Электрическая емкость, конденсаторы. ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Емкость конденсатора равна отношению абсолютной величины заряда на любой из двух его обкладок (напомним, что их заряды различаются только знаком) к разности потенциалов между обкладками:

Емкость C измеряется в фарадах (Ф), если заряд Q выражен в кулонах (Кл), а разность потенциалов – в вольтах (В). Две только что упомянутые единицы измерения, вольт и фарада, названы так в честь ученых А. Вольты и М. Фарадея. Фарада оказалась настолько крупной единицей, что емкость большинства конденсаторов выражают в микрофарадах (10^–6Ф) или пикофарадах (10^–12Ф).

Вблизи электрических зарядов существует электрическое поле, величина которого в данной точке пространства равна, по определению, отношению силы, действующей на точечный пробный заряд, помещенный в эту точку, к величине пробного заряда, опять-таки при условии, что пробный заряд достаточно мал и не изменяет распределения зарядов, создающих поле. Согласно этому определению, действующая на заряд q сила F и напряженность электрического поля E связаны соотношением

Фарадей ввел представление о силовых линиях электрического поля, начинающихся на положительных и оканчивающихся на отрицательных зарядах. При этом плотность (густота) силовых линий пропорциональна напряженности поля, а направление поля в данной точке совпадает с направлением касательной к силовой линии. Позднее Карл Гаусс (1777–1855) подтвердил справедливость этой догадки. Исходя из установленного Кулоном закона обратных квадратов (1), он математически строго показал, что силовые линии, если их строить в соответствии с представлениями Фарадея, непрерывны повсюду в пустом пространстве, начинаясь на положительных зарядах и заканчиваясь на отрицательных. Это обобщение получило наименование теоремы Гаусса. Если полное число силовых линий, выходящих из каждого заряда Q, равно Q/e₀, то плотность линий в любой точке (т.е. отношение числа линий, пересекающих воображаемую площадку малого размера, помещенную в эту точку перпендикулярно им, к площади этой площадки) равна величине напряженности электрического поля в этой точке, выраженной либо в Н/Кл, либо в В/м.

Простейший конденсатор представляет собой две параллельные проводящие пластины, расположенные близко друг к другу. При зарядке конденсатора пластины приобретают одинаковые, но противоположные по знаку заряды, равномерно распределенные по каждой из пластин, за исключением краев. Согласно теореме Гаусса, напряженность поля между такими пластинами постоянна и равна E = Q/ε₀A, где Q – заряд на положительно заряженной пластине, а А – площадь пластины. В силу определения разности потенциалов имеем, где d – расстояние между пластинами. Таким образом, V = Qd/ε₀A, и емкость такого плоскопараллельного конденсатора равна:

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума (эфира)
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками
S - площадь n-1 обкладок
d - расстояние между обкладками

Из истории конденсаторостроения

В ХVIII веке в науке об электричестве господствовало представление о существовании «электрических жидкостей». Приборы, применявшиеся для сгущения, или конденсирования, этих жидкостей (накопления электрических зарядов), были названы «конденсаторами». Название «конденсатор» сохранилось до нашего времени.

Первым конденсатором, появившимся в 1745 – 1746 гг. была лейденская банка, изобретенная в Померании Э. Клейстом и профессором Лейденского университета П. Мушенброком, ставшая школьным пособием по физике.

В России конденсаторы были впервые использованы в 1752 году М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом при изучении атмосферного электричества. В электротехнике конденсаторы стали применять с 1877 года, когда русский ученый П.Н. Яблочков предложил для схем электрического освещения использовать наряду со стеклянными конденсаторами конденсаторы из парафинированной бумаги.

Однако необходимость широкого промышленного производства конденсаторов возникла только после изобретения А.С. Поповым в 1895 году радио. В этот период появляются конденсаторы с различными диэлектриками: слюдяные, воздушные, электролитические. За рубежом начинается выпуск бумажных силовых конденсаторов.

Начало отечественного конденсаторостроения относится к 1920 – 1930 гг., когда на заводах радиотехнической промышленности появились подсобные конденсаторные цехи. Силовые бумажно-масляные конденсаторы впервые были разработаны в 1932 году научно-исследовательским сектором Киевского политехнического института под руководством М.М. Морозова и выпускались опытными мастерскими института. В 1935 году начался выпуск силовых конденсаторов на Московском трансформаторном заводе, а в 1938 году – на Киевском заводе электротехнической аппаратуры. После окончания Великой Отечественной войны производство силовых конденсаторов организуется в Серпухове (1944 г.), Усть-Каменогорске (1959 г.) и Ленинакане (1969 г.). В 1978 году создано производственное объединение «Конденсатор», куда вошли Серпуховской завод «Конденсатор», Усть-Каменогорский конденсаторный завод и Всесоюзный научно-исследовательский институт силового конденсаторостроения (ВНИИСК) /1/.

Классификации конденсаторов

Конденсаторы могут быть классифицированы по разным признакам (рис. 2.1). Классификация конденсаторов по видам поляризации. Свойства конденсаторов, главным образом, определяются свойствами материала – диэлектрика, из которого конденсатор выполнен; при этом особо важное значение имеет вид поляризации, характеризующий диэлектрик. Именно вид поляризации (или виды, если диэлектрик комбинированный) будет определять основную характеристику конденсатора – емкость, а также зависимости этой емкости от частоты электрического поля и температуры. В зависимости от вида поляризации различаются конденсаторы:

3) с электронно-релаксационной поляризацией; с ионно-релаксационной поляризацией;

Классификация конденсаторов по конструкции. По конструкции конденсаторы бывают постоянной и переменной емкости, подстроечные конденсаторы. По закону изменения емкости конденсаторы переменной емкости подразделяют на прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные и логарифмические.

Классификация конденсаторов по области применения. В зависимости от области применения конденсаторы делятся на две большие группы: радиоконденсаторы, используемые в технике слабых токов, и силовые конденсаторы, применяемые в технике сильных токов и напряжений.

Радиоконденсаторы используют: в телефонии и телеграфии; радиотехнической, телевизионной и радиолокационной аппаратуре; в автоматике и телемеханике, в счетно-решающих устройствах и электроизмерительной технике; фотографии и др.

Силовые конденсаторы применяют: для повышения коэффициента мощности промышленных и индукционных электротермических установок; продольной компенсации реактивного сопротивления дальних линий электропередачи; высокочастотной связи и защиты линий электропередачи высокого напряжения; отбора мощности от линий передачи высокого напряжения; фильтров тяговых подстанций; генераторов импульсных токов и напряжений; пуска конденсаторных электродвигателей; тиристорного управления электроприводом и др.

Очень удачные схемы классификации конденсаторов приведены в справочнике [15].

Несомненным достоинством приведенной классификации является то, что она включает классификацию по назначению, по способу монтажа, по способу защиты, по характеру изменения емкости и по виду диэлектрика.

Классификация конденсаторов по виду диэлектрика

В основу классификации по виду диэлектрика – рис. 2.2 положено деление конденсаторов на подгруппы, связанные с использованием их в конкретных цепях аппаратуры, назначением и выполняемой функцией, например, низковольтные и высоковольтные, низкочастотные и высокочастотные, импульсные и пусковые, полярные и неполярные, помехоподавляющие и дозиметрические и др.

Классификация конденсаторов по назначению

В зависимости от назначения конденсаторы делятся на контурные, фильтровые, импульсные и др.

Классификация конденсаторов по рабочему напряжению. По рабочему напряжению конденсаторы делятся на низковольтные и высоковольтные.

Классификация конденсаторов по агрегатному состоянию. По агрегатному состоянию диэлектрика конденсаторы делятся на три группы. Первая – конденсаторы с . газообразным диэлектриком (воздушные, газонаполненные, вакуумные); вторая – конденсаторы с жидким диэлектриком; и третья – конденсаторы с твердым диэлектриком, которые, в свою очередь, также делятся:

а) на конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком (керамические, слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклопленочные, сегнетокерамические);

б) на конденсаторы с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, пленочные из неполярных пленок (полистирольные, фторопласт
овые, полиэтиленовые, синтаровые), пленочные из полярных пленок (лавсановые, поликарбонатные).

Отдельную группу составляют электролитические (оксидные) конденсаторы.

ВЫВОД. Конденсаторы классифицируются по видам поляризации (основная классификация), по конструкции, по области применения, по назначению, по рабочему напряжению, по агрегатному состоянию диэлектрика.

Основные характеристики конденсаторов

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость (С), определяемая отношением накапливаемого на обкладках электрического заряда (Q) к приложенному к обкладкам напряжению (U):

где k – постоянный коэффициент, S – площадь обкладок, n – число обкладок, d – расстояние между обкладками, e – диэлектрическая проницаемость.

Если конденсатор выполнен на основе комбинированной изоляции, то диэлектрическая проницаемость может быть дополнительно определяемой в зависимости от состава ингредиентов. В частности, для комбинированной бумажно-пленочной изоляции диэлектрическая проницаемость может быть определена по формуле:

где e_{1 –}диэлектрическая проницаемость материала, используемого в качестве пленки толщиной d₁; e_{2 –}диэлектрическая проницаемость конденсаторной бумаги с толщиной слоя d₂.

Конденсаторы постоянной емкости характеризуются номинальным значением емкости; конденсаторы переменной емкости характеризуются диапазоном емкостей С_min_–С_max.

Сопротивление изоляции конденсатора (R_из) определяется свойствами диэлектрика и конструкционными особенностями конденсатора. Это сопротивление зависит от температуры и влажности окружающей среды и лежит в пределах от 1 · 10⁹ Ом для сегнетокерамических конденсаторов до 1 · 10¹² Ом для пленочных конденсаторов.

Сопротивление комбинированной бумажно-пленочной изоляции определяется по формуле:

Добротность (Q) конденсатора определяется потерями энергии в диэлектрике и металлических обкладках и выражается отношением:

где P_R – реактивная мощность; P_A – полные потери энергии в конденсаторе.

Так как полные потери энергии в конденсаторе в единицу времени (активная мощность) определяются суммой потерь энергии в диэлектрике конденсатора (P_д) и потерь энергии в металлических обкладках (P_м), то добротность конденсатора определяется выражением:

Добротность различных типов конденсаторов изменяется от нескольких процентов до 10 раз.

Потери конденсатора часто характеризуют тангенсом угла потерь (tg d_C):

и определяются, главным образом, потерями в диэлектрике, величина которых зависит от влажности и температуры. В современных конденсаторах наибольшее влияние на потери оказывает температура.

Потери в комбинированном бумажно-пленочном диэлектрике определяются соотношением ингредиентов:

где – тангенс угла диэлектрических потерь материала, используемого в качестве пленки толщиной d₁ и диэлектрической проницаемостью e₁; – тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторной бумаги с толщиной слоя d₂ и диэлектрической проницаемостью e₂.

Реактивная мощность конденсаторов, предназначенных для работы в цепях переменного тока, может быть представлена в виде:

Потери большинства конденсаторов незначительны, и сдвиг фаз между током и напряжением близок к 90^о. Поэтому справедливо выражение:

где U – эффективное значение напряжения на конденсаторе, I – ток, проходящий через конденсатор. Так как I = UwC, то P_R = U² wC.

Стандартные низковольтные конденсаторы имеют реактивную мощность от 25 до 75 вар.

Электрическая прочность конденсатора характеризует зависимость напряжения, приложенного к его зажимам, от времени, в течение которого не произойдет пробоя.

Время работы, на которое рассчитывается конденсатор, обычно исчисляется десятками...

Свойства конденсаторов с различными видами поляризации

Свойства конденсаторов и, в частности, температурные и частотные зависимости их емкости определяются классом диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора. По виду этих закономерностей, различают конденсаторы:

· с быстрыми видами поляризации (электронной и ионной) – 1 группа;

· с релаксационными видами поляризации (электронно-релаксационной, ионно-релаксационной и дипольно-релаксационной) – 2 группа;

· со структурной (объемной) поляризацией, свойства которых определяются составом и количеством ингредиентов – 3 группа;

Более подробно взаимосвязь различных типов конденсаторов с видами поляризации диэлектрика, лежащего в его основе, отражает таблица 2.2.

Классификация видов поляризации и примеры конденсаторов

Наиболее важными для любых изделий промышленной электроники являются температурные (С = f(T)) и частотные зависимости (С = f(f)). Объяснить закономерности, приведенные на рис. 2.3, можно следующим образом. При нагреве неизбежны процессы расширения тел, приводящие к уменьшению коли
чества молекул или атомов в единице объема. Таким образом, количество объектов поляризации уменьшается, что приводит к снижению емкости конденсаторов с электронным видом поляризации. Необходимо добавить, что это снижение, в общем случае, незначительно.

На рис. 2.3 представлена полная зависимость С = f(Т) с двумя фазовыми переходами, соответствующими процессам плавления и кипения нагреваемого диэлектрика. Безусловно, в реальных конденсаторах, эти процессы должны быть исключены, а переходы из одного агрегатного состояния в другое зависят от того, термопластичный или термореактивный материал. Термопластичный материал плавится, термореактивный при нагреве выше температуры фазового перехода горит. Однако в любом случае на интервале рабочих температур от 0 до Т_пл или от Т_пл до Т_кип для жидкостных конденсаторов внутри этого интервала снижение емкости конденсатора будет незначительным.

Так как время установления электронной поляризации 10^-15 с, то практически электронная поляризация будет успевать устанавливаться до 10¹⁵ Гц. В реальных же устройствах промышленной электроники используются частоты только до 10¹²Гц, поэтому в указанном диапазоне емкость от частоты практически не зависит (рис. 2.4). Для конденсаторов с ионной поляризацией время установления несколько больше (10^-13с), но зависимость емкости от частоты аналогичная, потому что процессы установления поляризации идентичны; различаются только объекты поляризации.

В конденсаторах с электронной поляризацией происходит смещение электронных оболочек атомов и молекул под действием электрического поля; в конденсаторах с ионной поляризацией – смещение ионов, размеры которых больше. К конденсаторам с электронным видом поляризации относятся воздушные, вакуумные, газонаполненные конденсаторы, а также конденсаторы на основе неполярных твердых полимерных диэлектриков.

Их достоинствами являются: слабая зависимость емкости от температуры, независимость емкости от частоты и, следовательно, возможность использования таких конденсаторов в сверхвысокочастотных полях. Конденсаторы на основе быстрых видов поляризации характеризуются стабильностью емкости в широком температурном и частотном диапазоне. Недостатками этих конденсаторов являются: невысокие значения емкости при достаточно больших габаритных размерах конденсаторов. Кроме того, воздушные конденсаторы, наиболее простые в изготовлении, обладают низкими значениями электрической прочности, что существенно ограничивает диапазон рабочих напряжений конденсаторов такого типа. Последний недостаток может быть уменьшен с помощью кривой Пашена (рис. 2.5).

Характерной особенностью этой зависимости является наличие минимума разрядного напряжения, который приходится приблизительно на область нормального атмосферного давления. Таким образом, обычные воздушные конденсаторы практически обладают минимальной электрической прочностью. Однако эта прочность может быть существенно повышена (в несколько раз). Пути для этого два: первый – создание вакуумных конденсаторов (область пониженного давления) и второй – создание газонаполненных конденсаторов (область повышенного давления).

Возвращаясь к конденсаторам с ионной поляризацией, необходимо отметить, что это, главным образом, стеклянные конденсаторы на основе обычных стекол. Помимо основного недостатка (низкой емкости), они обладают рядом технологических недостатков, обусловленных хрупкостью стекла. Кроме того, это конденсаторы на основе кристаллических веществ с плотной упаковкой ионов – кварцевые, слюдяные или на основе каменной соли, корунда, рутила.

К следующей группе конденсаторов относятся конденсаторы с релаксационными видами поляризации: с электронно-релаксационным, ионно-релаксационным и дипольно-релаксационным. Для этих конденсаторы характерна зависимость емкости от температуры и частоты (рис. 2.6, 2.7) причем диапазон конкретных значений емкостей и относительной диэлектрической проницаемости может быть различен, например, от e = 5 – 7 для конденсаторов на основе каменной соли до e = 110 – 150 на основе рутила и титаната кальция.

Конденсаторы с электронно-релаксационным видом поляризации встречаются редко.

Ионно-релак
сационным видом поляризации характеризуются конденсаторы на основе электротехнического фарфора или других ионных кристаллов с неплотной упаковкой частиц. Объектом поляризации в таких конденсаторах являются группы ионов.

Наиболее распространенную группу конденсаторов представляют конденсаторы на базе разнообразных полярных диэлектриков. Полярными называются диэлектрики, основой которых является полярная молекула. Проще, полярная молекула – это несимметричная молекула, центры отрицательного и положительного зарядов в которой не совпадают. Примером превращения неполярной молекулы в полярную и обратно может служить преобразование молекулы полиэтилена. Сильнополярными делают вещества так называемые «хвосты» – вносящие резкую асимметрию этиленовые, метиленовые группы, бензольные кольца и т.п. (рис. 2.8)

Объяснить закономерность изменения емкости конденсаторов с дипольно-релаксационным видом поляризации от температуры можно следующим образом. При нагреве до некоторой температуры Т^’тепловое расширение облегчает процессы установления дипольно-релаксационной поляризации и емкость возрастает. При температурах выше Т^’ тепловое хаотическое движение становится настолько сильным, что разрушает упорядоченность дипольных молекул, и емкость конденсатора падает.

Чем выше степень полярности молекулы, тем больше удельная емкость конденсатора и, следовательно, кривая С = f(Т) будет лежать выше, а ее максимум будет выражен сильнее (см. рис. 2.6).

Зависимость емкости конденсаторов с релаксационными видами поляризации от частоты электрического поля (см. рис. 2.7) показывает, что до тех пор, пока диполи успевают следовать за изменением поля, емкость конденсатора от частоты не зависит, и численно определяется составляющей релаксационной поляризации C_{дип.-рел}. При некоторой критической частоте диполи начинают не успевать следовать за изменением поля, и дальнейший рост частоты приводит к тому, что остается только та составляющая поляризации, которая от частоты не зависит. Это или электронная поляризация (C_{электрон}), если диэлектрик молекулярной структуры, или ионная поляризация, если диэлектрик ионной структуры (C_ион)_.

Наибольшую сложность представляют температурные и частотные зависимости емкости многокомпонентных конденсаторов со структурной (объемной) поляризацией. Такие зависимости могут быть сложной формы и содержать несколько экстремумов, соответствующих определенным компонентам комбинированного диэлектрика. В общем случае, структурная поляризация возникает на границах раздела сред (или ингредиентов); такие системы могут быть двух видов:

1) слоистые диэлектрики и конденсаторы на их основе. К ним относятся бумажные конденсаторы, конденсаторы с бумажно-пленочной изоляцией, конденсаторы с диэлектриком по типу слоистых пластиков (гетинакса, текстолита и т.п.);

2) комбинированные многокомпонентные диэлектрики по типу резин, содержащие различные наполнители, пластификаторы, противостарители, мягчители и др.

Конденсаторы на основе диэлектриков со спонтанной поляризацией – это сегнетокерамические конденсаторы (рис. 2.9, 2.10).

Объяснить представленные закономерности можно следующим образом. Сегнетоэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, имеют доменную структуру. Нагрев до точки Кюри (рис. 2.9) вызывает тепловое расширение вещества и облегчает установление спонтанной поляризации. При температурах выше Т_Кюри тепловое хаотическое движение разрушает доменную структуру; и вместе с разрушением этой структуры резко падает диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика и емкость конденсатора на его основе.

Характер частотной зависимости емкости конденсаторов со спонтанной поляризацией (рис. 2.10) аналогичен закономерностям для конденсаторов с релаксационными видами поляризации. Однако падение значений емкости на интервале С_{спонтан} – С_ионн более сильное, а частота, при которой это происходит, значительно ниже f _крдля конденсаторов с релаксационными видами поляризации, так как доменная структура существенно крупнее диполя.

ВЫВОДЫ. Основной характеристикой конденсаторов является его емкость, именно зависимости емкости конденсаторов от температуры и частоты электрического поля составляют комплекс его самых важны
х свойств. Характер этих зависимостей определяется видом (или видами) поляризации, присущими диэлектрику. В свою очередь, все виды поляризации делятся на быстрые (электронная и ионная) и медленные или релаксационные.

К релаксационным видам поляризации относятся электронно-релаксационная, ионно-релаксационная и дипольно-релаксационная, а также два особых вида поляризации – спонтанная и структурная (рис. 2.6, 2.7 и 2.9, 2.10). Изучите и проанализируйте зависимости: С = f(T) и С = f(f). Более подробно данный материал Вы можете прочитать в литературе /12, 13/.

Конденсаторы переменной емкости

Конденсаторы переменной емкости, к которым можно отнести и подстроечные конденсаторы (конденсаторы полупеременной емкости), применяются в качестве элементов перестраиваемых колебательных контуров радиоприемной, радиопередающей и измерительной аппаратуры, а также в других радиоэлектронных устройствах.

Основными типами конденсаторов переменной емкости являются: плоские многопластинчатые конденсаторы с вращательным движением одной системы обкладок (пластин) по отношению к другой (рис. 2.11); цилиндрические конденсаторы с поступательным движением внутренней обкладки (цилиндра) по отношению к внешней (рис. 2. 12).

В обоих типах конденсаторов изменение емкости достигается за счет изменения площади перекрытия обкладок. При небольших напряжениях порядка сотен вольт (в отдельных случаях до нескольких киловольт) и ниже, основным типом конденсатора переменной емкости является воздушный многопластинчатый конденсатор с вращательным движением. Важной характеристикой такого конденсатора является закон изменения его емкости в зависимости от угла поворота (q) подвижной системы пластин (ротора) по отношению к неподвижной (статору). Вид зависимости С(q) определяется законом изменения площади перекрытия пластин статора и ротора от угла поворота S(q):

где N – число пластин ротора и статора; С_мин – начальная емкость конденсатора, т.е. емкость при полностью выведенном роторе (q = 0; S(0) = 0), обусловленная обязательным присутствием в конденсаторе с газообразным диэлектриком в качестве изолятора между подвижной и неподвижной системами пластин небольшого объема твердого диэлектрика, емкостью между торцами пластин статора и ротора, а также другими элементами конструкции; S_A(q) – активная площадь перекрытия пластин ротора и статора при некотором значении угла поворота q, учитывающая вырез радиусом r (рис. 2.11) в пластинах статора для прохода оси ротора; d – толщина зазора между пластинами.

Активная площадь перекрытия пластин ротора и статора вычисляется по формуле:

В зависимости от закона изменения емкости от угла поворота ротора различают конденсаторы переменной емкости прямоемкостные (рис. 2.13), прямоволновые (квадратичные) (рис. 2.14), прямочастотные (обратноквадратичные) (рис. 2.15) и логарифмические (рис. 2.16).

Прямоемкостные конденсаторы характеризуются линейным изменением емкости с углом поворота:

Прямоемкостные конденсаторы имеют равномерную шкалу емкости и применяются, главным образом, в измерительной технике, а также в качестве подстроечных конденсаторов.

Прямоволновые конденсаторы характеризуются квадратичной зависимостью емкости от угла поворота:

где а = ( – )/q_макс; b = . Резонансная длина волны (l) колебательного контура с таким конденсатором изменяется линейно с углом поворота, так как l.

Прямочастотные конденсаторы обладают обратно-квадратичной зависимостью емкости от угла поворота:

Резонансная частота колебательного контура с таким конденсатором изменяется линейно с углом поворота, так как f .

Вариконды

Вариконд представляет собой конденсатор с диэлектриком из сегнетоэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого (емкость конденсатора) зависит от напряженности электрического поля, т.е. от приложенного к конденсатору напряжения.

Вариконды обладают рядом недостатков: их диэлектрическая проницаемость и емкость сильно зависит от температуры, отличается нестабильностью во времени и большими потерями. (Для того чтобы разобраться, почему это происходит, вернитесь к разъяснению механизма спонтанной поляризации и ее температурной зависимости.)

Одна из основных характеристик варикондов – коэффициент нелинейности (К), определяемый как отношение максимального значения диэлектрической проницаемости при некоторой максимальной для данного материала напряженности электрического поля к начальному значению диэлектрической проницаемости /13/. Численное значение коэффициента нелинейности для различных варикондов лежит в пределах от 4 до 50. Основной кристаллической фазой в таких материалах являются твердые растворы системы Ba(Ti ,Sn)0₃ или Pb(Ti, Zr, Sn)0₃.

Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей за счет изменения их емкости при воздействии как постоянного или переменного напряжения, так и нескольких напряжений, приложенных одновременно и различающихся по значению и частоте. В простейшем случае им приходится работать при одновременном воздействии переменного (синусоидального) и постоянного электрических полей. Изменение поляризации сегнетоэлектрика определяется реверсивной диэлектрической проницаемостью.

Примером использования варикондов может служить усилитель, основанный на изменении емкости нелинейного конденсатора под влиянием поля входного сигнала, обусловливающем изменение тока в нагрузке /13, с. 270 – 271/. В силу ряда недостатков, присущих варикондам, более перспективными являются варикапы, хотя они и уступают варикондам по максимальному значению верхнего предела емкости. Варикап – это полупроводниковый диод, предназначенный для использования емкости его электронно-дырочного перехода, значение которой зависит от приложенного к переходу напряжения.

Электролюминесцентные конденсаторы

Электролюминесцентные конденсаторы (рис. 2.17) представляют собой многослойную структуру, состоящую из подложки 5, на котоpyю последовательно нанесены проводящий слой 4, служащий нижним электродом, слой люминофора 3, защитный слой 2 и верхний электрод 1. Между верхним и нижним электродами создается элек трическое поле, возбуждающее электролюминесценцию электролюминофора. Если выход света осуществляется со стороны подложки, то последнюю выполняют прозрачной (стекло, слюда, кварц).

Проводящее покрытие в этом случае также должно быть прозрачным, для чего используют окислы различных металлов: SnO₂, In₂O₃, CdO и др. В качестве электролюминофоров используют фосфоры, среди которых особое место занимают соединения элементов второй и шестой групп периодической системы элементов (соединения типа А^IIВ^VI). В первую очередь, это соединения цинка и кадмия с серой и селеном: ZnS, ZnSe, ZnSSe и др.

Характеристики электролюминесцентного конденсатора зависят от конструкции и материала люминофора. Последний представляет собой либо комплекс из мелкодисперсного порошка фосфора, взвешенного в диэлектрике (порошковые фосфоры), либо тонкую однородную поликристаллическую пленку, полученную испарением в вакууме (сублимат фосфора).

Электролюминесцентный конденсатор на основе диэлектрика со взвешенным порошкообразным фосфором из-за наличия диэлектрика может работать только на переменном напряжении. При этом рабочие напряжения достаточно высокие (50 – 300 В), так как размеры зерен не позволяют получить толщину меньше 40 – 100 мкм. В случае сублимата фосфора принципиально возможна работа на постоянном токе. Из-за малой толщины пленок рабочие напряжения лежат в пределах 2 – 2,5 В. Высвечивание в зависимости от типа фосфора и примесей лежит в видимой области спектра в диапазоне длинных волн от 450 лм (голубое свечение) до 600 лм (желто-оранжевое свечение).

Электролюминесцентные конденсаторы характеризуются низкой стабильностью и малым сроком службы, что обусловлено явлениями старения (при постоянном напряжении возбуждения яркость высвечивания электролюминесцентного конденсатора уменьшается со временем). Если срок службы оценивать временем, за которое яркость уменьшится в два раза по сравнению с исходной, то для порошковых фосфоров он составит 10³ – 10⁴ ч, а для сублимата фосфора – 300 – 500 ч. Инерционность электролюминесцентных конденсаторов довольно значительна (время разгорания и затухания ~ 10^-3 – 10^-4 с).

Области применения таких конденсаторов: усилители и преобразователи излучения с большим коэффициентом усиления, малогабаритные индикаторные экраны и табло, логические элементы и другие низкочастотные цепи. Невысокая яркость свечения, малый ресурс, нестабильность параметров и довольно низкое быстродействие ограничивают применение элекгролюминесцентных конденсаторов в оптоэлектронике /14/.

Термоконденсаторы

Термоконденсаторы предназначены для работы в качестве встроенных элементов аппаратуры и в кварцевых генераторах электронных наручных часов в цепях постоянного и переменного тока. Конструктивно такие конденсаторы делают незащищенными с лужеными или серебрёными контактными поверхностями.

Основной характеристикой термоконденсаторов является область изменения емкости термоконденсаторов от температуры – рис. 2.17.

Выводы

К регулируемым конденсаторам особого назначения относятся вариконды и варикапы, электролюминесцентные конденсаторы, термоконденсаторы. Емкость варикондов определяется напряженностью электрического поля; емкость электролюминесцентных конденсаторов зависит от освещенности; емкость термоконденсаторов определяется температурой.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Виды поляризации		Конденсаторы
Быстрые	Электронная	Воздушные и газонаполненные
Быстрые	Ионная	Стеклянные и керамические с ионной структурой, за исключением конденсаторов на основе сегнетокерамики
Медленные или релаксационные	Электронно-релаксационная	Содержащие «тяжелые» химические элементы с многоэлектронной оболочкой (поляризуются *группы электронов*)
	Ионно-релаксационная	Содержащие *группы ионов*, поляризующихся под действием поля. Это конденсаторы на основе некоторых стекол
	Дипольно-релаксационная	Все конденсаторы, материал которых содержит *полярные молекулы* любого типа (слабополярные, сильнополярные или смешанные)
	Структурная	Содержащие границы раздела сред; на основе слоистых материалов или материалов с наполнением (а также их произвольные комбинации)
	Спонтанная	На основе сегнетокерамики (объектом поляризации являются *домены*; именно вследствие их больших размеров спонтанная поляризация самая медленная)