Тест по теме конденсаторы 9 класс: Тест «Конденсатор» 9 класс скачать

Тест Конденсатор в цепи переменного тока по физике онлайн с ответами

Последний раз тест пройден более 24 часов назад.

Для учителя

1. Вопрос 1 из 10

   Как называется электрическая деталь, состоящая из двух проводящих поверхностей, разделённых слоем диэлектрика?

   • Катушка

   • Конденсатор

   • Вариатор

   • Резистор

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Конденсатор представляет собой две проводящие поверхности, разделённые слоем диэлектрика.

   В вопросе ошибка?

2. Вопрос 2 из 10

   Может ли внутри конденсатора содержаться бумага?

   • Нет, бумаги в конденсаторах не бывает.

   • Да, в некоторых типах конденсаторов.

   • Да, в любом конденсаторе есть бумага.

   • Нет правильного ответа.

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   В некоторых типах конденсаторов бумага применяется в качестве диэлектрика.

   В вопросе ошибка?

3. Вопрос 3 из 10

   Что произойдёт с носителями на обкладке конденсатора, если создать избыток носителей на другой обкладке?

   • Ничего не произойдёт

   • Носители исчезнут

   • Носители придут в движение

   • Нет правильного ответа

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Если создать на одной из обкладок конденсатора избыток свободных носителей электрического заряда, то свободные носители такого же знака начнут уходить с другой обкладки, а носители противоположного знака — наоборот, собираться на ней.

   В вопросе ошибка?

4. Вопрос 4 из 10

   Если создать попеременное движение носителей на одной обкладке конденсатора, что произойдёт с носителями этого знака на другой обкладке?

   • Они начнут такое же попеременное движение

   • Они начнут постоянное движение

   • Они исчезнут

   • Нет правильного ответа

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Если создать на одной из обкладок попеременное движение носителей, то носители такого же знака придут на другой обкладке в такое же движение, а носители другого знака — в противоположное.

   В вопросе ошибка?

5. Вопрос 5 из 10

   Что произойдёт, если конденсатор включить в цепь постоянного тока?

   • Короткое замыкание

   • Ток в цепи прекратится

   • В цепи исчезнут носители заряда

   • Ток в цепи увеличится

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Конденсатор для постоянного тока представляет собой разрыв. Поэтому, если в такую цепь включить конденсатор, ток в цепи прекратится.

   В вопросе ошибка?

6. Вопрос 6 из 10

   Какая характеристика конденсатора является основной?

   • ЭДС

   • Сила тока

   • Скорость носителей

   • Ёмкость

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Основной характеристикой конденсатора является его электроёмкость (приставка «электро-» часто опускается).

   В вопросе ошибка?

7. Вопрос 7 из 10

   Если первый конденсатор имеет вдвое большую ёмкость, чем второй, в каком конденсаторе надо совершить большую работу для создания заряда?

   • На первом конденсаторе работа заряда больше.

   • На втором конденсаторе работа заряда больше.

   • Работа заряда будет одинакова.

   • Заряд создать невозможно.

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Чем больше ёмкость конденсатора, тем меньшую работу надо совершить для того, чтобы создать на его обкладках заряды.

   В вопросе ошибка?

8. Вопрос 8 из 10

   Какую роль играет конденсатор в цепи переменного тока ?

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Конденсатор в цепи переменного тока играет роль сопротивления.

   В вопросе ошибка?

9. Вопрос 9 из 10

   Если в цепи переменного тока имеется два конденсатора, один вдвое больше другого – на ёмкостном сопротивлении какого из них будет выделяться большая мощность ?

   • На первом мощность больше. 2}$

   Подсказка

   Правильный ответ

   Неправильный ответ

   
   Пояснение к правильному ответу

   Ёмкостное сопротивление обратно пропорционально ёмкости и частоте. Такая пропорциональность есть только в первой формуле, она верна.

   В вопросе ошибка?

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Рейтинг теста

3.9

Средняя оценка: 3.9

Всего получено оценок: 110.

---

А какую оценку получите вы? Чтобы узнать — пройдите тест.

Тест по теме «Конденсаторы»

Главная → Публикации → Физика → Оценка знаний → 10 класс → Тест по теме «Конденсаторы»

Тест для 10 класса по теме «Конденсаторы»

Содержимое публикации

Электроемкость. Конденсаторы.

Вариант 1

1. Электроёмкость плоского конденсатора зависит

A) от площади и расстояния между пластинами B) только от расстояния между пластинами C) только от диэлектрической проницаемости среды D) только от площади пластины E)от диэлектрической проницаемости среды, площади пластин и расстояния между пластинами

2. Напряжение на обкладках конденсатора 400 В. При полной разрядке конденсатора через резистор в цепи проходит электрический заряд 0,4 Кл. Тогда энергия, выделяемая на резисторе

А) 10 Дж В) 80 Дж С) 160 Дж D) 50 Дж Е) 25 Дж

3. Напряжение на обкладках конденсатора 100 В. При полной разрядке конденсатора через резистор в цепи проходит заряд 0,1 Кл. Значит, электроемкость конденсатора

A) 10^-3 Ф B) 10^-1 Ф С) 10³ Ф D) 10^-2 Ф E) 10Ф

4. Пространство между обкладками плоского заряженного конденсатора заполнили диэлектриком с ε=4. Если конденсатор всё время остается подключенным к источнику напряжения, то энергия конденсатора

A) увеличится в 2 раза B) не изменится C) уменьшится в 2 раза

D) уменьшится в 4 раза E) увеличится в 4 раза

5. Если в плоском конденсаторе увеличили расстояние между пластинами в 3 раза, а площадь пластин уменьшили в 2 раза, то емкость конденсатора

A) уменьшилась в 2 раза B) не изменилась С) увеличилась в 6 раз

D) увеличилась в 3 раза E) уменьшилась в 6 раз

6. Энергия электрического поля, создаваемого зарядами q в конденсаторе емкостью С

A) B) С) D) E)

7. Конденсатор электроемкостью С=10 мкФ, заряжен до напряжения U=10 В. Энергия электрического поля конденсатора

A) 5 Дж B) 0,5 мДж С) 5 мДж D) 15 Дж E) 5 МДж

8. Имеются конденсаторы емкостью 4 мкФ, 5 мкФ, 10 мкФ и 20 мкФ. Их общая емкость при последовательном соединении

А) 1,7 мкФ B) 1,7 Ф С) 1,7 нФ D) 1,7 пФ E) 1,7 мФ

9. Электроемкость плоского конденсатора равна 1 мкФ. Если между пластинами помещается слой слюды толщиной d= 0,1 мм, то площадь пластины равна

(ε=6; ε₀=8,85·10^-12 Кл²/Н·м²)

A) ≈1,9 м² B) ≈2 см² С) ≈19 см² D) ≈0,19 м² E) ≈2 м²

10. Если пространство между обкладками конденсатора заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε=2, то энергия подключенного к источнику конденсатора

A) уменьшится в 2 раза B) уменьшится в 4 раза С) увеличится в 4 раза

D) не изменится E) увеличится в 2 раза

Электроемкость. Конденсаторы.

Вариант 2

1. Безразмерной величиной в СИ является

А) диэлектрическая проницаемость среды В) напряженность C) электрический заряд D) потенциал E) электрическая постоянная

2. Емкость конденсатора 6 мкФ, а заряд 3∙10^-4 Кл. Энергия электрического поля конденсатора

A) 7,5 мДж B) 7,5 Дж C) 7,5 мкДж D) 7,5 кДж E) 7,5 нДж

3. Напряжение на обкладках конденсатора 100 В. При полной разрядке конденсатора через резистор в цепи прошел заряд 10 Кл. Емкость конденсатора равна

A) 100 Ф B) 10 Ф С) 1000 Ф D) 1 Ф E) 0,1Ф

4. Электроемкость плоского конденсатора при двукратном увеличении площади пластин и шестикратном уменьшении расстояния между ними

A) увеличится в 12 раз B) уменьшится в 12 раз С) увеличится в 3 раза

D) уменьшится в 3 раза E) не изменится

5. Воздушный конденсатор заряжен от источника напряжения и отключен от него. После этого расстояние между пластинами увеличили вдвое. При этом энергия электрического поля конденсатора

A) увеличилась в 4 раза B) уменьшилась в 2 раза С) увеличилась в 2 раза

D) не изменилась E) уменьшилась в 4 раза

6. Энергия электрического поля, не определяется по формуле

A) B) С) D) E)

7. Конденсатор емкостью 20 мкФ заряжен до напряжения 300 В. Определите энергию, сосредоточенную в нем

А) 0,9 Дж В) 0,5 Дж C) 0,8 Дж D) 0,6 Дж E) 0,7 Дж

8. С₁=С₂= 1 мкФ, С₃= 3 мкФ. Определить электроемкость батареи конденсаторов.

A) 5 мкФ

B) 4 мкФ

С) 0,8 мкФ

D) 1,2 мкФ

E) 2,4 мкФ

9. Плоский конденсатор емкостью 0,02 мкФ соединили с источником тока, в результате чего он приобрел заряд 10^-8 Кл. Если расстояние между пластинами конденсатора 5 мм, то напряженность поля между ними равна

A) 0,1 В/м B) 4·10^-14 В/м С) 40 В/м D) 100 В/м E) 80 В/м

10. Если пространство между обкладками конденсатора заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε=2, то энергия отсоединенного от источника конденсатора

A) увеличится в 2 раза B) не изменится C) уменьшится в 2 раза D) уменьшится в 4 раза E) увеличится в 4 раза

Электроемкость. Конденсаторы.

Вариант 3

1. Электроемкостью проводника называется

A) величина, определяемая зарядом, который необходимо сообщить проводнику, чтобы увеличить его потенциал на единицу B) скалярная величина, определяемая работой, необходимой для перемещения единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность С) величина, численно равная заряду на единицу площади проводника D) величина, численно равная энергии, заключенной в единице объема электростатического поля E) векторная величина, равная силе, действующей на единичный положительный заряд

2. Емкость конденсатора 0,25 мкФ, а разность потенциалов между пластинами 400 В. Энергия конденсатора

A) 4∙10^-2 Дж B) 5∙10^-2 Дж C) 2∙10^-2 Дж D) 6∙10^-2 Дж E) 3∙10^-2 Дж

3. Электроемкость конденсатора С= 5 пФ, разность потенциалов между обкладкамиU= 1000 В, тогда заряд на каждой из обкладок конденсатора

A) 5·10^-10 Кл B) 10^-8 Кл С) 5·10^-11 Кл D) 5·10^-9 Кл E) 10^-10 Кл

4. Плоский конденсатор зарядили от источника и отключили от него, а затем заполнили диэлектриком с ε=2 и увеличили расстояние между облаками конденсатора вдвое. Разность потенциалов на конденсаторе при этом

А) увеличится в 2 раза B) увеличится в 4 раза C) уменьшится в 2 раза

D) уменьшится в 4 раза E)не изменится

5. Конденсатор подключен к аккумулятору. При увеличении расстояния между пластинами энергия конденсатора

A) уменьшается B) не изменяется С) сначала уменьшается, затем увеличивается D) увеличивается E) сначала увеличивается, затем уменьшается

6. Формула, не соответствующая параллельному соединению

A) B) С)

D) E)

7. Если заряд конденсатора 3,2 мКл, напряжение на обкладках 500 В, то энергия электрического поля конденсатора

A) 800 Дж B) 0,8 Дж С) 0,08 Дж D) 80 Дж E) 8 Дж

8. Если С₁= С₂= С₃= С₄=3 мкФ, то электроемкость батареи конденсаторов

А) 2,25 мкФ В) 6 мкФ C) 1,5 мкФD) 0,75 мкФ E) 12 мкФ

9. Между пластинами конденсатора емкостью 500 пФ, имеющего две пластины площадью 10 см² каждая, находится диэлектрик (слюда) (ε=6; ε₀=8,85·10^-12 Кл²/Н·м²). Толщина диэлектрика равна

A) 11 мм B) 0,11 мм С) 0,15 см D) 1,5 см E) 1,1 мм

10. Если удвоить напряжение на конденсаторе, то его энергия

A) увеличится в 4 раза B) увеличится в раз С) увеличится в 2 раза

D) не изменится E) увеличится в раз

Электроемкость. Конденсаторы.

Вариант 4

1. Где локализована энергия заряженного конденсатора?

A) На обкладках B) В подводящих проводах С)В пространстве между обкладками D) Нет определенности E) На облаках и в подводящих проводах

2. Конденсатор электроемкостью С=10 мкФ, заряжен до напряжения U=10 В. Энергия электрического поля конденсатора

A) 5 Дж B) 0,5 мДж С) 5 мДж D) 15 Дж E) 5 МДж

3. От источника напряжением 120 В конденсатор получил заряд 6∙10^-5 Кл. Емкость конденсатора

A) 0,5 мкФ B) 5 мкФ C) 0,05 мкФ D) 50 мкФ E) 5 нФ

4. Конденсатор соединен с источником напряжения. Если пространство между обкладками заполнить диэлектриком с ε=5, то запасенная энергия конденсатора

A) уменьшится в 25 раз B) уменьшится в 5 раз С)увеличится в 5 раз

D) не изменится E) увеличится в 25 раз

5. Если разность потенциалов между обкладками конденсатора увеличить в n раз, то его электроемкость

A) увеличится в раз B) уменьшится в n раз С) уменьшится в раз

D) увеличится в n раз E) не изменится

6. Электроемкость плоского конденсатора с диэлектриком внутри:

A) B) С) D) E)

7. На конденсаторе написано С= 1 мкФ, U= 2 кВ. Энергия конденсатора

A) 6 Дж B) 4 Дж С) 5 Дж D) 2 Дж E) 3 Дж

8. С₁=С₂= 2 нФ, С₃= 6 нФ. Определить электроемкость батареи конденсаторов.

A) 5,4 нФ

B) 3,4 нФ

С) 4,4 нФ

D) 2,4 нФ

E) 6,4 нФ

9. Площадь пластины слюдяного конденсатора 15 см², а расстояние между пластинами 0,02 см (ε=6; ε₀=8,85·10^-12 Кл²/Н·м²). Емкость конденсатора

A) ≈ 300 пФ B) ≈ 500 пФ С) ≈ 200 пФ D) ≈ 100 пФ E) ≈ 400 пФ

10. Конденсатор отключен от источника. Если удвоить заряд на каждой из пластин конденсатора, то его энергия

A) увеличится в 4 раза B) увеличится в 8 раз С) увеличится в 2 раза

D) не изменится E) увеличится в 16 раз

  Вам также может понравиться:

Конкурсы
168 работ

Международный творческий конкурс для педагогов «ГРАНИ ТВОРЧЕСТВА И МАСТЕРСТВА
»

01 Марта – 26 Мая

Открытые
62 работы

Всероссийский конкурс детского рисунка «СКАЗОЧНЫЕ И БЫЛИННЫЕ ГЕРОИ
» к 175-летию со дня рождения В.

М. Васнецова

10 Января – 25 Мая

Викторины
100 работ

К ЮБИЛЕЮ ПИСАТЕЛЯ! Литературная викторина к юбилею С. Михалкова «ВСЕ ЧИТАЮТ МИХАЛКОВА
»

01 Марта – 25 Мая

Свидетельство участника экспертной комиссии


Оставляйте комментарии к работам коллег

и получите документ БЕСПЛАТНО!




Подробнее

• Предыдущая работа

• Следующая работа

Также вас может заинтересовать

• Разное по физике для «Исследовательская работа :»Созвездие Близнецы»»
  ^Физика

• Разное по физике для 11 класса «»В чем причина преимущественного применения в некоторых странах ЛЭП постоянного тока»»
  ^Физика

• Презентации по физике для 11 класса «Презентация на тему «Радиолокация»»
  ^Физика

• Уроки по физике для «Урок по теме «Диффузия»»
  ^Физика

• Разное по физике для «Роза Ганзя»
  ^Физика

Часть 9.

Параметры испытаний и электрические свойства

Добро пожаловать в серию «Основные сведения о конденсаторах», где мы расскажем вам о входных и выходных данных конденсаторов микросхем — их свойствах, классификациях продуктов, стандартах испытаний и вариантах использования — чтобы помочь вам обоснованные решения о правильных конденсаторах для ваших конкретных приложений. После описания диэлектрических классификаций в нашей предыдущей статье давайте обсудим условия испытаний конденсаторов и их электрические свойства.

Электрические характеристики конденсаторов с керамическим чипом сильно зависят от условий испытаний, в первую очередь от температуры, напряжения и частоты. Эта зависимость от тестовых параметров более очевидна для сегнетоэлектрических диэлектриков класса II и незначительна или более легко предсказуема для составов класса I. Поэтому были установлены определенные отраслевые стандарты измерений, которые дают соответствующие пределы производительности для любых заданных электрических свойств и диэлектрических характеристик.

Зависимость от температуры

Температурный коэффициент (емкость и зависимость от температуры)

В целом, материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью K при 25°C демонстрируют большее изменение при изменении температуры. Температурный коэффициент емкости (T _CC или T.C.) измеряет изменение емкости в зависимости от температуры и выражается в единицах ppm/°C (частей на миллион на градус Цельсия) для конденсаторов класса I и %ΔC (процентное изменение емкости). ) из измерения комнатной температуры для конденсаторов класса II.

Диэлектрические потери и температура

Диэлектрики класса I демонстрируют лишь незначительное изменение коэффициента диэлектрических потерь (DF) в зависимости от температуры в стандартном температурном диапазоне от -55°C до 125°C, тогда как диэлектрики класса II демонстрируют общее снижение DF с температурой ( особенно в точке Кюри материала или вблизи нее). При комнатной температуре 25 °C отраслевые стандарты требуют, чтобы DF для стандартных диэлектриков класса I (таких как C0G-NP0) не превышала 0,1%, тогда как DF для диэлектриков класса II Mid-K (таких как X7R) не должен превышать 2,5. %, а DF диэлектриков класса II High-K (таких как Z5U и Y5V) не должен превышать 3,0%.

Рис. 1. Кривые коэффициента диэлектрических потерь в зависимости от температуры а материал, выдерживающий утечку тока. Поскольку тепловая энергия увеличивает диффузию носителей заряда, утечка тока увеличивается с температурой. Как правило, IR большинства диэлектриков при 125°C уменьшается на один-два порядка по сравнению с измерением при 25°C. Отраслевые стандарты требуют, чтобы показания ИК-излучения при 125°C превышали 100 Ом-Фарад (ОмФ).

 

Диэлектрическая прочность и температура

Диэлектрическая прочность изоляторов обратно пропорциональна температуре, поскольку тепло снижает собственное удельное сопротивление материала. Как правило, правильно спроектированный конденсатор прочной конструкции должен выдерживать нормальный диэлектрик при 25°C, выдерживая импульсное напряжение, даже при температуре 125°C.

 

Зависимость от напряжения постоянного тока

Коэффициент напряжения постоянного тока (зависимость от емкости и напряжения постоянного тока)

При подаче постоянного напряжения все сегнетоэлектрические составы класса II в конечном итоге испытывают снижение диэлектрической проницаемости, и это влияние более серьезно для диэлектриков с более высокой диэлектрической проницаемостью. Такое поведение объясняется ограничением постоянного напряжения на реакцию поляризационных механизмов, которые приводят к увеличению диэлектрической проницаемости материала.

Как видно на рис. 2, ожидаемая емкость изменяется при увеличении напряжения смещения постоянного тока на 0,001 дюйма (0,0254 мм). Толщина отдельных диэлектрических слоев определяет нагрузку устройства в вольтах на мил во время работы. Следовательно, конденсаторы с одинаковой емкостью и номинальным напряжением могут вести себя совершенно по-разному в зависимости от внутренней конструкции конденсаторов. 9Рис. 2. Коэффициенты напряжения для смещения постоянного тока диапазон рабочих температур, при рабочем напряжении. Предполагая, что диэлектрик доступен с T.C. характеристики находятся в пределах ±15% от максимального ΔC, производителю обычно нужно учитывать только отрицательный вклад коэффициента напряжения.

Например, рассмотрим конденсатор X7R емкостью 0,1 мкФ, рассчитанный на 200 В постоянного тока. Этот многослойный керамический конденсатор (MLCC) состоит из 35 слоев толщиной 0,00018 дюйма или 0,0457 мм, что означает, что диэлектрические слои испытывают только 111 111 вольт/дюйм или 4,4 микрона при работе при 200 В постоянного тока. Поэтому согласно рисунку 2 коэффициент напряжения (VC) составляет всего -15%. Если Т.К. диэлектрика составляет ±7% ΔC, а VC составляет -15 % ΔC, тогда максимальная TVC составляет +7–22 % ΔC.

Формирование напряжения и старение

Диэлектрики класса II испытывают эффект ускоренного старения при воздействии постоянного напряжения даже при комнатной температуре, и этот эффект еще сильнее проявляется при более высоких напряжениях и с диэлектриками с повышенной диэлектрической проницаемостью. При производстве диэлектриков Mid-K с жестким допуском (±5%) или высоковольтных устройств продукт обычно повторно нагревают после испытаний на стойкость к ИК-излучению или диэлектрическому напряжению, чтобы сохранить допуск по емкости и установить новый цикл старения. Устройства X7R могут снизить номинальные характеристики емкости на 3% после испытаний на постоянное напряжение при 300 000 вольт/дюйм или 11,8 вольт/микрон.

Коэффициент рассеяния и напряжение постоянного тока

Диэлектрики класса II испытывают уменьшение диэлектрических потерь с увеличением напряжения. На самом деле, DF может быть уменьшена на 75% при смещении 100 000 вольт/дюйм или 3,9 вольт/микрон для диэлектриков X7R.

 

Зависимость от переменного напряжения

Коэффициент переменного напряжения (емкость и зависимость от переменного напряжения)

У конденсаторов класса II диэлектрическая проницаемость всегда увеличивается с увеличением испытательного напряжения переменного тока (при этом диэлектрики с более высоким значением K реагируют быстрее), до некоторого порогового напряжения значение достигается там, где эффект меняется на противоположный. Диэлектрики класса I, работающие в параэлектрическом состоянии, демонстрируют пренебрежимо малую или лишь ограниченную реакцию на переменное смещение.

Промышленные стандарты определяют испытательное напряжение 1,0 ±0,2 В _{действ.} для всех диэлектриков, за исключением некоторых корпусов High-K менее стабильного класса II, для которых производители обычно указывают 0,1 или 0,5 В _{действ.} . Таким образом, применение этих материалов при других напряжениях создает проблемы с корреляцией даже при низком напряжении (менее 5 В _{действующее значение} / 0,001 дюйма), как показано на рисунке 3. Как и в случае с коэффициентом постоянного напряжения, ситуация еще больше усложняется добавленной переменной конструкции конденсатора (т.е. диэлектрической толщины отдельных слоев)

Рисунок 3. Коэффициенты напряжения переменного тока

Коэффициент рассеяния и напряжение переменного тока

Увеличение диэлектрической постоянной с напряжением анализа переменного тока сопровождается заметным увеличением коэффициента диссипации, как показано на рисунке 4. MLCC построены с тонкими диэлектрическими слоями, они не идеальны для использования в схемах с большим переменным напряжением и большим током, так как диэлектрические потери становятся весьма значительными между 5 и 20 В _rms /0,001″ напряжение.

Рис. 4. Влияние смещения переменного тока на диэлектрические потери и диэлектрические потери. приложенное поле приводит к уменьшению измеренного значения емкости.Некоторые процессы поляризации имеют более медленное время реакции, которое не может поспевать за высокочастотным изменением полярности поля, что приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости и увеличению диэлектрических потерь.

Эти эффекты являются общими для всех диэлектрических групп, но более преобладают в сегнетоэлектрических составах, которые демонстрируют большую ионную поляризацию. Типичные кривые зависимости емкости и коэффициента рассеяния от частоты показаны на рисунках 5 и 6.

02 Рис. 6. Коэффициент рассеяния в зависимости от частоты

Старение и зависимость от времени

Как обсуждалось в части 5 нашей серии, сегнетоэлектрические диэлектрики проявляют старение, когда происходит потеря емкости по мере того, как ионы в кристаллической решетке смещаются и стабилизируются в положениях с более низкой потенциальной энергией. Ограничения по проценту потери емкости на скорость старения в течение десяти часов обычно указываются пользователями микросхемных конденсаторов.

Ожидается, что X7R будет стареть менее чем на 2,5 % за десятилетие в час, и большинство диэлектриков с этой характеристикой обычно имеют скорость старения от 0,8 до 2,0 % за десятилетие в час. Спецификация старения High-K по необходимости более либеральна; скорость старения 5% за десятилетие в час считается нормальной. Многие из диэлектриков класса II могут также демонстрировать старение коэффициента рассеяния, эффект, более характерный для составов с высоким содержанием калия.

Надеемся, что часть 9 помогла вам лучше понять параметры диэлектрических испытаний и то, как их результаты могут повлиять на ваше конкретное приложение. В части 10 мы углубимся в отраслевые стандарты тестирования. Кроме того, ознакомьтесь с нашими конденсаторами Knowles Precision Devices, чтобы ознакомиться с нашим полным ассортиментом продукции.

---

Чтобы узнать больше о конденсаторах, загрузите нашу электронную книгу «Руководство по выбору правильного конденсатора для вашего конкретного приложения».

8.1 Конденсаторы и емкости — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните понятия конденсатора и его емкости
• Опишите, как оценить емкость системы проводников

Конденсатор — это устройство, используемое для хранения электрического заряда и электрической энергии. Конденсаторы обычно имеют два электрических проводника, разделенных расстоянием. (Обратите внимание, что такие электрические проводники иногда называют «электродами», но правильнее было бы назвать их «пластинами конденсатора».) Пространство между конденсаторами может быть просто вакуумом, и в этом случае конденсатор называется «вакуумный конденсатор». Однако пространство обычно заполнено изоляционным материалом, известным как диэлектрик. (Вы узнаете больше о диэлектриках в разделах, посвященных диэлектрикам, далее в этой главе.) Объем памяти в конденсаторе определяется свойством, называемым емкость , о которой вы узнаете подробнее чуть позже в этом разделе.

Применение конденсаторов варьируется от фильтрации статического электричества от радиоприема до накопления энергии в сердечных дефибрилляторах. Как правило, коммерческие конденсаторы имеют две проводящие части, расположенные близко друг к другу, но не соприкасающиеся, как показано на рис. 8.2. В большинстве случаев между двумя пластинами используется диэлектрик. Когда клеммы батареи подключены к изначально незаряженному конденсатору, потенциал батареи перемещает небольшое количество заряда величиной 9.0154 Q с положительной пластины на отрицательную. Конденсатор в целом остается нейтральным, но с зарядами +Q+Q и -Q-Q, расположенными на противоположных пластинах.

Рисунок
8.2

Оба конденсатора, показанные здесь, были изначально разряжены перед подключением к батарее. Теперь у них на пластинах есть заряды +Q+Q и −Q−Q (соответственно). (a) Конденсатор с плоскими пластинами состоит из двух пластин противоположного заряда площадью A , разделенных расстоянием d . (b) Скрученный конденсатор имеет диэлектрический материал между двумя проводящими листами (пластинами).

Система, состоящая из двух одинаковых пластин с параллельными проводниками, разделенных расстоянием, называется конденсатором с параллельными пластинами (рис. 8.3). Величина электрического поля в пространстве между параллельными пластинами равна E=σ/ε0E=σ/ε0, где σσ — поверхностная плотность заряда на одной пластине (напомним, что σσ — заряд Ом , приходящийся на площадь поверхности А). ). Таким образом, величина поля прямо пропорциональна Q .

Рисунок
8.3

Разделение зарядов в конденсаторе показывает, что заряды остаются на поверхности пластин конденсатора. Линии электрического поля в конденсаторе с плоскими пластинами начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами. Величина электрического поля в пространстве между пластинами прямо пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Конденсаторы с разными физическими характеристиками (такими как форма и размер их пластин) сохраняют разное количество заряда при одном и том же приложенном на их пластинах напряжении В . Емкость C конденсатора определяется как отношение максимального заряда Q , который может храниться в конденсаторе, к приложенному напряжению В на его обкладках. Другими словами, емкость — это наибольшее количество заряда на вольт, которое может храниться на устройстве:

C=QV.C=QV.

8.1

Единицей измерения емкости в системе СИ является фарад (Ф), названный в честь Майкла Фарадея (1791–1867). Поскольку емкость — это заряд на единицу напряжения, один фарад равен одному кулону на один вольт, или

1F=1C1V.1F=1C1V.

По определению, конденсатор емкостью 1,0 Ф способен хранить 1,0 Кл заряда (очень большой заряд), когда разность потенциалов между его пластинами составляет всего 1,0 В. Таким образом, один фарад — это очень большая емкость. Типичные значения емкости находятся в диапазоне от пикофарад (1 пФ = 10–12 Ф) (1 пФ = 10–12 Ф) до миллифарад (1 мФ = 10–3 Ф) (1 мФ = 10–3 Ф), включая микрофарад (1 мкФ = 10–6 Ф1 мкФ = 10–10–3). 6F). Конденсаторы могут изготавливаться различных форм и размеров (рис. 8.4).

Рисунок
8.4

Это некоторые типичные конденсаторы, используемые в электронных устройствах. Размер конденсатора не обязательно связан со значением его емкости. (кредит: Windell Oskay)

Расчет емкости

Мы можем рассчитать емкость пары проводников с помощью следующего стандартного подхода.

Стратегия решения проблем

Расчет емкости

1. Предположим, что конденсатор имеет заряд Q .
2. Определите электрическое поле E→E→ между проводниками. Если в расположении проводников присутствует симметрия, вы можете использовать закон Гаусса для этого расчета.
3. Найдите разность потенциалов между проводниками из
   VB-VA=-∫ABE→·dl→, VB-VA=-∫ABE→·dl→,

   8,2

   где путь интегрирования ведет от одного проводника к другому. Тогда величина разности потенциалов равна V=|VB-VA|V=|VB-VA|.

4. Зная В , получите емкость непосредственно из уравнения 8.1.

Чтобы показать, как работает эта процедура, мы теперь рассчитаем емкости пластинчатых, сферических и цилиндрических конденсаторов. Во всех случаях мы предполагаем вакуумные конденсаторы (пустые конденсаторы) без диэлектрического вещества в пространстве между проводниками.

Конденсатор с параллельными пластинами

Конденсатор с плоскими пластинами (рис. 8.5) имеет две одинаковые проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поверхности A , разделенные расстоянием d . При напряжении В подается на конденсатор, он накапливает заряд Q , как показано на рисунке. Мы можем видеть, как его емкость может зависеть от A и d , рассматривая характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что сила между зарядами увеличивается с увеличением заряда и уменьшается с расстоянием между ними. Следует ожидать, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить. Таким образом, C должно быть больше для большего значения A . Точно так же, чем ближе пластины друг к другу, тем сильнее притяжение к ним противоположных зарядов. Следовательно, C должен быть больше для меньшего d .

Рисунок
8,5

В плоском конденсаторе с пластинами, расположенными на расстоянии d , каждая пластина имеет одинаковую площадь поверхности A .

Определим поверхностную плотность заряда σσ на пластинах как

σ=QA. σ=QA.

Из предыдущих глав мы знаем, что когда d мало, электрическое поле между пластинами достаточно однородно (без учета краевых эффектов) и что его величина определяется выражением

E=σε0,E=σε0,

, где константа ε0ε0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, ε0=8,85×10−12F/м.ε0=8,85×10−12F/м. Единица СИ Ф/м эквивалентна C2/N·m2.C2/N·m2. Поскольку электрическое поле E→E→ между пластинами однородно, разность потенциалов между пластинами равна

.

V=Ed=σdε0=Qdε0A.V=Ed=σdε0=Qdε0A.

Следовательно, уравнение 8.1 дает емкость плоского конденсатора как

C=QV=QQd/ε0A=ε0Ad.C=QV=QQd/ε0A=ε0Ad.

8,3

Обратите внимание, что из этого уравнения емкость является функцией только геометрии и того, какой материал заполняет пространство между пластинами (в данном случае вакуум) этого конденсатора. На самом деле это справедливо не только для плоского конденсатора, но и для всех конденсаторов: Емкость не зависит от Ом или В . При изменении заряда соответственно меняется и потенциал, так что Q / В остается постоянным.

Пример
8.1

Емкость и заряд, хранящиеся в конденсаторе с параллельными пластинами

а) Какова емкость пустого плоского конденсатора с металлическими пластинами площадью 1,00 м21,00 м2, разделенными расстоянием 1,00 мм? б) Сколько заряда накопится в этом конденсаторе, если к нему приложить напряжение 3,00×103 В3,00×103 В?

Стратегия

Нахождение емкости C является прямым применением уравнения 8.3. Как только мы найдем C , мы сможем найти накопленный заряд, используя уравнение 8.1.

Решение

1. Ввод данных значений в уравнение 8.3 дает

   C=ε0Ad=(8,85×10−12Fm)1,00m21,00×10−3m=8,85×10−9F=8,85nF.C=ε0Ad=(8,85×10−12Fm)1,00m21,00×10−3m= 8,85×10-9Ф=8,85нФ.

   Это маленькое значение емкости указывает на то, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью.

2. Инвертирование уравнения 8.1 и ввод известных значений в это уравнение дает

   Q=CV=(8,85×10-9F)(3,00×103В)=26,6мкКл. Q=CV=(8,85×10-9F)(3,00×103В)=26,6мкКл.

Значение

Этот заряд лишь немного больше, чем в типичных приложениях статического электричества. Поскольку воздух разрушается (становится проводящим) при напряженности электрического поля около 3,0 МВ/м, на этом конденсаторе больше не может накапливаться заряд при увеличении напряжения.

Пример
8.2

A 1-F Конденсатор с параллельными пластинами

Предположим, вы хотите построить конденсатор с плоскими пластинами емкостью 1,0 Ф. Какую площадь вы должны использовать для каждой пластины, если расстояние между пластинами составляет 1,0 мм?

Решение

Преобразуя уравнение 8.3, мы получаем

A=Cdε0=(1,0F)(1,0×10-3м)8,85×10-12F/м=1,1×108м2. A=Cdε0=(1,0F)(1,0×10-3м)8,85×10-12F/ м=1,1×108м2.

Каждая квадратная пластина должна иметь диаметр 10 км. Раньше было обычной шуткой просить студента пойти на склад лаборатории и попросить конденсатор с плоскими пластинами 1-Ф, пока обслуживающему персоналу не надоела эта шутка.

Проверьте свое понимание
8.1

Емкость плоского конденсатора составляет 2,0 пФ. Если площадь каждой пластины 2,4 см22,4 см2, каково расстояние между пластинами?

Проверьте свое понимание
8.2

Убедитесь, что σ/Vσ/V и ε0/dε0/d имеют одинаковые физические единицы.

Сферический конденсатор

Сферический конденсатор представляет собой еще один набор проводников, емкость которых можно легко определить (рис. 8.6). Он состоит из двух концентрических проводящих сферических оболочек радиусами R1R1 (внутренняя оболочка) и R2R2 (внешняя оболочка). Оболочки получают равные и противоположные заряды +Q+Q и −Q−Q соответственно. Из-за симметрии электрическое поле между оболочками направлено радиально наружу. Мы можем получить величину поля, применив закон Гаусса к сферической поверхности Гаусса радиусом 9dr)=Q4πε0∫R1R2drr2=Q4πε0(1R1−1R2).

В этом уравнении разность потенциалов между пластинами равна V=-(V2-V1)=V1-V2V=-(V2-V1)=V1-V2. Подставим этот результат в уравнение 8.1, чтобы найти емкость сферического конденсатора:

C=QV=4πε0R1R2R2−R1.C=QV=4πε0R1R2R2−R1.

8,4

Рисунок
8,6

Сферический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих сфер. Обратите внимание, что заряды проводника находятся на его поверхности.

Пример
8.3

Емкость изолированной сферы

Рассчитайте емкость одиночной изолированной проводящей сферы радиусом R1R1 и сравните ее с уравнением 8.4 в пределе, когда R2→∞R2→∞.

Стратегия

Мы предполагаем, что заряд на сфере равен Q , и поэтому мы следуем четырем шагам, описанным ранее. Мы также предполагаем, что другой проводник представляет собой концентрическую полую сферу бесконечного радиуса.

Раствор

Снаружи изолированной проводящей сферы электрическое поле определяется уравнением 8.2. Величина разности потенциалов между поверхностью изолированной сферы и бесконечностью равна
9dr)=Q4πε0∫R1+∞drr2=14πε0QR1.

Таким образом, емкость изолированной сферы равна

C=QV=Q4πε0R1Q=4πε0R1.C=QV=Q4πε0R1Q=4πε0R1.

Значение

Тот же результат можно получить, взяв предел уравнения 8.4 при R2→∞R2→∞. Таким образом, отдельная изолированная сфера эквивалентна сферическому конденсатору, внешняя оболочка которого имеет бесконечно большой радиус.

Проверьте свое понимание
8.3

Радиус внешней сферы сферического конденсатора в пять раз больше радиуса его внутренней оболочки. Каковы размеры этого конденсатора, если его емкость 5,00 пФ?

Цилиндрический конденсатор

Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров (рис. 8.7). Внутренний цилиндр радиусом R1R1 может быть как оболочкой, так и сплошным телом. Внешний цилиндр представляет собой оболочку с внутренним радиусом R2R2. Предположим, что длина каждого цилиндра равна l и что избыточные заряды +Q+Q и −Q−Q располагаются на внутреннем и внешнем цилиндрах соответственно.

Рисунок
8,7

Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров. Здесь заряд на внешней поверхности внутреннего цилиндра положителен (обозначен ++), а заряд на внутренней поверхности внешнего цилиндра отрицателен (обозначен —). 9dr)=Q2πε0l∫R1R2drr=Q2πε0llnr|R1R2=Q2πε0llnR2R1.

Таким образом, емкость цилиндрического конденсатора равна

C=QV=2πε0lln(R2/R1).C=QV=2πε0lln(R2/R1).

8,6

Как и в других случаях, эта емкость зависит только от геометрии расположения проводников. Важным применением уравнения 8.6 является определение емкости на единицу длины коаксиального кабеля , который обычно используется для передачи изменяющихся во времени электрических сигналов. Коаксиальный кабель состоит из двух концентрических цилиндрических проводников, разделенных изоляционным материалом. (Здесь мы предполагаем вакуум между проводниками, но физика качественно почти такая же, когда пространство между проводниками заполнено диэлектриком.) Такая конфигурация экранирует электрический сигнал, распространяющийся по внутреннему проводнику, от внешних по отношению к проводнику паразитных электрических полей. кабель. Ток течет в противоположных направлениях во внутреннем и внешнем проводниках, при этом внешний проводник обычно заземлен. Теперь из уравнения 8.6 емкость на единицу длины коаксиального кабеля равна

Cl=2πε0ln(R2/R1).Cl=2πε0ln(R2/R1).

В практических приложениях важно выбрать конкретные значения C / l . Этого можно добиться соответствующим выбором радиусов проводников и изоляционного материала между ними.

Проверьте свое понимание
8.4

Когда цилиндрический конденсатор получает заряд 0,500 нКл, между цилиндрами измеряется разность потенциалов 20,0 В. а) Чему равна емкость этой системы? б) Чему равно отношение их радиусов, если длина цилиндров 1,0 м?

На рис. 8.4 показаны несколько типов практических конденсаторов. Обычные конденсаторы часто изготавливают из двух небольших кусочков металлической фольги, разделенных двумя небольшими кусочками изоляции (см. рис. 8.2(b)). Металлическая фольга и изоляция покрыты защитным покрытием, а два металлических вывода используются для подключения фольги к внешней цепи. Некоторыми распространенными изоляционными материалами являются слюда, керамика, бумага и антипригарное покрытие Teflon™.

Другим популярным типом конденсатора является электролитический конденсатор. Он состоит из окисленного металла в токопроводящей пасте. Основным преимуществом электролитического конденсатора является его высокая емкость по сравнению с другими распространенными типами конденсаторов. Например, емкость алюминиевого электролитического конденсатора одного типа может достигать 1,0 Ф. Однако вы должны быть осторожны при использовании электролитического конденсатора в цепи, потому что он работает правильно только тогда, когда металлическая фольга находится под более высоким потенциалом, чем проводящая паста. Когда возникает обратная поляризация, электролитическое воздействие разрушает оксидную пленку. Конденсатор этого типа нельзя подключать к источнику переменного тока, потому что в половине случаев переменное напряжение будет иметь неправильную полярность, поскольку переменный ток меняет полярность (см. Цепи переменного тока в цепях переменного тока).

Переменный воздушный конденсатор (рис. 8.8) имеет два набора параллельных пластин. Один набор пластин закреплен (обозначен как «статор»), а другой набор пластин прикреплен к валу, который может вращаться (обозначен как «ротор»). Поворачивая вал, можно изменить площадь поперечного сечения в области нахлеста пластин; следовательно, емкость этой системы может быть настроена на желаемое значение. Конденсаторная настройка находит применение в любом типе радиопередачи и при приеме радиосигналов от электронных устройств. Каждый раз, когда вы настраиваете автомобильный радиоприемник на любимую станцию, подумайте о емкости.

Рисунок
8,8

В переменном воздушном конденсаторе емкость можно регулировать, изменяя эффективную площадь пластин. (кредит: модификация работы Робби Спроула)

Символы, показанные на рис. 8.9, представляют собой схемы различных типов конденсаторов. Обычно мы используем символ, показанный на рис. 8.9(а). Символ на рис. 8.9(c) обозначает конденсатор переменной емкости. Обратите внимание на сходство этих символов с симметрией плоского конденсатора. Электролитический конденсатор представлен символом в части рисунка 8.9.(б), где изогнутая пластина указывает на отрицательную клемму.

Рисунок
8,9

Это показывает три различных представления схемы конденсаторов. Символ в (а) является наиболее часто используемым. Символ в (b) представляет собой электролитический конденсатор. Символ в (c) представляет собой конденсатор переменной емкости.

Интересный прикладной пример модели конденсатора взят из клеточной биологии и касается электрического потенциала плазматической мембраны живой клетки (рис. 8.10). Клеточные мембраны отделяют клетки от их окружения, но позволяют некоторым избранным ионам проходить внутрь или наружу клетки. Разность потенциалов на мембране составляет около 70 мВ. Клеточная мембрана может иметь толщину от 7 до 10 нм. Рассматривая клеточную мембрану как наноразмерный конденсатор, оценка наименьшей напряженности электрического поля на ее «пластинах» дает значение E=Vd=70×10−3V10×10−9.m=7×106В/м>3МВ/мE=Vd=70×10−3В10×10−9m=7×106В/м>3МВ/м.

Эта величина электрического поля достаточно велика, чтобы создать электрическую искру в воздухе.

Рисунок
8.10

Полупроницаемая мембрана биологической клетки имеет разные концентрации ионов на внутренней поверхности, чем на внешней. Диффузия перемещает ионы K+K+ (калий) и Cl–Cl– (хлорид) в указанных направлениях до тех пор, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос. Таким образом, внешняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд, а ее внутренняя поверхность приобретает отрицательный заряд, создавая на мембране разность потенциалов. Мембрана в норме непроницаема для Na+ (ионов натрия).

Электрические заряды, связанные с клеточной мембраной, приводят к критическим биологическим процессам.