Реальный конденсатор
Реальный конденсатор – это система из двух проводников, электростатическое взаимодействие которых существенно превышает воздействие внешних полей.
Если бы конденсатор мог быть идеальным, то существовала необходимость только в одном его типе, простом идеальном конденсаторе, который мог бы использоваться в любых схемах. Однако, реальные конденсаторы производятся из разных материалов и по разным технологиям, что определяет их свойства и отклонения емкости от заявленной. Параметры конденсаторов характеризуются их не идеальностью. Электрический ток, который протекает через диэлектрик между пластинами, называется током утечки, зависящим от природы диэлектрика и напряжения. Сопротивление диэлектрика электрическому току, в идеале, должно быть бесконечно, но в реальности составляет сотни мегаом. Индуктивность реального конденсатора проявляется так, как будто к нему подключена последовательно некоторая индуктивность. Сопротивление обкладок и выводов реального конденсатора проявляется так, как будто к нему подключен последовательно некоторый резистор. Разные технологии производства реальных конденсаторов способствуют проявлению их различных свойств. Самыми распространенными конденсаторами являются:
- Воздушный конденсатор. В данном конденсаторе диэлектриком является воздух. К его преимуществам можно отнести простоту изготовления, а к недостаткам зависимость от влажности среды и температуры, нестабильность, маленькая емкость, низкая электрическая прочность, большие габариты. Такие конденсаторы бывают только переменными, потому что использование других нецелесообразно.
- Бумажный конденсатор. В данном конденсаторе диэлектрик - бумага, которая пропитана трансформаторным маслом. К их достоинствам относятся высокая электрическая прочность и надежность, а к недостаткам большой вес и большие собственные сопротивление и индуктивность. Они часто используются в качестве силовых конденсаторов.
- Оксидный конденсатор. В данном конденсаторе диэлектриком является слой оксидов на поверхности активного металла, как правило, алюминия. К достоинствам относятся высокая электрическая прочность и емкость на единицу массы.
- Слюдяной конденсатор. В данном конденсаторе диэлектрик - слюда. К достоинствам слюдяного конденсатора относятся высокая емкость, высокая электрическая прочность, а к недостаткам нестабильность характеристик, нелинейность, высокая цена и зависимость емкости от силы тока.
- Керамический конденсатор. Данный конденсатор выполнен на основе керамики. К достоинствам относятся надежность, низкие электрические потери, низкие шумы, высокая временная и температурная стабильность, а к недостаткам плохие массогабаритные характеристики.
Цепь переменного тока с реальным конденсатором
В случае переменного напряжения на реальном конденсаторе имеются ток смещения и токи проводимости небольшой величины, которые протекают через диэлектрик - объемный ток и по поверхности - поверхностный ток. Потери энергии сопровождаются поляризацией диэлектрика и токами проводимости.
Электрический ток смещения – это величина, которая прямо пропорциональна скорости изменения электрической индукции.
Получается в цепи с реальным конденсатором имеет место быть изменение энергии электрического поля, которое характеризуется реактивной мощностью, вследствие несовершенства диэлектрика происходит необратимый процесс превращения электроэнергии в тепло, выражающееся активной мощностью. По этой причине в схеме замещения реальный конденсатор должен быть представлен реактивными и активными составляющими. Такое деление реального конденсатора является только расчетным приемом, потому что на практике конструктивно данные элементы выделить невозможно. Но такую схему замещения имеет реальная цепь из двух компонентов, один из них характеризуется только активной мощностью, а второй реактивной мощностью. Реальный конденсатор можно представить в виде эквивалентной схемы соединения емкостной и активной проводимостей, как показано на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В данном случае активная проводимость может быть рассчитана по формуле:
$G = Р/Uc^2$
где Р - активная мощность; Uc - напряжение на конденсаторе.
Емкостная проводимость определяется конструкцией конденсатора. Допустим, что емкостная и активная проводимости известны, тогда для расчета напряжения используется следующее выражение:
$U = Umsinwt$
Необходимо определить токи рассматриваемой цепи и мощность. В случае параллельного соединения ветвей G и Вс, в соответствии с первым законом Кирхгофа, общий ток рассчитывается следующим образом:
$i = ig + ic$
Так как ток ig совпадает с напряжением по фазе, то ток ic опережает напряжение на одну четверть периода и уравнение для общего тока может быть описано в следующем виде:
$i = IGmsinwt + ICmsin(wt+п/2)$
Так как
$IGm = G*Um$
$ICm = Bc*Um$
Получается
$i = GUmsinwt + ВсUmsin(wt+п/2)$
