Теоретические основы

Способность уединённого проводника накапливать электрический заряд характеризует электроёмкость.

Электроёмкостью (ёмкостью) уединённого проводника называется физическая величина, определяемая зарядом q, сообщение которого проводнику повышает его потенциал j на 1 В:

. (3.14)

Единица электроёмкости – Фарад,

Ёмкость проводника зависит от его линейных размеров и геометрической формы, но не зависит от материала проводника.

Уединённые проводники обладают небольшой ёмкостью. Электроёмкость проводника возрастает при приближении к нему других тел.

Устройства способные накапливать заметные по величине заряды называются конденсаторы.

Конденсаторы – это электрические приборы, которые при небольшом относительно окружающих тел потенциале способны накапливать значительные по величине электрические заряды.

Конденсатор представляет собой систему из двух проводников (их называют обкладками) и диэлектрика между ними. Расстояние между обкладками много меньше размеров проводника (d << l). При этом поле сосредоточено в узком зазоре между обкладками (см. рис. ). Если d << l, то напряжённость поля внутри конденсатора и поле называется однородным. Единицы измерений напряжённости поля конденсатора: .

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд.

Электроемкость конденсатора С – физическая величина, характеризующая заряд, сообщение которого конденсатору изменяет разность потенциалов на его обкладках на один Вольт.

Электроемкость конденсатора С пропорциональна заряду q и обратно пропорциональна разности потенциалов (φ₁ – φ₂) (напряжению U) между обкладками.

. (4.2)

Удельная электроёмкость характеризует электроёмкость единицы объема диэлектрика.

Емкость батареи из n конденсаторов, соединенных параллельно,

. (4.3)

Емкость батареи из n конденсаторов, соединенных последовательно,

. (4.4)

Энергия заряженного конденсатора

. (4.5)

Существует множество типов конденсаторов.

1. По виду диэлектрика: воздушные, полимерные, слюдяные, керамические, электролитические и др.

2. По величине емкости: постоянные, переменные.

3. По форме обкладок (табл. 7): плоские, сферические, цилиндрические.

Таблица 7. Виды конденсаторов по форме обкладок

Название	Формула электроёмкости	Внешний вид
Плоский конденсатор
Цилиндрический конденсатор
Сферический конденсатор

Величина силы притяжения между двумя разноименно заряженными обкладками конденсатора рассчитывается как произведение пондеромоторного давления p, создаваемого электростатическими силами, на площадь обкладки конденсатора

, (4.6)

Величина пондеромоторного давления

, (4.7)

где S – площадь его пластин; l – расстояние между пластинами; e – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей конденсатор; e_o – электрическая постоянная; E – напряженность электрического поля в конденсаторе.

Конденсаторы соединяются двумя способами: параллельно и последовательно, табл. 8

Таблица 8. Виды соединения конденсаторов

Соединение	Параллельное	Последовательное
Схема
Сохраняющаяся величина	U=U1=U2=…=Un=const	Q=Q1=Q2=…=Qn=const
Суммарная величина	Q=Q1+Q2+…+Qn	U=U1+U2+…+Un
Результирующая электроемкость
Сопротивление R	R=R1+R2+…+Rn

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить как в таблице.

Таблица 9. Эквивалентная схема конденсатора

C — собственная ёмкость конденсатора; r — сопротивление изоляции конденсатора; R — эквивалентное последовательное сопротивление; L — эквивалентная последовательная индуктивность.

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.

При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, и т. п.

Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.

Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость поля, которая используется для различных целей, например, для ускорения заряженных частиц или для создания кратковременных мощных электрических разрядов.

Применяются конденсаторы также в измерительных преобразователях малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора при исходном малом зазоре между обкладками.

С помощью емкостных структур возможно измерение влажности воздуха, древесины и других материалов (изменение состава диэлектрика приводит к изменению ёмкости).

Используются конденсаторы и для реализации логики работы некоторых электрических защит, как акусто-электрические, электромеханические и другие преобразователи, имеют и другие применения.

Электростатический пинцет

На примере электростатического пинцета (рис.17) рассмотрим один из вариантов использования силового (пондеромоторного) действия электрического поля в конденсаторной структуре.

1 – воздушный зазор толщиной d₁ с диэлектрической проницаемостью e »1 и напряженностью электрического поля E₁ в нем; 2 – диэлектрическое защитное покрытие толщиной d₂ с диэлектрической проницаемостью e₂ и напряженностью электрического поля E₂ в нем; 3 – электрод с «тянущей» площадью S; изолятор; 5 - металлический корпус – трубка; 6 – малогабаритный высоковольтный источник питания напряжением U (конденсатор большой емкости, имеющий малые токи утечки); 7 – переключатель K режимов работы; 8 – поднимаемая электропроводящая (полупроводящая) плоская деталь массой m; R »1 МОм высокоомный резистор, предназначенный для ограничения тока до безопасных значений (в положении 1 ключа К), а также для ограничения тока разрядки (в положении 2 ключа К).

Данное устройство позволяет манипулировать (захватывать и перемещать в новое положение) плоскими, тонкими, легкими (обычно не более нескольких грамм) объектами, в том числе, из немагнитных материалов. Примером таких объектов могут быть полупроводниковые чипы – пластинки кремния размером примерно 5х5х0,1 мм. Для их транспортировки обычно используют липкие ленты и вакуумные присосы, т.к. захватить их обычным механическим пинцетом невозможно из-за их малой толщины и хрупкости. Оба эти варианта приводят к большому проценту брака и загрязнению, недопустимому в микроэлектронном производстве.

Использование электростатического пинцета позволяет избежать этого. При касании детали 8, которую надо переместить, внешней частью пинцета 5, при ключе 7, включенном в положение 1, фактически эта деталь совместно с «тянущим» электродом 3 образует плоский двухслойный конденсатор: один слой – воздушный зазор 1, а второй – последовательно соединенный слой 2 из защитного диэлектрика. Таким образом, на деталь 8 будет действовать сила, которую можно рассчитать по формулам (4.7) и (4.8), причем под напряженностью поля в данном случае следует понимать напряженность поля , рис.17.

Если эта сила превышает силу тяжести, действующую на деталь, то деталь может быть перенесена в нужное положение (например, на следующую технологическую операцию). Чтобы отсоединить деталь, необходимо разрядить образовавшийся конденсатор, для чего ключ 7 надо перевести в положение 2