2 Элементы электрической цепи синусоидального тока
В отличие от цепей постоянного тока, элементами которых, кроме источников ЭДС, могут быть только резистивные элементы, в цепях переменного тока могут быть использованы элементы, обладающие индуктивностью и емкостью (то есть индуктивные и емкостные элементы).
2.1 Емкость. Конденсатор
Емкость – идеальный двухполюсный элемент, в котором происходит накопление энергии электрического поля. Введение в теоретическое рассмотрение емкости позволяет описывать процессы, связанные с накоплением электрических зарядов в каком-либо участке цепи, например в конденсаторе. Условно конденсатор можно представить двумя проводящими пластинами (обкладками), разделенными вакуумом или слоем диэлектрика. УГО емкостного элемента представлено на рисунке 3. Накапливаемый в емкости заряд q связан с напряжением и на этом элементе следующим соотношением: q = – Си. В этой формуле q – заряд той обкладки в обозначении емкости, в которую втекает ток проводимости (упирается стрелка опорного направления тока). Другая обкладка имеет такой же заряд, но противоположного знака.
Рисунок 3
Параметр (коэффициент) С называется, как и сам элемент, емкостью. В простейшем случае заряд q прямо пропорционален напряжению и, что соответствует линейной емкости. Для линейного элемента коэффициент С не зависит от напряжения или заряда и положителен. Ток i, протекающий через емкость, пропорционален скорости изменения напряжения и между полюсами. При согласованных опорных направлениях тока и напряжения для линейной и независящей от времени емкости справедливы соотношения:
В реальных цепях недопустим бесконечный ток, а значит, невозможны и скачки заряда: заряд не может мгновенно накопиться или рассосаться. Следовательно, заряд емкости является непрерывной функцией времени. Если емкость постоянна во времени, справедливо утверждение: напряжение на емкости является непрерывной функцией времени. В дальнейшем рассматриваются линейные и неизменные во времени емкости.
Единица измерения емкости – фарад. Сокращенное обозначение – Ф (в России) или F (международное обозначение). Обычно на практике используют дольные единицы: пикофарад (обозначение – пФ, или pF), микрофарад (соответственно мкФ или F).
Чтобы реализовать нужную емкость, присутствующую на схеме электрической цепи, в цепь включают соответствующий конденсатор. Существуют различные конструкции конденсаторов, в частности с плоскими, цилиндрическими и свернутыми в спираль обкладками. Проводящие обкладки разделяют воздушным зазором или разнообразными диэлектрическими материалами – специальной бумагой, слюдой, керамикой, полимерами, оксидами металлов.
Вплоть до весьма высоких частот вместо конденсатора в эквивалентных схемах может быть использована схема замещения, приведенная на рисунке 4, а. Помимо емкости С она содержит проводимость утечки G0 (или сопротивление R0 = 1/G0). Проводимость утечки позволяет учесть потери энергии в диэлектрике, вызванные отличной от нуля проводимостью диэлектрика. В таком диэлектрике возникает слабый ток проводимости, который называют током утечки. Значение G0 зависит от частоты, причем по-разному для разных изолирующих материалов. Поэтому в конденсаторах, предназначенных для различных частотных диапазонов, используют наиболее подходящие диэлектрики.
Рисунок 4
По мере увеличения частоты можно обнаружить, что ток утечки становится незначительным по сравнению с током смещения, замыкающимся между обкладками. Зато на высоких частотах приходится считаться с тепловыми потерями в обкладках и индукционными явлениями в проводниках. Эти эффекты учитывают добавлением в схему замещения сопротивления потерь r0 и индуктивности L0. Таким образом на очень высоких частотах (диапазон СВЧ) схема замещения конденсатора имеет вид, представленный на рисунке 4, б.