilon \varepsilon_0 S}{d}$

где $S$ – площадь каждой обкладки, $d$ – расстояние между ними, $\varepsilon$ – диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика, а $\varepsilon_0$ – электрическая постоянная ($ \approx 8.85 \cdot 10^{-12}$ Ф/м).

Энергия заряженного конденсатора

Конденсатор накапливает не заряд, а энергию электрического поля, создаваемого этим зарядом. Энергия $W$, запасённая в конденсаторе, вычисляется по формулам:

$W = \frac{qU}{2} = \frac{CU^2}{2} = \frac{q^2}{2C}$

Соединение конденсаторов

Конденсаторы в электрических схемах можно соединять последовательно и параллельно.

• При параллельном соединении общая ёмкость батареи равна сумме ёмкостей всех конденсаторов:

$C_{общ} = C_1 + C_2 + \dots + C_n$

• При последовательном соединении величина, обратная общей ёмкости, равна сумме величин, обратных ёмкостям отдельных конденсаторов:

$\frac{1}{C_{общ}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \dots + \frac{1}{C_n}$

Применение

Конденсаторы являются одними из самых широко используемых электронных компонентов. Они применяются для фильтрации пульсаций напряжения в источниках питания, в качестве элементов памяти, в колебательных контурах для настройки на определённую частоту, в таймерах, для разделения цепей по постоянному и переменному току, в схемах фотовспышек и многих других устройствах.

Ответ: Электрический конденсатор – это устройство для накопления энергии электрического поля, состоящее из двух проводников, разделённых диэлектриком. Его основная характеристика – ёмкость, измеряемая в Фарадах и зависящая от геометрии проводников и свойств диэлектрика. Конденсаторы используются в разнообразных электрических схемах для фильтрации, создания колебаний, хранения энергии и других целей.