Номер 2, страница 424 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 93. Энергия электростатического поля. 15. Энергия электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Электростатика - номер 2, страница 424.

Условие.

2. Подготовьте доклад «Технологии производства конденсаторов: прошлое, настоящее, будущее».

Решение.

Конденсатор — это электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. В своей простейшей форме он состоит из двух проводящих пластин (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Его основная характеристика — ёмкость ($C$), которая определяется по формуле: $C = \varepsilon_0 \varepsilon_r \frac{S}{d}$, где $\varepsilon_0$ — диэлектрическая проницаемость вакуума, $\varepsilon_r$ — относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика, $S$ — площадь обкладок, а $d$ — расстояние между ними. Вся история технологий производства конденсаторов — это борьба за увеличение ёмкости и других характеристик путем увеличения $S$ и $\varepsilon_r$ и уменьшения $d$ при сохранении или уменьшении физического размера компонента.

Прошлое

Первым прототипом конденсатора стала «лейденская банка», изобретенная в 1745 году. Это была стеклянная банка, оклеенная изнутри и снаружи станиолем (оловянной фольгой), которая служила обкладками, а стекло — диэлектриком. Она позволяла накапливать значительный по тем временам заряд, но была громоздкой и хрупкой. Промышленное производство конденсаторов началось в конце XIX - начале XX века с появлением радиотехники. Ранние технологии были основаны на рулонной конструкции. Наиболее распространенными были бумажные конденсаторы, где в качестве диэлектрика использовалась специальная бумага, пропитанная парафином или маслом, а в качестве обкладок — тонкая металлическая фольга. Процесс производства включал в себя ручную или полуавтоматическую намотку лент фольги и бумаги в рулон. Также применялись слюдяные конденсаторы, где в качестве диэлектрика использовались тонкие пластинки слюды. Они обладали высокой стабильностью и были незаменимы в высокочастотных цепях. Основными недостатками ранних технологий были большие габариты, низкая удельная ёмкость (ёмкость на единицу объёма), невысокая надёжность и значительные допуски по параметрам.

Настоящее

Современные технологии производства конденсаторов направлены на миниатюризацию, повышение надёжности и создание компонентов для широчайшего спектра применений. Ключевыми технологиями сегодня являются:

• Многослойные керамические конденсаторы (MLCC). Это самая массовая технология. Производство основано на послойном нанесении тончайших слоёв керамического диэлектрика (например, на основе титаната бария) и металлических электродов (паста из никеля или палладия) с последующим совместным спеканием в монолитный блок. Эта технология позволяет получать очень высокие значения ёмкости в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа (SMD).

• Электролитические конденсаторы (алюминиевые и танталовые). Их технология основана на формировании сверхтонкого диэлектрического слоя оксида на поверхности металлической анодной обкладки путем электрохимического оксидирования (анодирования). Для алюминиевых конденсаторов используется травленая алюминиевая фольга для многократного увеличения площади поверхности ($S$). В качестве второго электрода (катода) выступает жидкий или твердотельный электролит. Танталовые конденсаторы используют спечённый порошок тантала, что позволяет достичь еще большей удельной ёмкости. Эти конденсаторы незаменимы в цепях фильтрации источников питания.

• Плёночные конденсаторы. В них в качестве диэлектрика используются тонкие полимерные плёнки (полипропилен, полиэстер). Важнейшим технологическим достижением стало создание металлизированных плёнок, когда тонкий слой металла (алюминия) напыляется прямо на поверхность диэлектрика в вакууме. Это уменьшает размер и придает конденсатору свойство «самовосстановления» после локального пробоя.

• Суперконденсаторы (ионисторы). Эта технология использует не традиционный диэлектрик, а эффект двойного электрического слоя на границе электрода с огромной площадью поверхности (активированный уголь) и электролита. Это позволяет достигать ёмкостей в сотни и тысячи Фарад, что на порядки превосходит ёмкость обычных конденсаторов. Они используются там, где требуется быстрая отдача большой мощности.

Будущее

Будущее технологий производства конденсаторов связано с наноматериалами, трёхмерной интеграцией и созданием устройств с рекордной плотностью энергии.

• Нанотехнологии. Использование графена и углеродных нанотрубок в качестве материала для электродов суперконденсаторов обещает революционный рост их удельной ёмкости и плотности энергии, приближая их по этому параметру к аккумуляторам. Разрабатываются нанокомпозитные диэлектрики — полимеры, наполненные наночастицами керамики с высокой диэлектрической проницаемостью. Такие материалы позволят создавать высокоёмкостные плёночные конденсаторы для силовой электроники, например, для электромобилей.

• 3D-интеграция. Конденсаторы всё чаще встраиваются непосредственно в кремниевые кристаллы микросхем (глубокие траншейные конденсаторы) или в структуру печатных плат. Это необходимо для обеспечения стабильного питания сверхбыстрых процессоров. Технологии, такие как атомно-слоевое осаждение (ALD), позволяют формировать диэлектрические плёнки толщиной в несколько атомов.

• Гибридные накопители. Активно развиваются литий-ионные конденсаторы, которые совмещают в себе электрод суперконденсаторного типа и электрод аккумуляторного типа. Такие устройства занимают промежуточное положение между конденсаторами и аккумуляторами, обладая высокой мощностью и циклическим ресурсом от первых и повышенной плотностью энергии от вторых.

• Печатная электроника. Развитие диэлектрических и проводящих чернил открывает возможность печатать конденсаторы на гибких подложках, что является ключевым для развития носимой электроники, интернета вещей (IoT) и «умной» упаковки.

Ответ:

Технологии производства конденсаторов прошли путь от громоздких «лейденских банок» с ручной сборкой в прошлом до современных высокоавтоматизированных процессов, создающих миниатюрные компоненты с высокой удельной ёмкостью (керамические, электролитические, плёночные конденсаторы) и устройства с огромной мощностью (суперконденсаторы). Будущее отрасли связано с применением наноматериалов (графен, нанотрубки) для достижения плотности энергии, сравнимой с аккумуляторами, трёхмерной интеграцией конденсаторов непосредственно в микросхемы и печатные платы, а также созданием гибридных устройств, сочетающих лучшие свойства конденсаторов и батарей.