Номер 4, 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 4, страница 442.

Условие.

4. Подготовьте реферат на тему «Применение конденсаторов». Через систему поиска сайта http://gotourl.ru/7148 найдите материалы по теме «Электрический конденсатор».

Решение.

Конденсатор — это пассивный электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. В простейшем виде он состоит из двух проводящих пластин (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость. Ёмкость — это отношение заряда $q$, накопленного на одной из обкладок, к разности потенциалов (напряжению) $U$ между обкладками: $C = q/U$. Благодаря своей способности накапливать и быстро отдавать энергию, а также по-разному реагировать на постоянный и переменный ток, конденсаторы нашли широчайшее применение в различных областях электроники и электротехники.

Далее представлены основные сферы применения конденсаторов.

Накопление и хранение энергии

Способность конденсатора накапливать энергию электрического поля, величина которой рассчитывается по формуле $W = (C \cdot U^2) / 2$, используется во многих устройствах, где требуется кратковременный, но мощный импульс энергии. Примерами могут служить:

- Фотовспышки: Конденсатор заряжается от батареи в течение нескольких секунд, а затем мгновенно разряжается через газоразрядную лампу, создавая яркую вспышку света.

- Источники бесперебойного питания (ИБП): Батареи конденсаторов большой ёмкости (ионисторы или суперконденсаторы) могут кратковременно поддерживать питание для сохранения данных в оперативной памяти или для сглаживания провалов напряжения.

- Импульсные установки: Например, в ускорителях частиц, лазерных системах и электромагнитных пушках (пушка Гаусса) для формирования мощных электрических импульсов.

Фильтрация и сглаживание напряжений в источниках питания

Это одно из самых распространенных применений. В блоках питания после выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, напряжение имеет пульсирующий характер. Конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, сглаживает эти пульсации. Он заряжается, когда напряжение на выходе выпрямителя растет, и разряжается в нагрузку, когда оно падает, тем самым поддерживая более стабильное постоянное напряжение.

Разделение сигналов и фильтрация помех

Конденсатор не пропускает постоянный ток (его сопротивление для постоянного тока стремится к бесконечности), но пропускает переменный ток, причем его реактивное сопротивление $X_C = 1 / (2\pi fC)$ уменьшается с ростом частоты $f$. Это свойство используется для:

- Межкаскадной связи в усилителях: Разделительные (переходные) конденсаторы передают полезный переменный сигнал с одного каскада на другой, блокируя при этом постоянную составляющую, которая задает режим работы транзисторов и не должна влиять на следующий каскад.

- Развязки по питанию: Блокировочные (байпасные) конденсаторы устанавливаются рядом с выводами питания микросхем. Они создают путь с низким сопротивлением для высокочастотных помех (возникающих при работе цифровых схем) на "землю", обеспечивая "чистое" и стабильное питание.

Колебательные (резонансные) контуры

Вместе с катушкой индуктивности конденсатор образует колебательный контур (LC-контур), который имеет собственную резонансную частоту $f_0 = 1 / (2\pi \sqrt{LC})$. Такие контуры являются основой многих радиотехнических устройств:

- Радиоприемники и передатчики: Путем изменения емкости переменного конденсатора производится настройка приемника на частоту нужной радиостанции (выделение сигнала определенной частоты из эфира).

- Генераторы сигналов: LC-контуры используются для генерации электрических колебаний строго определенной частоты.

Временизадающие цепи (RC-цепи)

Время заряда или разряда конденсатора через резистор ($RC$-цепь) является предсказуемой величиной, характеризуемой постоянной времени $\tau = R \cdot C$. Это свойство используется для создания:

- Таймеров и реле времени: Задержка срабатывания определяется временем, за которое напряжение на конденсаторе достигнет порогового значения.

- Генераторов импульсов (мультивибраторов): Например, в популярной микросхеме-таймере NE555 частота генерируемых импульсов задается параметрами внешней RC-цепи.

Пусковые и рабочие конденсаторы для электродвигателей

В однофазных асинхронных двигателях (используемых в бытовой технике: стиральные машины, холодильники, кондиционеры) для создания вращающегося магнитного поля и начального пускового момента необходим сдвиг фаз тока во вспомогательной (пусковой) обмотке. Этот сдвиг фаз создается с помощью конденсатора. Пусковой конденсатор обеспечивает высокий начальный крутящий момент, а рабочий конденсатор, который может оставаться в цепи, оптимизирует работу двигателя в установившемся режиме.

Компенсация реактивной мощности

На промышленных предприятиях многие потребители (электродвигатели, трансформаторы) носят индуктивный характер, что приводит к сдвигу фаз между током и напряжением и появлению реактивной мощности. Это снижает коэффициент мощности ($\cos \varphi$) и ведет к дополнительным потерям в сетях. Для компенсации индуктивной нагрузки и повышения коэффициента мощности параллельно ей подключают батареи конденсаторов (конденсаторные установки).

Емкостные датчики

Принцип действия таких датчиков основан на изменении емкости конденсатора при изменении какого-либо физического параметра: расстояния между обкладками, их площади перекрытия или диэлектрической проницаемости среды между ними. На этом основаны:

- Датчики приближения и уровня жидкости.

- Емкостные сенсорные экраны и клавиатуры.

- Датчики влажности, давления и перемещения.

Таким образом, конденсаторы являются одними из самых фундаментальных и универсальных компонентов в современной электронике и электротехнике. Их уникальные свойства позволяют решать широкий спектр задач — от хранения энергии и фильтрации сигналов до создания сложных систем управления, связи и измерений, что делает их незаменимыми элементами практически любого электронного устройства.

Ответ: Представлен развернутый реферат на тему "Применение конденсаторов", в котором рассмотрены ключевые области использования данных компонентов: накопление энергии, фильтрация напряжений, работа в составе колебательных контуров и временизадающих цепей, запуск электродвигателей, компенсация реактивной мощности и применение в качестве датчиков.