Как устроен конденсатор и от чего зависит его ёмкость?

Конструкция, свойства, формулы, а также основные параметры конденсаторов. Калькулятор расчёта плоских (из двух пластин) и цилиндрических конденсаторов

Конденсатор – это пассивный электронный компонент, способный накапливать заряд и энергию электрического поля, а затем передавать её связанным с ним компонентам цепи. Сходную функцию выполняет и аккумуляторная батарея, однако, в отличие от аккумулятора, весь заряд конденсатор "умеет" накапливать и отдавать практически моментально.

Способность конденсатора накапливать определённое количество заряда определяет его ёмкость, которая в системе СИ измеряется в фарадах и равна отношению накопленного заряда к разности потенциалов между обкладками:

Одной из простейших разновидностей конденсатора является конструкция, состоящая из двух электродов в форме пластин (обкладок), разделённых слоем диэлектрика. В формуле, приведённой на рисунке: S – это площадь обкладок, d – расстояние между ними, ε_r – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, ε₀ = 8,854*10^-12 (Ф/м) – электрическая постоянная.

Рис.1 Простейший конденсатор из 2 пластин


Помимо плоских обкладок, простейший конденсатор может иметь и цилиндрическую форму. Такой конденсатор состоит из двух полых цилиндров, вставленных друг в друга и разделённых слоем диэлектрика.
В формуле: R1 – это радиус внутреннего цилиндра, R2 – радиус внешнего цилиндра, l – длина цилиндров. Точно так же как и в предыдущем случае, ε_r – это диэлектрическая проницаемость ди­элек­три­ка, ε₀ = 8,854*10^-12 (Ф/м) – электрич. постоянная.
Рис.2 Простейший цилиндрический конденсатор

Снабдим обе приведённые формулы незамысловатыми онлайн калькуляторами, но прежде сведём в таблицу значения диэлектрической проницаемости некоторых материалов, которые могут пригодиться при изготовлении таких простейших самодельных конденсаторов.

Относительные диэлектрические проницаемости веществ.

Вещество	ε r	Вещество	ε r	Вещество	ε r
Вакуум	1	Воздух	1,0006	Бумага	3...7
Парафин	2	Слюда	6	Стекло	4...10
Текстолит	5...7	Гетинакс	5...6	Каучук	2,4
Оргстекло	3,4...3,5	Полистирол	2,4...2,6	Полихлорвинил	3
Полиэтилен	2,3...2,4	Эбонит	2,5...3	Масло трансф.	2,2

А теперь можно переходить к калькулятору:

Расчёт ёмкостей конденсаторов из двух пластин или цилиндров

	Площадь обкладок, S (мм2)
	Расстояние между обкладками, d (мм)
	Проницаемость диэлектрика, εr
	Ёмкость (пФ)

	Диаметр внутрен. цилиндра, d1 (мм)
	Диаметр внешнего цилиндра, d2 (мм)
	Длина цилиндра, l (мм)
	Проницаемость диэлектрика, εr
	Ёмкость (пФ)

В промышленном производстве для увеличения ёмкости конденсаторов в основном используется несколько слоёв диэлектрика и электродов, причём это может быть как плоский набор чередующихся прослоек, так и ленты из сменяющихся диэлектриков и электродов, свёрнутые в цилиндр (Рис.1).



Рис.3 Возможные варианты конструкции конденсаторов

Как и любой электронный компонент, конденсатор далеко не идеален и проявляется это в том, что реальные элементы, помимо ёмкости, обладают ещё и собственной паразитной индуктивностью, а также не менее паразитными последовательным и параллельным сопротивлениями. Эквивалентная схема реального конденсатора приведена на Рис.4

Здесь: C – собственная ёмкость;
R_isol – сопротивление изоляции;
R_esr – эквивалентное последовательное сопротивление;
L_esl – эквивалентная последовательная индуктивность.

Рис.4 Эквивалентная схема реального конденсатора

Все эти дополнительные элементы, изображённые на схеме, определяют важные характеристики конденсаторов, а конкретно:
R_isol – ток утечки и время саморазряда, R_esr – тангенс угла диэлектрических потерь и добротность,
L_esl – частоту собственного резонанса конденсатора.

Также к важным параметрам конденсатора следует отнести и температурный коэф­фициент ёмкости – , который характеризует относительное изменение

ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия.