Опыты с конденсаторами. Продолжение.
Продолжаем наше знакомство с конденсаторами. А началось оно тут.
Есть в продаже и специальная бумага для конденсаторов (и разные другие диэлектрики в рулонах тонких пленок).
На металлобумажных конденсаторах промышленного изготовления нет фольги. Металл на бумагу нанесен там вакуумным напылением с двух сторон и она свернута в рулончик через тонкую изолирующую прокладку. Два изолирующих колпачка, металлический корпус - и конденсатор готов:
А недавно ученые создали нанотехнологическую конденсаторную бумагу. На 90% она по-прежнему, состоит из целлюлозы. Но внутри бумаги находятся углеродные нанотрубки, выполняющие функции электродов и позволяющие материалу проводить электричество. Сама же бумага пропитана электролитом - ионной жидкостью. Процесс изготовления устройства напоминает обычную печать. Эта бумага совместима с биологическими тканями, а значит может быть использована для обеспечения энергией устройств, работающих внутри человеческого тела, используя электролитические жидкости организма.
Группа ученых из Стэнфордского университета разработала чернила на основе углеродных нанотрубок и серебряных нанопроволок, при нанесении которых на лист бумаги он приобретает проводящие свойства. Ранее авторы уже экспериментировали с подобными чернилами, используя пластик в качестве подложки. Бумага оказалась более удобным и надежным материалом: ее волокнистая структура обеспечивает высокую прочность покрытия, а сам процесс нанесения чернил становится проще и дешевле. Кроме того, бумагу можно мять и сгибать, и это никак не отразится на ее свойствах. Сконструированный с использованием этого материала конденсатор показал внушительную удельную энергоемкость в 7,5 Вт•ч/кг и выдержал 40 тысяч циклов заряда/разряда - на порядок больше, чем литиевые батареи.
Ученые, конечно, молодцы, но нам-то как увеличить емкость конденсатора? В 1877-1878г. П.Н. Яблочков демонстрировал конденсаторы, предназначавшиеся для его системы электрического освещения. Они представляли собой свернутые в рулон листы оловянной фольги, разделенные слоями пластыря и гуттаперчи. В реферате доклада П.Н. Яблочкова отмечалось, что такие конденсаторы "позволяют получать в небольшом объеме громадные электрические мощности". В этом же году он запатентовал "металлические листки, покрытые изолирующим веществом, специально в целях устройства конденсатора посредством погружения таких изолирующих пластин в жидкость, содержавшуюся в резервуаре". Он впервые предложил и ставший классическим конденсатор в виде стопки металлических пластин (или полосок фольги) с находящимися между ними изоляционными слоями, при этом четные металлические пластины (полоски фольги) соединены между собой общим проводником, а нечетные другим.
Такой конденсатор можно легко собрать самостоятельно из пищевой фольги и файликов для бумаги или полиэтиленовых пакетов. При всей его примитивности, он весьма эффективен. Вот промышленный конденсатор на 1 кВ и 40 мкф, состоящий из фольги и полиэтилена свернутых в тугой рулончик размером с пивную банку.
В одном из своих патентов все тот же Яблочков впервые предложил соединять конденсаторы параллельно и последовательно.
Два параллельно соединенных конденсатора, это все равно что один с удвоенной площадью обкладок. В этом легко убедиться с помощью двустороннего фольгированного стеклотекстолита - почти готового конденсатора с фиксированным расстоянием между обкладками. Для наглядности используем очень тонкий текстолит, с нанесенной в заводских условиях с двух сторон фольгой. Вырежем из него кусочек 50х50 мм и измерим его емкость (она составила 0,64 нф). Толщина самого диэлектрика составляет около 0,2 мм. Тогда по формуле плоского конденсатора относительная диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита составит 5,7 единиц, что великолепно согласуется с табличными значениями: 4,25-6,25
Теперь разрежем его ровно пополам, смотря чтобы не получилось заусенцев, замыкающих обкладки между собой.
У меня получились две пластинки с емкостями 0,32 + 0,32 = 0,64 нф. Все точно, как в аптеке. Соединим их параллельно и измерим емкость - все те же 0,64 нф. Соединим теперь последовательно. Надеюсь сейчас вам уже очевидно, что это то же самое, что вдвое увеличить толщину диэлектрика и емкость должна уменьшиться вдвое, составив 0,16 пф. Мультиметр подтверждает, что так оно и есть. Школьный учебник по физике не врет!
Емкость уменьшается не только при последовательном включении конденсаторов, но и резисторов, катушек, транзисторов и любых других элементов - прием последовательного соединения используют для уменьшения паразитных емкостей любых радиодеталей.
Конденсатор как нанотехнология
Получив со временем диэлектрики в виде полимерных пленок толщиной в микроны, инженеры двинулись дальше. А дальше как известно - нанометры. Так появились электролитические конденсаторы, даже самый старинный из которых представляют собой нанотехнологию, да еще какую!
Некоторые металлы, такие как алюминий или тантал, покрываются при прохождении через них тока в определенных электролитах, тончайшей пористой пленкой окисла. Она является диэлектриком конденсатора, а обкладками - электролит и металл. Толщина составляет 50-500 нм в зависимости от напряжения. Такие конденсаторы, как и следовало ожидать, отличаются от всех прочих своей огромной удельной ёмкостью.
Оксид алюминия является полупроводником и поэтому алюминиевые электролитические конденсаторы полярны, т.е. неспособны работать с переменным током. Они являются низкочастотными, в основном служат для сглаживания пульсаций тока и их редко применяют на частотах выше 30 кГц.
Несознательные граждане заряжают электролитический конденсатор от розетки и ради “прикола” касаются руки ни в чем не подозревающего человека. Чересчур сознательные граждане кладут в карман заряженный конденсатор перед тем как идти по рынку или через вокзал - на радость карманникам. Все это кончается плохо: конденсаторы (в силу своей полярности пробиваемые переменным током) при включении в розетку внезапно взрываются и люди получают серьезные травмы.
При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.
Кроме емкости на каждом конденсаторе обозначено его рабочее напряжение - наибольшее постоянное напряжение, при котором конденсатор может надежно работать не менее 1000 часов, не изменяя при этом своих параметров. Если Вы хотите обеспечить долгую и стабильную работу конденсатора, то выбирайте номинальное напряжение с запасом не менее 25%. Если его значительно превысить, то в керамическом конденсаторе наступит пробой, а в электролитическом - нагрев и газовыделение, что приведет к взрыву герметичной оболочки конденсатора. Правда, конденсаторы испытывают на заводе напряжением в 2-3 раза большим номинального, но это делается на очень коротких промежутках времени. Современные электролитические конденсаторы имеют с торца четыре лепестка, чтобы в случае чего не бабахнуть, а тихо раскрыться, как коконы «Чужих». Их (конденсаторы, а не коконы) можно наблюдать на материнской плате компьютера.
Ухудшение характеристик электролитических конденсаторов связано, прежде всего, с высыханием электролита. Поэтому их срок службы ограничен, особенно в условиях нагрева. Поэтому на корпусе обычно указывается допустимый диапазон температур. Гибель конденсаторов, стоящих возле источников тепла - радиаторов - частая причина поломок современных компьютеров. Вообще, вышедший из строя электролитический конденсатор часто служит причиной неисправности бытовой электроники. При ее ремонте не забывайте, что после выключения прибора конденсаторы сохраняют заряд. Их необходимо разрядить, особенно при ремонте импульсных блоков питания и выпрямителей, где напряжение на конденсаторах достигает сотен вольт.
Даже если заряженный конденсатор быстро разрядить до нуля, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что оно самопроизвольно медленно повышается (до 15% от первоначального у некоторых конденсаторов). Это диэлектрическое поглощение, т.е. адсорбция электрического заряда. Ее интенсивность зависит от диэлектрика (меньше всего, естественно, у фторопласта). В электролитических конденсаторах адсорбция порождается химическими реакциями между электролитом и обкладками. Это легко наблюдать на конденсаторе емкостью в тысячи микрофарад. Разрядим его искрой об металлический предмет, подождем несколько секунд и… разрядим снова искрой поменьше.. хотя, казалось бы… Вот она и адсорбция. Это обусловлено как раз разной скоростью разных механизмов деполяризации диэлектрика.
Об этом важно помнить не только при проектировании устройств автоматики и измерительной техники, в которых остаточный заряд на конденсаторах может существенно искажать результаты измерений, но и при обслуживании конденсаторов с опасно высоким напряжением. Поэтому они обычно снабжаются устройствами, снижающими напряжение на выводах до безопасного значения за полминуты с момента отключения.
Ученые идут дальше и уменьшают габариты и массу алюминиевых электролитических конденсаторов путем повышения их удельной емкости, т.е. удельной емкости фольги. У современной фольги этот параметр равен 130-180 мкф/см2 , а с помощью электрохимического травления ее рыхлят, от этого повышается ее площадь и удельная емкость возрастает до 500-600 мкф/см2. В погонях за наиболее корявой и лабиринтоподобной поверхностью ученые и инженеры испытывают самые разные технологии: вакуумное напыление пористых металлических покрытий, нанесение пудры с последующим отжигом.
Удельная емкость это массогабаритная характеристика конденсаторов и их деталей. Конструкторы конденсаторов соревнуются в поверхностной, объемной и массовой удельных емкостях, измеряемых соответственно в Ф/м2, Ф/м3 и Ф/кг.
Эти исследования позволяют выпускать электролитические конденсаторы во все более миниатюрных безвыводных корпусах. Но их корпус при пайке сильно греется и жидкий электролит норовит вскипеть. Поэтому он постепенно вытесняется твердыми электролитами на основе проводящих полимеров.
Твердотельные конденсаторы имеют более стабильные характеристики и увеличенное время работы. Кроме того, органическая химическая природа проводящих полимеров дает широчайшие возможности для химического синтеза замысловатых электродов. Например, недавно ученые сформировали электроды из углеродных нанотрубок, образовавших своего рода скелет, в котором распределился электропроводящий полимер. Этот «скелет» не только предохранял материал конденсатора от деформаций при перепадах температуры, но и за счет своей разветвленной поверхности обладал удельной емкостью от 100 - 330 Ф/г при напряжении 0,6-1,8 В.
Конденсатор как идеал
Но интересно ведь сделать и еще более емкие конденсаторы. Неужели никак уже нельзя? Конечно, можно. В системе физических законов, описывающих наш мир, кажется, вообще можно практически все. Конечно, если подойти к задаче с умом. В наше время набирает популярность созданная еще в СССР теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). Там, среди множества интересностей, есть и такой принцип: идеальный объект - это отсутствующий объект. То есть, в нашем случае, идеальный диэлектрик - это отсутствующий диэлектрик. Это логично: отсутствующий диэлектрик является самым дешевым, надежным, простым в производстве, а главное - самым-самым тонким из всех диэлектриков.
Но отсутствующий диэлектрик - это не просто ничего. Это все-таки диэлектрик, то есть нечто не дающее обкладкам замкнуться накоротко. Мистика? Нет, электрохимия.
Когда через раствор электролита течет ток, происходит его электролиз. Но не при любом напряжении, а начиная с 1,2 В (в случае воды). Значит, при подаче напряжения, скажем, 1 В ток в электролизере не идет. Это странно для системы из трех отличных проводников: электрод-электролит-электрод, не так ли? А все дело в том, что на границах электролит-электрод и притаились наши отсутствующие диэлектрики, которые имеют научное название: двойной электрический слой. На одной половине заряженного ионистора образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, а на другой - с положительными ионами
Как видим, при характерных для ионисторов низких напряжениях, просто проводники окруженные электролитом, имеют довольно большие емкости. Это по-видимому представляло большую проблему при проектировании нейросетей живых организмов: наша традиционная электроника просто не смогла бы работать в окружении такого количества паразитных конденсаторов (а убрать жидкость нельзя, как же подводить питательные вещества?). Пришлось природе конструировать живые вычислительные системы на оригинальных и изящных принципах, обращающих в пользу именно «конденсаторные» свойства среды, о чем М.Б. Беркинблит и Е.Г. Глаголева написали захватывающую научно-популярную книгу «Электричество в живых организмах».
Хотя ионисторы пока и уступают в энергетической емкости аккумуляторам и бензобакам, они могут выдать всю хранящуюся в них энергию за доли секунды (не пробуйте добиться этого от бензобака!) и за это пользуются уважением в кругах строителей гаусс-пушек и тому подобного.
А если превысить напряжение 1,2 В, ионистор превратится в топливный элемент. Но это уже совсем другая история.
Конденсатор как датчик
Благодаря гиперболической зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластинами, конденсаторы служат хорошими датчиками малых перемещений. Сверхчувствительная искусственная кожа, созданная учеными Стэнфордского университета состоит из большого числа конденсаторов с диэлектриком из резины, настолько нежной, что изменения емкости конденсаторов регистрировались при посадке на «кожу» насекомых, весящих всего 0,02 г. Чувствительность обеспечена специальным формованием резины - она усеяна миллионами остроконечных пирамидок на квадратный сантиметр. Свободное пространство вокруг микропирамид позволяет им легко деформироваться и восстанавливать исходную форму после снятия нагрузки. На этом же принципе основан измеритель толщины покрытий на металлических изделиях (лак, эмаль, окисные пленки) без разрушения покрытия - он меряет емкость конденсатора, образованного металлом, покрытием и лежащим на нем стальным шариком.
Чувствительность конденсатора к расстоянию между обкладками позволила чувствовать вибрации воздуха и создать самый распространенный на сегодня тип микрофона - конденсаторный. Одна из его обкладок выполнена из эластичного материала (обычно полимерная плёнка с нанесённой металлизацией), которая при звуковых колебаниях изменяет ёмкость конденсатора. Если конденсатор заряжен, то изменение ёмкости конденсатора приводит к изменению напряжения, которое и является полезным сигналом с микрофона. В популярной разновидности этого микрофона используется электрет - пленка с постоянным электрическим зарядом, колебания которой в конденсаторе отражаются на потенциалах его обкладок. Дело в том, что можно создавать ток, заставляя заряды бегать через нагрузку от одной обкладки конденсатора к другой путем принудительного перемещения заряженного тела от одной обкладки к другой.
Другие датчики перемещений основаны на горизонтальном смещении (или повороте) обкладок друг относительно друга. Это приводит к более линейному измерению емкости, точность которого, особенно с мостовыми схемами, бывает очень высока. Можно придать обкладкам специальную форму и получить желаемую зависимость емкости от линейного перемещения.
На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы - классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение - это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение
Это явление используют при создании конденсаторов переменной емкости. Площадь перекрытия пластин там меняется при вращении рукоятки. Для получения разной зависимости емкости (т.е. площади перекрытия пластин) от угла поворота, пластинам придают форму разных кривых.
Изготовление переменных конденсаторов большой емкости достаточно сложно. Вместо них применяют полупроводниковые схемы на операционных усилителях, ведущие себя как переменные конденсаторы. Также выпускают программируемые матрицы, где нужная емкость набирается из двоичного ряда конденсаторов при помощи электронных переключателей.
Радиолюбители решают подобную задачу проще - когда нужен конденсатор небольшой нестандартной емкости, наматывают на провод несколько витков катушки. Катушка и провод, взятые за оба конца каждый, являются обкладками конденсатора, емкость которого можно регулировать, отматывая витки катушки.
Огромное количество датчиков основано на зависимости емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости диэлектрика. А она в свою очередь зависит от материала диэлектрика, процентного соотношения компонентов если диэлектрик представляет собой смесь, доли объема межэлектродного пространства занимаемого диэлектриком, температуры, давления и т.п.. Так работают измерители влажности воздуха и древесины, уровня жидкости, жирности молока и много чего еще.
Сегодня во многих охраняемых помещениях присутствует датчик присутствия. Это емкостный датчик присутствия. Он был изобретен в России в 1920 г., когда сотрудник Физико-технического института Л.С. Термен измерял зависимость диэлектрической проницаемости газов от температуры и давления. Случайно он обнаружил, что прибор издавал звук, высота и сила которого зависят от положения руки между обкладками конденсатора. Так родился музыкальный инструмент терменвокс, упрощенным вариантом которого и является емкостный охранный датчик. В 1921 г. он был показан в Кремле комиссии во главе с Лениным. Изобретатель присоединил прибор к вазе с цветком, и когда кто-то приближался к ней, раздавался громкий звонок. После изобретатель рассказывал: "Один из военных говорит, что это неправильно. Ленин спросил: "Почему неправильно?" А военный взял шапку теплую, надел ее на голову, обернул руку и ногу шубой и на корточках стал медленно подползать к моей сигнализации. Сигнал снова получился".
В 1927 г. терменвокс произвел фурор на международной конференции по физике и электронике. "Небесная музыка", "голоса ангелов" - захлебывались газеты от восторга. Термен со своим прибором выступал в ведущих концертных залах мира. С разрешения советских властей Термен основал в Нью-Йорке фирму Teletouch Corporation по производству терменвоксов, дела которой пошли блестяще. Тысячи американцев принялись учиться игре на терменвоксе, General Electric и RCA купили лицензии на право его производства. После «Великой депрессии» американцам стало не до терменвоксов, но емкостные охранные датчики пошли нарасхват. Ими оснастили даже форт Нокс, где хранился золотой запас США.
Соединение таких датчиков в матрицу дало людям емкостные сенсорные экраны, которые мы сегодня видим на каждом смартфоне или терминале оплаты сотовой связи.
Конденсатор как мотор
Заряженный конденсатор стремится всеми силами увеличить свою емкость, чтобы тем самым уменьшить напряжение и энергию на обкладках. Как это сделать, ясно из формулы емкости. Например, возникает сила, стремящаяся уменьшить расстояние между обкладками.
Почти все микроэлектромеханические системы (МЭМС) основаны на этом эффекте: зеркала с изменяемой геометрией, состоящие из миллионов микрозеркал, способных наклоняться и поворачиваться. Транспортер из массива подвижных микроресничек или воздушных микродюз, вращающий и перемещающий в любом направлении любое количество объектов, микродвигатели и тому подобное. В некоторых МЭМС это управляемое движение обкладок конденсатора использовано для перемещения… обкладок другого, управляемого переменного конденсатора.
Пьезоэлемент - это конденсатор, роль диэлектрика в котором выполняет особым образом выпиленная из кристалла кварца пластинка. Меняя заряды на пластинах конденсатора, мы можем заставить кварцевую пластинку сжиматься и разжиматься, колебаться. Наоборот, если сжимать или растягивать кварцевую пластинку, на обкладках конденсатора будут появляться заряды. Этим свойством обладают и другие материалы: например, титанат бария, сегнетова соль и др. Считается, что молнии среди ясного неба, иногда сопровождающие землетрясения, обусловлены пьезоэлектрическим эффектом в глубинных скальных породах.
Подсоединив такой конденсатор к источнику переменного электрического напряжения высокой частоты, мы заставим кварцевую пластину сжиматься и разжиматься с огромной частотой и создавать ультразвуковые колебания до многих мегагерц.
Поэтому устройства на пьезоэлементах обладают огромным быстродействием, точностью и надежностью и находят широкое применение. Механический резонанс пластинки используется почти во всех часах - от компьютерных до настенных.
Ученые знают довольно много о пьезоэффекте и пытаются создавать органические пьезоэлектрические (обычно полимерные) материалы, известные нам из новостей как искусственные мышцы.
Конденсатор как молекула
Если молекула не имеет химической связи с поверхностью металлического электрода, а просто лежит на ней, а квантовыми законами не исключено пребывание на ней дополнительных электронов, то этот переход металл-молекула может служить конденсатором, одна обкладка которого будет представлена электродом, а другая - молекулой. По известной уже нам формуле E=q2/2C можно найти энергию, необходимую для заряда этого конденсатора.
Уменьшение конденсатора до молекулярных размеров уменьшает емкость и тем самым увеличивает эту энергию. Так может возникнуть ситуация, что энергия теплового движения электронов (kT) окажется меньше энергии, которую нужно потратить чтобы зарядить конденсатор одним электроном E=e2/2C. Тогда наш «наноконденсатор» не сможет зарядиться и никакой ток через молекулу не потечет. Этот барьер связан с кулоновским отталкиванием и называется кулоновской блокадой. Поэтому чтобы то все же пошел через молекулу, надо приложить дополнительную энергию, приложив напряжение U>E/e тогда ток через молекулу пойдет путем последовательного переноса электронов по ее структуре, и при повышении напряжения ток будет ступенчато возрастать, вместе с возрастанием количества электронов проводимости. Кулоновская блокада зависит от температуры, потому что если она повысится, эти шаги будут размыты
Заряжать отдельные молекулы до напряжения больше 8 вольт не стоит, потому что тогда электрическое поле будет сопоставимо с полями, удерживающими вместе ее атомы и молекула развалится. Поэтому из соотношении Q = CV следует что молекулы, с емкостью меньше 0.020 аФ нельзя заряжать даже одним электроном - напряжение сразу же превысит этот предел.
По расчетам ученых, проводок из 10 молекул бензола имеет емкость 0,018 аФ и использовать как конденсатор его нельзя (вспомним, что макроскопические отдельные проводки тоже имеют малую емкость). Молекула порфирина сама по себе, или с атомом магния имеет емкость 0,042 аФ, а с атомом железа всего 0,017 аФ. Фуллерены С60 и С70 обладают емкостью по 0,032 аФ
Можно оценить даже емкость отдельных атомов, которая будет разной для положительных и отрицательных зарядов, поскольку энергии, затрачиваемые для отрыва и добавления электронов к нейтральному атому различны. Все атомы являются варикондами, и ни один не является термоконденсатором, поскольку энергия, затрачиваемая на отрыв каждого дополнительного электрона растет, а понятие температуры не применимо к атомам.
Можно усомниться в справедливости этих оценок, т.к. некоторые законы физики искажаются на атомном уровне. Но не таков закон Кулона, обуславливающий свойства конденсаторов. Он действует даже на внутриядерных расстояниях, ярчайшим доказательством чего является атомный взрыв. Кстати… атомное ядро ведь тоже своего рода конденсатор - там ведь толпятся положительные заряды, стремящиеся покинуть ядро. Пусть их там сдерживает не электростатическое притяжение, но все-таки… Поскольку не все протоны разлетаются при распаде ядра урана, мы можем оценить только нижнюю границу «ёмкости» уранового ядра. Зная, что при его распаде выделяется энергия 210 МэВ (3,2*10-11 Дж), а заряд ядра равен 92-м зарядам электрона (итого 1,47*10-17 Кл), по формуле C=q2/2E получим 7,35*10-24 Таким образом, если бы был создан конденсатор, загоняющий протоны в урановое ядро, грамм урана дал бы емкость чуть больше 17 000 микрофарад. Это не впечатляет - ненамного больше емкостей обычных электролитических конденсаторов. А где же мегатонны и мегаватты?
Вспомним, что помимо емкости у конденсатора есть иной параметр - напряжение, до которого он может быть заряжен. Оценим «напряжение» до которого «заряжено» ядро: U=2E/Q = 4,3 миллиона вольт. Вот она где, "мега" - в мегавольтах. Запомним навсегда, что ёмкость и энергоёмкость - не одно и то же. Чтобы не стать героями имевшей место в ларьке феерической ситуации, в которой продавцы пытались выразить энергоемкость батареи сотового то в вольтах, то в амперах, а покупатель с апломбом «чтоб вы знали» доказывал, что она измеряется то ли в фарадах, то ли в кулонах
Конденсаторы, изображенные на следующем фото имеют одинаковую емкость по 10 нф, но конструкция одного выдерживает 50 В, а другого - 5000. По формуле Q=UC вычислим, что они способны хранить заряды 0,5 и 50 мкКл, и, соответственно, энергии (E=QU/2) 12,5 мкДж и 0,125 Дж, что, как видим, весьма разные вещи..
Конденсатор как часы
Вот простейший таймер: короткое нажатие кнопки S1 заряжает конденсатор, который тут же начинает разряжаться через R1. По мере его разряда (через время, пропорциональное произведению С1 х R1) транзистор закрывается и светодиод гаснет.
Способности конденсатора задавать время мы обязаны очень многим. Знайте - там где есть конденсатор, обязательно происходит какое-то движение, динамический процесс. То ли ток меняет направление, то ли что-то тикает, то ли переключается со временем. Конденсаторы используются для построения различных цепей с время- и частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.
И это еще не все. Читайте окончание статьи.
Есть в продаже и специальная бумага для конденсаторов (и разные другие диэлектрики в рулонах тонких пленок).
На металлобумажных конденсаторах промышленного изготовления нет фольги. Металл на бумагу нанесен там вакуумным напылением с двух сторон и она свернута в рулончик через тонкую изолирующую прокладку. Два изолирующих колпачка, металлический корпус - и конденсатор готов:
А недавно ученые создали нанотехнологическую конденсаторную бумагу. На 90% она по-прежнему, состоит из целлюлозы. Но внутри бумаги находятся углеродные нанотрубки, выполняющие функции электродов и позволяющие материалу проводить электричество. Сама же бумага пропитана электролитом - ионной жидкостью. Процесс изготовления устройства напоминает обычную печать. Эта бумага совместима с биологическими тканями, а значит может быть использована для обеспечения энергией устройств, работающих внутри человеческого тела, используя электролитические жидкости организма.
Группа ученых из Стэнфордского университета разработала чернила на основе углеродных нанотрубок и серебряных нанопроволок, при нанесении которых на лист бумаги он приобретает проводящие свойства. Ранее авторы уже экспериментировали с подобными чернилами, используя пластик в качестве подложки. Бумага оказалась более удобным и надежным материалом: ее волокнистая структура обеспечивает высокую прочность покрытия, а сам процесс нанесения чернил становится проще и дешевле. Кроме того, бумагу можно мять и сгибать, и это никак не отразится на ее свойствах. Сконструированный с использованием этого материала конденсатор показал внушительную удельную энергоемкость в 7,5 Вт•ч/кг и выдержал 40 тысяч циклов заряда/разряда - на порядок больше, чем литиевые батареи.
Ученые, конечно, молодцы, но нам-то как увеличить емкость конденсатора? В 1877-1878г. П.Н. Яблочков демонстрировал конденсаторы, предназначавшиеся для его системы электрического освещения. Они представляли собой свернутые в рулон листы оловянной фольги, разделенные слоями пластыря и гуттаперчи. В реферате доклада П.Н. Яблочкова отмечалось, что такие конденсаторы "позволяют получать в небольшом объеме громадные электрические мощности". В этом же году он запатентовал "металлические листки, покрытые изолирующим веществом, специально в целях устройства конденсатора посредством погружения таких изолирующих пластин в жидкость, содержавшуюся в резервуаре". Он впервые предложил и ставший классическим конденсатор в виде стопки металлических пластин (или полосок фольги) с находящимися между ними изоляционными слоями, при этом четные металлические пластины (полоски фольги) соединены между собой общим проводником, а нечетные другим.
Такой конденсатор можно легко собрать самостоятельно из пищевой фольги и файликов для бумаги или полиэтиленовых пакетов. При всей его примитивности, он весьма эффективен. Вот промышленный конденсатор на 1 кВ и 40 мкф, состоящий из фольги и полиэтилена свернутых в тугой рулончик размером с пивную банку.
В одном из своих патентов все тот же Яблочков впервые предложил соединять конденсаторы параллельно и последовательно.
Два параллельно соединенных конденсатора, это все равно что один с удвоенной площадью обкладок. В этом легко убедиться с помощью двустороннего фольгированного стеклотекстолита - почти готового конденсатора с фиксированным расстоянием между обкладками. Для наглядности используем очень тонкий текстолит, с нанесенной в заводских условиях с двух сторон фольгой. Вырежем из него кусочек 50х50 мм и измерим его емкость (она составила 0,64 нф). Толщина самого диэлектрика составляет около 0,2 мм. Тогда по формуле плоского конденсатора относительная диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита составит 5,7 единиц, что великолепно согласуется с табличными значениями: 4,25-6,25
Теперь разрежем его ровно пополам, смотря чтобы не получилось заусенцев, замыкающих обкладки между собой.
У меня получились две пластинки с емкостями 0,32 + 0,32 = 0,64 нф. Все точно, как в аптеке. Соединим их параллельно и измерим емкость - все те же 0,64 нф. Соединим теперь последовательно. Надеюсь сейчас вам уже очевидно, что это то же самое, что вдвое увеличить толщину диэлектрика и емкость должна уменьшиться вдвое, составив 0,16 пф. Мультиметр подтверждает, что так оно и есть. Школьный учебник по физике не врет!
Емкость уменьшается не только при последовательном включении конденсаторов, но и резисторов, катушек, транзисторов и любых других элементов - прием последовательного соединения используют для уменьшения паразитных емкостей любых радиодеталей.
Конденсатор как нанотехнология
Получив со временем диэлектрики в виде полимерных пленок толщиной в микроны, инженеры двинулись дальше. А дальше как известно - нанометры. Так появились электролитические конденсаторы, даже самый старинный из которых представляют собой нанотехнологию, да еще какую!
Некоторые металлы, такие как алюминий или тантал, покрываются при прохождении через них тока в определенных электролитах, тончайшей пористой пленкой окисла. Она является диэлектриком конденсатора, а обкладками - электролит и металл. Толщина составляет 50-500 нм в зависимости от напряжения. Такие конденсаторы, как и следовало ожидать, отличаются от всех прочих своей огромной удельной ёмкостью.
Оксид алюминия является полупроводником и поэтому алюминиевые электролитические конденсаторы полярны, т.е. неспособны работать с переменным током. Они являются низкочастотными, в основном служат для сглаживания пульсаций тока и их редко применяют на частотах выше 30 кГц.
Несознательные граждане заряжают электролитический конденсатор от розетки и ради “прикола” касаются руки ни в чем не подозревающего человека. Чересчур сознательные граждане кладут в карман заряженный конденсатор перед тем как идти по рынку или через вокзал - на радость карманникам. Все это кончается плохо: конденсаторы (в силу своей полярности пробиваемые переменным током) при включении в розетку внезапно взрываются и люди получают серьезные травмы.
При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.
Кроме емкости на каждом конденсаторе обозначено его рабочее напряжение - наибольшее постоянное напряжение, при котором конденсатор может надежно работать не менее 1000 часов, не изменяя при этом своих параметров. Если Вы хотите обеспечить долгую и стабильную работу конденсатора, то выбирайте номинальное напряжение с запасом не менее 25%. Если его значительно превысить, то в керамическом конденсаторе наступит пробой, а в электролитическом - нагрев и газовыделение, что приведет к взрыву герметичной оболочки конденсатора. Правда, конденсаторы испытывают на заводе напряжением в 2-3 раза большим номинального, но это делается на очень коротких промежутках времени. Современные электролитические конденсаторы имеют с торца четыре лепестка, чтобы в случае чего не бабахнуть, а тихо раскрыться, как коконы «Чужих». Их (конденсаторы, а не коконы) можно наблюдать на материнской плате компьютера.
Ухудшение характеристик электролитических конденсаторов связано, прежде всего, с высыханием электролита. Поэтому их срок службы ограничен, особенно в условиях нагрева. Поэтому на корпусе обычно указывается допустимый диапазон температур. Гибель конденсаторов, стоящих возле источников тепла - радиаторов - частая причина поломок современных компьютеров. Вообще, вышедший из строя электролитический конденсатор часто служит причиной неисправности бытовой электроники. При ее ремонте не забывайте, что после выключения прибора конденсаторы сохраняют заряд. Их необходимо разрядить, особенно при ремонте импульсных блоков питания и выпрямителей, где напряжение на конденсаторах достигает сотен вольт.
Даже если заряженный конденсатор быстро разрядить до нуля, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что оно самопроизвольно медленно повышается (до 15% от первоначального у некоторых конденсаторов). Это диэлектрическое поглощение, т.е. адсорбция электрического заряда. Ее интенсивность зависит от диэлектрика (меньше всего, естественно, у фторопласта). В электролитических конденсаторах адсорбция порождается химическими реакциями между электролитом и обкладками. Это легко наблюдать на конденсаторе емкостью в тысячи микрофарад. Разрядим его искрой об металлический предмет, подождем несколько секунд и… разрядим снова искрой поменьше.. хотя, казалось бы… Вот она и адсорбция. Это обусловлено как раз разной скоростью разных механизмов деполяризации диэлектрика.
Об этом важно помнить не только при проектировании устройств автоматики и измерительной техники, в которых остаточный заряд на конденсаторах может существенно искажать результаты измерений, но и при обслуживании конденсаторов с опасно высоким напряжением. Поэтому они обычно снабжаются устройствами, снижающими напряжение на выводах до безопасного значения за полминуты с момента отключения.
Ученые идут дальше и уменьшают габариты и массу алюминиевых электролитических конденсаторов путем повышения их удельной емкости, т.е. удельной емкости фольги. У современной фольги этот параметр равен 130-180 мкф/см2 , а с помощью электрохимического травления ее рыхлят, от этого повышается ее площадь и удельная емкость возрастает до 500-600 мкф/см2. В погонях за наиболее корявой и лабиринтоподобной поверхностью ученые и инженеры испытывают самые разные технологии: вакуумное напыление пористых металлических покрытий, нанесение пудры с последующим отжигом.
Удельная емкость это массогабаритная характеристика конденсаторов и их деталей. Конструкторы конденсаторов соревнуются в поверхностной, объемной и массовой удельных емкостях, измеряемых соответственно в Ф/м2, Ф/м3 и Ф/кг.
Эти исследования позволяют выпускать электролитические конденсаторы во все более миниатюрных безвыводных корпусах. Но их корпус при пайке сильно греется и жидкий электролит норовит вскипеть. Поэтому он постепенно вытесняется твердыми электролитами на основе проводящих полимеров.
Твердотельные конденсаторы имеют более стабильные характеристики и увеличенное время работы. Кроме того, органическая химическая природа проводящих полимеров дает широчайшие возможности для химического синтеза замысловатых электродов. Например, недавно ученые сформировали электроды из углеродных нанотрубок, образовавших своего рода скелет, в котором распределился электропроводящий полимер. Этот «скелет» не только предохранял материал конденсатора от деформаций при перепадах температуры, но и за счет своей разветвленной поверхности обладал удельной емкостью от 100 - 330 Ф/г при напряжении 0,6-1,8 В.
Конденсатор как идеал
Но интересно ведь сделать и еще более емкие конденсаторы. Неужели никак уже нельзя? Конечно, можно. В системе физических законов, описывающих наш мир, кажется, вообще можно практически все. Конечно, если подойти к задаче с умом. В наше время набирает популярность созданная еще в СССР теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). Там, среди множества интересностей, есть и такой принцип: идеальный объект - это отсутствующий объект. То есть, в нашем случае, идеальный диэлектрик - это отсутствующий диэлектрик. Это логично: отсутствующий диэлектрик является самым дешевым, надежным, простым в производстве, а главное - самым-самым тонким из всех диэлектриков.
Но отсутствующий диэлектрик - это не просто ничего. Это все-таки диэлектрик, то есть нечто не дающее обкладкам замкнуться накоротко. Мистика? Нет, электрохимия.
Когда через раствор электролита течет ток, происходит его электролиз. Но не при любом напряжении, а начиная с 1,2 В (в случае воды). Значит, при подаче напряжения, скажем, 1 В ток в электролизере не идет. Это странно для системы из трех отличных проводников: электрод-электролит-электрод, не так ли? А все дело в том, что на границах электролит-электрод и притаились наши отсутствующие диэлектрики, которые имеют научное название: двойной электрический слой. На одной половине заряженного ионистора образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, а на другой - с положительными ионами
Как видим, при характерных для ионисторов низких напряжениях, просто проводники окруженные электролитом, имеют довольно большие емкости. Это по-видимому представляло большую проблему при проектировании нейросетей живых организмов: наша традиционная электроника просто не смогла бы работать в окружении такого количества паразитных конденсаторов (а убрать жидкость нельзя, как же подводить питательные вещества?). Пришлось природе конструировать живые вычислительные системы на оригинальных и изящных принципах, обращающих в пользу именно «конденсаторные» свойства среды, о чем М.Б. Беркинблит и Е.Г. Глаголева написали захватывающую научно-популярную книгу «Электричество в живых организмах».
Хотя ионисторы пока и уступают в энергетической емкости аккумуляторам и бензобакам, они могут выдать всю хранящуюся в них энергию за доли секунды (не пробуйте добиться этого от бензобака!) и за это пользуются уважением в кругах строителей гаусс-пушек и тому подобного.
А если превысить напряжение 1,2 В, ионистор превратится в топливный элемент. Но это уже совсем другая история.
Конденсатор как датчик
Благодаря гиперболической зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластинами, конденсаторы служат хорошими датчиками малых перемещений. Сверхчувствительная искусственная кожа, созданная учеными Стэнфордского университета состоит из большого числа конденсаторов с диэлектриком из резины, настолько нежной, что изменения емкости конденсаторов регистрировались при посадке на «кожу» насекомых, весящих всего 0,02 г. Чувствительность обеспечена специальным формованием резины - она усеяна миллионами остроконечных пирамидок на квадратный сантиметр. Свободное пространство вокруг микропирамид позволяет им легко деформироваться и восстанавливать исходную форму после снятия нагрузки. На этом же принципе основан измеритель толщины покрытий на металлических изделиях (лак, эмаль, окисные пленки) без разрушения покрытия - он меряет емкость конденсатора, образованного металлом, покрытием и лежащим на нем стальным шариком.
Чувствительность конденсатора к расстоянию между обкладками позволила чувствовать вибрации воздуха и создать самый распространенный на сегодня тип микрофона - конденсаторный. Одна из его обкладок выполнена из эластичного материала (обычно полимерная плёнка с нанесённой металлизацией), которая при звуковых колебаниях изменяет ёмкость конденсатора. Если конденсатор заряжен, то изменение ёмкости конденсатора приводит к изменению напряжения, которое и является полезным сигналом с микрофона. В популярной разновидности этого микрофона используется электрет - пленка с постоянным электрическим зарядом, колебания которой в конденсаторе отражаются на потенциалах его обкладок. Дело в том, что можно создавать ток, заставляя заряды бегать через нагрузку от одной обкладки конденсатора к другой путем принудительного перемещения заряженного тела от одной обкладки к другой.
Другие датчики перемещений основаны на горизонтальном смещении (или повороте) обкладок друг относительно друга. Это приводит к более линейному измерению емкости, точность которого, особенно с мостовыми схемами, бывает очень высока. Можно придать обкладкам специальную форму и получить желаемую зависимость емкости от линейного перемещения.
На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы - классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение - это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение
Это явление используют при создании конденсаторов переменной емкости. Площадь перекрытия пластин там меняется при вращении рукоятки. Для получения разной зависимости емкости (т.е. площади перекрытия пластин) от угла поворота, пластинам придают форму разных кривых.
Изготовление переменных конденсаторов большой емкости достаточно сложно. Вместо них применяют полупроводниковые схемы на операционных усилителях, ведущие себя как переменные конденсаторы. Также выпускают программируемые матрицы, где нужная емкость набирается из двоичного ряда конденсаторов при помощи электронных переключателей.
Радиолюбители решают подобную задачу проще - когда нужен конденсатор небольшой нестандартной емкости, наматывают на провод несколько витков катушки. Катушка и провод, взятые за оба конца каждый, являются обкладками конденсатора, емкость которого можно регулировать, отматывая витки катушки.
Огромное количество датчиков основано на зависимости емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости диэлектрика. А она в свою очередь зависит от материала диэлектрика, процентного соотношения компонентов если диэлектрик представляет собой смесь, доли объема межэлектродного пространства занимаемого диэлектриком, температуры, давления и т.п.. Так работают измерители влажности воздуха и древесины, уровня жидкости, жирности молока и много чего еще.
Сегодня во многих охраняемых помещениях присутствует датчик присутствия. Это емкостный датчик присутствия. Он был изобретен в России в 1920 г., когда сотрудник Физико-технического института Л.С. Термен измерял зависимость диэлектрической проницаемости газов от температуры и давления. Случайно он обнаружил, что прибор издавал звук, высота и сила которого зависят от положения руки между обкладками конденсатора. Так родился музыкальный инструмент терменвокс, упрощенным вариантом которого и является емкостный охранный датчик. В 1921 г. он был показан в Кремле комиссии во главе с Лениным. Изобретатель присоединил прибор к вазе с цветком, и когда кто-то приближался к ней, раздавался громкий звонок. После изобретатель рассказывал: "Один из военных говорит, что это неправильно. Ленин спросил: "Почему неправильно?" А военный взял шапку теплую, надел ее на голову, обернул руку и ногу шубой и на корточках стал медленно подползать к моей сигнализации. Сигнал снова получился".
В 1927 г. терменвокс произвел фурор на международной конференции по физике и электронике. "Небесная музыка", "голоса ангелов" - захлебывались газеты от восторга. Термен со своим прибором выступал в ведущих концертных залах мира. С разрешения советских властей Термен основал в Нью-Йорке фирму Teletouch Corporation по производству терменвоксов, дела которой пошли блестяще. Тысячи американцев принялись учиться игре на терменвоксе, General Electric и RCA купили лицензии на право его производства. После «Великой депрессии» американцам стало не до терменвоксов, но емкостные охранные датчики пошли нарасхват. Ими оснастили даже форт Нокс, где хранился золотой запас США.
Соединение таких датчиков в матрицу дало людям емкостные сенсорные экраны, которые мы сегодня видим на каждом смартфоне или терминале оплаты сотовой связи.
Конденсатор как мотор
Заряженный конденсатор стремится всеми силами увеличить свою емкость, чтобы тем самым уменьшить напряжение и энергию на обкладках. Как это сделать, ясно из формулы емкости. Например, возникает сила, стремящаяся уменьшить расстояние между обкладками.
Почти все микроэлектромеханические системы (МЭМС) основаны на этом эффекте: зеркала с изменяемой геометрией, состоящие из миллионов микрозеркал, способных наклоняться и поворачиваться. Транспортер из массива подвижных микроресничек или воздушных микродюз, вращающий и перемещающий в любом направлении любое количество объектов, микродвигатели и тому подобное. В некоторых МЭМС это управляемое движение обкладок конденсатора использовано для перемещения… обкладок другого, управляемого переменного конденсатора.
Пьезоэлемент - это конденсатор, роль диэлектрика в котором выполняет особым образом выпиленная из кристалла кварца пластинка. Меняя заряды на пластинах конденсатора, мы можем заставить кварцевую пластинку сжиматься и разжиматься, колебаться. Наоборот, если сжимать или растягивать кварцевую пластинку, на обкладках конденсатора будут появляться заряды. Этим свойством обладают и другие материалы: например, титанат бария, сегнетова соль и др. Считается, что молнии среди ясного неба, иногда сопровождающие землетрясения, обусловлены пьезоэлектрическим эффектом в глубинных скальных породах.
Подсоединив такой конденсатор к источнику переменного электрического напряжения высокой частоты, мы заставим кварцевую пластину сжиматься и разжиматься с огромной частотой и создавать ультразвуковые колебания до многих мегагерц.
Поэтому устройства на пьезоэлементах обладают огромным быстродействием, точностью и надежностью и находят широкое применение. Механический резонанс пластинки используется почти во всех часах - от компьютерных до настенных.
Ученые знают довольно много о пьезоэффекте и пытаются создавать органические пьезоэлектрические (обычно полимерные) материалы, известные нам из новостей как искусственные мышцы.
Конденсатор как молекула
Если молекула не имеет химической связи с поверхностью металлического электрода, а просто лежит на ней, а квантовыми законами не исключено пребывание на ней дополнительных электронов, то этот переход металл-молекула может служить конденсатором, одна обкладка которого будет представлена электродом, а другая - молекулой. По известной уже нам формуле E=q2/2C можно найти энергию, необходимую для заряда этого конденсатора.
Уменьшение конденсатора до молекулярных размеров уменьшает емкость и тем самым увеличивает эту энергию. Так может возникнуть ситуация, что энергия теплового движения электронов (kT) окажется меньше энергии, которую нужно потратить чтобы зарядить конденсатор одним электроном E=e2/2C. Тогда наш «наноконденсатор» не сможет зарядиться и никакой ток через молекулу не потечет. Этот барьер связан с кулоновским отталкиванием и называется кулоновской блокадой. Поэтому чтобы то все же пошел через молекулу, надо приложить дополнительную энергию, приложив напряжение U>E/e тогда ток через молекулу пойдет путем последовательного переноса электронов по ее структуре, и при повышении напряжения ток будет ступенчато возрастать, вместе с возрастанием количества электронов проводимости. Кулоновская блокада зависит от температуры, потому что если она повысится, эти шаги будут размыты
Заряжать отдельные молекулы до напряжения больше 8 вольт не стоит, потому что тогда электрическое поле будет сопоставимо с полями, удерживающими вместе ее атомы и молекула развалится. Поэтому из соотношении Q = CV следует что молекулы, с емкостью меньше 0.020 аФ нельзя заряжать даже одним электроном - напряжение сразу же превысит этот предел.
По расчетам ученых, проводок из 10 молекул бензола имеет емкость 0,018 аФ и использовать как конденсатор его нельзя (вспомним, что макроскопические отдельные проводки тоже имеют малую емкость). Молекула порфирина сама по себе, или с атомом магния имеет емкость 0,042 аФ, а с атомом железа всего 0,017 аФ. Фуллерены С60 и С70 обладают емкостью по 0,032 аФ
Можно оценить даже емкость отдельных атомов, которая будет разной для положительных и отрицательных зарядов, поскольку энергии, затрачиваемые для отрыва и добавления электронов к нейтральному атому различны. Все атомы являются варикондами, и ни один не является термоконденсатором, поскольку энергия, затрачиваемая на отрыв каждого дополнительного электрона растет, а понятие температуры не применимо к атомам.
Можно усомниться в справедливости этих оценок, т.к. некоторые законы физики искажаются на атомном уровне. Но не таков закон Кулона, обуславливающий свойства конденсаторов. Он действует даже на внутриядерных расстояниях, ярчайшим доказательством чего является атомный взрыв. Кстати… атомное ядро ведь тоже своего рода конденсатор - там ведь толпятся положительные заряды, стремящиеся покинуть ядро. Пусть их там сдерживает не электростатическое притяжение, но все-таки… Поскольку не все протоны разлетаются при распаде ядра урана, мы можем оценить только нижнюю границу «ёмкости» уранового ядра. Зная, что при его распаде выделяется энергия 210 МэВ (3,2*10-11 Дж), а заряд ядра равен 92-м зарядам электрона (итого 1,47*10-17 Кл), по формуле C=q2/2E получим 7,35*10-24 Таким образом, если бы был создан конденсатор, загоняющий протоны в урановое ядро, грамм урана дал бы емкость чуть больше 17 000 микрофарад. Это не впечатляет - ненамного больше емкостей обычных электролитических конденсаторов. А где же мегатонны и мегаватты?
Вспомним, что помимо емкости у конденсатора есть иной параметр - напряжение, до которого он может быть заряжен. Оценим «напряжение» до которого «заряжено» ядро: U=2E/Q = 4,3 миллиона вольт. Вот она где, "мега" - в мегавольтах. Запомним навсегда, что ёмкость и энергоёмкость - не одно и то же. Чтобы не стать героями имевшей место в ларьке феерической ситуации, в которой продавцы пытались выразить энергоемкость батареи сотового то в вольтах, то в амперах, а покупатель с апломбом «чтоб вы знали» доказывал, что она измеряется то ли в фарадах, то ли в кулонах
Конденсаторы, изображенные на следующем фото имеют одинаковую емкость по 10 нф, но конструкция одного выдерживает 50 В, а другого - 5000. По формуле Q=UC вычислим, что они способны хранить заряды 0,5 и 50 мкКл, и, соответственно, энергии (E=QU/2) 12,5 мкДж и 0,125 Дж, что, как видим, весьма разные вещи..
Конденсатор как часы
Вот простейший таймер: короткое нажатие кнопки S1 заряжает конденсатор, который тут же начинает разряжаться через R1. По мере его разряда (через время, пропорциональное произведению С1 х R1) транзистор закрывается и светодиод гаснет.
Способности конденсатора задавать время мы обязаны очень многим. Знайте - там где есть конденсатор, обязательно происходит какое-то движение, динамический процесс. То ли ток меняет направление, то ли что-то тикает, то ли переключается со временем. Конденсаторы используются для построения различных цепей с время- и частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.
И это еще не все. Читайте окончание статьи.