Як зробити високовольтний конденсатор великої ємності. Як зробити конденсатор своїми руками: докладна інструкція

Якщо Ви задумали побудувати лазер, прискорювальну трубку, генератор електромагнітних перешкод або щось ще в цьому роді, то рано чи пізно Ви зіткнетеся з необхідністю використовувати малоіндуктивний високовольтний конденсатор, здатний розвивати потрібні Вам гігавати потужності.
В принципі можна спробувати обійтися використанням покупного конденсатора і щось близьке до того, що Вам потрібно навіть у продажу. Це керамічні конденсатори типу КВІ-3, К15-4, ряд марок фірм Murata і ТDK, і звір Maxwell 37661 (останній, щоправда, масляного типу)

Використання покупних конденсаторів, однак має недоліки.

1. Вони дорогі.
2. Вони малодоступні (Інтернет, звичайно, зв'язав людей, але тягати деталі з іншого кінця земної кулідещо напружує)
3. Ну і саме, звичайно, головне: вони все одно не забезпечать необхідних Вами рекордних параметрів. (коли мова йдепро розряд за десятки і навіть одиниці наносекунд для живлення азотного лазера або отримання пучка електронів, що втікають, з невідкачуваної прискорювальної трубки, жоден Максвелл Вам не в допомогу)

З цього гайду ми вчитимемося робити саморобний малоіндуктивний високовольтний
конденсатор на прикладі плати, призначеної для використання як драйвер
лампи на барвниках. Проте принцип є загальним і з його
використанням Ви зможете будувати конденсатори зокрема (але не обмежуючись)
навіть для живлення азотних лазерів.

I. РЕСУРСИ

ІІ. ЗБІРКА

Коли проектується пристрій, що вимагає малоіндуктивного живлення, треба думати про конструкцію в цілому, а не окремо про конденсатори, окремо про (наприклад) лазерну головку і т.д. В іншому випадку струмопровідні шини зведуть нанівець всі переваги малоіндуктивного дизайну конденсаторів. Зазвичай конденсатори є органічною. складовоюподібних пристроїв і тому прикладом буде плата драйвера лазера на барвниках.
Блаженний той саморобник, навколо якого валяються листи склопластику та оргскла. Мені ж доводиться використовувати кухонні обробні дошки, що продаються в магазині.
Візьміть шматок пластику і обріжте розмір майбутньої схеми.

Ідея схеми є примітивною. Це два конденсатори, накопичувальний та загострювальний, включені через розрядник за схемою з резонансною зарядкою. Детально розбиратися з роботою схеми ми не будемо, наше завдання тут - зосередитися на складанні конденсаторів.

Визначившись із розмірами майбутніх конденсаторів, відріжте шматочки алюмінієвого куточка за розмірами майбутніх контакторів. Куточки ретельно обробіть за всіма правилами високовольтної техніки (заокругліть усі кути і затупіть усі вістря).

Закріпіть висновки майбутніх конденсаторів на "друкованій платі".

Змонтуйте ті частини схеми, які, якщо їх не зібрати зараз, потім можуть перешкодити збиранню конденсаторів. У нашому випадку це сполучні шини та розрядник.

Зверніть увагу, мала індуктивність при встановленні розрядника принесена в жертву зручності регулювання. У даному випадкуце виправдано, оскільки власна індуктивність (довгої і тонкої) лампи помітно більше індуктивності ланцюга розрядника, а також лампа за всіма законами чорного тіла не світитиме швидше ніж sigma*T^4, який би швидкий ланцюг живлення не був. Укоротити можна лише фронт, але не весь імпульс. З іншого боку, при конструюванні, наприклад, азотного лазера так вільно кріпити розрядник Ви вже не станете.

Наступним етапом треба нарізати фольгу і, можливо, ламінат-пакети (якщо тільки розмір конденсатора не передбачає використання повного формату пакета, як у разі накопичувального конденсатора на платі.).

Незважаючи на те, що ламінування в ідеалі відбувається герметично і пробій по закраїна повинен бути виключений, не рекомендується робити закраїни (розмір d на малюнку) менш ніж по 5 мм на кожні 10 кВ робочої напруги.
Закраїни розміром по 15 мм на кожні 10 кВ напруги забезпечують більш-менш стабільну роботу навіть без герметизації.
Розмір висновків (розмір D на малюнку) вибирайте рівним товщині стопи майбутнього конденсатора з деяким запасом. Кути фольги, звичайно, повинні бути округлені.
Почнемо з пікового конденсатора. Ось як виглядають заготовки та готова, заламінована обкладка:

Для пікового конденсатора взято ламінат товщиною 200 мкм, оскільки за рахунок "резонансної" зарядки тут очікується начерк напруги під 30 кВ. Заламінуйте необхідна кількістьобкладок (у нашому випадку 20 шт.). Складіть їх чаркою (висновками почергово у різні боки). У отриманої чарки підігніть висновки (при необхідності надлишки фольги треба обрізати), покладіть стос у гніздо, утворене кутовими контакторами на платі і притисніть верхньою кришкою.

Фетишисти закріплять верхню кришку акуратними болтиками, але можна просто примотати ізолентою. Піковий конденсатор готовий.

Складання накопичувального конденсатора нічим принципово не відрізняється.
Менше роботи ножицями, оскільки використовується повний формат А4. Ламінат тут обраний завтовшки 100 мкм, оскільки планується використовувати зарядну напругу 12 кВ.
Так само збираємо в стопку, підгинаємо висновки і притискаємо кришкою:

Кухонна досточка з підрізаною ручкою виглядає, звісно злісно, ​​але функціональності не порушує. Сподіваюся, що у Вас із ресурсами проблем буде менше. Та й ще що: якщо в якості основи і кришки надумаєте використовувати дерев'яшки, їх доведеться серйозно підготувати. Перше - добре просушити (краще при підвищеній температурі). І друге – герметично пролакувати. Уретановим чи вініловим лаком.
Справа тут не в електроміцності та не в витоках. Справа в тому, що коли зміниться вологість дерев'янка вигне. По-перше, це порушить якість контакту і подовжить час розряду конденсаторів. По-друге, якщо тут поверх цієї плати передбачається монтувати лазер, його теж вигне з усіма наслідками.

Загинаючи висновки, не забудьте прокласти по додатковому шару ізоляції. А то насправді: обкладки одна від одної відокремлені двома шарами діелектрика, а висновки від обкладки протилежної полярності – лише одним.
Побачимо, що в нас вийшло. Скористаємося мультиметром із вбудованим вимірювачем ємності.
Ось що показує накопичувальний конденсатор.

А ось що показує піковий конденсатор.

Ось, власне, і все. Конденсатори готові, тема гайда вичерпана.
Однак, ймовірно, не терпиться випробувати їх у справі. Доробляємо недостатню частину схеми, встановлюємо лампу, підключаємо до джерела живлення.
Ось як це виглядає.

Ось осцилограма, струму, знята невеликим кільцем дроту, безпосередньо підключеним до осцилографа і розташованим поблизу контуру, що живить лампу. Щоправда, замість лампи схема була навантажена на шунт.

А ось осцилограма спалаху лампи, знята фотодіодом ФД-255, спрямованим на найближчу стіну. Розсіяного світла цілком вистачає. Правильніше навіть сказати "більш ніж."

Можна довго лаяти кондезатори, що погано вийшли і шукати причину, чому розряд триває більше 5 мкс... Насправді лампа спалах вивалює купу мегават і навіть розсіяним від стін світлом заганяє фотодіод в глибоке насичення. Винесемо фотодіод подалі. Ось осцилограма знята з 5 метрів, коли фотодіод дивиться не точно на лампочку, а трохи убік від неї.

Час наростання точно визначити складно через перешкоди, проте видно, що воно становить близько 100 нс і добре узгоджується з тривалістю напівперіоду струму.
Хіст, що залишився, у світловому імпульсі - світіння плазми, що повільно остигає. Повна тривалість – під 1 мкс.
Чи вистачить цього лазера на карасителе? Це окреме питання. Взагалі зазвичай такого импулсьса більш ніж вистачає, але тут все залежить від барвника (наскільки він чистий і гарний), від кювети, освітлювача, резонатора тощо. Якщо мені вдасться отримати генерацію на одному з наявних у продажу флуоресцентних маркерів - тоді буде окремий гайд по саморобному лазеруна барвниках.

(ЗИ) Довелося додати ще 30 нФ у головний накопичувальний конденсатор і справді вистачило. Труба, фотку якої можна знайти тут же в розділі "Фотки" заробила навіть краще ніж від двохмаксвелового ГІНу.

Взагалі час розряду в 100 нс не межа для описаної технології створення конденсаторів. Ось фото конденсатора з яким стійко працює в режимі надвипромінювання повітряний відкачувальний азотний лазер:

Час його розряду вже поза можливостями мого осцилографа, проте те, що азотник з цим конденсатором ефективно генерує вже при 100 мм.рт.ст. дозволяє оцінити час розряду 20 нс і менше.

ІІІ. ЗАМІСТЬ ВИСНОВОК. БЕЗПЕКА

Сказати, що такий конденсатор небезпечний – це нічого не сказати. Електричний удар від такої ємності також є смертельним, як КАМАЗ, що летить на Вас зі швидкістю 160 км/год. Відноситися до цього конденсатора потрібно з такою самою повагою, як до зброї чи звитяги. При роботі з такими конденсаторами застосовуйте всі можливі заходи безпеки та, зокрема, дистанційне включення та вимкнення.
Передбачити все небезпечні ситуаціїі дати рекомендації, як у них не потрапити, просто неможливо. Будьте обережні та думайте головою. Знаєте, коли кінчається кар'єра сапера? Коли він перестає боятися. Саме в той момент, коли він стає "на ти" з вибухівкою, йому зносить бошку.
З іншого боку, мільйони людей їздять дорогами з КАМАЗами і тисячі саперів ходять на роботу і залишаються живими. Поки Ви обережні і думаєте головою, все буде гаразд.

Мийний конденсатор

Цей тип конденсатора отримав свою назву за схожість форми обкладок із пакетом "майка".
Індуктивність цього конденсатора більша ніж у кондера описаного вище або цукеркового, але він цілком придатний для використання в СО2-шці або ГІН. Насилу заводить барвник а для азотника не підійде.

Матеріали знадобляться ті ж, що і в гайді вище: майларова плівка (або пакети для ламінування), алюмінієва фольга і скотч/ізоленту.

На схемі нижче позначені розміри основних зазорів.

L - довжина діелектрика
D – ширина діелектрика
R – зовнішній радіус конденсатора

Зазори від країв діелектрика по 15мм. З того боку де виходять контактні смуги обкладок відступ 50мм. Ці відступи зроблені мінімально можливими для максимальної ємності за заданих L і D діелектрика. Зверніть увагу, ці проміжки підібрані для 10кВ. (Я сумніваюся, що має сенс робити такий тип конденсатора для більш високих напругтому я не писатиму тут формули для перерахунку відступів і зазорів для інших напруг)

Відстань між висновками обкладок – 30мм. Цей зазор також взятий мінімально можливим для 10кВ. Збільшення даного зазору зробить висновки надто вузькими – збільшиться індуктивність конденсатора.

Виготовлення

Мийний конденсатор готовий. Можете встановлювати його ваш лазер, ГІН або інший високовольтний девайс.

Конструктивно це «бутерброд» із двох провідників та діелектрика, яким може бути вакуум, газ, рідина, органічне або неорганічне тверде тіло. Перші вітчизняні конденсатори (скляні банки з дробом, обклеєні фольгою) робили у 1752 р. М. Ломоносов та Г. Ріхтер.

Що може бути цікавим у конденсаторі? Приступаючи до роботи над цією статтею я думав, що зможу зібрати і коротко викласти все про цю примітивну деталь. Але в міру знайомства з конденсатором, я з подивом розумів, що тут не розповісти і сотої частки всіх прихованих у ньому таємниць та чудес…

Крім того, 1 кг «звичайних просто конденсаторів» зберігає менше енергії ніж кілограм акумуляторів або паливних осередків, але здатний швидше, ніж вони видати її, розвиваючи при цьому велику потужність. — При швидкому розряді конденсатора можна отримати імпульс великої потужності, наприклад у фотоспалахах, імпульсних лазерах з оптичним накачуванням і колайдерах. Конденсатори є практично в будь-якому приладі, тому, якщо у вас немає нових конденсаторів, для дослідів їх можна випаяти звідти.

Заряд конденсатора- Це абсолютне значення заряду однієї з його обкладок. Він вимірюється в кулонах і пропорційний числу зайвих (-) або електронів, що відсутні (+). Щоб зібрати заряд в 1 кулон, Вам знадобиться 6241509647120420000 електрона. У бульбашці водню, розміром із сірникову головку їх приблизно стільки ж.

Оскільки здатність накопичувати заряди електрода обмежена їх взаємним відштовхуванням, їх перехід на електрод не може бути нескінченним. Як будь-яке сховище, конденсатор має цілком певну ємність. Так вона і називається - електрична ємність. Вона вимірюється у фарадах та для плоского конденсатора з обкладками площею S(кожна), розташованими на відстані d, ємність дорівнює Sε 0 ε/d(при S>> d), де ε - Відносна діелектрична проникність, а ε 0 =8,85418781762039 * 10 -12 .

Ємність конденсатора також дорівнює q/U, де q- Заряд позитивної обкладки, U- Напруга між обкладками. Місткість залежить від геометрії конденсатора та діелектричної проникності діелектрика, і не залежить від заряду обкладок.

У зарядженому провіднику заряди намагаються розбігтися один від одного якнайдалі і тому знаходяться не в товщі конденсатора, а в поверхневому шаріметалу, подібно до плівки бензину на поверхні води. Якщо два провідники утворюють конденсатор, то ці надлишкові заряди збираються один навпроти одного. Тому майже все електричне поле конденсатора зосереджено між його обкладками.

На кожній обкладці заряди розподіляються так, щоб бути подалі від сусідів. І розташовані вони досить просторо: у повітряному конденсаторі з відстанню між пластинами 1 мм, зарядженому до 120 В, середня відстань між електронами становить понад 400 нанометрів, що у тисячі разів більше за відстань між атомами (0,1-0,3 нм), а отже на мільйони поверхневих атомів припадає лише один зайвий (або недостатній) електрон.

Якщо зменшити відстаньміж обкладками, то сили тяжіння зростуть, і при тому ж напрузі заряди на обкладках зможуть «ужитися» щільніше. Збільшиться ємністьконденсатора. Так і зробив професор Лейденського університету ван Мушенброк, який нічого не підозрював. Він замінив товстостінну пляшку першого у світі конденсатора (створеного німецьким священиком фон Клейстом у 1745 р.) тонкою скляною банкою. Зарядив її і помацав, а прокинувшись через два дні повідомив, що не погодиться повторити досвід, навіть якби за це обіцяли французьке королівство.

Якщо помістити між обкладками діелектрик, то вони поляризують його, тобто притягнуть до себе різної заряди з яких він складається. При цьому буде той самий ефект, якби обкладки наблизилися. Діелектрик з високою відносною діелектричною проникністю можна як хороший транспортер електричного поля. Але ніякий транспортер не ідеальний, тому який би чудовий діелектрик не додали поверх вже наявного, ємність конденсатора тільки знизиться. Підвищити ємність можна тільки якщо додавати діелектрик (а ще краще - провідник) замістьвже наявного, але що володіє меншою ε.

У діелектриках вільних набоїв майже немає. Всі вони зафіксовані чи то в кристалічній решітці, чи в молекулах – полярних (що являють собою диполі) чи ні. Якщо зовнішнього поля немає, діелектрик неполяризований, диполі та вільні заряди розкидані хаотично та діелектрик власного поля не має. в електричному полівін поляризується: диполі орієнтуються по полю. Так як молекулярних диполів дуже багато, то при їх орієнтації плюси та мінуси сусідніх диполів усередині діелектрика компенсують один одного. Некомпенсованими залишаються лише поверхневі заряди – на одній поверхні – одного, на іншій – іншого. Вільні заряди у зовнішньому полі також дрейфують та поділяються.

При цьому різні процеси поляризації йдуть із різною швидкістю. Одна справа – усунення електронних оболонок, що відбувається практично миттєво, інша справа – поворот молекул, особливо великих, третя – міграція вільних зарядів. Останні два процеси, очевидно, залежать від темератури, і в рідинах йдуть набагато швидше, ніж у твердих тілах. Якщо нагріти діелектрик, повороти диполів та міграція зарядів пришвидшиться. Якщо поле вимкнути, деполяризація діелектрика відбувається теж миттєво. Він залишається деякий час поляризованим, поки тепловий рух не розкидає молекули у вихідний хаотичний стан. Тому для конденсаторів, де перемикається полярність з високою частотою, придатні тільки неполярні діелектрики: фторопласт, поліпропілен.

Якщо розібрати заряджений конденсатор, а потім зібрати (пластмасовим пінцетом), енергія нікуди не подінеться, і світлодіод зможе моргнути. Він навіть моргне, якщо підключити його до конденсатора в розібраному стані. Воно і зрозуміло - при розбиранні заряд із пластин нікуди не подівся, а напруга навіть зросла, оскільки зменшилася ємність і тепер обкладення прямо-таки розпирає від зарядів. Стоп, як ця напруга зросла, адже тоді зросте й енергія? Так і є, ми ж повідомили системі механічну енергію, долаючи кулонівське тяжіння обкладок. Власне, в цьому й фішка електризації тертям – зачепити електрони на відстані порядку розмірів атомів і відтягнути на макроскопічну відстань, тим самим підвищивши напругу з кількох вольт (а таку напругу в хімічних зв'язках) до десятків і сотень тисяч вольт. Тепер зрозуміло, чому синтетична кофта б'ється струмом не коли її носиш, а коли її знімаєш? Стоп, а чому не до мільярдів? Дециметр ж у мільярд разів більший за ангстрем, на якому ми урвали електрони? Так тому що робота з переміщення заряду в електричному полі дорівнює інтегралу Eq по d і це саме E слабшає відстань квадратично. А якби на всьому дециметрі між кофтою та носом було таке ж поле, як усередині молекул, то клацнув би по носі й мільярд вольт.

Перевіримо це явище – підвищення напруги під час розтягування конденсатора – експериментально. Я написав просту програму на Visual Basic для прийому даних із нашого контролера ПМК018 і виведення їх на екран. Загалом беремо дві 200х150 мм пластини текстоліту, покритого з одного боку фольгою і припаюємо проводки, що йдуть до вимірювального модуля. Потім кладемо на одну з них діелектрик – аркуш паперу – та накриваємо другою пластиною. Пластини прилягають нещільно, тому придавимо їх зверху корпусом авторучки (якщо давити рукою, можна створити перешкоди).

Схема вимірювання проста: потенціометр R1 встановлює напругу (у нашому випадку це 3 вольти), що подається на конденсатор, а кнопка S1 служить для того, щоб подавати його на конденсатор, або не подавати.

Отже, натиснемо та відпустимо кнопку – ми побачимо графік, показаний ліворуч. Конденсатор швидко розряджається через вхід осцилографа. Тепер спробуємо під час розряду послабити тиск на пластини – побачимо пік напруги на графіку (праворуч). Це якраз шуканий ефект. При цьому відстань між обкладками конденсатора зростає, ємність падає і тому конденсатор починає розряджатися ще швидше.

Тут я не на жарт задумався.. Здається, ми на порозі великого винаходу ... Адже якщо при розсуванні обкладок на них зростає напруга, а заряд залишається колишнім, то можна взяти два конденсатори, на одному розсувати на них обкладки, а в точці максимального розсування передати заряд нерухомого конденсатора. Потім повернути обкладки на місце і повторити те саме навпаки, розсовуючи інший конденсатор. За ідеєю напруга на обох конденсаторах зростатиме з кожним циклом у кілька разів. Чудова ідеядля електрогенератора! Можна буде створити нові конструкції вітряків, турбін та всього такого! Так, чудово… для зручності можна розмістити все це на двох дисках, що обертаються у протилежні сторони…. ой що це… тьху, це ж шкільна електрофорна машина! 🙁

Як генератор вона не прижилася, так як незручно мати справу з такими напругами. Але на нанорівні все може змінитись. Магнітні явища в наноструктурах набагато слабші за електричні, а електричні поля там, як ми вже переконалися, величезні, тому молекулярна електрофорна машина може стати дуже популярною.

Конденсатор як зберігач енергії

Переконатися, що у найменшому конденсаторі зберігається енергія дуже легко. Для цього нам знадобиться прозорий світлодіод червоного свічення та джерело постійного струму(батарейка 9 вольт підійде, але якщо номінальна напруга конденсатора дозволяє краще взяти побільше). Досвід полягає в тому, щоб зарядити конденсатор, а потім підключити до нього світлодіод (не забуваємо про полярність), і дивитися як він моргне. У темній кімнаті видно спалах навіть від конденсаторів у десятки пікофарад. Це якихось сто мільйонів електронів випускають сто мільйонів фотонів. Втім, це не межа, адже людське око може помічати куди слабше світло. Просто я не знайшов ще менш ємних конденсаторів. Якщо ж рахунок пішов на тисячі мікрофарад, пошкодуйте світлодіод, а натомість замикайте конденсатор на металевий предметщоб побачити іскру – очевидне свідчення наявності у конденсаторі енергії.

Енергія зарядженого конденсатора веде себе багато в чому подібно до потенційної механічної енергії — енергії стиснутої пружини, піднятого на висоту вантажу або водонапірного бачка (а енергія котушки індуктивності, навпаки, подібна до кінетичної). Здатність конденсатора накопичувати енергію здавна застосовується для забезпечення безперервної роботи пристроїв при короткочасних спадах напруги живлення - від годинника до трамваїв.

Конденсатор також використовується для накопичення «майже вічної» енергії, що виробляється трясінням, вібрацією, звуком, детектуванням радіохвиль або випромінювання електромереж. Поступово накопичена енергія від таких слабких джерел протягом тривалого часу дозволяє потім деякий час працювати бездротовим датчикам та іншим електронним приладам. На цьому принципі заснована вічна «пальчикова» батарейка для пристроїв зі скромним енергоспоживанням (на зразок пультів ТБ). У її корпусі знаходиться конденсатор ємністю 500 міліфарад і генератор, що підживлює його при коливаннях з частотою 4-8 герц дармовою потужністю від 10 до 180 міліват. Розробляються генератори на основі п'єзоелектричних нанопроводків, здатні спрямовувати в конденсатор енергію таких слабких вібрацій, як биття серця, удари підошв взуття по землі та вібрації технічного обладнання.

Ще одне джерело дармової енергії – гальмування. Зазвичай при гальмуванні транспорту енергія переходить у тепло, адже її можна зберегти і потім використовувати при розгоні. Особливо гостро постає ця проблема для громадського транспорту, який гальмує та розганяється біля кожної зупинки, що веде до значної витрати палива та забруднення атмосфери вихлопами. У Саратовській області у 2010 р. фірмою «Елтон» створено «Екобус» — експериментальну маршрутку з незвичайними електродвигунами «мотор-колесо» та суперконденсаторами – накопичувачами енергії гальмування, що знижують енергоспоживання на 40%. Там застосовані матеріали, розроблені у проекті «Енергія-Буран», зокрема вуглецева фольга. Взагалі завдяки створеній ще в СРСР науковій школі, Росія є одним із світових лідерів у сфері розробки та виробництва електрохімічних конденсаторів. Наприклад, продукція "Елтона" експортується за кордон з 1998 року, а нещодавно в США почалося виробництво цих виробів за ліцензією російської компанії.

Місткість одного сучасного конденсатора (2 фаради, фото зліва) у тисячі разів перевищує ємність усієї земної кулі. Вони здатні зберігати електричний заряду 40 Кулон!

Використовуються вони, як правило, в автомобільних аудіосистемах, щоб знизити пікове навантаження на електропроводку автомобіля (у моменти потужних бас-ударів) і за рахунок величезної ємності конденсатора придушити всі високочастотні перешкоди в бортовій мережі.

А ось цей радянський «дідусь скринька» для електронів (фото справа) не настільки ємний, зате витримує напругу в 40.000 вольт (зверніть увагу на порцелянові чашки, що захищають всі ці вольти від пробою на корпус конденсатора). Це дуже зручно для електромагнітної бомби, в якій конденсатор розряджається на мідну трубочку, яка в той же момент стискається зовні вибухом. Виходить дуже потужний електромагнітний імпульс, що виводить з ладу радіоапаратуру. До речі, при ядерному вибуху, на відміну від звичайного, теж виділяється електромагнітний імпульс, що ще раз наголошує на схожості уранового ядра з конденсатором. До речі, такий конденсатор цілком можна зарядити статичною електрикою від гребінця, тільки звичайно заряджати до повної напруги доведеться довго. Зате можна буде повторити сумний досвідван Мушенброка у дуже посиленому варіанті.

Якщо просто потерти об волосся авторучку (гребінець, повітряну кульку, синтетична білизна тощо), то світлодіод від неї не горітиме. Це тому, що надлишкові (відібрані у волосся) електрони невдоволені кожен у своїй точці на поверхні пластику. Тому якщо навіть ми і потрапимо виведенням світлодіода в якийсь електрон, інші не зможуть спрямуватися за ним і створити потрібний для помітного неозброєним оком свічення світлодіода струм. Інша річ, якщо перенести заряди з авторучки до конденсатора. Для цього візьмемо конденсатор за один висновок і буде терти авторучку по черзі то про волосся, то про вільне виведення конденсатора. Чому саме терти? Щоб максимально зібрати врожай електронів з усієї поверхні ручки! Кілька разів повторимо цей цикл і підключимо до конденсатора світлодіод. Він моргне, причому лише за дотримання полярності. Так конденсатор став містком між світами «статичної» та «звичайної» електрики 🙂

Я взяв для цього досвіду високовольтний конденсатор, побоюючись пробою низьковольтного, але виявилося, що це зайва обережність. При обмеженій подачі заряду напруга на конденсаторі може бути набагато меншою від напруги джерела живлення. Конденсатор може перетворювати велику напругу на малу. Наприклад, статичну високовольтну електрику – у звичайну. Справді, чи є різниця: зарядити конденсатор одним мікрокулоном від джерела напругою 1 або 1000 В? Якщо цей конденсатор настільки ємний, що від заряду в 1 мкКл на ньому напруга не підвищиться вище за напругу одновольтового джерела живлення (тобто ємність його вище 1 мкф), то різниці немає. Просто якщо не обмежувати примусово кулони, від високовільного джерела їх захоче прибігти більше. Та й теплова потужність, що виділилася на висновках конденсатора, буде більша (а кількість теплоти те ж, просто вона швидше виділиться, тому і потужність більша).

Загалом, мабуть, цього досвіду годиться будь-який конденсатор ємністю трохи більше 100 нф. Можна і більше, але потрібно довго його заряджати щоб отримати достатню для світлодіода напругу. Зате, якщо струми витоку в конденсаторі невеликі, світлодіод горітиме довше. Можна подумати про створення цього принципу пристрою підзарядки стільникового телефонувід тертя його волосся під час розмови 🙂

Відмінним високовольтним конденсатором є викрутка. При цьому ручка служить діелектриком, а металевий стрижень і рука людини - обкладками. Ми знаємо, що натерта об волосся авторучка притягує клаптики паперу. Якщо натирати об волосся викрутку то нічого не вийде - метал не має здатності забирати електрони у білків - вона як не притягувала папірці, так і не стала. Але якщо, як у попередньому досвіді, терти її зарядженою авторучкою – викрутка, внаслідок своєї малої ємності, швидко заряджається до високої напруги і папірці починають до неї притягуватися.

Світиться від викрутки та світлодіод. На фото неможливо зловити коротку мить його спалаху. Але — пригадаємо властивості експоненти — згасання спалаху триває довго (за мірками затвора фотоапарата). І ось ми стали свідками унікального лінгвістико-оптико-математичного явища: експонента таки експонувала матрицю фотоапарата!

Втім, до чого такі складності — є відеозйомка. На ній видно, що спалахує світлодіод досить яскраво.

Коли конденсатори заряджають до високої напруги, починає відігравати свою роль крайовий ефект, що полягає в наступному. Якщо діелектрик на повітрі помістити між обкладками і прикласти до них напруга, що поступово підвищується, то при деякому значенні напруги на краю обкладки виникає тихий розряд, що виявляється по характерному шуму і свіченню в темряві. Величина критичної напруги залежить від товщини обкладки, гостроти краю, роду та товщини діелектрика та ін. Чим діелектрик товщі, тим вище кр. Наприклад, чим діелектрична стала діелектрика вище, тим воно нижче. Для зменшення крайового ефекту краю обкладки закладають в діелектрик з високою електричною міцністю, потовщують діелектрик прокладку на краях, закруглюють краї обкладок, створюють на краю обкладок зону з поступово напругою, що падає, за рахунок виготовлення країв обкладок з матеріалу з високим опором, зменшенням напруги, що припадає на один конденсатор шляхом розбивки його на кілька послідовно включених.

Ось чому батьки-засновники електростатики любили, щоб на кінці електродів були кульки. Це, виявляється, не дизайнерська фішка, а спосіб максимально зменшити стікання заряду у повітря. Далі вже нема куди. Якщо кривизну якоїсь ділянки на поверхні кульки ще зменшити, то неминуче зросте кривизна сусідніх ділянок. Та й тут мабуть у наших електростатичних справах важлива не середня, а максимальна кривизна поверхні, яка мінімальна, звичайно, у кульки.

Але якщо ємність тіла це здатність накопичувати заряд, то вона, напевно, дуже різна для позитивних і негативних зарядів. Уявімо собі сферичний конденсатор у вакуумі ... Від душі зарядимо його негативно, не шкодуючи електростанцій і гігават-годин (ось чим хороший уявний експеримент!) ... але в якийсь момент надлишкових електронів стане на цій кулі так багато, що вони просто почнуть розлітатися по всьому вакууму, аби не перебувати в такій електронегативній тісноті. А от із позитивним зарядом такого не станеться – електрони, як би їх мало не залишилося, нікуди з кристалічних ґрат конденсатора не відлетять.
Що ж виходить, позитивна ємність свідомо набагато більша за негативну? Ні! Тому що електрони там взагалі були не для нашого пустощів, а для з'єднання атомів, і без будь-якої помітної їх частки, кулонівське відштовхування позитивних іонів кристалічних ґрат миттєво рознесе в пил самий броньований конденсатор 🙂

Насправді, без вторинної обкладки, ємність «відокремлених половинок» конденсатора дуже мала: електроємність відокремленого шматка дроту діаметром 2 мм і довжиною 1 м дорівнює приблизно 10 пФ, а всієї земної кулі – 700 мкф.

Можна побудувати абсолютний зразок ємності, розрахувавши його ємність за фізичними формулами з точних вимірів розмірів обкладок. Так і зроблено найточніші конденсатори в нашій країні, які знаходяться у двох місцях. Державний еталон ГЕТ 107-77 знаходиться у ФГУП СНІІМ і складається з 4-х безопорних коаксіально-циліндричних конденсаторів, ємність яких розраховується з високою точністючерез швидкість світла і одиниці довжини і частоти, а також високочастотного ємнісного компаратора, що дозволяє порівнювати ємності конденсаторів, що приносяться на перевірку, з еталоном (10 пф) з похибкою менше 0,01% в діапазоні частот 1-100 МГц (фото зліва).

Еталон ГЕТ 25-79 (фото праворуч), що знаходиться у ФГУП ВНІІМ ім. Д.І. Менделєєва містить розрахунковий конденсатор та інтерферометр у вакуумному блоці, ємнісний трансформаторний міст у комплекті з мірами ємності та термостатом та джерела випромінювання зі стабілізованою довжиною хвилі. В основу еталона покладено метод визначення прирощень ємності системи перехресних електродів розрахункового конденсатора за зміни довжини електродів на задану кількість довжин хвиль високостабільного світлового випромінювання. Це забезпечує підтримку точного значення ємності 0,2 пф з точністю вище 0,00005%

Але на радіоринку в Мітіно я не зміг знайти конденсатор з точністю вище 5% 🙁 Що ж, спробуємо розрахувати ємність за формулами на основі вимірювань напруги і часу через наш улюблений ПМК018. Розраховуватимемо ємність двома способами. Перший спосіб заснований на властивостях експоненти та відношенні напруги на конденсаторі, виміряних в різні моментирозряду. Другий - на вимірі заряду, відданого конденсатором при розряді, він виходить інтегруванням струму за часом. Площа, обмежена графіком струму та осями координат, чисельно дорівнює заряду, відданому конденсатором. Для цих розрахунків потрібно точно знати опір ланцюга, через який розряджається конденсатор. Цей опір я поставив прецизійним резистором на 10 ком з електронного конструктора.

І ось результати експерименту. Зверніть увагу на те, яка красива і гладка вийшла експонента. Адже вона не математично розрахована комп'ютером, а безпосередньо виміряна з самої природи. Завдяки координатній сітці на екрані видно, що точно дотримується властивість експоненти — через рівні проміжки часу зменшуватися в рівну кількість разів (я навіть лінійкою міряв на екрані).

Як бачимо, виміряна і розрахована ємність приблизно збігається з номінальною (і зі свідченнями китайських мультиметрів), але не точнісінько. Жаль, що немає еталона, щоб визначити яка з них все-таки істинна! Якщо хтось знає еталон ємності, недорогий чи доступний у побуті – обов'язково напишіть про це тут, у коментарях.

У силовій електротехніці першим у світі застосував конденсатор Павло Миколайович Яблочков у 1877 р. Він спростив і водночас удосконалив конденсатори Ломоносова, замінивши дріб та фольгу рідиною, та з'єднавши банки паралельно. Йому належить не тільки винахід інноваційних дугових ламп, що підкорили Європу, а й низку патентів, пов'язаних із конденсаторами. Спробуємо зібрати конденсатор Яблочкова, використовуючи підсолену воду як провідну рідину, а як банк – скляну банкуз овочів. Вийшла ємність 0,442 нф. Замінимо банку поліетиленовим пакетом, що мають більшу площу і в багато разів меншу товщину - ємність зросте до 85,7 нф. (Спочатку наповнимо пакет водою і перевіримо, чи немає струмів витоку!) Конденсатор працює – навіть дозволяє моргнути світлодіодом! Він також успішно виконує свої функції в електронних схемах (я спробував його включити до генератора замість звичайного конденсатора — все працює).

Вода тут грає дуже скромну роль провідника, і якщо є фольга, можна обійтися без неї. Так зробимо, за Яблочковим, і ми. Ось конденсатор із слюди та мідної фольги, ємністю 130 пф.

Металеві обкладки повинні можливо щільно прилягати до діелектрика, причому треба уникати введення між обкладкою та діелектриком клеючої речовини, що спричинить додаткові втрати на змінному струмі. Тому тепер як обкладки застосовують головним чином метал, хімічно або механічно обложений на діелектрик (скло) або щільно припресований до нього (слюда).

Можна замість слюди використати купу різних діелектриків, яких завгодно. Вимірювання (для діелектриків рівної товщини) показали, що повітря ε найменше, у фторопласту більше, у силікону ще більше, а у слюди навіть ще більше, а у цирконат-титанату свинцю воно просто величезне. Саме так з науки і має бути - адже у фторопласті електрони, можна сказати, намертво прикуті фторовуглецевими ланцюгами і можуть лише трохи відхилитися - там навіть з атома на атом електрону нікуди перескочити.

Ви можете провести такі досліди з речовинами, що мають різну діелектричну проникність. Як ви думаєте, що має велику діелектричну проникність, дистильована вода чи олія? Сіль чи цукор? Парафін чи мило? Чому? Діелектрична проникність залежить від чого… про неї можна було б написати цілу книгу.

От і все? 🙁

Ні не все! За тиждень буде продовження! 🙂

Як зробити конденсатор?

У душі кожного з нас живе винахідник, тому радіоаматорство є досить популярним хобі. Самостійне виготовленнярадіокомпонентів - одна з найцікавіших складових цього хобі. У цій статті розповімо, як зробити конденсатор своїми руками в домашніх умовах.

Матеріали

Для виготовлення конденсатора нам знадобиться:

• фольга,
• праска,
• папірусний папір,
• парафін,
• запальничка.

Фольга не потребує додаткової підготовки, а ось за допомогою трьох останніх компонентів нам належить зробити парафінований папір.

Виготовлення

Отже, матеріали підготовлені, приступаємо до роботи:

1. Нагріваємо парафін і обережно обробляємо папірусний папір.
2. Складаємо її в "гармошку", ширина кожної секції якої близько 30 мм. Число шарів-гармошок визначає ємність конденсатора, кожен шар відповідає приблизно 100 пФ.
3. У кожну секцію вкладаємо шматочок фольги площею 30 на 45 мм.
4. Складаємо гармошку і прогладжуємо її теплою праскою.
5. Все, готовий конденсатор! Шматочки фольги, що виглядають назовні - це з'єднувальні контакти нашого конденсатора, через які можна включити його в ланцюг.

Ми отримали найпростіший побутовий конденсатор, при цьому варто відзначити, що чим товстіша і якісніша фольга, тим високовольтнішим він буде. Однак звертаємо вашу увагу зробити в домашніх умовах своїми руками конденсатор, який витримає більше 50 кВ, краще не пробувати. "Професіонали-аматори" радять при бажанні підібратися до цього значення використовувати як діелектрик пакети для ламінування, проте при цьому для їх нагріву вам знадобиться ламінатор.

Вимоги знизити розміри радіодеталей зі збільшенням їх технічні характеристикиспричинило появу великої кількості приладів, які сьогодні використовуються повсюдно. Це повною мірою торкнулося і конденсаторів. Так звані іоністри або суперконденсатори є елементами з великою ємністю (розкид цього показника досить широкий від 0,01 до 30 фарад) з напругою зарядки від 3 до 30 вольт. При цьому їх розміри дуже малі. Оскільки предмет нашої розмови – це іоністр своїми руками, необхідно в першу чергу розібратися з самим елементом, тобто, що він собою представляє.

Конструктивні особливості іоністра

По суті це звичайний конденсатор з великою ємністю. Але іоністри мають великий опір, тому що в основі елемента лежить електроліт. Це перше. Друге – це невелика напруга заряджання. Справа в тому, що в цьому суперконденсаторі обкладки розташовуються дуже близько одна до одної. Саме це і є причиною зниженої напруги, але саме з цієї причини збільшується ємність конденсатора.

Заводські іоністри виготовляються із різних матеріалів. Обкладки зазвичай робляться з фольги, які розмежовують суху речовину сепаруючої дії. Наприклад, активоване вугілля (для великих обкладок), оксиди металів, полімерні речовини, які мають високу електричну провідність.

Збираємо іоністр своїми руками

Складання іоністра своїми руками – справа не найпростіша, але в домашніх умовах її зробити все ж таки можна. Є кілька конструкцій, де присутні різні матеріали. Пропонуємо одну із них. Для цього вам знадобиться:

• металева баночка від кави (50 г);
• активоване вугілля, яке продається в аптеках, його можна замінити потовченими вугільними електродами;
• два кола із мідної пластини;
• вата.

Насамперед необхідно приготувати електроліт. Для цього спочатку треба потовкти активоване вугілля на порошок. Потім зробити сольовий розчин, для чого до 100 г води треба додати 25 г солі, і все це добре перемішати. Далі, в розчин поступово додається порошок активованого вугілля. Його кількість визначає консистенція електроліту, вона має бути щільністю, як замазка.

Після цього готовий електроліт наноситься на мідні кола (на одну зі сторін). Зверніть увагу, що товстіший шар електроліту, тим більша ємність іоністра. І ще один момент, товщина електроліту на двох колах повинна бути однакова. Отже, електроди готові, тепер їх треба розмежувати матеріалом, який пропускав би електричний струмале не пропускав вугільний порошок. Для цього використовується звичайна вата, хоч варіантів і тут чимало. Товщина ватного шару визначає діаметр металевої баночки від кави, тобто вся ця електродна конструкція повинна в неї спокійно поміститися. Звідси, в принципі, і доведеться вибирати розміри самих електродів (мідних кіл).

Залишається лише самі електроди підключити до висновків. Все, іоністр, виготовлений своїми руками, та ще й у домашніх умовах, готовий. У такої конструкції не дуже велика ємність– не вище 0,3 фарад, та й напруга зарядки всього лише один вольт, але це справжнісінький іоністр.

Висновок на тему

Що можна ще доповнити сказати про цей елемент. Якщо його порівнювати, наприклад, з акумулятором нікель-металгідридного типу, то іоністр може спокійно тримати запас електроенергії до 10% від акумуляторної потужності. До того ж спад напруги у нього відбувається лінійно, а не стрибкоподібно. Але рівень зарядки елемента залежить від його технологічного призначення.

Саморобний конденсатор постійної ємності.

Конденсатори можна виготовити самотужки. Найпростіше виготовити конденсатор постійної ємності. Для саморобних конденсаторів ємністю до кількох сотень пікофарадів споживаються алюмінієва або олов'яна фольга, тонкий піщаний або цигарковий папір, парафін або віск (стеарин не годиться). Фольгу можна взяти зі зіпсованих паперових конденсаторів великої ємності або можна використовувати алюмінієву фольгу, в яку загортають шоколад та деякі сорти цукерок. Від пошкоджених конденсаторів можна використовувати папір. Розправте фольгу і виріж із неї дві смужки - обкладки майбутнього конденсатора. Довжина та ширина фольгових смужок визначаються ємністю конденсатора, який треба зробити (розрахунок наводимо нижче). Виріжте ще дві паперові смужки в 2 рази ширші за фольгові. Одна з них повинна бути в 1,5-2 рази довшою за іншу. Розтопіть у баночці парафін, але не доводьте його до кипіння. За допомогою пензлика змастіть гарячим парафіном паперові смужки і точно посередині накладіть фольгові смужки. Складіть обидві пари смужок. Накрийте їх папером і пропрасуйте теплою праскою, щоб смужки краще і щільніше склеїлися. Якщо не виявиться парафіну або воску, смужки можна просочити медичним вазеліном. Візьміть шматочки мідного дроту завтовшки 1-1,5 і завдовжки по 50-60 мм. Загніть їх, а в петлі, що утворилися, вкладіть кінці фольгових смужок, попередньо зчистивши з них парафін, щоб між ними був надійний електричний контакт. Склеєні смужки закатайте в щільний рулончик - готовий конденсатор. Для міцності можна заклеїти в смужку картону, а потім просочити розплавленим парафіном або промазати зовні клеєм БФ-2. Тепер повідомимо розрахункові дані таких конденсаторів. Дві фольгові смужки-обкладки площею, що взаємно перекриваються. по 1 см2, розділені тонким папером письмовим, утворюють конденсатор ємністю близько 20 пф. Якщо взяти, наприклад, фольгові смужки шириною 1 і довжиною 10 см, то конденсатор матиме ємність 200 пф. При смужках тієї ж ширини, але довжиною по 50 ом вийде конденсатор місткістю близько 1000 пф. Конденсатор таТакої ж ємності можна зробити з фольгових смужок шириною 2 і довжиною по 25 см або шириною 2,5 і довжиною по 20 см. Таким чином, щоб знати ємність майбутнього конденсатора в пікофарадах, треба площу обкладок, що взаємно перекриваються, виражену в сантиметрах, помножити на 20 При розрахунку не враховуйте кінці фольгових смужок, до яких приєднуються дротяні висновки, оскільки вони не перекриваються іншими кінцями смуги. Зробивши конденсатор, перевірте, чи замкнуті між собою його обкладки.