Когда и кем был создан конденсатор

История конденсаторов часть 1: первые открытия

История конденсаторов начинается вместе с первыми попытками изучения электричества. Я уподобляю их первым шагам авиации, когда люди изготавливали самолёты из дерева и ткани и пытались подпрыгнуть вверх, в воздух, не понимая в аэродинамике достаточно для того, чтобы понять, как остаться наверху. В изучении электричества был похожий период. Ко времени открытия конденсатора наше понимание было настолько примитивным, что считалось, будто электричество представляет собой жидкость, существующую в двух формах – стеклообразной и смолистой. И, как вы увидите дальше, всё поменялось в ранние годы развития конденсаторов.

История берёт начало в 1745 году. В то время электричество можно было создавать только электростатическим генератором. Стеклянный шар вращался со скоростью нескольких сотен оборотов в минуту, а экспериментатор прикасался к нему руками. Накопленное на нём электричество можно было разрядить. Сегодня мы называем этот эффект трибоэлектрическим – тут вы можете увидеть, как с его помощью можно запитать LCD-экран.

В 1745-м Эвальд Юрген фон Клейст из Померании (Германия) попробовал хранить электричество в алкоголе, решив, что может перевести электричество по проводнику от генератора в стеклянный медицинский сосуд. Поскольку электричество считалось жидкостью, такой подход выглядел разумным. Он считал, что стекло помешает электрической жидкости убежать из алкоголя. Он делал это примерно так же, как показано на картинке, пропустив гвоздь через пробку и опустив его в алкоголь, держа стеклянную бутылку одной рукой. О важной роли руки он в тот момент не догадывался. Фон Клейст обнаружил, что может получить искру, если прикоснётся к проводу, более мощную, чем если бы он использовал только один генератор.

Он сообщил о своём открытии группе немецких учёных в конце 1745 года, и новости дошли до Лейденского университета в Нидерландах, но по пути были перевраны. В 1746 Питер ван Мушенбрук со своим студентом Андреасом Кунэусом удачно повторил эксперимент, только с водой. Мушенбрук сообщил широкой французской научной общественности о результатах эксперимента. Считается, что Мушенбрук сделал это открытие независимо. Но это было только началом.

Жан-Антуан Ноле (известный также как аббат Ноле), французский экспериментатор, окрестил сосуд Лейденским и продавал его как особый вид бутылей богатым людям, интересовавшимся наукой.

Именно в Лейденском университете обнаружили, что эксперимент работает, только если держать контейнер рукой, а не поддерживать его изолирующим материалом.

Сегодня мы понимаем, что жидкость, контактировавшая со стеклом, работала как одна пластина конденсатора, а рука – как другая, стекло же было диэлектриком. Источником высокого напряжения был генератор, а рука и тело обеспечивали заземление.

Даниэль Гралат, физик и мэр Гданьска (Польша) первым объединил несколько сосудов параллельно, чем увеличил количество хранимого заряда. В 1740-х и 1750-х Бенджамин Франклин на территории, вскоре превратившейся в Соединённые Штаты Америки, также экспериментировал с лейденскими банками и назвал коллекцию из нескольких банок батареей, из-за сходства с батареей орудий.

батарея Лейденских банок

разбираем банку

разобранная банка

Франклин экспериментировал с водой в бутылках и с фольгой, выстилавшей бутылки, и решил, что заряд хранится в стекле, а не в воде. Он работал с разборными лейденскими банками, у которых внешняя и внутренняя фольга снималась со стекла. Позже было доказано, что он неправ. Франклин работал с гигроскопичным стеклом, и когда он убирал фольгу, заряд перемещался через коронный разряд во влагу в стекле. Если использовать ёмкость из твёрдого парафина или закалённого стекла, заряд остаётся на металлических пластинах. Существует ещё один эффект, диэлектрическое поглощение, происходящий из-за диполей в диэлектрике, в результате которого конденсатор сохраняет заряд даже после закорачивания пластин.

Франклин работал с плоскими стеклянными пластинами, с фольгой с обеих сторон, описав конструкцию из нескольких таких конденсаторов в одном из писем.

Примерно в то же время другие эксперименты Франклина показали, что за переноску заряда отвечает лишь одна субстанция, хотя её по-прежнему считали жидкостью – открытию электрона суждено было случиться только в районе 1800 года. Он обнаружил, что в заряженном объекте имеется либо избыток этой «жидкости», либо недостаток. Это опровергло гипотезу о двух видах электричества.

В 1776 году Алессандро Вольта, работая с различными методами измерения электрического потенциала, или напряжения (V) и заряда (Q), открыл, что для заданного объекта V и Q пропорциональны, назвав это “законом ёмкости”. Благодаря этому исследованию единицу напряжения назвали в его честь.

Термин «конденсатор» не использовался до 1920-х. Долгое время их называли конденсорами, и до сих пор называют так в некоторых странах и для некоторых целей [например, у нас – по-английски их зовут «capacitor» от слова «capacity» – «ёмкость» / прим. перев.]. Термин конденсор был предложен Вольтой в 1782 году, и происходил он от итальянского condensatore. Название обозначало возможность устройства хранить большую плотность заряда, чем изолированный проводник.

Аппарат Фарадея

В 1830-х Майкл Фарадей проводил эксперименты, определившие, что материал, находящийся между пластинами конденсатора, влияет на количество заряда, сохраняющегося на пластинах. Он экспериментировал со сферическими конденсаторами – две концентрические металлические сферы, между которыми мог быть воздух, стекло, воск, шеллак (смола) или другие материалы. Используя крутильные весы Кулона, он измерял заряд конденсатора, когда в промежутке между сферами был воздух. Затем, сохраняя напряжение без изменений, он измерял заряд, заполняя промежуток другими материалами. Он обнаружил, что заряд был больше, если вместо воздуха использовались другие материалы. Он назвал это особой индуктивной ёмкостью, и из-за этой его работы единицы ёмкости называют фарадами.

Термин «диэлектрик» впервые был использован в письме от Уильяма Уивела к Фарадею, где он описывал, как Фарадей придумал термин «димагнетик» по аналогии с «диэлекриком», и что наверно нужно было бы использовать термин «диамагнетник», но тогда было бы неудобно использовать термин «диаэлектрик» из-за трёх гласных подряд.

Генератор Уимсхёрста

Лейденские банки и конденсаторы, изготовленные из плоского стекла и фольги, использовались для искровых передатчиков и медицинской электротерапии до конца 18 века. С изобретением радио конденсаторы стали постепенно принимать современный вид, в основном из-за необходимости уменьшения индуктивности, для работы на высоких частотах. Мелкие конденсаторы делали из гибких листов диэлектрика, таких, как промасленная бумага, часто закрученная, с фольгой с двух сторон. История современных конденсаторов описывается отдельным постом.

Интересно, что ранние конденсаторы очень похожи на самоделки, и некоторые действительно делались энтузиастами. Лейденские банки и сейчас используются любителями высоких напряжений, как в этом генераторе Уимсхёрста, напечатанном на 3D-принтере, и как в этом развлечении с «банкой смерти».

История появления конденсатора и возникновения названия

Сейчас многие электрические устройства подразумевают использование конденсаторов разных типов. Они применяются в усилительных, преобразующих и передающих цепях, преобразователях напряжения, в цифровой электронике. Эти приборы выступают залогом нормального функционирования техники, её безопасности для человека. В этой статье рассмотрим, кем и когда были изобретены первые из них, откуда пошло название и что оно означает.

Как появился этот элемент?

В науке есть три версии создания конденсаторов. Они гласят, что он был открыт случайно.

Лейденская банка (первый конденсатор)

Первый вариант. Первопроходцем считают голландского ученого Питера ван Мушенбрука. В 1745 году экспериментатор проводил опыт с электрической машиной. По неосторожности он поместил в банку с водой один из электродов. По окончанию работы, он дотронулся до него и получил сильный разряд, после которого потерял сознание и два дня приходил в себя. После чего сообщил французскому научному обществу о наблюдаемом явлении.
Второй вариант. По другому предположению, голландский ученый изначально пытался зарядить воду в стеклянном сосуде. Поскольку, как и иные представители науки, предполагал, что электричество присутствует во всех живых организмах и предметах в виде жидкости. Он намеренно опустил электрод в банку, а потом взял её в руки и ощутил сильный удар током. Местом проведения опыта был город Лейден, от которого прибор и получил первое название – Лейденская банка – его дал Жан-Антуан Ноле, позже занимавшийся продажей таких изделий.
Третий вариант. Считается, что в то же время Эвальд Юген фон Клейст – настоятель собора в Померании в Германии, осуществил сходный эксперимент, желая предать полезный заряд святой воде. В своем исследовании он использовал электрическую машину, а вместо электрода у него был гвоздь. После прикосновения к нему ученый ощутил удар. Испытатель поделился своим открытием с немецким научным обществом.

Позже проводилось много опытов по дальнейшему совершенствованию и изучению Лейденских банок. Так из них убрали воду и покрыли металлом для сохранения заряда. Одно время считалось, что электричество накапливается в стекле. Но позже было выяснено, что это не так, и его носителем являются металлические пластины, а стеклянная поверхность выступает в роли диэлектрика.

Пример использования двух лейденских банок в электрофорной машине (генераторе Уимсхёрста)

Электрофорная машина - вид спереди Электрофорная машина - вид сзади

Конденсатор – возникновение названия, его значение

Первым это обозначение ввел Александро Вольта в 1792 г., которое происходило от итальянского «condensatore». Указывало на возможность устройства сохранять большую плотность электрического заряда, чем изолированный проводник. Но оно не использовалось вплоть до 1920-х годов. Приборы в то время называли «конденсорами», хотя значение до сих пор используется в нескольких странах.

Слово «ёмкость», применяющееся для обозначения номинала конденсаторов, считается данью прошлому, поскольку изначально элемент являлся банкой, обладающей некоторым объемом. А как известно из курса современно физики, чем больше площадь, тем выше хранимый заряд.

История создания конденсатора

You are currently viewing История создания конденсатора

История конденсаторов начинается в новаторские времена электричества. Во время открытия конденсатора наше понимание было настолько примитивным, что электричество считалось жидкостью и что оно существовало в двух формах: стекловидное электричество и смолистое электричество. Как вы увидите ниже, все это изменилось в первые годы существования конденсатора.

Конденсатор — это устройство для временного хранения электрического заряда, а его история начинается в 1745 году. В то время одним из способов производства электроэнергии было использование фрикционной машины.

Открытие лейденской банки

В 1745-м Эвальд Юрген фон Клейст из Померании (Германия) попробовал хранить электричество в алкоголе, решив, что может перевести электричество по проводнику от генератора в стеклянный медицинский сосуд. Поскольку электричество считалось жидкостью, такой подход выглядел разумным. Он считал, что стекло помешает электрической жидкости убежать из алкоголя. Он делал это примерно так же, как показано на картинке, пропустив гвоздь через пробку и опустив его в алкоголь, держа стеклянную бутылку одной рукой. О важной роли руки он в тот момент не догадывался. Фон Клейст обнаружил, что может получить искру, если прикоснётся к проводу, более мощную, чем если бы он использовал только один генератор.

По другой версии. То, что считается самым первым конденсатором, называлось Лейденская банка или лейденским сосудом (Leyden jar) которая была изобретена Питером ван Мушенбруком в 1746 году в Лейденском университете (или Лейдене) в Голландии. Это была стеклянная банка, завернутая внутри и снаружи тонкой металлической фольгой. Внешняя фольга была соединена с землей, а внутренняя фольга была соединена с источником электричества, таким как электростатический генератор. Хотя то, как это работает, не было понятно в то время, экспериментаторы обнаружили, что лейденский сосуд, казалось, накапливал электрический заряд даже после того, как он был отключен от генератора.

Как и многие ранние электрические устройства, поначалу лейденская банка не имела особого применения, кроме того, что позволяла ученым проводить более разнообразные электрические эксперименты. Например, Бенджамин Франклин использовал лейденские банки для хранения электричества от молнии в своем знаменитом эксперименте с воздушным змеем в 1752 году. Тем самым он доказал, что молния — это действительно электричество. Он также назвал коллекцию из нескольких банок батареей, из-за сходства с батареей орудий.

Батарея Лейденских банок

Удельная индуктивная емкость аппарата Фарадея

Электрофорная машина (Wimshurst) с лейденскими банками

Конденсатор

Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Содержание

История

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку».

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

где <img decoding=

i» width=»» height=»» /> — мнимая единица, $ \omega» width=»» height=»» /> — частота [1] протекающего синусоидального тока, <img decoding=$

C» width=»» height=»» /> — ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: $ X_C = -\frac<1><\omega C>» width=»» height=»» />. Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае). При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью <img decoding=$

C» width=»» height=»» />, собственной индуктивностью L_C» width=»» height=»» /> и сопротивлением потерь <img decoding=

R_n» width=»» height=»» />.

При <img decoding=

f &gt; f_p» width=»» height=»» /> конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < f_p» width=»» height=»» />, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной. Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора: <img decoding= » width=»» height=»» />

где Конденсатор постоянной ёмкости Поляризованный конденсатор Подстроечный конденсатор переменной ёмкости

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10 6 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками ( q = CU ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S» width=»» height=»» /> каждая, расположенных на расстоянии <img decoding=

d» width=»» height=»» /> друг от друга, в системе СИ выражается формулой: $C = \frac<\varepsilon \varepsilon_0 S> » width=»» height=»» />, где <img decoding=$ — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда d» width=»» height=»» /> много меньше линейных размеров пластин). Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею. <img decoding=

C = \sum_^N C_i» width=»» height=»» /> или

$C = \frac<1><\sum_<i=1>^N 1/C_i>» width=»» height=»» /> или <img decoding=$ = \frac<1> + \frac<1> + . + \frac<1>» width=»» height=»» />

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Полярность

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. 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.

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

</ul> </p> <h5>Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — <b>r</b> </h5> <p>Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением <i>r</i> = <i>U</i> / <i>I<sub>ут</sub></i> , где <i>U</i> — напряжение, приложенное к конденсатору, <i>I<sub>ут</sub></i> — ток утечки.</p> <h5>Эквивалентное последовательное сопротивление — <b>R</b> </h5> <p>Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. <i>ESR</i> ) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.</p> <p>В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague (англ.) ).</p> <h5>Эквивалентная последовательная индуктивность — <b>L</b> </h5> <p>Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.</p> <h5>Тангенс угла потерь</h5> <p>Тангенс угла потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости. <img decoding=

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол $\varphi = \frac<\pi> <2>— \delta » width=»» height=»» />, где <img decoding=$

\delta» width=»» height=»» /> — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь $ \delta = 0″ width=»» height=»» />. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная <img decoding=$

\mathrm(\delta)» width=»» height=»» />, называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой: