Характеристики витой пары. Электрическая емкость пары

Характеристики витой пары

Способы передачи по витым парам

Существует два способа передачи сигналов по витым парам: несбалансированная передача (несимметричные цепи) и балансная передача (симметричные цепи).

Кабели на основе медных витых пар, применяемые в СКС, позволяют строить как симметричные, так и несимметричные цепи.

Все виды ЛВС используют балансную передачу сигналов по витым парам. Несимметричные цепи применяются для построения систем пожарных и охранных сигнализаций и для передачи постоянных питающих напряжений, например, от УАТС к телефонам на рабочих местах.

При несбалансированной передаче используется несимметричная цепь, то есть один из проводников заземляется с одной или с двух сторон.

Сигналы передаются по остальным проводникам и изменяются относительно земли.

По своей природе несимметричные цепи очень чувствительны к внешнему электромагнитному излучению (ЭМИ).

На рисунке видно, что на входе приемника на сигнальном проводнике присутствует сумма напряжений сигнала Uc и наводок UH от внешнего ЭМИ.

Несимметричная сеть

Токи наводок на заземляющем проводнике стекают на землю, поэтому на нем UН равно нулю.

С другой стороны, сигнальный провод является источником излучения электромагнитной энергии во внешнее пространство.

Это приводит к значительному затуханию сигнала в процессе его распространения.

Некоторое улучшение характеристик несимметричных цепей достигается в случае использования общего заземленного экрана, однако такое решение существенно повышает стоимость и трудоемкость монтажа кабельной системы.

Еще одним недостатком несимметричных цепей является отсутствие гальванической развязки передатчика и приемника.

При неисправностях в системе заземления или в защитной изоляции сетевого оборудования высокое напряжение от систем электропитания может попасть как на заземляющий, так и на сигнальный провод, что часто сопровождается выходом из строя приемопередающих устройств на одном или обоих концах линии связи.

Достоинством несимметричных цепей является то, что для передачи N сигналов требуется только N+1 проводников (N сигнальных плюс один общий заземляющий).

Несимметричные цепи применяют для передачи низкочастотных сигналов на короткие расстояния.

Широко известным ее примером является интерфейс RS-232 (V.24).

Схема симметричной цепи, в которой используется балансный принцип передачи информации, изображена на рисунке.

Симметричная сеть

В симметричных цепях приемник и передатчик гальванически развязаны друг от друга согласующими трансформаторами.

Во вторичные обмотки передается только разность потенциалов на первичной обмотке. Из рисунка выше видно, что токи наводки в полностью симметричной цепи приводят к противофазному изменению напряжения UН на первичной обмотке трансформатора приемника, так что результирующий мешающий сигнал не передается во вторичную обмотку.

Поэтому, в отличие от несимметричных, симметричные цепи значительно более устойчивы к внешним мешающим влияниям.

Соответственно ЭМИ проводников имеет равные по величине и противоположные по направлениям векторы электромагнитного поля ввиду противоположного направления токов в них. Поэтому в идеальной симметричной цепи суммарные векторы напряженности излучаемого электромагнитной поля равны нулю и излучаемое ЭМИ отсутствует.

Симметричные цепи позволяют передавать значительно более широкополосные сигналы, по сравнению с несимметричными, и поэтому широко используются для построения СКС.

Основными недостатками симметричных цепей с балансной передачей являются, во-первых, необходимость использования для приема и передачи N сигналов 2xN проводников (на каждый сигнал 2 провода) и, во-вторых, невозможность передачи постоянной составляющей сигнала.

Первичные электрические параметры витой пары

Электрические свойства витой пары, как и любой другой направляющей системы электромагнитных колебаний, полностью характеризуются ее первичными параметрами: сопротивлением R и индуктивностью L проводников, а также емкостью С и проводимостью G изоляции.

Эти параметры (R и G) обусловливают потери энергии: первый - тепловые потери в проводе и экране (при его наличии), второй - потери в изоляции.

Параметры L и С определяют рективность витой пары как направляющей системы и, следовательно, ее частотные свойства.

Конкретные значения первичных параметров зависят от конструкции кабеля и, в частности, от геометрии отдельных его компонентов, их взаимного расположения, материала проводников, изоляции и внешних покровов и т.д.

Емкость

Конструктивно витая пара представляет собой два проводника, отделенных друг от друга слоем твердой изоляции и воздушным промежутком.

Такая структура может рассматриваться как конденсатор, где роль обкладок играют проводники, а функции диэлектрика выполняют расположенные между ними изоляционный материал и воздух, и обладает заметной емкостью, величина которой линейно возрастает по мере увеличения длины.

Электрическая емкость между проводниками витой пары ограничивает ширину полосы пропускания кабеля и приводит к искажениям высокочастотной части спектра передаваемого сигнала.

Емкость не зависит от частоты.

Однако из-за особенностей методов, применяемых в процессе ее определения, при указании величины емкости часто указывается значение частоты сигнала, на которой проводятся измерения.

По стандарту TIA/EIA-568-A для кабелей категории 3 на длине 100 м емкость не должна превышать 6,6 нФ, а для кабелей категорий 4 и 5 - 5,6 нФ.

Некоторые фирмы выпускают по своим собственным ТУ кабели с существенно меньшей емкостью.

Активное сопротивление

Активное сопротивление зависит от материала провода, его длины и сечения, а также от температуры.

Проводники витых пар, применяемых в СКС, изготавливаются из меди, обладающей низким удельным сопротивлением.

Чем меньше сечение провода, чем больше его длина и чем выше температура, тем выше активное сопротивление и соответственно затухание витой пары.

Согласно требованиям стандарта TIA/ EIA-568-A при температуре 20°С сопротивление постоянному току любого проводника витой пары длиной 100 м не должно превышать 9,38 Ом.

С увеличением частоты сигнала активное сопротивление провода возрастает.

Это вызвано тем, что, во-первых, в результате поверхностного эффекта происходит вытеснение тока к поверхности проводника и, во-вторых, ток протекает в основном по поверхности, обращенной ко второму проводнику (эффект близости).

Оба эти эффекта приводят к уменьшению эффективного сечения проводника и, в конечном итоге, к увеличению сопротивления.

Для минимизации вредного влияния этих эффектов в горизонтальных и магистральных кабелях проводники витых пар выполняются в виде монолитного провода, а не скрученными из нескольких тонких проводов.

Применение проводников из нескольких тонких проводов возможно только в соединительных шнурах, где требуется в первую очередь высокая гибкость и устойчивость к многократным изгибам, а повышенное затухание сказывается не столь сильно из-за небольшой общей длины.

Индуктивность

Витая пара состоит из двух изолированных проводников, каждый из которых при протекании через него тока накапливает энергию, то есть обладает свойством индуктивности.

По мере увеличения частоты за счет поверхностного эффекта происходит уменьшение индуктивности.

Проводимость изоляции

Результирующая проводимость изоляции витой пары может быть записана в виде суммы двух составляющих: G = Go + Gf, где G0 учитывает токи утечки, связанные с несовершенством диэлектрика, a Gf учитывает затраты энергии на диэлектрическую поляризацию.

Под поляризацией понимают переориентацию под действием электромагнитного поля связанных диполей, имеющихся в диэлектрике.

Переменное электромагнитное поле вызывает вибрацию диполей, которая риводит к повышению температуры диэлектрика.

Нагрев диэлектрика, в свою очередь, облегчает вибрацию и повышает проводимость, что сопровождается ростом затухания сигнала.

Особенно много диполей, образованных атомами хлора, содержится в поливинилхлориде, который является типовым изоляционным материалом для кабелей.

Вторичные параметры кабелей на основе витой пары

Вторичные параметры витой пары рассчитываются на основе первичных или, что значительно чаще, определяются экспериментально.

Вторичные параметры нормируются в технических условиях на витую пару и позволяют простыми средствами выполнить инженерный расчет линий связи, построенных на основе симметричного кабеля, и оценить их пригодность для передачи сигналов тех или иных приложений.

Волновое сопротивление

Волновое сопротивление, или импеданс, - это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль любой однородной (то есть без отражений) направляющей системы, в том числе и витой пары.

Оно свойственно данному типу кабеля и зависит только от его первичных параметров и частоты.

Волновое сопротивление связано с первичными параметрами следующим простым соотношением:

Z=√((R+jωL)/(G+jωC))

Волновое сопротивление численно равно входному сопротивлению линии бесконечной длины, которая имеет оконечную нагрузку, равную ее собственному волновому сопротивлению. Оно измеряется в омах и определяет количественное соотношение между электрической и магнитной составляющей электромагнитной волны. В общем случае волновое сопротивление является комплексной величиной, его модуль падает по мере роста частоты и на высоких частотах стремится к фиксированному активному сопротивлению:

Z∞=limω→∞√((R+jωL)/(G+jωC)) = √(L/C)

Кабели на витых парах на звуковых частотах, то есть при передаче телефонных сигналов, имеют сопротивление около 600 Ом, по мере увеличения частоты оно быстро падает и на частотах свыше 1 МГц вплоть до верхней граничной частоты конкретного кабеля не должно отличаться от 100 Ом более чем на + 15%.

Частотная зависимость первичных параметров электрического кабеля

Затухание

При распространении по витой паре электромагнитный сигнал постепенно теряет свою энергию.

Этот эффект называется ослаблением, или затуханием.

Затухание принято оценивать в децибелах как разность между уровнями сигналов на выходе передатчика и входе приемника.

Один децибел соответствует изменению мощности в 1,26 раза или напряжения в 1,12 раза.

Принято различать собственное и рабочее затухание кабеля.

Под собственным затуханием кабеля понимается затухание при работе в идеальных условиях.

В обобщенном виде его величину теоретически можно определить как реальную часть так называемого коэффициента распространения γ, который связан с первичными параметрами следующим простым соотношением:

γ=√((R+jωL)(G+jωC))

Экспериментально собственное затухание кабеля можно определить как разность уровней входного и выходного сигналов в том случае, если сопротивление источника сигнала и нагрузки равны между собой и волновому сопротивлению кабеля.

В процессе реальной эксплуатации это условие выполняется не во всех случаях, что обычно сопровождается увеличением затухания.

Такое затухание называется рабочим.

Из изложенного следует важный практический вывод о том, что для минимизации рабочего затухания и его приближения к собственному сопротивление источника сигнала и нагрузка должны быть равны волновому сопротивлению, то есть, по терминологии электротехники, должна быть обеспечена согласованная нагрузка как источника сигнала, так и самого кабеля.

Из формулы выше следует, что затухание является частотнозависимой величиной и, как все входящие в него параметры, зависит от длины кабеля.

Результаты анализа формулы показывают, что затухание связано с длиной витой пары линейной зависимостью на всех частотах.

Для упрощения выполнения инженерных расчетов удобно пользоваться параметром коэффициента затухания или погонного затухания α, который численно равен затуханию кабеля фиксированной длины (применительно к кабелю типа витой пары это обычно 100 м).

Величины коэффициента затухания α, длины L и затухания А связаны между собой следующим простым соотношением:

А |дБ| = α |дБ/100 м| х L |м|/100

Чем меньше величина затухания, тем более мощным оказывается сигнал на входе приемника и тем устойчивее при прочих равных условиях связь. Затухание вызывается активным сопротивлением и потерями в диэлектрической изоляции. Определенный вклад в затухание вносят также излучение электромагнитной энергии и отражения.

Любой проводник, по которому течет переменный ток, является источником излучения в окружающее пространство. Оно отбирает у сигнала энергию и ведет к возрастанию затухания сигнала. Это явление резко возрастает с увеличением частоты сигнала. При λ < а, где λ - длина волны электромагнитного сигнала, а - расстояние между проводами, большая часть энергии идет на излучение в окружающее пространство и передача в неэкранированной направляющей системе становится невозможной. Для стандартной витой пары величина параметра а имеет значение порядка 2 мм, то есть критическая частота для нее будет равна 15 ГГц, что на два порядка ниже рабочих частот самых совершенных витых пар (-150 МГц). С ростом частоты потери на электромагнитное излучение возрастают. Для минимизации потерь на излучение применяют балансную передачу и скрутку проводников в пары.

Как было отмечено выше, в идеальной симметричной цепи электромагнитное излучение отсутствует. На практике таких идеальных симметричных цепей не существует. Дело в том, что в такой цепи проводники должны бесконечно плотно прилегать друг к другу и в пределе быть стянутыми в бесконечно тонкую линию, суммарный протекающий через которую ток равен нулю. Проводники с меньшим диаметром и более тонкой изоляцией плотнее прилегают друг к другу. Однако чрезмерное уменьшение сечения проводника и утоньшение изоляции ведет к повышению затухания за счет роста активного сопротивления и увеличения проводимости изолирующих покровов.

Частотная зависимость первичных параметров электрического кабеля

Из эквивалентной схемы можно сделать вывод о том, что затухание с ростом частоты имеет тенденцию к росту. Это обусловлено как ростом сопротивления продольной ветви в основном за счет элемента L, так и падением сопротивления поперечной ветви, которое обусловлено главным образом наличием емкости (элемент С). По стандарту TIA/EIA-568-А на длине 100 м и при температуре 20° С частотная характеристика A(f) максимально допустимого затухания, начиная с 0,772 МГц, для кабелей категорий 3, 4 и 5 определяется согласно следующему выражению

A (f) = k1√f + k2f + k3√f,

где:

А, дБ - максимальное допустимое затухание

f, МГц - частота сигнала

k1, k2, k3 - константы, определяемые в зависимости от категории кабеля (см. таблицу ниже)

Категория кабеля	K1	K2	K3
3	2,320	0,238	0,000
4	2,050	0,043	0,057
5	1,967	0,023	0,050

Кроме аналитического задания величины затухания стандарт TIA/EIA-568-А определяет этот параметр также в табличной форме с расширением нормируемых значений в область нижних частот. Это бывает полезным при выполнении инженерных расчетов трактов связи, предназначенных для поддержки работы некоторых приложений, а также позволяет сразу же получить необходимую информацию без выполнения вычислений.

Максимальное допустимое затухание кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м при t=20ºС по стандарту TIA/EIA-568-A

На рисунке выше показаны частотные зависимости предельно допустимых затуханий кабелей различных категорий, вычисленные по формуле выше.

Аппроксимация по формуле оказалась очень удачной и достаточно часто используется многими производителями кабельной продукции для описания характеристик их изделий. При этом принимаются свои значения коэффициентов k1-k3, а область действия распространяется на частоты до 400 и даже 550 МГц.

Переходное затухание

При передаче сигнала часть его энергии вследствие неидеальности балансировки витой пары переходит в электромагнитное излучение, которое вызывает наведенные токи в соседних парах. Этот эффект называется переходными наводками. Наводки, накладываясь на полезные сигналы, передаваемые по соседним парам, могут приводить к ошибкам приема и в конечном итоге снижают качество связи.

Разность между уровнями передаваемого сигнала и создаваемой им помехи на соседней паре называется переходным затуханием. В зависимости от места и метода измерения этого параметра различают несколько видов переходного затухания, см. рисунок, на котором через Ii обозначены токи наводок, создаваемые различными участками влияющей витой пары во влияемой.

Переходные наводки на ближнем (слева) и дальнем (справа) концах соседней пары

Если источник сигнала и точка измерения находятся на одном конце, то говорят о переходном затухании на ближнем конце, если на разных - то о переходном затухании на дальнем конце. В технике СКС первое из них традиционно имеет заимствованное из англоязычной технической литературы обозначение NEXT (Near End Crosstalk), а второе - FEXT (Far End Crosstalk). В отечественной технической литературе, посвященной кабелям городской и междугородной связи, аналогичные параметры обозначаются соответственно А0 и А1.

Чем выше значение NEXT и FEXT, тем меньший уровень имеет наводка в соседних парах, и соответственно тем более качественным является кабель. С практической точки зрения представляет интерес частотная зависимость переходного затухания на ближнем и дальнем концах, а также зависимость этих параметров от длины линии. Влияющая пара и пара, подверженная влиянию, проложены параллельно под общей защитной оболочкой. За счет этого их проводники могут рассматриваться как обкладки конденсатора. Это означает, что с ростом частоты переходное затухание падает. Стандарт TIA/EIA-568-A нормирует минимальные значения переходного затухания на ближнем конце при длине кабеля 100 м. Для определения минимально допустимого параметра NEXT на частотах, превышающих 0,772 МГц, используется следующее аппроксимирующее выражение:

NEXT(f) = NEXT(0,772) - 15 lg (f/0,772)

где:

NEXT(0,772) - минимально допустимое переходное затухание на ближнем конце на частоте 0,772 МГц, которое для кабелей категорий 3, 4 и 5 принимается равным 43, 58 и 64 дБ соответственно

f, МГц - частота сигнала.

Дополнительно стандарт нормирует значения NEXT на частотах менее 0,772 МГц, что бывает необходимо для некоторых приложений. Нормируемые значения в этом случае представляются в табличной форме.

Результаты расчетов по формуле выше приведены на рисунке.

Максимально допустимые значения NEXT для кабелей категории 3,4 и 5 на длине 100 м по стандарту TIA/EIA-568-A

Суммирование отдельных составляющих одной частоты переходной помехи на ближнем конце происходит с различными фазами (по напряжению). Поэтому реальный график частотной зависимости величины NEXT имеет вид шумообразной кривой с резкими перепадами величин переходного затухания на близких частотах. Стандарты нормируют только минимальную величину параметра NEXT, и кабель считается соответствующим требованиям стандарта, если во всем рабочем частотном диапазоне реальная величина NEXT не падает ниже определенного нормами значения.

Типовая зависимость переходного затухания на ближнем и дальнем концах от длины линии показана на рисунке.

Зависимость переходного затухания не дальнем и ближнем концах от длины линии

Переходное затухание на ближнем конце с увеличением длины линии сначала несколько уменьшается, а затем стабилизируется. Качественное объяснение этого эффекта состоит в том, что, начиная с определенной длины линии, токи помех с отдаленных участков приходят на ближний конец настолько ослабленными, что практически не увеличивают взаимного влияния между цепями, и величина NEXT остается постоянной. Отсюда следует, что значения NEXT для двух концов одной пары могут существенно различаться между собой, поэтому все стандарты требуют его измерения с обеих сторон. График зависимости переходного затухания на дальнем конце от длины линии носит экстремальный характер. Вначале, пока длина линии мала, увеличение ее протяженности увеличивает мощность помехи. По мере увеличения длины начинает проявляться рост затухания помеховых составляющих, и FEXT монотонно возрастает.

Для улучшения параметра NEXT в симметричных кабелях применяют различный шаг скрутки витых пар. Кроме ослабления электромагнитной связи отдельных пар такое решение не позволяет им плотно прилегать друг к другу по всей длине, что дополнительно увеличивает переходное затухание.

Известно, что сетевое оборудование различного назначения по-разному использует симметричный кабель как среду передачи. Поэтому в зависимости от приложения и метода использования кабеля нормирование величины переходных помех или, что эквивалентно, переходного затухания выполняется по-разному.

Наиболее популярными ЛВС в настоящее время являются сети Ethernet. При использовании полнодуплексного режима передатчик и приемник работают одновременно, и эта аппаратура использует для работы две витые пары одного кабеля. Этот случай в схематическом виде изображен на рисунке.

К определению NEXT

При этом ослабленный после прохождения по витой паре информационный сигнал взаимодействует на входе приемника с мощной переходной помехой работающего на этом же конце передатчика. Поэтому достаточно нормировать следующий параметр:

NEXT = Рс - max Рп

Где,

Рс - уровень сигнала,

Рп - уровень создаваемой им переходной помехи

Величина max Рп берется на наихудший случай, так как заранее неизвестно, какие две пары будут использоваться сетевым оборудованием для организации информационного обмена.

В последнее время при построении сетевого оборудования четко обозначилась тенденция использования им для передачи информации одновременно нескольких пар (оборудование ЛВС 100Base-T4, 100VG AnyLAN и 1000Base-TX). С другой стороны, сигналы нескольких приложений все чаще передаются в одном многопарном кабеле. В данной ситуации нормирование только параметра NEXT оказывается недостаточным, так как на приемник одновременно действует несколько источников помех. Для учета этого обстоятельства используется более сложная расчетная модель, которая для 4-парного кабеля имеет вид, изображенный на рисунке (все пары действуют на одну), и нормируется параметр так называемой суммарной мощности (power sum).

К определению PS-NEXT

Из-за разного расстояния между парами, различного шага скрутки и т.д. разность между величинами NEXT и PS- NEXT оказывается равной не 4,8 д Б, а примерно 2 дБ.

Наконец, в новейших перспективных приложениях типа Gigabit Ethernet вход приемника и выход передатчика развязаны с помощью дифференциальной системы. Это позволяет одновременно использовать одну витую пару для приема и передачи сигналов. В этой ситуации дополнительно к переходным помехам на ближнем конце необходимо учитывать также помехи на дальнем конце и соответственно нормировать величину переходного затухания на дальнем конце:

FEXT=Pc - max Pп

Где,

Pп - уровень переходной помехи на дальнем конце

К определению PS-NEXT

Аналогично переходной помехе на ближнем конце можно также ввести параметр PS-FEXT. Аналогично переходной помехе на ближнем конце может нормироваться и значение суммарной переходной помехи на дальнем конце. Переходная помеха на дальнем конце обычно оказывается меньшей по сравнению с переходной помехой на ближнем конце. Однако в отличие от помех на .ближнем конце эти помеховые составляющие достаточно часто суммируются синфазно или с небольшой разностью фаз, что может дополнительно увеличить их мощность.

И, наконец, некоторые производители начинают нормировать так называемую глобальную переходную помеху GXT (global crosstalk), которая равна сумме наведенных переходных помех на обоих концах кабеля.

В настоящий момент официальными редакциями стандартов задаются только величины NEXT и PS-NEXT (последнее значение приводится для многопарных и комбинированных кабелей), нормирование величин FEXT и GXT производится ограниченным количеством фирм.

Защищенность

Для оценки качества передачи информации в технике проводной связи широко используется параметр защищенности от помех, или просто защищенности, который представляет собой разность между уровнями полезного сигнала и помехи в рассматриваемой точке.

К определению NEXT

Для расчетной модели уровень сигнала составляет Рс = Рпер - А, а уровень переходной помехи Рпп = Рпер - NEXT. Защищенность согласно определению будет равна:

ACR = NEXT - А

то есть зависит только от величин затухания и переходного затухания.

К определению параметра защищенности

studfiles.net

Электрическая емкость

Сообщение электрического разряда проводнику называется электризацией. Чем больший заряд принял проводник, тем больше его электризация, или, иначе говоря, тем выше его электрический потенциал.

Между количеством электричества и потенциалом данного уединенного проводника существует линейная зависимость: отношение заряда проводника к его потенциалу есть величина постоянная:

Для какого-либо другого проводника отношение заряда к потенциалу есть также величина постоянная, но отличная от этого отношения для первого проводника.

Одной из причин, влияющих на эту разницу, являются размеры самого проводника. Один и тот же заряд, сообщенный различным проводникам, может создать различные потенциалы. Чтобы повысить потенциал какого-либо проводника на одну единицу потенциала, необходим определенный заряд.

Электрическая емкость и ее единица измерения

Свойство проводящих тел накапливать и удерживать электрический заряд, измеряемое отношением заряда уединенного проводника к его потенциалу, называется электрической емкостью, или просто емкостью, и обозначается буквой С.

Приведенная формула электрической емкости позволяет установить единицу электрической емкости.

Практически заряд измеряется в кулонах, потенциал в вольтах, а емкость в фарадах:

Емкостью в 1 фараду обладает проводник, которому сообщают заряд в 1 кулон и при этом потенциал проводника увеличивается на 1 вольт.

Единица измерения электрической емкости – фарада (обозначается ф или F) очень велика. Поэтому чаще пользуются более мелкими единицами – микрофарадой (мкф или μF), составляющей миллионную часть фарады:

1 мкф = 10-6ф ,

и пикофарадой (пф), составляющей миллионную часть микрофарады:

1 пф = 10-6мкф = 10-12ф .

Найдем выражение практической единицы – фарады в абсолютных единицах:

Электрический конденсатор

Устройство, предназначенное для накопления электрических зарядов, называется электрическим конденсатором.

Рисунок 1. Модель простейшего конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), разделенных между собой слоем диэлектрика. Чтобы зарядить конденсатор, нужно его обкладки соединить с полюсами электрической машины. Разноименные заряды, скопившиеся на обкладках конденсатора, связаны между собой электрическим полем. Близко расположенные пластины конденсатора, влияя одна на другую, позволяют получить на обкладках большой электрический заряд при относительно невысокой разности потенциалов между обкладками. Электрическая емкость конденсатора есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

Как показывают измерения, емкость конденсатора увеличится, если увеличить поверхность обкладок или приблизить их одну к другой. На емкость конденсатора оказывает влияние также материал диэлектрика. Чем больше электрическая проницаемость диэлектрика, тем больше емкость конденсатора по сравнению с емкостью того же конденсатора, диэлектриком в котором служит пустота (воздух). Выбирая диэлектрик для конденсатора, нужно стремиться к тому, чтобы диэлектрик обладал большой электрической прочностью (хорошими изолирующими качествами). Плохой диэлектрик приводит к пробою его и разряду конденсатора. Несовершенный диэлектрик повлечет за собой утечку тока через него и постепенный разряд конденсатора.

Длинные линии передачи высокого напряжения можно рассматривать как своеобразные обкладки конденсатора. Емкость провода нужно рассматривать не только относительно другого провода, но также относительно земли, стен помещений и окружающих предметов. Значительной емкостью обладают подводные и подземные кабели ввиду близкого расположения токоведущих жил между собой.

Конденсатор постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Рисунок 2. Схема устройства конденсаторапостоянной емкости

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических (станиолевых) листов с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком, как схематически показано на рисунке 2. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или трубку. Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином.

Рисунок 3. Внешний вид современных конденсаторов постоянной емкости

Определим емкость плоского конденсатора. Возьмем произвольную замкнутую поверхность вокруг одной из пластин конденсатора. Тогда по теореме Гаусса поток вектора напряженности, проходящий через любую замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд, равен:

(1)

Предполагая, что поле конденсатора однородно (пренебрегая искажением поля у краев пластин), получаем напряженность электрического поля в конденсаторе:

(2)

где d – расстояние между пластинами или толщина диэлектрика. Подставив значение E из формулы (2) в формулу (1), получим:

откуда

Так как

то выражение емкости плоского конденсатора примет вид:

где S – площадь пластин в м²; d – толщина диэлектрика в м; ε – относительная электрическая проницаемость диэлектрика (диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин (обкладок) S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика поставить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Видео об устройстве конденсатора постоянной емкости:

Конденсатор переменной емкости

Конденсаторы, емкость которых можно менять, называются конденсаторами переменной емкости.

Наиболее простой конденсатор переменной емкости имеет несколько (реже один) медных или алюминиевых полудисков, соединенных между собой электрически и укрепленных неподвижно. Другой ряд таких же полудисков собран на общей оси. При повороте этой оси каждый из укрепленных на ней полудисков входит меду двумя неподвижными полудисками. Поворачивая ось и меняя таким образом взаимное расположение подвижных и неподвижных полудисков, мы можем менять емкость конденсатора. На рисунке 3 показана схема устройства и на рисунке 4 – общий вид воздушного конденсатора переменной емкости.

Рисунок 3. Схема устройства конденсатора переменной емкости

Рисунок 4. Общий вид конденсатора переменной емкости

Видео об устройстве серийного конденсатора переменной емкости:

Видео о том, как можно сделать самодельный конденсатор переменной емкости своими руками:

Электролитические конденсаторы

В радиотехнике применяются также электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы изготовляются двух типов: жидкостные и сухие. В обоих типах конденсаторов употребляется оксидированный алюминий. Путем специальной электрохимической обработки на поверхности алюминия получают тонкий (порядка нескольких десятков микрон) слой оксида алюминия Al2O3, представляющий так называемую оксидную изоляцию алюминия. Оксидная изоляция обладает электроизолирующими свойствами, а также является механически прочной, нагревостойкой, но гигроскопичной.

В жидкостных электролитических конденсаторах алюминиевую оксидированную пластину помещают внутрь металлического корпуса, который служит второй пластиной. В корпус заливают электролит, состоящий из раствора борной кислоты с некоторыми примесями.

Сухие электролитические конденсаторы изготовляют путем сворачивания трех лент. Одна лента представляет собой алюминиевую оксидированную фольгу (тонко раскатанный лист металла). Другой пластиной является лента из алюминиевой фольги. Между двумя металлическими лентами помещается бумажная или марлевая лента, пропитанная вязким электролитом. Плотно свернутые ленты помещаются в алюминиевый корпус и заливаются битумом. Тонкий оксидный изолирующий слой с высокой электрической проницаемостью (ε = 9) позволяет получить дешевые конденсаторы с большой удельной емкостью.

Видео об устройстве электролитического конденсатора:

Параллельное соединение конденсаторов

Рисунок 5. Параллельноесоединение конденсаторов

Когда емкость конденсатора мала, то соединяют несколько конденсаторов параллельно (рисунок 5).

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках каждого конденсатора одно и то же. Поэтому можно написать:

U1 = U2 = U3 = U .

Количество электричества (заряд) каждого конденсатора:

q1 = C1 × U; q2 = C2 × U; q3 = C3 × U .

Общий заряд батареи конденсаторов:

q = q1 + q2 + q3 ;

q = C1 × U + C2 × U + C3 × U = U (C1 + C2 + C3) .

Обозначая емкость батареи конденсаторов через C, получаем:

q = C × U ,

тогда

C × U = U × (C1 + C2 + C3)

или окончательно формула емкости при параллельном соединении конденсаторов примет вид:

C = C1 + C2 + C3 .

Следовательно, при параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. При параллельном соединении каждый конденсатор окажется включенным на полное напряжение сети.

Последовательное соединение конденсаторов

Рисунок 6. Последовательноесоединение конденсаторов

Рассмотрим последовательное соединение конденсаторов (рисунок 6).

Если левая обкладка первого конденсатора заряжена положительно (+), то вследствие электростатической индукции правая обкладка этого конденсатора получит отрицательный заряд (–), перешедший с левой обкладки второго конденсатора, которая сама зарядится положительно, и так далее. Значит, при последовательном соединении каждый конденсатор независимо от величины его емкости получит один и тот же заряд, то есть

q1 = q2 = q3 = q .

Напряжение, приложенное ко всей батареи конденсаторов, равно сумме напряжений на обкладках каждого конденсатора:

U = U1 + U2 + U3 .

Так как

для всей батареи

теперь можно написать

или, сокращая на q, получим окончательно, что емкость конденсаторов при последовательном соединении равна:

Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов обратная величина общей емкости равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов. Каждый из конденсаторов включен на меньшее напряжение, чем напряжение сети.

Конденсаторы широко применяются в радиотехнике, рентгенотехнике, высокочастотной промышленной электротехнике, для увеличения коэффициента мощности электроустановок и так далее.

Источник: Кузнецов М.И., "Основы электротехники" - 9-е издание, исправленное - Москва: Высшая школа, 1964 - 560с.

www.electromechanics.ru

Электрическая емкость - Основы электроники

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).

То есть:

1 мкф = 10-6 Ф;

1 нф = 10-9 Ф;

1 пф =10-12 Ф.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Что такое электрическая емкость?

Часто на школьных уроках физики преподаватель, разъясняя тему электричества, прибегает к сравнению электрического тока с течением потока воды. Во многих случаях, хотя не всегда, для упрощения понимания происходящих процессов такое сравнение вполне допустимо. Собственно, даже само слово «ток» используется именно в отношении жидкостей. А что такое емкость? Это одна из характеристик предмета, его способность вмещать что-либо. Например, все знают, что емкость банки составляет 3 литра. Очевидно, что количество накопленной воды непосредственно зависит от вместительности сосуда. Так, если взять два ведра, к примеру, 8 и 12 литров, то по высоте они равны, а отличие лишь в диаметре. Понятие «электрическая емкость» в этом плане весьма похоже. Например, один из параметров, влияющий на вместимость – это габариты. Электрическая емкость (Э.Е.)– это способность накапливать и удерживать в себе определенное количество электричества. Любой проводящий материал обладает определенной Э.Е., зависящей от ряда параметров. Процесс накопления заряда возможен в том случае, когда отсутствует возможность его перетекания на другой объект, обладающий большей емкостью.

Электрическая емкость может быть выражена через формулу, учитывающую способность накапливать заряд (потенциал - v) и величиной самого заряда (q). Обозначается буквой «c»:

c = q/v

Электрическая емкость измеряется в фарадах. Однако так как эта величина достаточно велика, в современных электронных схемах чаще применяются микро- и пикофарады. Большие емкости используются только в специфичных устройствах и расчетах. Соответственно, приставки «микро и пико» равны 1*10 в -6 и -12 степенях. Происходящие процессы легко описать через электроемкость уединенного проводника.

Представим себе проводник, находящийся в непроводящей ток среде, в которой отсутствуют внешние поля. Подключаем его к источнику тока. Часть электронов попадает в структуру материала, создавая избыточный потенциал, то есть, эти заряды при определенных условиях (создать контур) могут выполнить работу. Они распределяются по поверхности с определенной плотностью, которая зависит от пространственной конфигурации проводника и его размеров. Вокруг каждого точечного заряда существует электрическое поле, которое оказывает воздействие на все другие участки проводника. Потенциал такого уединенного проводника находится в прямой зависимости от заряда. Отношение данного заряда (q) к потенциалу (Fi) для рассматриваемого проводника неизменно, так как зависит лишь от габаритов (размер, форма) и коэффициента диэлектрической проницаемости среды. В примере не зря указан именно уединенный проводник. При наличии рядом с ним других тел, электрическое поле единичных зарядов будет индуцировать в окружающих телах потенциал противоположного знака, влияющий на итоговое значение (оно будет меньше).

Простейший элемент, использующий свойства накапливать электрический ток – это конденсатор. Он представляет собой два проводника, разделенных диэлектрическим материалом. Его особенность в том, что генерируемое электрическое поле оказывается «связанным» между обкладками (противоположные участки проводников) и практически не воздействует на окружающие тела, а, значит, потенциал на внешнюю работу не растрачивается.

Увеличить емкость можно несколькими путями:

уменьшить промежуток между обкладками. Бесконечное уменьшение невозможно, так как может возникнуть пробой непроводящей среды, что приведет к потере заряда;
подобрать непроводящий материал с большим сопротивлением пробою;
увеличить площадь обкладок. В целях сохранения приемлемых габаритов конденсатора часто изменяют пространственное расположение обкладок. Например, два проводника скручивают в кольца, разделенные изолятором.

fb.ru

параллельное, последовательное соединение, батарея. Виды проводника, формулы. тесты, схема

Физика->Электричество->электроемкость, конденсаторы->

Тестирование онлайн

Электроемкость. Основные понятия
Электроемкость, конденсаторы

Электроемкость

Электроемкость - это скалярная величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд

Электроемкость зависит от формы проводника! Поэтому для каждого вида существует своя формула расчета электроемкости.

Электроемкость шара

Конденсатор

Конденсатор - это система, состоящая из двух или более проводников.

Плоский конденсатор - две параллельные металлические пластины (обкладки), между которыми находится диэлектрик.

В быту можно встретить подобные конденсаторы

На схеме конденсатор обозначается следующим образом (запомнить выделенное обозначение)

Электроемкость плоского конденсатора

Используя общую формулу нахождения электроемкости, можно получить

Поле между обкладками конденсатора однородно, поэтому напряжение можно определить как

Батарея конденсаторов

Несколько конденсаторов, соединенных вместе, образуют батарею конденсаторов.

Различают последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов

Движение заряженной частицы в конденсаторе

fizmat.by

1.12. Электрическая емкость

Электрическая емкость характеризует способность тела или системы тел накапливать электрические заряды, запасая таким образом энергию электрического поля.

Емкость определяют как отношение заряда уединенного проводящего тела к его потенциалу(при условии, что точка, в которой потенциал принимается равным нулю, лежит в бесконечности):

С = q/U,

а емкость двух проводящих тел, разделенных диэлектриком и заряженных равными по значению и противоположными по знаку зарядами – как отношение абсолютного значения заряда к разности потенциалов этих тел:

С=q/(U1 – U2).

(1.15)

Емкость зависит от геометрических размеров, конфигурации, диэлектрической проницаемости диэлектрика и взаимного расположения тел.

Емкость измеряется в Фарадах (Ф).

Ниже приведены выражения для емкостей простейших систем.

Емкость плоского конденсатора с однослойным диэлектриком равна:

С = (eS)/d,

где S – площадь каждой пластины; d – расстояние между пластинами.

Емкость плоского конденсатора с двухслойным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e1 и e2 каждого слоя и их толщиной, равной d1 и d2 определяется выражением

(1.16)

Емкость на единицу длины цилиндрического конденсатора (коаксиального кабеля) с однослойным диэлектриком и радиусами обкладок R1 и R2 (R1<R2):

(1.17)

Емкость сферического конденсатора с наружным радиусом внутренней сферической обкладки R1 и внутренним радиусом внешней сферической обкладки R2 определяется выражением

(1.18)

Емкость уединенного шара радиусом R равна:

С = 4peR.

(1.19)

Емкость двух шаров радиусами R1 и R2, расположенных на расстоянии D (геометрические и электрические оси совпадают)

(1.20)

Емкость уединенного цилиндра радиусом R и длиной l:

Если длина цилиндра много больше его радиуса (l>>R), то емкость можно определять по приближенной формуле

. (1.21)

При наличии нескольких заряженных проводников вводят понятие частичных емкостей и эквивалентной емкости системы.

Частичной емкостью называется емкость между двумя проводниками, входящими в систему проводников. Частичную емкость между двумя проводниками определяют как абсолютное отношение заряда одного проводника к разности потенциалов между этими проводниками, когда остальные проводники системы имеют один и тот же потенциал.

Эквивалентная емкость (рабочая) – емкость между двумя проводниками, входящими в систему проводников, учитывающая частичные емкости между парой проводов системы.

electrono.ru

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ

Емкость одножильного и отдельных экранированных жил многожильного кабеля, включая радиочастотные кабели (рис. 2-6),

Емкость кабелей измеряют и нормируют в микрофарадах

(10–6 ф), нанофарадах (10–9 ф) и пикофарадах (10–12 ф) на 1 км или 1 м.

Емкость радиочастотных коаксиальных кабелей с многопроволочным внутренним проводником

где k3=0,98/0,99—коэффициент, учитывающий форму внешнего проводника и представляющий собой отношение емкости кабеля с внешним (Проводником в форме оплетки к емкости кабеля с.внешним проводником в форме сплошной трубы; dэ — эквивалентный диаметр, мм. Емкость одной жилы двухжильного кабеля в общей металлической оболочке и одной жилы симметричного экранированного радиочастотного кабеля (обе жилы имеют равные по величине, но противоположные по знаку потенциалы)

Если же оба провода находятся под одним и тем же потенциалом

Емкость двухжильного кабеля в общих металлической оболочке или экране может быть определена из частичных емкостей (рис. 1-14) по формуле:

где С1 — емкость между жилами А и В, соединенными с оболочкой или экраном; С12 — емкость жил А и В, соединенных вместе против оболочки и экрана; l — длина кабеля, м.

Емкость неэкранированного двухжильного (симметричного) кабеля

Рабочая емкость жилы трехжильного кабеля (рис. 2-6):

Емкость трехжильных кабелей с секторными жилами может быть приближенно определена по этим же формулам с заменой секторных жил круглыми, но с сечением, увеличенным на 50% при той же толщине изоляции.

Емкость трехжильного кабеля с поясной изоляцией в общей металлической оболочке или в экране выражается через частичные емкости между жилами и каждой жилы относительно оболочки кабеля (рис. 2-6). Вследствие симметрии жил С10=С20=С30 и С12 = C23 = C13. Емкость каждой жилы относительно двух других жил, соединенных с оболочкой (или экраном):

Емкость двух жил, соединенных вместе, относительно третьей жилы, соединенной с оболочкой (или экраном):

Емкость всех трех соединенных вместе жил относительно оболочки (или экрана):

Рабочая емкость трехжильного кабеля при трехфазном токе

Частичные емкости: между двумя жилами

между жилой и оболочкой (или экраном)

Емкостное реактивное сопротивление кабеля

где С — емкость кабеля, ф/км.

Емкостная проводимость

Емкость групп кабелей связи в общем виде с учетом системы скрутки и величины укрутки жил:

ψ — поправочный коэффициент, характеризующий удаление жил от заземленной оболочки или экрана (табл. 2-4), при большом удалении, ψ =1. Численные значения поправочного коэффициента ψ в зависимости от отношения диаметров жилы по изоляции (d1) к диаметру жилы (d) приведены в табл. 2–5.

Таблица 2-4

Значения α и ψ для расчета рабочей емкости кабелей связи

Таблица 2-5

Численные значения коэффициента ψ для парной, четверочной и двойной парной скруток

Эквивалентное значение диэлектрической проницаемости сложной (комбинированной) изоляции определяют по соотношениям объемов составных ее частей. При непрерывной и одинаковой по длине изоляции соотношение объемов можно заменить соотношением площадей поперечного сечения. Для комбинированной двухслойной изоляции

Для изоляции комбинированной в радиальном направлении

Для изоляции комбинированной в тангенциальном направлении

Значения диэлектрической проницаемости основных электроизоляционных кабельных материалов и комбинированной изоляции приведены в табл. 2–6. Величина емкости кабеля мало изменяется в зависимости от частоты (рис. 2-1).

Характеристики витой пары. Электрическая емкость пары