Темы докладов, страница 199 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 5. Электромагнитные явления. Параграф 48. Электромагнитные колебания. Вопросы - страница 199.

Условие.

Для чего нужны конденсаторы.

Решение.

Конденсатор — это пассивный электронный компонент, основной функцией которого является накопление электрического заряда и, следовательно, энергии электрического поля. Эта фундаментальная способность позволяет использовать конденсаторы для решения множества задач в электронике и электротехнике.

Накопление и хранение энергии
Конденсаторы могут очень быстро накапливать электрическую энергию и так же быстро её отдавать. Это свойство незаменимо в устройствах, где требуется кратковременный, но мощный импульс. Классический пример — фотовспышка в фотоаппарате, где конденсатор медленно заряжается от батареи, а затем мгновенно разряжается через газоразрядную лампу, создавая яркий свет. Также они применяются в качестве источников резервного питания для микросхем памяти или в пусковых устройствах для мощных электродвигателей. Энергия, запасённая в конденсаторе, вычисляется по формуле: $W = \frac{C \cdot U^2}{2}$, где $\text{C}$ — ёмкость конденсатора в фарадах, а $\text{U}$ — напряжение на нём в вольтах.

Ответ: Конденсаторы используются для накопления энергии с последующей быстрой её отдачей, например, в фотовспышках, лазерах или пусковых устройствах.

Фильтрация и сглаживание напряжений
В блоках питания переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямителей. Однако после выпрямления напряжение остаётся пульсирующим. Для сглаживания этих пульсаций используются электролитические конденсаторы большой ёмкости. Они работают как миниатюрный резервуар: заряжаются во время пиков напряжения и отдают заряд во время спадов, тем самым выравнивая выходное напряжение. Этот процесс называется фильтрацией. В результате на выходе блока питания получается стабильное постоянное напряжение, необходимое для работы электронных устройств.

Ответ: В блоках питания и преобразователях напряжения конденсаторы применяются в качестве фильтров для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

Разделение цепей по постоянному и переменному току
Конденсатор обладает уникальным свойством: он не пропускает постоянный ток (после завершения зарядки), но легко пропускает переменный ток. Это позволяет использовать его в качестве разделительного элемента (coupling capacitor) для передачи полезного переменного сигнала (например, звука в усилителе) между каскадами схемы, блокируя при этом постоянное напряжение смещения, которое может нарушить работу следующего каскада. Также конденсаторы применяются как блокировочные или шунтирующие (decoupling/bypass capacitor), чтобы отфильтровывать высокочастотные шумы и помехи в цепях питания, направляя их на землю и обеспечивая стабильную работу чувствительных микросхем.

Ответ: Конденсаторы используются для передачи переменного сигнала между частями схемы, блокируя при этом прохождение постоянного тока, а также для подавления высокочастотных помех в цепях питания.

Создание колебаний и временных задержек
Совместно с резисторами (в RC-цепях) или катушками индуктивности (в LC-цепях) конденсаторы образуют цепи, чьи свойства зависят от частоты. В RC-цепи время заряда и разряда конденсатора определяет постоянную времени $\tau = R \cdot C$, что используется для создания таймеров, генераторов импульсов и временных задержек. В LC-цепях (колебательных контурах) конденсатор и катушка создают резонансную систему, способную генерировать и выделять колебания строго определённой частоты $f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$. Это свойство является основой работы радиоприёмников, передатчиков и любых других устройств, работающих с радиочастотами.

Ответ: В RC-цепях конденсаторы используются для создания таймеров и генераторов, а в LC-контурах — для генерации и фильтрации электромагнитных колебаний заданной частоты (например, в радио).

Коррекция коэффициента мощности
В промышленных сетях переменного тока многие потребители, такие как электродвигатели и трансформаторы, являются индуктивной нагрузкой. Это приводит к возникновению реактивной мощности, которая не совершает полезной работы, но создаёт дополнительную нагрузку на линии электропередач. Для компенсации этой индуктивной нагрузки параллельно ей подключают батареи конденсаторов. Ёмкостная нагрузка компенсирует индуктивную, что приводит к увеличению коэффициента мощности (cos φ), снижению потерь в сетях и повышению общей эффективности энергосистемы.

Ответ: В промышленных электросетях конденсаторные установки применяются для компенсации реактивной мощности, что повышает эффективность передачи и использования электроэнергии.

Использование в датчиках
Ёмкость конденсатора зависит от его геометрии (площади пластин, расстояния между ними) и диэлектрической проницаемости материала между пластинами. Изменение любого из этих параметров приводит к изменению ёмкости. Это явление используется в различных датчиках: датчиках приближения, уровня жидкости, влажности, давления. Самый известный пример — ёмкостные сенсорные экраны (тачскрины), где прикосновение пальца изменяет ёмкость в определённой точке, что и регистрируется электроникой.

Ответ: Конденсаторы используются в качестве чувствительных элементов в датчиках для измерения различных физических величин, например, в сенсорных экранах.