Электрическая емкость кабеля


СОДЕРЖАНИЕ:

Ёмкость электрического тока

Ёмкость электрического тока — это способность проводника накапливать в себе заряд электричества. Самых распространённый их вид — это конденсаторы, отличительной чертой которых является способность быстро накапливать, и отдавать заряд. Рассмотрим, на что влияет ёмкость тока и для чего используется.

Общее определение

Под ёмкостью обычно понимается такое понятие, как вместительность. Что это означает? В отношении любого сосуда вместительность подразумевает его способность к наполнению каким-либо веществом — и чем этот показатель выше, тем больше литров (или килограмм) можно поместить в объект.

В отношении электронных компонентов все аналогично: чем больше будет ёмкость конденсатора, тем большую величину заряда он может накопить и впоследствии отдать. И понятие электрической вместимости относится именно к этому типу радиотехнического оборудования.

Определение электроконденсатора

Это электротехническое устройство, основное назначение которого заключается в моментальном накоплении, хранении и передаче электроэнергии. В схемотехнике конденсаторы имеют самое различное целевое назначение. Например:

  1. Применяются для компенсации реактивной мощности, возникающей ввиду индуктивности линий передач электроэнергии. Для этих целей используются очень мощные конструкции, отличающиеся немалыми габаритами.
  2. В схему электрооборудования они включаются для компенсации и выравнивания электрического тока. Они применяются в бытовых и промышленных преобразователях электропитания, передатчиках, цифровых устройствах.

Использование конденсаторов позволяет снизить уровень пульсации напряжения и обеспечивает его фильтрацию, что чрезвычайно важно для высокоточного электронного оборудования. Их применение также позволяет компенсировать просадку электротока, кратковременно возникающую при включении потребителей.

Конструктивно устройство состоит из обкладок, окружённых слоями диэлектрического материала. Основными свойствами электроконденсаторов является их ёмкость и номинальное напряжение. Постараемся разобраться в них поподробнее.

Характеристики ёмкости

Этим значением определяется максимальная величина электрической энергии, которую устройство способно накопить и сохранить. Единицы её измерения — Фарады. В схемотехнике распространены устройства, ёмкость которых исчисляется в микро и пикофарадах. Эта характеристика, по сути, способность конденсатора вместить в себе максимально возможное количество электронов — чем их больше, тем выше окажется его ёмкость.

Рабочее напряжение

Под этим определением скрывается функциональные возможности используемого в конструкции конденсаторного оборудования диэлектрика при определённом диапазоне напряжений. Даже при незначительном превышении номинала возникает высокий риск пробоя диэлектрической прокладки, что приводит к выходу из строя конденсатора. Значению нормального напряжения устройства необходимо уделять особое внимание, так как это этого напрямую зависит его функциональность и работоспособность электрической схемы в целом.

Немного о единице измерения

Как уже было сказано выше, ёмкость конденсаторов принято измерять в Фарадах. Общепринятая единица измерения пришла к нам из кулоновской физики, и напрямую связана с потенциалом проводников. Согласно основным законам электротехники, ёмкость в 1 Фарад характерна для элемента с зарядом в 1 Кулон, при этом разница потенциалов на обкладках должна составлять 1 Вольт. На ёмкостные свойства оборудования оказывает непосредственное влияние общее число электронов, которые оно способно накопить при нормальной работе.

Основные разновидности конденсаторов ёмкости

Для начала стоит разобраться с типами устройств. Итак, конденсаторы бывают:

  1. Постоянной и переменной ёмкости.
  2. Поляризованными. Их часто называют электролитическими или электролитами.
  3. Подстроечными.

Для указания номинала устройство применяются следующие обозначения:

Чрезвычайно важно при выборе устройства не ошибиться в его обозначениях — как напряжения, так и ёмкости. В противном случае это может привести не только к повреждению конденсатора, но и к неработоспособности всей схемы. А при использовании их в системах с высоким напряжением возникает риск поражения электрическим током или возгорания.

По типу изготовления устройства для накопления ёмкости электрического тока разделяются на следующие:

  • бумажные;
  • керамические термоустойчивые литые, дисковые, секционные и трубчатые;
  • малогабаритные подстроечные из керамики;
  • герметизированные металлобумажные в один или несколько слоёв;
  • слюдяные;
  • полистироловые;
  • плёночные.

От их типа напрямую зависит область применения и эксплуатационные свойства.

Порядок включение устройств в схему

При использовании неполяризованных конденсаторов важно только соблюдение их номинала — порядок их установки относительно полюсов значения не имеет.

К поляризованным конденсаторам применяются следующие правила включения в схему:

  1. Параллельное соединение. Выполняется «плюс к плюсу». При таком способе подключения итоговая ёмкость группы будет равняться сумме ёмкостей всех находящихся в батарее элементов.
  2. Последовательное соединение. Такой способ соединения позволяет многократно повысить рабочее напряжение группы. Однако стоит учитывать, что номинальная ёмкость в итоге окажется меньше самого слабого элемента. Для её расчёта следует воспользоваться специальной формулой.

Наибольшее распространение в электротехнике получили электролитические конденсаторы — электролиты. Они успешно используются для производства комплектующих, аудио и видеотехники, прочих цифровых устройств.

Электрическая емкость. Конденсаторы. Емкость конденсатора.

Электрическая емкость. Конденсаторы.

Емкость уединенного проводника.

Уединенным будем называть проводник, размеры которого много меньше расстояний до окружающих тел. Пусть это будет шар радиусом r . Если потенциал на бесконечности принять за 0, то потенциал заряженного уединенного шара равен: , где e — диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Следовательно:

эта величина не зависит ни от заряда, ни от потенциала и определяется только размерами шара (радиусом) и диэлектрической проницаемостью среды. Этот вывод справедлив для проводника любой формы.

Электрической емкостью проводника наз. отношение заряда проводника к его потенциалу: .

Емкость определяется геометрической формой, размерами проводника и свойствами среды (от материала проводника не зависит). Чем больше емкость проводника, тем меньше меняется потенциал при изменении заряда.

Емкость шара в СИ:

Единицы емкости.

Емкостью (фарад) обладает такой проводник, у которого потенциал возрастает на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл.

Емкостью обладал бы уединенный шар, радиус которого был бы равен 13 радиусам Солнца.

Емкость Земли 700 мкФ

Если проводник не уединенный, то потенциалы складываются по правилу суперпозиции и емкость проводника меняется.

1 мкФ=10 -6 Ф

1нФ=10 -9 Ф

1пФ=10 -12 Ф

Конденсаторы (condensare — сгущение) .

Можно создать систему проводников, емкость которой не зависит от окружающих тел. Первые конденсаторы — лейденская банка (Мушенбрук, сер. XVII в.).

Конденсатор представляет собой систему из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники наз. обкладками конденсатора. Если заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из его обкладок.

На рисунке — плоский и сферический конденсаторы. Поле плоского конденсатора почти все сосредоточено внутри (у идеального — все). Усферического — все поле сосредоточено между обкладками.

Электроемкостью конденсатора называют отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между обкладками: .

При подключении конденсатора к батарее аккумуляторов происходит поляризация диэлектрика внутри конденсатора и на обкладках появляютсязаряды — конденсатор заряжается. Электрические поля окружающих тел почти не проникают через металлические обкладки и не влияют на разность потенциалов между ними.

Емкость плоского конденсатора.

, т.о. емкость плоского конденсатора зависит только от его размеров, формы и диэлектрической проницаемости. Для создания конденсатора большой емкости необходимо увеличить площадь пластин и уменьшить толщину слоя диэлектрика.

Емкость сферического конденсатора .

Если зазор между обкладками мал по сравнению с радиусами, то формула переходит в формулу емкости плоского конденсатора.

Виды конденсаторов

При подключении электролитического конденсатора необходимо соблюдать полярность.

Конвертер величин

Электрическая емкость

Электрическая проводимость

Подробнее об электрической емкости

Общие сведения

Электрическая емкость — это величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд, равная отношению электрического заряда к разности потенциалов между проводниками:

Здесь Q — электрический заряд, измеряется в кулонах (Кл), — разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

В системе СИ электроемкость измеряется в фарадах (Ф). Данная единица измерения названа в честь английского физика Майкла Фарадея.

Фарад является очень большой емкостью для изолированного проводника. Так, металлический уединенный шар радиусом в 13 радиусов Солнца имел бы емкость равную 1 фарад. А емкость металлического шара размером с Землю была бы примерно 710 микрофарад (мкФ).

Так как 1 фарад — очень большая емкость, поэтому используются меньшие значения, такие как: микрофарад (мкФ), равный одной миллионной фарада; нанофарад (нФ), равный одной миллиардной; пикофарад (пФ), равный одной триллионной фарада.

В системе СГСЭ основной единицей емкости является сантиметр (см). 1 сантиметр емкости — это электрическая емкость шара с радиусом 1 сантиметр, помещенного в вакуум. СГСЭ — это расширенная система СГС для электродинамики, то есть, система единиц в которой сантиметр, грам, и секунда приняты за базовые единицы для вычисления длины, массы и времени соответственно. В расширенных СГС, включая СГСЭ, некоторые физические константы приняты за единицу, чтобы упростить формулы и облегчить вычисления.

Использование емкости

Конденсаторы — устройства для накопления заряда в электронном оборудовании

Понятие электрической емкости относится не только к проводнику, но и к конденсатору. Конденсатор — система двух проводников, разделенных диэлектриком или вакуумом. В простейшем варианте конструкция конденсатора состоит из двух электродов в виде пластин (обкладок). Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухэлектродный прибор для накопления заряда и энергии электромагнитного поля, в простейшем случае представляет собой два проводника, разделённые каким-либо изолятором. Например, иногда радиолюбители при отсутствии готовых деталей изготавливают подстроечные конденсаторы для своих схем из отрезков проводов разного диаметра, изолированных лаковым покрытием, при этом более тонкий провод наматывается на более толстый. Регулируя число витков, радиолюбители точно настраивают контура аппаратуры на нужную частоту. Примеры изображения конденсаторов на электрических схемах приведены на рисунке.

Историческая справка

Еще 275 лет назад были известны принципы создания конденсаторов. Так, в 1745 г. в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку» — в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки, а обкладками служили вода в сосуде и ладонь экспериментатора, державшая сосуд. Такая «банка» позволяла накапливать заряд порядка микрокулона (мкКл). После того, как ее изобрели, с ней часто проводили эксперименты и публичные представления. Для этого банку сначала заряжали статическим электричеством, натирая ее. После этого один из участников прикасался к банке рукой, и получал небольшой удар током. Известно, что 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, с ужасом вскрикнули.

В Россию «лейденская банка» пришла благодаря русскому царю Петру I, который познакомился с Мушенбруком во время путешествий по Европе, и подробнее узнал об экспериментах с «лейденской банкой». Петр I учредил в России Академию наук, и заказал Мушенбруку разнообразные приборы для Академии наук.

В дальнейшем конденсаторы усовершенствовались и становились меньше, а их емкость — больше. Конденсаторы широко применяются в электронике. Например, конденсатор и катушка индуктивности образуют колебательный контур, который может быть использован для настройки приемника на нужную частоту.

Существует несколько типов конденсаторов, отличающихся постоянной или переменной емкостью и материалом диэлектрика.

Примеры конденсаторов

Промышленность выпускает большое количество типов конденсаторов различного назначения, но главными их характеристиками являются ёмкость и рабочее напряжение.

Типичные значение ёмкости конденсаторов изменяются от единиц пикофарад до сотен микрофарад, исключение составляют ионисторы, которые имеют несколько иной характер формирования ёмкости – за счёт двойного слоя у электродов – в этом они подобны электрохимическим аккумуляторам. Суперконденсаторы на основе нанотрубок имеют чрезвычайно развитую поверхность электродов. У этих типов конденсаторов типичные значения ёмкости составляют десятки фарад, и в некоторых случаях они способны заменить в качестве источников тока традиционные электрохимические аккумуляторы.

Вторым по важности параметром конденсаторов является его рабочее напряжение. Превышение этого параметра может привести к выходу конденсатора из строя, поэтому при построении реальных схем принято применять конденсаторы с удвоенным значением рабочего напряжения.

Для увеличения значений ёмкости или рабочего напряжения используют приём объединения конденсаторов в батареи. При последовательном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение удваивается, а суммарная ёмкость уменьшается в два раза. При параллельном соединении двух однотипных конденсаторов рабочее напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается в два раза.

Третьим по важности параметром конденсаторов является температурный коэффициент изменения ёмкости (ТКЕ). Он даёт представление об изменении ёмкости в условиях изменения температур.

В зависимости от назначения использования, конденсаторы подразделяются на конденсаторы общего назначения, требования к параметрам которых некритичны, и на конденсаторы специального назначения (высоковольтные, прецизионные и с различными ТКЕ).

Маркировка конденсаторов

Подобно резисторам, в зависимости от габаритов изделия, может применяться полная маркировка с указанием номинальной ёмкости, класса отклонения от номинала и рабочего напряжения. Для малогабаритных исполнений конденсаторов применяют кодовую маркировку из трёх или четырёх цифр, смешанную цифро-буквенную маркировку и цветовую маркировку.

Соответствующие таблицы пересчёта маркировок по номиналу, рабочему напряжению и ТКЕ можно найти в Интернете, но самым действенным и практичным методом проверки номинала и исправности элемента реальной схемы остаётся непосредственное измерение параметров выпаянного конденсатора с помощью мультиметра.

Предупреждение: поскольку конденсаторы могут накапливать большой заряд при весьма высоком напряжении, во избежание поражения электрическим током необходимо перед измерением параметров конденсатора разряжать его, закоротив его выводы проводом с высоким сопротивлением внешней изоляции. Лучше всего для этого подходят штатные провода измерительного прибора.


Оксидные конденсаторы: данный тип конденсатора обладает большой удельной емкостью, то есть, емкостью на единицу веса конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторов представляет собой обычно алюминиевую ленту, покрытую слоем оксида алюминия. Второй обкладкой служит электролит. Так как оксидные конденсаторы имеют полярность, то принципиально важно включать такой конденсатор в схему строго в соответствии с полярностью напряжения.

Каждый электрик должен знать:  МОДУЛЯЦИЯ ПЕРЕНОСЧИКОВ ИНФОРМАЦИИ

Твердотельные конденсаторы: в них вместо традиционного электролита в качестве обкладки используется органический полимер, проводящий ток, или полупроводник.

Переменные конденсаторы: емкость может меняться механическим способом, электрическим напряжением или с помощью температуры.

Пленочные конденсаторы: диапазон емкости данного типа конденсаторов составляет примерно от 5 пФ до 100 мкФ.

Имеются и другие типы конденсаторов.

Ионисторы

В наши дни популярность набирают ионисторы. Ионистор (суперконденсатор) — это гибрид конденсатора и химического источника тока, заряд которого накапливается на границе раздела двух сред — электрода и электролита. Начало созданию ионисторов было положено в 1957 году, когда был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем на пористых угольных электродах. Двойной слой, а также пористый материал помогли увеличить емкость такого конденсатора за счет увеличения площади поверхности. В дальнейшем эта технология дополнялась и улучшалась. На рынок ионисторы вышли в начале восьмидесятых годов прошлого века.

С появлением ионисторов появилась возможность использовать их в электрических цепях в качестве источников напряжения. Такие суперконденсаторы имеют долгий срок службы, малый вес, высокие скорости зарядки-разрядки. В перспективе данный вид конденсаторов может заменить обычные аккумуляторы. Основными недостатками ионисторов является меньшая, чем у электрохимических аккумуляторов удельная энергия (энергия на единицу веса), низкое рабочее напряжение и значительный саморазряд.

Ионисторы применяются в автомобилях Формулы-1. В системах рекуперации энергии, при торможении вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в маховике, аккумуляторах или ионисторах для дальнейшего использования.

В бытовой электронике ионисторы применяются для стабилизации основного питания и в качестве резервного источника питания таких приборов как плееры, фонари, в автоматических коммунальных счетчиках и в других устройствах с батарейным питанием и изменяющейся нагрузкой, обеспечивая питание при повышенной нагрузке.

В общественном транспорте применение ионисторов особенно перспективно для троллейбусов, так как становится возможна реализация автономного хода и увеличения маневренности; также ионисторы используются в некоторых автобусах и электромобилях.

Электрические автомобили в настоящем времени выпускают многие компании, например: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Университет Торонто совместно с компанией Toronto Electric разработали полностью канадский электромобиль A2B. В нем используются ионисторы вместе с химическими источниками питания, так называемое гибридное электрическое хранение энергии. Двигатели данного автомобиля питаются от аккумуляторов весом 380 килограмм. Также для подзарядки используются солнечные батареи, установленные на крыше электромобиля.

Емкостные сенсорные экраны

В современных устройствах все чаще применяются сенсорные экраны, которые позволяют управлять устройствами путем прикосновения к панелям с индикаторами или экранам. Сенсорные экраны бывают разных типов: резистивные, емкостные и другие. Они могут реагировать на одно или несколько одновременных касаний. Принцип работы емкостных экранов основывается на том, что предмет большой емкости проводит переменный ток. В данном случае этим предметом является тело человека.

Поверхностно-емкостные экраны

Таким образом, поверхностно-емкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом. В качестве резистивного материала обычно применяется имеющий высокую прозрачность и малое поверхностное сопротивление сплав оксида индия и оксида олова. Электроды, подающие на проводящий слой небольшое переменное напряжение, располагаются по углам экрана. При касании к такому экрану пальцем появляется утечка тока, которая регистрируется в четырех углах датчиками и передается в контроллер, который определяет координаты точки касания.

Преимущество таких экранов заключается в долговечности (около 6,5 лет нажатий с промежутком в одну секунду или порядка 200 млн. нажатий). Они обладают высокой прозрачностью (примерно 90%). Благодаря этим преимуществам, емкостные экраны уже с 2009 года активно начали вытеснять резистивные экраны.

Недостаток емкостных экранов заключается в том, что они плохо работают при отрицательных температурах, есть трудности с использованием таких экранов в перчатках. Если проводящее покрытие расположено на внешней поверхности, то экран является достаточно уязвимым, поэтому емкостные экраны применяются лишь в тех устройствах, которые защищены от непогоды.

Проекционно-емкостные экраны

Помимо поверхностно-емкостных экранов, существуют проекционно-емкостные экраны. Их отличие заключается в том, что на внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод, к которому прикасаются, вместе с телом человека образует конденсатор. Благодаря сетке, можно получить точные координаты касания. Проекционно-емкостный экран реагирует на касания в тонких перчатках.

Проекционно-емкостные экраны также обладают высокой прозрачностью (около 90%). Они долговечны и достаточно прочные, поэтому их широко применяют не только в персональной электронике, но и в автоматах, в том числе установленных на улице.

Автор статьи: Sergey Akishkin, Tatiana Kondratieva

Электрическая ёмкость

Электрическая ёмкость
C

Размерность L -2 M -1 T 4 I 2
Единицы измерения
СИ фарад
СГС сантиметр

Электри́ческая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками [1] .

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид

Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара (или сферы) радиуса R равна (в системе СИ):

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком или вакуумом, — к конденсатору. В этом случае ёмкость (взаимная ёмкость) этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что обкладки одинаковы), d — расстояние между обкладками, εr — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Вычисление электрической ёмкости системы требует решение Уравнения Лапласа ∇ 2 φ = 0 с постоянным потенциалом φ на поверхности проводников. Это тривиально в случаях с высокой симметрией. Нет никакого решения в терминах элементарных функций в более сложных случаях.

В квазидвумерных случаях аналитические функции отображают одну ситуацию на другую, электрическая ёмкость не изменяется при таких отображениях. См. также Отображение Шварца — Кристоффеля.

Электрическая ёмкость простых систем (СГС)

Вид Ёмкость Комментарий
Плоский конденсатор ε S d <\displaystyle <\frac <\varepsilon S>>> S: Площадь
d: Расстояние
Коаксиальный кабель 2 π ε l ln ⁡ ( R 2 / R 1 ) <\displaystyle <\frac <2\pi \varepsilon l><\ln \left(R_<2>/R_<1>\right)>>> l: Длина
R1
: Радиус
R2: Радиус
Две параллельные проволоки [2] π ε l arcosh ⁡ ( d 2 a ) = π ε l ln ⁡ ( d 2 a + d 2 4 a 2 − 1 ) <\displaystyle <\frac <\pi \varepsilon l> <\operatorname \left(<\frac <2a>>\right)>>=<\frac <\pi \varepsilon l><\ln \left(<\frac <2a>>+<\sqrt <<\frac ><4a^<2>>>-1>>\right)>>> a: Радиус
d: Расстояние, d > 2a
Проволока параллельна стене [2] 2 π ε l arcosh ⁡ ( d a ) = 2 π ε l ln ⁡ ( d a + d 2 a 2 − 1 ) <\displaystyle <\frac <2\pi \varepsilon l> <\operatorname \left(<\frac >\right)>>=<\frac <2\pi \varepsilon l><\ln \left(<\frac >+<\sqrt <<\frac >>>-1>>\right)>>> a: Радиус
d: Расстояние, d > a
l: Длина
Две параллельные
компланарные полосы [3]
ε l K ( 1 − k 2 ) K ( k ) <\displaystyle \varepsilon l<\frac >>\right)>>> d: Расстояние
w1, w2: Ширина полос
km: d/(2wm+d)

Два концентрических шара 4 π ε 1 R 1 − 1 R 2 <\displaystyle <\frac <4\pi \varepsilon ><<\frac <1>>>-<\frac <1>>>>>> R1: Радиус
R2: Радиус
Два шара,
тот же самый радиус [4] [5]
2 π ε a ∑ n = 1 ∞ sinh ⁡ ( ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) sinh ⁡ ( n ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) <\displaystyle 2\pi \varepsilon a\sum _^<\infty ><\frac <\sinh \left(\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)><\sinh \left(n\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)>>>
= 2 π ε a < 1 + 1 2 D + 1 4 D 2 + 1 8 D 3 + 1 8 D 4 + 3 32 D 5 + O ( 1 D 6 ) ><\displaystyle =2\pi \varepsilon a\left\<1+<\frac <1><2D>>+<\frac <1><4D^<2>>>+<\frac <1><8D^<3>>>+<\frac <1><8D^<4>>>+<\frac <3><32D^<5>>>+O\left(<\frac <1>>>\right)\right\>>
= 2 π ε a < ln ⁡ 2 + γ − 1 2 ln ⁡ ( d a − 2 ) + O ( d a − 2 ) ><\displaystyle =2\pi \varepsilon a\left\<\ln 2+\gamma -<\frac <1><2>>\ln \left(<\frac >-2\right)+O\left(<\frac >-2\right)\right\>>
a: Радиус
d: Расстояние, d > 2a
D = d/2a
γ: Постоянная Эйлера
Шар вблизи стены [4] 4 π ε a ∑ n = 1 ∞ sinh ⁡ ( ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) sinh ⁡ ( n ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) <\displaystyle 4\pi \varepsilon a\sum _^<\infty ><\frac <\sinh \left(\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)><\sinh \left(n\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)>>> a: Радиус
d: Расстояние, d > a
D = d/a
Шар 4 π ε a

a: Радиус
Круглый диск [6] 8 ε a

a: Радиус
Тонкая прямая проволока,
ограниченная длина [7] [8] [9]
2 π ε l Λ < 1 + 1 Λ ( 1 − ln ⁡ 2 ) + 1 Λ 2 [ 1 + ( 1 − ln ⁡ 2 ) 2 − π 2 12 ] + O ( 1 Λ 3 ) ><\displaystyle <\frac <2\pi \varepsilon l><\Lambda >>\left\<1+<\frac <1><\Lambda >>\left(1-\ln 2\right)+<\frac <1><\Lambda ^<2>>>\left[1+\left(1-\ln 2\right)^<2>—<\frac <\pi ^<2>><12>>\right]+O\left(<\frac <1><\Lambda ^<3>>>\right)\right\>> a: Радиус проволоки
l: Длина
Λ: ln(l/a)

Величина обратная ёмкости называется эластанс (эластичность). Единицей эластичности является дараф (daraf), но он не определён в системе физических единиц измерений СИ [10] .

Проводимость и сопротивление воздушных и кабельных линий

Для того, чтобы произвести расчет электрической сети на потерю напряжения необходимо знать параметры линий, а именно их сопротивления и проводимости. Если производятся расчеты цепей постоянного тока, то вполне достаточно знать только омическое сопротивление линии. А вот при расчете линии переменного тока одного омического сопротивления бывает недостаточно, и помимо активных сопротивлений, необходимо знать еще индуктивные сопротивления и емкостные проводимости проводов и кабелей.

Активное сопротивление проводов и кабелей

Из электротехники известно, что полное сопротивление при равных условиях переменному и постоянному току будут отличаться. Касается это также проводов и кабелей. Это вызвано тем, что переменный ток распределяется по сечению неравномерно (поверхностный эффект). Однако для проводов из цветных металлов и с частотой переменного напряжения 50 Гц этот эффект не оказывает слишком большого влияния и им можно пренебречь. Таким образом, при расчете проводников из цветных металлов, их сопротивления переменному и постоянному току принимаются равными.

На практике активное сопротивление медных и алюминиевых проводников рассчитывают по формуле:

Где: l – длина в км, γ – удельная проводимость материала провода м/ом∙мм 2 , r – активное сопротивление 1 км провода на фазу Ом/км, s – площадь поперечного сечения, мм 2 .

Величина r, как правило, берется из таблиц справочников.

На активное сопротивление провода влияет и температура окружающей среды. Величину r при температуре Θ можно определить по формуле:

Где: α – температурный коэффициент сопротивления; r20 – активное сопротивление при температуре 20 0 С, γ20 – удельная проводимость при температуре в 20 0 С.

Стальные провода обладают значительно большими активными сопротивлениями, чем аналогичные провода из цветных металлов. Его увеличение обусловлено значительно меньшей величиной удельной проводимости и поверхностным эффектом, который у стальных проводов выражен гораздо более ярко, чем у алюминиевых или медных. Более того, в стальных проводах присутствуют потери активной энергии на вихревые токи и перемагничивание, что в схемах замещения линий учитывают дополнительной составляющей активного сопротивления.

Активное сопротивление стальных проводов (в отличии от проводов из цветных металлов) сильно зависит от величины протекаемого тока, поэтому использовать постоянное значение удельной проводимости при расчетах нельзя.

Активное сопротивление стальных проводов в зависимости от протекающего тока аналитически выразить весьма трудно, поэтому для его определения используют специальные таблицы.

Индуктивное сопротивление проводов и кабелей

Для определения индуктивного сопротивления (обозначается Х) кабельной или воздушной линии определенной протяженности в километрах удобно пользоваться выражением:

Где: Х – индуктивное сопротивление одного километра провода или кабеля на фазу, Ом/км.

Х одного километра воздушной или кабельной линии можно определить по формуле:

Где: Dср – расстояние среднее между проводами или центрами жил кабелей, мм; d – диаметр токоведущей жилы кабеля или диаметр провода, мм; μт – относительная магнитная проницаемость материала провода;

Первый член правой части уравнения обусловлен внешним магнитным полем и называется внешним индуктивным сопротивлением Х / . Из этого выражения видно, что Х / зависит только от расстояния между проводами и их диаметра, а так как расстояние между проводами выбирается исходя из номинального напряжения линии, соответственно Х / будет расти с ростом номинального напряжения линии. Х / воздушных линий больше, чем кабельных. Это связано с тем, что токоведущие жилы кабеля располагаются друг к другу значительно ближе, чем провода воздушных линий.

Где: D1:2 расстояние между проводами.

Для одинарной трехфазной линии при расположении проводов по треугольнику:

При горизонтальном или вертикальном расположении проводов трехфазной линии в одной плоскости:

Увеличение сечения проводов линии ведет к незначительному уменьшению Х / .

Второй член уравнения для определения X обусловлен магнитным полем внутри проводника. Он выражает внутреннее индуктивное сопротивление Х // .

Таким образом выражение для Х можно представить в виде:

Для линий из немагнитными материалов μ = 1 внутреннее индуктивное сопротивление Х // по сравнению с внешним Х / составляет ничтожную величину, поэтому им очень часто пренебрегают.

В таком случае формула для определения Х примет вид:

Для практических расчетов индуктивные сопротивления кабелей и проводов определяют по соответствующим таблицам.

В случае приближенных расчетов можно считать для воздушных линий напряжением 6-10 кВ Х = 0,3 – 0,4 Ом/км, а для кабельных Х = 0,08 Ом/км.

Внутренне индуктивное сопротивление стальных проводов сильно отличается от Х // проводов из цветных металлов. Это вызвано тем, что Х // пропорционально магнитной проницаемости μr, которая сильно зависит от величины тока в проводе. Если для проводов из цветных металлов μr = 1, то для стальных проводов μr может достигать величины в 10 3 и даже выше.

Х // для линий прокладываемых стальными проводами пренебрегать нельзя. Как правило, данную величину берут из таблиц, составленных на основе экспериментальных данных.

Сопротивления r и Х // при некоторых значениях тока могут достигать максимальных значений, а затем с увеличением тока уменьшатся. Это явление объясняется магнитным насыщением стали.

Емкостная проводимость линий

Электрические линии, кроме активного и индуктивного сопротивлений, характеризуются и емкостной проводимостью, которая обусловлена емкостью между проводами и между проводам и землей.

Величину рабочей емкости в трехфазной воздушной линии приближенно можно определить по формуле:

Из данной формулы видно, что рабочая емкость будет увеличиваться с увеличением сечения проводов и уменьшением расстояния между ними. Поэтому при равных сечениях токоведущих частей линии низкого напряжения имеют большую рабочую емкость, чем линии высокого напряжения. В следствии небольших расстояний между токоведущими жилами кабеля и большей диэлектрической проницаемости изоляции по сравнению с воздухом рабочая емкость кабельной линии значительно больше, чем емкость воздушной линии.

Емкостная проводимость одноцепной воздушной линии определяется по формуле:

Определение рабочей емкости кабельной линии по формулам, в которые входят диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля, геометрические размеры и другие конструктивные особенности, задача не из легких, поэтому значения рабочей емкости определяют по специальным таблицам, составленным заводом изготовителем для различных марок кабелей, в зависимости от их номинального напряжения.

Емкостной ток вначале линии при холостом ходе (при отключенных электроприемниках) можно определить из формулы:

Где: U – линейное напряжение сети, В; l – длина линии, км;

Емкостные токи имеют серьезное значение в воздушных линиях с рабочим напряжением 110 кВ и выше и в кабельных линиях с напряжением выше 10 кВ. При расчете электрических сетей с напряжениями ниже, чем выше перечисленные, емкость линии могут не учитывать. Емкость токопроводящих частей линии по отношению к земле имеет значение при расчете заземляющих устройств и защиты.

В сети с изолированной нейтралью величину емкостного тока однофазного замыкания на землю приближенно можно определить по формулам:

Электрическая ёмкость

Электрическая ёмкость
C

Размерность L -2 M -1 T 4 I 2
Единицы измерения
СИ фарад
СГС сантиметр

Электри́ческая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками [1] .

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид

Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара (или сферы) радиуса R равна (в системе СИ):

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком или вакуумом, — к конденсатору. В этом случае ёмкость (взаимная ёмкость) этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что обкладки одинаковы), d — расстояние между обкладками, εr — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Содержание

Электрическая ёмкость некоторых систем

Вычисление электрической ёмкости системы требует решение Уравнения Лапласа ∇ 2 φ = 0 с постоянным потенциалом φ на поверхности проводников. Это тривиально в случаях с высокой симметрией. Нет никакого решения в терминах элементарных функций в более сложных случаях.

В квазидвумерных случаях аналитические функции отображают одну ситуацию на другую, электрическая ёмкость не изменяется при таких отображениях. См. также Отображение Шварца—Кристоффеля.

Электрическая ёмкость простых систем (СГС)

Вид Ёмкость Комментарий
Плоский конденсатор ε S 4 π d <\displaystyle <\frac <\varepsilon S><4\pi d>>> S: Площадь
d: Расстояние
Коаксиальный кабель 2 π ε l ln ⁡ ( R 2 / R 1 ) <\displaystyle <\frac <2\pi \varepsilon l><\ln \left(R_<2>/R_<1>\right)>>> l: Длина
R1
: Радиус
R2: Радиус
Две параллельные проволоки [2] π ε l arcosh ⁡ ( d 2 a ) = π ε l ln ⁡ ( d 2 a + d 2 4 a 2 − 1 ) <\displaystyle <\frac <\pi \varepsilon l> <\operatorname \left(<\frac <2a>>\right)>>=<\frac <\pi \varepsilon l><\ln \left(<\frac <2a>>+<\sqrt <<\frac ><4a^<2>>>-1>>\right)>>> a: Радиус
d: Расстояние, d > 2a
Проволока параллельна стене [2] 2 π ε l arcosh ⁡ ( d a ) = 2 π ε l ln ⁡ ( d a + d 2 a 2 − 1 ) <\displaystyle <\frac <2\pi \varepsilon l> <\operatorname \left(<\frac >\right)>>=<\frac <2\pi \varepsilon l><\ln \left(<\frac >+<\sqrt <<\frac >>>-1>>\right)>>> a: Радиус
d: Расстояние, d > a
l: Длина
Две параллельные
копланарные полосы [3]
ε l K ( 1 − k 2 ) K ( k ) <\displaystyle \varepsilon l<\frac >>\right)>>> d: Расстояние
w1, w2: Ширина полос
km: d/(2wm+d)

Два концентрических шара 4 π ε 1 R 1 − 1 R 2 <\displaystyle <\frac <4\pi \varepsilon ><<\frac <1>>>-<\frac <1>>>>>> R1: Радиус
R2: Радиус
Два шара,
тот же самый радиус [4] [5]
2 π ε a ∑ n = 1 ∞ sinh ⁡ ( ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) sinh ⁡ ( n ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) <\displaystyle 2\pi \varepsilon a\sum _^<\infty ><\frac <\sinh \left(\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)><\sinh \left(n\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)>>>
= 2 π ε a < 1 + 1 2 D + 1 4 D 2 + 1 8 D 3 + 1 8 D 4 + 3 32 D 5 + O ( 1 D 6 ) ><\displaystyle =2\pi \varepsilon a\left\<1+<\frac <1><2D>>+<\frac <1><4D^<2>>>+<\frac <1><8D^<3>>>+<\frac <1><8D^<4>>>+<\frac <3><32D^<5>>>+O\left(<\frac <1>>>\right)\right\>>
= 2 π ε a < ln ⁡ 2 + γ − 1 2 ln ⁡ ( d a − 2 ) + O ( d a − 2 ) ><\displaystyle =2\pi \varepsilon a\left\<\ln 2+\gamma -<\frac <1><2>>\ln \left(<\frac >-2\right)+O\left(<\frac >-2\right)\right\>>
a: Радиус
d: Расстояние, d > 2a
D = d/2a
γ: Постоянная Эйлера
Шар вблизи стены [4] 4 π ε a ∑ n = 1 ∞ sinh ⁡ ( ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) sinh ⁡ ( n ln ⁡ ( D + D 2 − 1 ) ) <\displaystyle 4\pi \varepsilon a\sum _^<\infty ><\frac <\sinh \left(\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)><\sinh \left(n\ln \left(D+<\sqrt -1>>\right)\right)>>> a: Радиус
d: Расстояние, d > a
D = d/a
Шар 4 π ε a

a: Радиус
Круглый диск [6] 8 ε a

a: Радиус
Тонкая прямая проволока,
ограниченная длина [7] [8] [9]
2 π ε l Λ < 1 + 1 Λ ( 1 − ln ⁡ 2 ) + 1 Λ 2 [ 1 + ( 1 − ln ⁡ 2 ) 2 − π 2 12 ] + O ( 1 Λ 3 ) ><\displaystyle <\frac <2\pi \varepsilon l><\Lambda >>\left\<1+<\frac <1><\Lambda >>\left(1-\ln 2\right)+<\frac <1><\Lambda ^<2>>>\left[1+\left(1-\ln 2\right)^<2>—<\frac <\pi ^<2>><12>>\right]+O\left(<\frac <1><\Lambda ^<3>>>\right)\right\>> a: Радиус проволоки
l: Длина
Λ: ln(l/a)

Эластанс

Величина обратная ёмкости называется эластанс (эластичность). Единицей эластичности является дараф (daraf), но он не определён в системе физических единиц измерений СИ. [10]

См. также


Примечания

  1. Шакирзянов Ф. Н.Ёмкость электрическая // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 28-29. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  2. 12Jackson, J. D. Classical Electrodynamics. — Wiley, 1975. — P. 80.
  3. Binns. Analysis and computation of electric and magnetic field problems / Binns, Lawrenson. — Pergamon Press, 1973. — ISBN 978-0-08-016638-4.
  4. 12Maxwell, J. C. A Treatise on Electricity and Magnetism. — Dover, 1873. — P. 266 ff. — ISBN 0-486-60637-6.
  5. ↑ Rawlins, A. D. (1985). «Note on the Capacitance of Two Closely Separated Spheres». IMA Journal of Applied Mathematics34 (1): 119–120. DOI:10.1093/imamat/34.1.119.
  6. Jackson, J. D. Classical Electrodynamics. — Wiley, 1975. — P. 128, problem 3.3.
  7. ↑ Maxwell, J. C. (1878). «On the electrical capacity of a long narrow cylinder and of a disk of sensible thickness». Proc. London Math. Soc.IX: 94–101. DOI:10.1112/plms/s1-9.1.94.
  8. ↑ Vainshtein, L. A. (1962). «Static boundary problems for a hollow cylinder of finite length. III Approximate formulas». Zh. Tekh. Fiz.32: 1165–1173.
  9. ↑ Jackson, J. D. (2000). «Charge density on thin straight wire, revisited». Am. J. Phys68 (9): 789–799. DOI:10.1119/1.1302908. Bibcode: 2000AmJPh..68..789J .
  10. ↑Тензорный анализ сетей, 1978, с. 509.

Литература

  • Боргман И. И.,.Электроёмкость // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
  • Савельев И.В. Глава X. Движение заряженных частиц. // Курс общей физики.. — 3. — М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — Т. 2. — С. 87-88. — 496 с. — 220 000 экз.
  • Г. Крон. Тензорный анализ сетей. — Москва: Сов. радио, 1978. — 720 с.

Что такое Wiki.sc Вики является главным информационным ресурсом в интернете. Она открыта для любого пользователя. Вики это библиотека, которая является общественной и многоязычной.

Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License.

Электрическая емкость

Электрическая емкость характеризует способность проводника сохранять электрический заряд в электростатическом поле. Рассмотрим более подробно понятие электрической емкости.

При электризации диэлектрика заряжается только та часть его поверхности, которая подвергалась натиранию или сопри­касалась с другим заряженным телом. Электрический заряд, возбужденный на части поверхности диэлектрика, не может распространиться по всей его поверхности, так как в диэлек­триках все электрические заряды прочно связаны с молеку­лами вещества, лишенными свободы передвижения. Можно, например, зарядить один конец эбонитовой палочки отрица­тельным электричеством, а другой конец — положительным электричеством, и оба этих противоположных по знаку заряда не смогут соединиться друг с другом (Рис. 1).

Рисунок 1. Распределение зарядов в диэлектрике.

Электрические заряды на проводниках ведут себя совер­шенно иначе. Если мы поместим на проводник некоторое ко­личество электронов, они немедленно, отталкиваясь друг от друга, распространятся по всей поверхности проводника, при­чем именно по поверхности, а не по толще проводника.

Если зарядить электричеством проводник удлиненной фор­мы, например металлическую палочку, то наибольшее количе­ство зарядов сосредоточится на ее концах (рис. 2.).

Рисунок 2. Распределение зарядов в проводнике.

При за­ряде металлического шара электрические заряды распределятся по его поверхности равномерно (рис. 3.). Если этот шар будет пустотелым, то это нисколько не повлияет на распреде­ление зарядов; они также равномерно «расселятся» по наруж­ной поверхности шара, так как каждый из них будет стре­миться уйти подальше от своих одноименных соседей — заря­дов. Это в равной степени относится как к отрицательным зарядам, так и к положительным.

Рисунок 3. Распределение зарядов на прверхности металлического шара.

Свободные электрические заряды, помещенные в каком-либо месте на проводнике, расходятся по его поверхности по­добно воде, растекающейся, например, по дну какого-либо со­суда. Подобно тому, как вода будет растекаться по дну сосуда до тех пор, пока уровень ее не сделается всюду одинако­вым, так и электрические заряды будут «растекаться» по поверхности проводника до тех пор, пока электрический по­тенциал всех точек поверхности не станет одинаковым. Прак­тически этот процесс происходит мгновенно.

Легко сообразить, что потенциал положительно заряжен­ного проводника будет тем выше, чем больше заряд, сообщен­ный проводнику. Это видно хотя бы из такого рассуждения. Представим себе, что мы заряжаем положительным электри­чеством какой-либо уединенный металлический предмет (про­водник), перенося на его поверхность один за другим отдель­ные электрические заряды. По мере накопления на нем элек­тричества на перенесение новых зарядов придется затрачивать все больше и больше работы, так как при переносе каждого следующего заряда нам придется преодолевать силы отталки­вания, действующие со стороны всех предыдущих зарядов, помещенных ранее на проводник. А так как потенциал про­водника характеризуется работой, затраченной на перенесение единичного положительного заряда из бесконечно удаленной точки в какую-либо точку проводника, то с увеличением поло­жительного заряда проводника потенциал его будет повышать­ся (ясно, что потенциал проводника, заряженного отрицатель­ным зарядом, будет отрицателен и с увеличением заряда бу­дет понижаться).

Количественная связь между величиной заряда проводника и его потенциалом очень проста: потенциал проводника прямо пропорционален величине его заряда, т. е. при увеличении за­ряда проводника, например, вдвое потенциал его повышается также вдвое.

Однако, соотношение между зарядом и потенциалом раз­лично для разных проводников. Например, один проводник достаточно зарядить количеством электричества в одну милли­ардную долю кулона, чтобы довести его потенциал до одного вольта, а другому проводнику для этого потребуется заряд, например, в одну стомиллионную долю кулона. Следователь­но, для разных проводников нужны разные количества элек­тричества, чтобы довести их заряд до одного и того же «элек­трического уровня». Поэтому принято считать, что различные проводники обладают различной электрической емкостью.

Электрическая емкость проводника зависит, прежде всего, от его разме­ров, — чем больше размеры проводника, тем больше его ем­кость. Емкость проводника зависит и от других причин, о ко­торых мы еще будем говорить. За единицу электрической ем­кости принимают емкость такого проводника, которому надо сообщить заряд, равный единице количества электричества — одному кулону, чтобы потенциал его повысился также на одну единицу, т. е. на 1 вольт.

Поскольку мы сравнивали электрический потенциал с уров­нем жидкости в сосуде, можно попытаться и далее искать аналогию между емкостью проводника и свойствами сосуда.

Однако, электрическую емкость нельзя отождествлять с ем­костью (вместимостью) сосуда. Действительно, емкость сосу­да указывает, какое наибольшее количество жидкости он мо­жет вместить, между тем как электрическая емкость провод­ника ничего не говорит о том, какое количество электриче­ства может «вместить» проводник. Всякий проводник принци­пиально может вместить любое количество электричества, только с увеличением количества электричества будет повы­шаться потенциал (электрический уровень) проводника и по­вышаться тем быстрее, чем меньше емкость проводника.

Поэтому электрическую емкость проводника можно было бы сравнить с площадью дна сосуда (мы считаем, что сосуд имеет вертикальные стенки) Действительно, чем больше пло­щадь дна сосуда, тем больше нужно налить в него жидкости для того, чтобы она достигла определенного уровня (рис. 4.).

Рисунок 4. Отличие электрической емкости от обычного понятия емкости.

Итак, электрическая емкость уединенного проводника определяется как отношение количества электричества, сообщенного проводнику, к потенциалу, который при этом приобретает проводник, т. е.

C=Q/U

Если Q выражено в кулонах, а U в вольтах, то единица электрической емкости С получится в фарадах (обозначение Ф.).

Фарада представляет собой слишком крупную величину, никогда не встречающуюся на практике. Поэтому для измере­ния емкости приняты более мелкие единицы — микрофарада (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ).

Микрофарада составляет одну миллионную долю фарады, нанофарада одну тысячную микрофарады, а пикофарада — одну миллионную долю микрофарады (или одну тысячную долю нанофарады).

1 мкф = 10 -6 Ф;

1 нф = 10 -9 Ф;

1 пф =10 -12 Ф.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Распределительные кабели

Распределительные кабели TPK и ТРВКШ применяют для прокладки на распределительных сетях и для зарядки боксов, кабельных ящиков, распределительных коробок и защитных полос.

Кабель TPK (телефонный распределительный кабель) выпускают емкостью 5, 10, 20, 30, 50, 80 и 100 пар. Диаметр медных жил 0,5 мм. По конструкции этот кабель отличается от кабеля ТГ тем, что в качестве изоляции жил применена вместо бумаги эмаль и хлопчатобумажная пряжа. Скрутка парная, оболочка свинцовая.

Кабель ТРВКШ шланговый имеет оболочку из полихлорвинилового пластиката. Выпускают емкостью 5, 10, 20 и 30 пар. Диаметр медных жил 0,5 мм. Каждая жила кабеля покрыта слоем эмали и слоем полихлорвинила. Скрутка парная. Общая скрутка жил кабеля обмотана голой медной проволокой и металлизированной бумагой, которые служат экраном, и используется при электрических измерениях.

Емкость, наружный и внутренний диаметры и строительная длина кабелей марки ТРВКШ приведены в табл. 5.

Таблица 5 Емкость, наружный и внутренний диаметры и строительная длина кабелей марки ТРВКШ

электрический кабель

Изобретение относится к одной из отраслей электротехнической промышленности — кабельной технике, более конкретно к электрическим кабелям для систем сигнализации, управления, передачи и обработки данных. Кабель содержит, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих, изолированных жил и оболочку. В качестве электроизоляционного материала применен или галогеносодержащий полимер — поливинилхлорид, или безгалогенный материал на основе полиолефинов — полиэтилена, или его сополимера, или пропилена. При этом толщина изоляции выбрана из условия шаг скрутки жил определен исходя из соотношения h=25(2 +d), где d — диаметр токопроводящих жил; r — относительная диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала. При осуществлении изобретения был получен технический результат: при увеличении диаметра токопроводящих жил уменьшение емкости пары кабеля (при сохранении других его характеристик на требуемом уровне), что, в свою очередь, приводит к возможности увеличить емкостную рабочую нагрузку на пару кабеля. Табл.1, 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2256969

Изобретение относится к одной из отраслей электрической промышленности — кабельной технике, более конкретно к электрическим кабелям для систем сигнализации, управления, передачи и обработки данных (связи). Указанные кабели применяются в сетях, где для организации линий (шлейфов) различной протяженности требуются кабели с различным диаметром токопроводящих жил. К таким сетям, в частности, относится охранно-пожарная сеть.

Известны выпускаемые отечественной промышленностью электрические кабели для систем сигнализации, содержащие, по крайней мере, одну пару скрученных между собой жил, изолированных электроизоляционным полимерным галогеносодержащим материалом — поливинилхлоридом, и оболочку.

Выпускаются указанные кабели в соответствии с ТУ 3581-02-472731-99 “Кабели парной скрутки для систем пожарной сигнализации”.

Как следует из указанных ТУ “кабели по настоящим техническим условиям, по техническим параметрам и эксплуатационным характеристикам аналогичны кабелям по немецкому стандарту DIN VDE 0815”.

Из указанного немецкого стандарта (ввод в действие с 01.09.85) известны электрические кабели, содержащие, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих жил, изолированных электроизоляционным полимерным материалом — поливинилхлоридом или безгалогенным (галагеннонесодержащим) материалом, и оболочку.

Стандартом предусмотрено использование токопроводящих жил с диаметром 0,6 мм и 0,8 мм, изоляционного слоя с номинальной толщиной 0,2 мм и 0,4 мм, соответственно шаг скрутки изолированных жил, установленный стандартом, равен 50 мм.

Номинальная величина электрической емкости пары с изоляцией из поливинилхлорида должна быть не более 100 нФ/км, а для пары с изоляцией из безгалогенного материала — не более 120 нФ/км. Эти кабели являются наиболее близким (по совокупности существенных признаков) аналогом для рассматриваемого изобретения.

Важными электрическими параметрами рассматриваемых кабелей, с точки зрения их использования в указанных сетях, являются электрическое сопротивление токопроводящей жилы и рабочая емкость пары. Электрическое сопротивление токопроводящей жилы зависит от ее диаметра (сечения). При увеличении длины рабочей цепи требуется снижение электрического сопротивления токопроводящих жил, что достигается увеличением их диаметра (сечения). Однако увеличение диаметра токопроводящих жил приведет к увеличению электрической емкости пары в кабеле выше допустимой величины. В известной конструкции кабеля не предусмотрены действия, направленные на стабилизацию электрической емкости пары скрученных жил при переходе от одного их диаметра к другому. А наибольшая величина указанной емкости ограничена, в том числе, и указанным стандартом. И это объясняется следующим.

Рассматриваемые кабели используются в виде шлейфа, к которому подключаются датчики (например, пожарные извещатели) и исполнительные устройства (например, средства пожаротушения). Каждый датчик и устройство, число которых может быть порядка 100-130, вносят в общую электрическую цепь свою емкость. Считается, что эффективная нагрузка цепи достигается, когда собственная электрическая емкость кабеля не превышает 100-120 нФ/км.

Изобретение направлено на решение задачи — создание электрического кабеля с электрическими характеристиками при любом диаметре токопроводящих жил, удовлетворяющих потребителя. При осуществлении изобретения был получен технический результат — при любом диаметре токопроводящих жил, изолированных поливинилхлоридом или безгалогенным материалом, емкость пары кабеля не превышает допустимую величину (100-120 нФ/км); при этом другие электрические характеристики остались на уровне эксплуатационной надежности. Все это, в конечном итоге, приводит к возможности увеличить емкостную нагрузку на пару кабеля.

Известно, что электрическая емкость любого участка изоляции с электродами, в том числе и кабеля (в котором жилы являются обкладками конденсатора, а изоляционный материал — его диэлектриком) зависит как от геометрических размеров его элементов, так и от вида электроизоляционного материала, образующего диэлектрик.

В рассматриваемом случае электроизоляционный материал выбран так же, как и в прототипе, исходя из условий эксплуатации кабеля и должен обладать определенными электрическими и физическими характеристиками. В связи с этим регулировать емкость пар кабеля при изменении диаметра токопроводящих жил выбором электроизоляционного материала не представляется возможным.

В качестве электроизоляционного материала выбран, как и в прототипе, галагеносодержащий полимер — поливинилхлорид или безгалогенный материал (в прототипе он дан на функциональном уровне). Несмотря на то, что содержание хлора в поливинилхлориде — 56,8% считается, что с физиологической точки зрения он совершенно безвреден. Вредное действие оказывают продукты его разложения: хлорорганические соединения, HCl, СО и др. При горении поливинилхлорида выделяется большое количество тепла, образуется густой плотный дым. Поливинилхлорид и в настоящее время находит широкое применение как в отечественной, так и в зарубежной кабельной технике и ведутся большие работы по улучшению его эксплуатационных характеристик, однако вопрос о его замене безгалогенными полимерными материалами является чрезвычайно актуальным. Это объясняется тем, что у этих материалов относительно низкое выделение дыма, они не выделяют коррозионно-активные летучие продукты в условиях горения.

В типичном случае безгалогенный полимерный электроизоляционный материал представляет собой полимерную основу (чаще всего гомополимер или сополимер олифинового ряда, эластомер или их композиция), наполненную мелкодисперсионным гидратом алюминия или магния и содержащую некоторые функциональные добавки. Большое содержание гидратов металлов (50-60%) позволяет снизить количество горючих газов, выделяющихся при термическом разложении материала.

Именно поэтому не только поливинилхлорид, но и безгалогенный материал, полимерной основой которого является или полиэтилен, или его сополимер, или пропилен, был использован при конструировании кабелей в соответствии с изобретением.

К свойствам рассматриваемого кабеля, которые представляют особый интерес при его использовании, в первую очередь, относятся электрическая прочность изоляции, пробивное напряжение и емкость пар. Геометрические параметры элементов кабеля в той или иной степени влияют на все указанные характеристики. Поэтому решить поставленную задачу с получением технического результата одним уменьшением (или увеличением) геометрического параметра того или иного элемента кабеля не представляется возможным. В связи с этим при конструировании кабеля необходимо было выявить взаимосвязь между геометрическими параметрами элементов кабеля (диаметра токопроводящих жил, толщины изоляции, шага скрутки жил в пары), которые позволили бы получить емкость пар, не превышающую допустимого значения, сохранив при этом другие характеристики на уровне эксплуатационной надежности.

Указанной взаимосвязью была выявлена следующая совокупность существенных признаков, обеспечивающая достижение указанного технического результата и выражающая сущность изобретения.

Электрический кабель содержит, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих жил, изолированных поливинилхлоридом или безгалогенным материалом на полимерной основе, и оболочку. При этом полимерной основой является или полиэтилен, или его сополимер, или пропилен, толщина изоляции определена из условия ,

а шаг скрутки изолированных токопроводящих жил выбран исходя из соотношения h=25(2 +d),

где d — диаметр токопроводящих жил,

r — относительная диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала, при этом r для поливинилхлорида — 3,4÷3,6, а r для безгалогенных полимерных материалов на основе пропилена или сополимера этилена с пропиленом находится в интервале 3,7÷3,9, те же величины r приводятся для безгалогенного полимерного материала на основе этилена с винилацетатом. Из приведенных данных видно, что значения r для всех этих материалов отличаются незначительно (в пределах 3,4÷3,9).

Сополимеры этилена имеют такие же электроизоляционные свойства, как полиэтилен, их получают с целью модификации свойств последнего. Поэтому теоретически можно сделать вывод, что любой сополимер этилена, не содержащий галогенов, может быть использован в качестве безгалогенного электроизоляционного материала.

В приведенной совокупности существенных признаков для характеристики признака — изоляция токопроводящих жил использованы альтернативные понятия — поливинилхлорид или безгалогенный полимерный материал. Это объясняется следующим. Общего понятия, которое охватывает эти электроизоляционные материалы, использовать нельзя, так как в него входят другие материалы, которые не могут быть использованы в данном случае. И тот, и другой материал позволяют получить (в совокупности с выявленной взаимосвязью между геометрическими параметрами кабеля) один и тот же указанный выше технический результат.

Что касается альтернативных понятий при описании полимерной основы безгалогенного материала, то здесь ситуация несколько иная. Общее понятие есть — полиолефины, но при разработке конструкции рассматриваемого кабеля были использованы те, которые позволили получить указанный выше технический результат.

Материал для оболочки кабеля может быть различным. Это и поливинилхлорид и другие полимеры, и безгалогенные полимерные материалы, и в некоторых случаях — металлы. Все определяются условиями эксплуатации кабеля. Однако материал для оболочки не влияет на достижение рассматриваемого технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 и 2 показаны поперечное и продольное сечения однопарного кабеля.

Кабель содержит токопроводящую жилу 1, изоляцию токопроводящей жилы 2 и защитную оболочку 3. Под защитной оболочкой может располагаться экран в виде ламинированной алюминиевой фольги или оплетки из медных проволок. На данном чертеже экран не показан, поскольку его наличие (или отсутствие) не меняют сути заявляемого изобретения. На фиг.1 даны обозначения толщины изоляции и диаметра токопроводящей жилы d. На фиг.2 показан шаг скрутки пары h.

Как уже отмечалось, решить поставленную задачу с получением технического результата не представляется возможным одним уменьшением (или увеличением) геометрического параметра того или иного элемента кабеля, так как каждый из указанных параметров в той или иной степени влияет на все его основные эксплуатационные характеристики. Так, например, емкость пары кабеля можно уменьшить путем увеличения толщины изоляции — , однако это одновременно приведет к уменьшению электрической прочности изоляции — напряженности электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке изоляции происходит пробой. В то же время пробивное напряжение изоляции увеличивается с увеличением ее толщины.

Рассматриваемое изобретение относится к кабелю, в котором пара образована скрученными между собой изолированными токопроводящими жилами. При этом чем меньше шаг скрутки — h, тем выше помехозащищенность кабеля (что особенно важно для кабеля связи), однако больше его емкость.

Из всего этого следует, что решить поставленную задачу можно только путем нахождения взаимосвязи между геометрическими параметрами всех тех элементов кабеля, которые влияют на его эксплуатационные характеристики.

Именно это и подтверждает все данные, полученные при конструировании кабеля и изложенные далее.

Примеры однопарного кабеля из поливинилхлорида и безгалогенного материала приведены в таблице 1. Из указанной таблицы видно, что при увеличении диаметра токопроводящей жилы. Толщина изоляции и шаг скрутки растут, и можно предположить, что емкость пары должна уменьшиться, однако она с ростом диаметра увеличивается, но остается в допустимых пределах. Это объясняется следующим: при конструировании кабеля, нормативными документами зафиксированы значения диаметров жил, а увеличение диаметра вызывает значительный рост емкости кабеля.

Предлагаемые соотношения позволяют уменьшить указанный рост, сохранив ее величину в пределах необходимых норм. На фиг.3 показана зависимость погонной емкости кабеля от изменения диаметра жил: 1 — для кабеля с изоляцией из безгалогенного материала на основе полипропилена ( r =3,9); 2 — для кабеля с изоляцией из безгалогенного материала на основе полиэтилена ( r =3,7); 3 — для кабелей с изоляцией из поливинилхлорида.

Взаимосвязь двух параметров — толщина изоляции и шага скрутки изолированных жил h — поясняется графически на фиг.4, где представлено изменение погонной емкости однопарного кабеля с жилами диаметром 0,8 мм. Кривая 1 представляет график зависимости погонной емкости кабеля от толщины изоляции при постоянном шаге скрутки пары 35 мм. Кривая 2 представляет график зависимости погонной емкости кабеля от шага скрутки пары при постоянной толщине изоляции 0,45 мм. Эти две кривые имеют точку пересечения, которая указывает на существование минимального значения погонной емкости кабеля при соотношении минимальной толщины изоляции 0,45 мм и минимальном шаге скрутки пары 35 мм. Такие же зависимости могут быть построены для других значений диаметров жилы, что наглядно иллюстрирует взаимосвязь приводимых заявителем параметров.

Классы МПК: H01B7/02 расположение изоляции
H01B13/02 скрутка
Автор(ы): Лобанов А.В. (RU)
Патентообладатель(и): Лобанов Андрей Васильевич (RU)
Приоритеты:
Таблица 1
Диаметр токопроводящ. жилы d, мм Толщина изоляции , в соответствии с изобретением, мм Шаг скрутки пары h, в соответствии с изобретением, мм Погонная емкость пары в соответствии с изобретением,нФ/км
ПВХ БМ ПВХ БМ ПВХ БМ
0,6 0,39-0,40 0,41-0,42 35 36 74-76 78-82
0,8 0,45-0,46 0,47-0,48 43 44 80-84 85-88
0,97 0,49-0,50 0,51-0,52 49 50 85-88 91-94
1,13 0,53-0,54 0,56-0,57 55 57 88-91 93-97
1,38 0,59-0,61 0,62-0,63 64 66 94-98 100-104
1,76 0,66-0,68 0,70-0,71 77 80 103-106 108-113
ПВХ — поливинилхлорид.
БМ — безгалогенный материал.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электрический кабель, содержащий, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих жил, изолированных поливинилхлоридом или безгалогенным материалом на полимерной основе, отличающийся тем, что полимерной основой является или полиэтилен, или его сополимер, или пропилен, толщина изоляции определена из условия

шаг скрутки изолированных токопроводящих жил выбран исходя из соотношения h=25(2 +d), где d — диаметр токопроводящих жил; r — относительная диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала.

Электрическая емкость. Конденсаторы

Электрическая емкость – это мера способности тел накапливать заряды.

Емкость одиночного проводника определяется как отношение заряда, накопленного на проводнике, к потенциалу этого проводника, при условии удаления проводника на значительное (бесконечное) расстояние от других тел. (При этом потенциал поля на бесконечности принимается за ноль)
C = Q φ C=\frac <\varphi>C = φ Q ​

Конденсатор – техническое устройство, состоящее из двух проводников, в котором поле, возникающее при заряде проводников равными разноименными зарядами, оказывается практически полностью сосредоточено внутри этого устройства.

Так конденсатор изображается на схеме:

Пластины конденсатора, входящего в электрическую цепь, всегда имеют равный по величине и противоположный по знаку заряд.

Проводники, образующие пару, называются обкладками конденсатора.

Существуют конструкции конденсаторов, состоящие из нескольких пар обкладок.

Емкость конденсатора определяется как отношение заряда конденсатора к разности потенциалов (напряжению) между обкладками C = q U C=\frac C = U q ​

Единицей измерения ёмкости в системе СИ является фарад (Ф). 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между его обкладками напряжение 1 вольт.

Добавить комментарий