Единица измерения заряда конденсатора

Фарад
Ф, F

Величина	электрическая ёмкость
Система	СИ
Тип	производная

Фара́д (русское обозначение: Ф; международное обозначение: F; прежнее название — фара́да) — единица измерения электрической ёмкости в Международной системе единиц (СИ), названная в честь английского физика Майкла Фарадея [1] . 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между его обкладками напряжение 1 вольт :

Через основные единицы системы СИ фарад выражается следующим образом:

В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы «фарад» пишется со строчной буквы, а её обозначение — с заглавной (Ф). Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях производных единиц, образованных с использованием фарада. Например, обозначение единицы измерения абсолютной диэлектрической проницаемости «фарад на метр» записывается как Ф/м.

В Международную систему единиц фарад введён решением XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 году, одновременно с принятием системы СИ в целом [2] .

Фарад — очень большая ёмкость для уединённого проводника: ёмкостью 1 Ф обладал бы уединённый металлический шар, радиус которого равен 13 радиусам Солнца (ёмкость же шара размером с Землю, используемого как уединённый проводник, составляла бы около 710 микрофарад).

Содержание

Область применения [ править | править код ]

В фарадах измеряют электрическую ёмкость проводников, то есть их способность накапливать электрический заряд. Например, в фарадах (и производных единицах) измеряют: ёмкость кабелей, конденсаторов, межэлектродные ёмкости различных приборов. Промышленные конденсаторы имеют номиналы, измеряемые в микро-, нано- и пикофарадах и выпускаются ёмкостью до ста фарад; в звуковой аппаратуре используются гибридные конденсаторы ёмкостью до сорока фарад. Ёмкость т. н. ионисторов (супер-конденсаторов с двойным электрическим слоем) может достигать многих килофарад.

Не следует путать электрическую ёмкость и электрохимическую ёмкость батареек и аккумуляторов, которая имеет другую природу и измеряется в других единицах: ампер-часах, соразмерных электрическому заряду (1 ампер-час равен 3600 кулонам).

Эквивалентное представление [ править | править код ]

Фарад может быть выражен через основные единицы системы СИ как:

Таким образом, его значение равно:

Ф = Кл·В −1 = А·с·В −1 = Дж·В −2 = Вт·с·В −2 = Н·м·В −2 = Кл 2 ·Дж −1 = Кл 2 ·Н −1 ·м −1 = с 2 ·Кл 2 ·кг −1 ·м −2 = с 4 ·А 2 ·кг −1 ·м −2 = с·Ом −1 = Ом −1 ·Гц −1 = с 2 ·Гн −1 ,

где Ф — фарад , А — ампер , В — вольт , Кл — кулон , Дж − джоуль , м — метр , Н — ньютон , с — секунда , Вт — ватт , кг — килограмм , Ом — ом , Гц — герц , Гн — генри .

Кратные и дольные единицы [ править | править код ]

Образуются с помощью стандартных приставок СИ.

Конденсатор представляет собой электрическое устройство, которое обладает возможностью накапливать заряд, состоит из обкладок и слоя диэлектрика между ними. Одной из важнейших характеристик прибора является ёмкость.

Единица измерения емкости

В Международной системе СИ за единицу измерения ёмкости конденсатора принимают фарад:

[C] = Ф, где С – обозначение ёмкости устройства.

Международное обозначение – F. Названа в честь английского физика М.Фарадея и используется в Международной системе СИ с 1960г.

Формула для расчёта электроёмкости записывается следующим образом:

Dq – заряд (измеряется в кулонах, или Кл),
U – разность потенциалов между обкладками (измеряется в вольтах или В).

Следовательно, 1Ф = 1Кл / 1В.

То есть конденсатор ёмкостью в 1 фарад накапливает на обкладках заряд, равный 1 кулон, создавая напряжение между ними, равное 1 вольт.

В фарадах измеряются электроёмкости проводников и конденсаторов.

Согласно правилам написания, принятых в СИ, если название происходит от фамилии учёного, то полное её название «фарад» пишется с маленькой (строчной) буквы, а её сокращённое название «Ф» – с прописной.

Единица измерения электроёмкости в других системах

Помимо СИ, есть ещё устаревшая система СГС, которой пользовались ранее. Первые три символа в названии обозначают:

Существует две разновидности системы: СГСЭ и СГСМ. Символ Э в СГСЭ обозначает электростатическую систему, а символ М – магнитную. В системе СГСЭ емкость конденсатора измеряется в сантиметрах, или см. Для пересчёта используют соотношение:

1см » 1,1126 · 10-12Ф,
1Ф » 8,99 · 1011 статФ.

Сантиметр по-другому может называться статфарад, или статФ.

В системе СГСМ единицей измерения является абфарад, или абФ. Абфарад связан с фарадом следующим образом:

1абф = 1·109 Ф = 1ГФ.

Для перевода из СГСЭ и СГСМ в СИ в сети Интернет имеются специальные сервисы, которые позволяют автоматизировать эти действия.

Онлайн переводчик из СГС в СИ

Фарады через основные единицы системы СИ

Для выражения фарады через основные единицы СИ воспользуемся следующими формулами.

Единица измерения заряда вычисляется как:

Dq = I · Dt (2), где:

I – сила тока (измеряется в амперах или А),
Dt – время прохождения заряда (измеряется в секундах или с).

В свою очередь, напряжение определяется как работа, которую нужно выполнить для перемещения заряда в электростатическом поле:

U = А / Dq (3), где А – работа по перемещению заряда, определяется в джоулях, или Дж.

Из механики известно, что:

А = F · s = m · a · s (4), где:

m – масса, измеряется в килограммах, или кг,
s – перемещение, рассчитывается в метрах, или м,
a – ускорение, определяется в м/с2.

Из формул 1-4 имеем:

Таким образом, 1 фарад через единицы СИ определяется как:

Кратные единицы ёмкости

При покупке радиодеталей невозможно купить конденсатор с электроёмкостью даже в несколько единиц фарад. Они выпускаются с гораздо меньшими параметрами. Это объясняется тем, что ёмкость в 1 фарад является очень большой величиной. Например, такую электроёмкость может иметь изолированный проводник в форме шара с радиусом в 13 раз больше радиуса Солнца.

Именно по этой причине для характеристики емкостных устройств применяют дольные единицы, которые рассчитываются как доля от определённого числа фарад. Для обозначения используют приставки, которые применяются для сокращения длины записываемого числа.

Таблица перевода дольных единиц

Приставка	Обозначение		Множитель
деци	дФ	dF	10^-1
санти	сФ	sF	10^-2
милли	мФ	mF	10^-3
микро	мкФ	F или uF	10^-6
нано	нФ	nF	10^-9
пико	пФ	pF, mmF, uuF	10^-12
фемто	фФ	fF	10^-15
атто	аФ	aF	10^-18
зепто	зФ	zF	10^-21
йокто	иФ	yF	10^-24

Таким образом, если параметр указывается равным 5 uF, то для перевода в фарады необходимо умножить цифру 5 на соответствующий множитель. Получаем 5 uF = 5 · 10-6 F.

В радиотехнике наиболее популярны модели, ёмкость которых измеряется в микрофарадах, нанофарадах (микромикрофарадах) или пикофарадах.

Также промышленность выпускает устройства ионисторы, которые представляют собой конденсаторы, имеющие двойной электрический слой. У некоторых ионисторов ёмкость может измеряться в килофарадах.

Ионистор с характеристикой в 1F

Маркировка конденсаторов в зависимости от ёмкости

Кодировка маленьких по размерам устройств

Существует специальная цифровая кодировка. Её используют для маркировки маленьких по размерам приборов. Кодировка электроёмкости выполняется согласно стандарту EIA.

Внимание! Ёмкость небольших конденсаторов, например, керамических или танталовых, обычно измеряется в пикофарадах, а больших, например, алюминиевых электролитических, в микрофарадах.

Существует специальная таблица таких обозначений, с помощью которой можно быстро подобрать такую же или аналогичную радиодеталь по соответствующему коду. Её можно свободно найти в Интернете.

В старых маркировках использовалась следующая кодировка. Если нанесено целое двузначное число, значит, значение ёмкость измеряется в пикофарадах, а если нанесена десятичная дробь, значит, параметр определяется в микрофарадах.

Например, радиодеталь с параметром 1000 nF =1 uF будет иметь маркировку 105, с параметрами 820 nF = 0, 82 uF – маркировку 824, а 0,27 uF = 270nF будет обозначено кодом 274.

В настоящее время, если на устройстве нанесено значение, не содержащее буквы, то оно обозначает ёмкость в пикофарадах. Если перед цифрами или после них стоит символ «н» («n»), то это означает, что значение даётся в нанофарадах, если «мк» («m», «u») – микрофарадах. В том случае, когда символ располагается перед числом, цифры в нём обозначают сотые доли. Например, n61 расшифровывается как 0,61нФ. Если символ располагается посередине значения, то на место символа нужно поставить запятую. Сам символ покажет единицы измерения. Например, 5u2 обозначает 5,2 мкФ.

Также в настоящее время используется цифровая кодировка, содержащая три числа. Первые две цифры являются числовыми характеристиками ёмкости. Параметр при этом измеряется в пикофарадах. Если значение меньше 1, то первая цифра – 0. Третья цифра определяет множитель, на который нужно умножить число, получаемое из первых двух цифр.

В случае, когда последнее число находится в диапазоне от 0 до 6, к значению дописывают количество нулей, равное третьей цифре. Например, если указано число 270, то устройство имеет параметр 27 пФ, если 271 – то на 270 пФ.

Если число равно 8, то в этом случае множитель равен 0,01. То есть если указано число 278, то ёмкость будет равна 27 · 10-2 = 0,27. Когда третье число равно 9, то множитель будет 0,1. Например, маркировка 109 указывает на электроёмкость в 1 пФ.

Если в кодировке присутствует символ «R», то параметр указывается в пикофарадах, а символ показывает место расположения запятой. Например, 4R1 расшифровывается как 4,1пФ.

Кодировка больших по размерам устройств

На больших по габаритным размерам конденсаторах маркировка наносится сверху на корпус, причём в данном случае будет присутствовать полная информация о параметрах устройства.

В обозначениях может встречаться значение MF. В приставках Международной системы единиц СИ если перед единицей измерения располагается большая буква М, то это обозначает, что должен использоваться множитель 106. В случае с конденсатором это всё равно будет обозначать микрофарады.

Также может встречаться обозначение МFD или mfd. В данном случае сочетание символов «fd» обозначает farad. Таким образом, если на корпусе написано 5 mfd, то значит, что конденсатор используется на 5 микрофарад.

Маркировка больших по размерам конденсаторов

Таким образом, при ремонте электросхемы, содержащей конденсатор, нужно правильно читать маркировку устройства и соответственно информации подбирать нужный прибор.

Видео

Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости. Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея. Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V). Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).

Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов. По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).

1µF = 0.000001 = 10 -6 F

1nF = 0.000000001 = 10 -9 F

1pF = 0.000000000001 = 10 -12 F

Плоский конденсатор

Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор. Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок), электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).

Заряд конденсатора. Ток

По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.

Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания, на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов, на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик, заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора. Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.

В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места. Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным. По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное место на обкладках и ток совсем не прекратится.

Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного» конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием), называют переходным периодом заряда конденсатора.

Заряд конденсатора. Напряжение

В самом начале переходного периода зарядки, напряжение между обкладками конденсатора равняется нулю. Как только на обкладках начинают появляться заряженные частицы, между разноименными зарядами возникает напряжение. Причиной этому является диэлектрик между пластинами, который «мешает» стремящимся друг к другу зарядам с противоположным знаком перейти на другую сторону конденсатора.

На начальном этапе зарядки, напряжение быстро растет, потому что большой ток очень быстро увеличивает количество заряженных частиц на обкладках. Чем больше заряжается конденсатор, тем меньше ток, и тeм медленнее растет напряжение. В конце переходного периода, напряжение на конденсаторе полностью прекратит рост, и будет равняться напряжению на источнике питания.

Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.

Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:

Ic — ток конденсатора

C — Емкость конденсатора

ΔVc/Δt – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени

Разряд конденсатора

После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R. Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания. Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны, накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами, двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.

В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки. Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.

Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда, напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.

Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше времени потребует процесс зарядки/разрядки ( ток определяется как количество заряда, прошедшего по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.

Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу τ (тау). За один τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять τ конденсатор заряжается или разряжается полностью.

Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В. Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:

Устройство конденсатора. От чего зависит емкость?

Емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:

Площадь пластин — A

Расстояние между пластинами – d

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами — ɛ

Площадь пластин

Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше заряженых частиц могут на них разместится, и тем больше емкость.

Расстояние между пластинами

Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для того чтобы объяснить природу влияния этого фактора, необходимо вспомнить механику взаимодействия зарядов в пространстве (электростатику).

Если конденсатор не находится в электрической цепи, то на заряженные частицы, расположенные на его пластинах влияют две силы. Первая — это сила отталкивания между одноименными зарядами соседних частиц на одной пластине. Вторая – это сила притяжения разноименных зарядов между частицами, находящимися на противоположных пластинах. Получается, что чем ближе друг к другу находятся пластины, тем больше суммарная сила притяжения зарядов с противоположным знаком, и тем больше заряда может разместится на одной пластине.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость ɛ. Это безразмерная физическая величина, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.

Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость. Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.

Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала (напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно, понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.

Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.

Воздух – 1.0005

Бумага – от 2.5 до 3.5

Стекло – от 3 до 10

Слюда – от 5 до 7

Порошки оксидов металлов – от 6 до 20

Номинальное напряжение

Второй по значимости характеристикой после емкости является максимальное номинальное напряжение конденсатора. Данный параметр обозначает максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор. Превышение этого значения приводит к «пробиванию» изолятора между пластинами и короткому замыканию. Номинальное напряжение зависит от материала изолятора и его толщины (расстояния между обкладками).

Следует отметить, что при работе с переменным напряжением нужно учитывать именно пиковое значение (наибольшее мгновенное значение напряжения за период). Например, если эффективное напряжение источника питания будет 50В, то его пиковое значение будет свыше 70В. Соответственно необходимо использовать конденсатор с номинальным напряжением более 70В. Однако на практике, рекомендуется использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее в два раза превышающим максимально возможное напряжение, которое будет к нему приложено.

Ток утечки

Также при работе конденсатора учитывается такой параметр как ток утечки. Поскольку в реальной жизни диэлектрик между пластинами все же пропускает маленький ток, это приводит к потере со временем начального заряда конденсатора.