Номер 4, страница 64, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 78. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 4, страница 64.

Условие.

• Для чего нужны конденсаторы.

Решение.

Конденсатор — это пассивный электронный компонент, основная функция которого заключается в способности накапливать электрический заряд и, следовательно, энергию электрического поля. Его главная характеристика — электрическая ёмкость ($\text{C}$), которая определяется как отношение величины заряда ($\text{q}$), накопленного на одной из его обкладок, к разности потенциалов (напряжению, $\text{U}$) между обкладками: $C = \frac{q}{U}$. Энергия ($\text{W}$), запасенная в электрическом поле конденсатора, рассчитывается по формуле: $W = \frac{CU^2}{2}$.

Благодаря этой фундаментальной способности, конденсаторы находят широчайшее применение в различных областях электроники и электротехники.

Накопление и быстрая отдача энергии

Конденсаторы могут очень быстро заряжаться и разряжаться, работая как временные источники питания большой мощности. Это свойство используется, например, в фотовспышках, где конденсатор сначала медленно заряжается от батареи, а затем мгновенно разряжается через газоразрядную лампу, создавая яркую вспышку света. Также они применяются в дефибрилляторах для подачи мощного электрического импульса, в установках для лазерной накачки и в схемах запуска мощных электродвигателей.

Фильтрация и сглаживание напряжений

В блоках питания, преобразующих переменный ток в постоянный, после выпрямления напряжение остается пульсирующим. Сглаживающий конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, устраняет эти пульсации. Он заряжается во время пиков напряжения и отдает накопленный заряд в нагрузку во время спадов, тем самым делая выходное напряжение более стабильным и близким к постоянному.

Разделение цепей по постоянному и переменному току

Конденсатор представляет собой разрыв в цепи для постоянного тока (после того, как он зарядится), но пропускает переменный ток, причём его сопротивление переменному току (импеданс, $Z_C$) обратно пропорционально частоте ($\text{f}$): $Z_C = \frac{1}{2\pi fC}$. Это свойство используется для передачи полезного переменного сигнала между различными каскадами электронных схем (например, усилителей), блокируя при этом постоянное напряжение смещения одного каскада, чтобы оно не влияло на работу другого. Такие конденсаторы называют разделительными или блокировочными.

Создание колебательных контуров и фильтров

При соединении с катушкой индуктивности ($\text{L}$) конденсатор ($\text{C}$) образует колебательный (резонансный) LC-контур. Такой контур имеет собственную резонансную частоту колебаний $f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$, на которой его сопротивление минимально (в последовательном контуре) или максимально (в параллельном контуре). Это свойство является основой для создания радиоприемников и передатчиков (для настройки на нужную станцию), частотных фильтров (пропускающих или подавляющих сигналы определенных частот) и генераторов электрических колебаний.

Создание временных задержек

В паре с резистором ($\text{R}$) конденсатор ($\text{C}$) образует RC-цепь. Время, необходимое для заряда или разряда конденсатора, определяется постоянной времени $\tau = RC$. Это позволяет использовать RC-цепи для создания временных задержек, что является основой работы различных таймеров, генераторов импульсов (например, для мигания светодиодов) и других времязадающих устройств.

Другие применения

Конденсаторы также используются в качестве элементов памяти (в ячейках DRAM, где наличие или отсутствие заряда соответствует логической 1 или 0), в качестве датчиков (емкостные датчики влажности, давления, приближения, где измеряемая величина влияет на ёмкость), а также в силовых цепях переменного тока для коррекции коэффициента мощности, что повышает эффективность передачи электроэнергии.

Ответ: Конденсаторы нужны для накопления электрического заряда и энергии. Это их основное свойство позволяет использовать их в самых разных целях: для фильтрации и сглаживания напряжений в блоках питания, для создания колебаний и настройки на частоту в радиоаппаратуре, для создания временных задержек в таймерах, для разделения сигналов разной частоты в усилителях, для быстрой отдачи большого количества энергии в фотовспышках и, кроме того, в качестве элементов памяти и чувствительных датчиков.