Для чего и как определяется прочность бетона : описание и особености, фото

Определение прочности бетона

При обследовании конструкций, сооружений и зданий обязательным этапом является определение прочности бетона. От этого значения напрямую зависит безопасность и срок эксплуатации любой изготовленной с применением бетона конструкции или отдельных элементов строительных сооружений.

Зная прочностные показатели бетона можно избежать ряда проблем и предотвратить ухудшение эксплуатационных качеств построек и преждевременное их разрушение. Кроме этого определение класса прочности бетона является неизбежной процедурой при сдаче здания в эксплуатацию.

От чего зависит прочность

Бетон набирает прочность вследствие происходящих при взаимодействии бетонной смеси с водой химических процессов. При этом скорость химических реакций под влиянием некоторых факторов может ускоряться или замедляться, что непосредственно влияет на прочностные характеристики конечного продукта.

К числу основных технологических факторов относят:

• размеры и форма конструкции;
• коэффициент усадки бетона при заливке;
• степень активности цемента;
• процент вместительности в смеси цемента;
• пропорции в используемом растворе цемента и воды;
• типы и качество применяемых наполнителей, и правильность их смешивания;
• степень уплотнения;
• время застывания раствора;
• условия, в которых происходит отверждение: показатели влажности и температуры;
• применение повторного вибрирования;
• условия транспортировки раствора;
• уход за монолитной конструкцией после заливки.

От каждого из этих критериев зависит какой прочностью будет обладать бетон и надежность возведенных из него сооружений или отдельных конструктивных элементов.

Прочностные характеристики бетона могут ухудшиться если нарушены производственные технологии. Как пример грубых нарушений можно привести превышение допустимого времени пребывания в пути бетонной смеси, не выполнение уплотнения и трамбовки при заливке и другие.

Виды прочности бетона

Чтобы определить безошибочно прочность бетона необходимо знать какой она бывает:

• проектная. Предполагает полную нагрузку на конкретную марку бетона. Значение получить можно того, как проведено определение прочности по контрольным образцам. Испытанию подлежат образцы при естественной выдержке в течение 28 суток;
• нормированная. Значения определяются по нормативным документам и ГОСТам;
• требуемая. Принимаются минимальные показатели, допускаемые указанными в проектной документации нагрузками. Получить такие значения можно только в специализированных строительных лабораториях;
• фактическая. Получается величина в ходе проведения испытаний. Число должно составлять не менее 70% от проектной. Прочность такого вида является отпускной;
• разопалубочная. Обозначает, когда можно разопалубливать конструкции или испытательные образцы без из деформаций.

Обычно в первые 7-15 суток при условии оптимальной влажности и температуре 15-25 бетон достигает прочности до 70%. Если такие условия не выдерживаются, то соответственно затягиваются и сроки.

Обычно говоря о прочности, под этим понятием подразумевают кубиковую на сжатие. Но профессиональные бетонщики в обязательном порядке уточняют следующие характеристики:

• на сжатие. Основой маркировки здесь выступает кубиковая прочность, получаемая при испытании образцов на прессе. Определение прочности бетона на сжатие с образцами кубической формы и 28-суточного возраста считается эталонным. Но довольно часто проводят также испытания бетона на 7 сутки после заливки;
• на изгиб. Как правило рассчитывается при проектных работах;
• на осевое растяжение. В лабораторных условиях достаточно трудно создать для образца требуемы нагрузки, поэтому проектировщики применяют конкретные величины, введенные в проектных институтах;
• передаточная. Обозначает прочность в момент обжатия, когда бетону передается напряжение арматуры. Величина указана в технических и проектных документах.

От того, насколько точно вычислена прочность, зависит надежность изготавливаемых из материала конструкций. Поэтому в расчетах важен каждый исчисляемый показатель.

Какие требования к проверке предъявляет ГОСТ

Качество бетона на прочность проверяют как сами производители, так и контролирующие органы, руководствуясь при этом требованиями ГОСТов. Методика проведения испытаний и порядок обработки полученных результатов регламентированы ГОСТами 22690-88, 10180-2012, 18105-2010, 7473-2010, 13015-2003, 17621-87, 27006-86, 28570-90.

Указанные стандарты распространяются на все виды бетона и четко определяют правила проведения испытаний всеми существующими методами и оценки прочности. Основными нормируемыми и контролируемыми значениями в ходе проверок являются:

• прочность на сжатие в конструкциях или отобранных образцах. Обозначается буквой В, определяется в классах;
• прочность на осевое растяжение (Bt) – устанавливается класс;
• водонепроницаемость (W) – проводится определение марки бетона;
• морозостойкость (F) – рассчитывается марка;
• средняя плотность (D) – исчисляется в марках.

Проводятся испытания разными методами, при этом исследуются вырубленные из монолита или только что залитые образцы площадью от 100 до 900 см². Расстояние от края конструкции и между проверяемыми местами, и количество измерений четко регламентированы нормативными документами.

Все полученные значения записываются в протокол определения прочности бетона, согласно которого определяются прочностные свойства сооружений на предмет соответствия всем действующим нормативам.

Определяются прочностные значение в Мпа или кгс/см². Ниже приведена таблица определения прочности бетона разных классов и марок.

Какие существуют методы испытаний

В обследовании уже построенных зданий и в производстве стройматериалов применяются разные методы определения прочности бетона. Все они разделяются на функциональные группы: разрушающие и неразрушающие. Последние выполняются прямым и косвенным способами.

С помощью данных методик осуществляется контроль и получается оценка прочностных показателей бетона в уже возведенных и эксплуатируемых зданиях, на стройплощадках и в лабораторных условиях.

Разрушающие методы

Испытания разрушающим методом подразумевают вырубку или выпиливание образцов из готовой бетонной конструкции, которые впоследствии разрушаются на специальном прессе. Цифровые величины сжимающих усилий фиксируются после каждого испытательного мероприятия.

Такой способ позволяет получить достоверную информацию о характеристиках материала, но из-за высокой трудоемкости, дороговизны и образования на сооружениях локальных разрушений используется только в крайних случаях.

В условиях производства проверки выполняют на специально заготовленных сериях образцов, отобранных из рабочей смеси с полным соблюдением технических регламентов и стандартов. Образцы цилиндрической или кубовидной форм выдерживаются в максимально приближенной к заводским условиям среде, после чего проходят тестирование на прессе.

Неразрушающие прямые

Контрольные проверочные тесты прямым неразрушающим методом контроля осуществляются без нанесения повреждений обследуемым объектам. Для механического воздействия на исследуемую плоскость применяются специальные приборы для определения прочности бетона, с помощью которых взаимодействие производится:

• способом отрыва. Составом на основе эпоксидов к монолитной поверхности приклеивается диск из высокопрочной стали. Далее с применением специальных механизмов диск вместе с бетонным фрагментом отрывается. Посредством математических расчетов условная величина усилия переводится в определяемый показатель;
• методом отрыва со скалыванием. В данном случае прибор не к диску крепится, а непосредственно в полость бетонного объекта. В просверленные отверстия помещаются анкеры лепесткового типа, после чего элемент материала нужного размера извлекается. При этом устанавливается разрушающее усилие;
• способом скалывания ребра. Применяется к таким конструкциям с наличием в них колонн, перекрытий и балок. К выступающему участку крепится прибор, нагрузка плавно увеличивается. Глубину и усилие скола устанавливают в момент разрушения, затем искомая прочность рассчитывается по формуле.

Механические методы определения прочности бетона не применяются, когда менее 20 мм составляет толщина защитного слоя. Особо относится это к технике скалывания.

Неразрушающие косвенные

При таких испытаниях прочность устанавливается без введения в тело конструкции тестирующих устройств. В данном случае применяют следующие способы:

• исследование ультразвуком. Прибор устанавливается на ровную неповрежденную поверхность, по предварительно составленной программе прозванивают один за другим каждый участок. Ультразвуковым способом прочностные показатели получаются путем сравнивания скорости прохождения волн в эталонном образце и готовой конструкции;
• метод ударного импульса. Здесь молотком Шмидта ударяют по поверхности бетона и фиксируют образуемую при ударе энергию. Точность искомых значений с помощью техники ударного импульса относительно невысокая;
• метод упругого отскока. Проводится стекломером, который измеряет путь бойка при ударе о бетон;
• способ пластического отскока. Состоит в сравнении образующего вследствие удара металлическим шаром размеров следа с эталонным отпечатком. На практике применяется наиболее часто, проводится молотком Кашкарова, в корпус которого помещается стальной стержень.

Основные характеристики контроля прочности ударным методом, отрывом и другими неразрушающими способами приведены в таблице.

Заключение

Испытание бетона – неотъемлемый этап контроля и определения прочности материала. Среди существующих методов исследования наиболее целесообразным считается неразрушающий контроль бетона. Входящие в данную категорию способы более доступны в финансовом плане в отношении к лабораторным испытаниям. Но для получения точных результатов необходимо правильно выстроить градуировочную зависимость приборов, а также устранить все искажающие результаты измерений факторы.

Прочность бетона на сжатие

Когда перед человеком возникает вопрос о покупке бетонной смеси или готового изделия, то в первую очередь он задумывается о качестве продукции, ведь это напрямую связано с безопасностью строительного сооружения.

Определение понятия прочности бетона: марка и класс

Основополагающей характеристикой бетона является его показатель прочности, который выражается в виде класса и марки.

Для выполнения необходимых задач в строительстве пользуются соответствующими классами. Так, для гидросооружений нужен один класс, а при бетонировании фундамента под одноэтажный дом – другой.

Марка бетона «М» выражает усреднённые значения прочности, единицы измерения – кгс/см 2 , класс бетона обозначается литерой «В» и выражается в МПа. Разница между этими двумя понятиями выражается не только в виде буквы и единицы измерения.

Главное отличие заключается в том, что марка указывает на среднюю величину предела прочности, а класс – на точные значения, расхождение составляет меньше 5%. Для сложных расчётов используют класс бетона, т. к. с применением марки возникает риск ошибки, при котором настоящие показатели окажутся меньше расчётных. Например, в характеристиках указывается М100 и В7,5. Расшифровывается это так: точное усилие, необходимое для разрушения, составит 7,5 МПа, а обобщенная нагрузка равна 100 кгс/см 2 , т. е. фактически эта цифра может быть и 105, и 103,6, и 93, и 97,2 и пр.

Класс и марка бетона по прочности на сжатие по ГОСТ

Таблица 1 – Сравнительная характеристика бетонов разных классов и марок

Документы, которые применяются при определении прочности

Требуемая прочность жёстко регулируется. Есть в наличии несколько основных документов для вычисления этой характеристики:

• ГОСТ 10180-2012 – применяется для образцов из готовой бетонной смеси;
• ГОСТ 28570-2019 – рассчитан для бетонных образцов;
• ГОСТ 22690-2015 – для крупных сооружений без создания проб-образцов.

Способы определения прочности: испытание бетона на сжатие

Существует два метода:

• разрушающий;
• неразрушающий.

При первом способе измеряют минимальные усилия, приложенные для поломки кубов и цилиндров, которые вырезают, выпиливают или выбуривают из целых изделий. Скорость увеличения силы нагрузки при этом постоянна. После выполнения испытания вычисляется итоговое значение таких усилий.

При втором способе нахождения требуемого показателя воздействуют механически на заданное место (удар, отрыв, скол, вдавливание, отрыв со скалыванием, упругий отскок). Точка приложения прибора не должна быть на краю или напротив арматуры. Далее находят результат по выраженной градации.

Рассчитывать на полную правдивость не стоит, имеется погрешность до 10 % для каждого из видов проверок.

Как выбирают образцы при разрушающем методе

1. Пробы из бетонной смеси.

Для испытаний приготавливают образцы кубической и цилиндрической формы. Эталонным считается куб с длинной грани 150 мм.

• Все экземпляры создают в специальных формах, перед использованием конструкции смазывают маслом. Далее наполнят её бетонной смесью и уплотняют.
• Утрамбовывают при помощи штыкования стальным стержнем, виброплощадки или глубинного вибратора.
• Через сутки все затвердевшие образцы достают и размещают в боксе с нормальными условиями (влажность – 95%, температура – +20 °С). Иногда заготовки размещают в водной среде или в автоклаве.

1. Образцы из готовых бетонных изделий.

Экземпляры для проверки прочности получают методом вырубки, выпиливания или выбуривания из целых изделий. В месте отбора не должно быть арматуры в точке, где извлечение не понесёт за собой снижение несущей способности. Пробы делают вдали от стыков и края изделия. Образцы извлекают из средней части пробы как на рисунке.

Предварительная подготовка к испытаниям

Прежде чем приступить непосредственно к испытаниям, все образцы измеряют и осматривают – нет ли трещин, сколов, рытвин. Если имеются скалывания более 10 мм, рытвины диаметром 10 мм и более и глубиной от 5 мм, образцы выбраковывают.

Также производят обмеры на наличие линейной погрешности, несоответствие перпендикулярности близлежащих граней, смещения от прямолинейности и плоскостности. Если обнаружены такие недочёты, грани и плоскости подвергают шлифованию или выравнивают быстротвердеющим веществом толщиной не больше 5 мм.

Как образцы бетона проходят испытания

Все приготовленные образцы одной группы испытывают на прочность в течение одного часа. Силовое нагружение производят не прерываясь, с постоянной скоростью увеличения нагрузки до разрушения. При этом, время от начала нагружения до его окончания – не меньше 30 с.

Во время проверки пользуются специальными строительными стендами:

• образцы кладут на нижнюю плиту пресса по центру;
• после совмещают верхнюю плиту и экземпляр, чтобы они находились плотно друг к другу;
• далее подают силовую нагрузку со скоростью 0,6±0,2 МПа/с.

Расчёты испытаний: формула

Прочность бетона на сжатие (R, МПа) считают с погрешностью до 0,1 МПа по формуле:

Обозначения:

• F – максимальная сила, Н;
• A – площадь грани под нагрузкой, мм;
• α – масштабный коэффициент, который приводит прочность к эталонной;
• K_W – коэффициент, необходимый для ячеистого бетона, учитывающий влажность образцов.

Коэффициенты высчитывались экспериментально и представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Масштабный коэффициент α

K_W = 1, исключение – ячеистый бетон, его можно найти в таблице ГОСТа 10180.

Показатель прочности бетона рассчитывают как среднее арифметическое от прочности всех образцов, участвовавших в проверке: если образцов 3, то среднее арифметическое значение двух образцов с высшей прочностью.

Показатель прочности на сжатие – это такой показатель, который невозможно подделать. Проверку этой характеристики выполняют только аккредитованные лаборатории и строительные организации, которые сами подвергаются неоднократным проверкам – у них есть лицензии, подтверждающие право на выполнение тех или иных работ.

Прочность бетона — от чего зависит и на что влияет?

Бетон является наиболее распространенным строительным материалом. Первое его появление связывают с Древним Римом. Там из него делали купола и арки. Так что рецепт этого материала известен уже очень давно. Со временем его использование становилось все более широким, а рецептура изменялась. Повышались качества стойкости ко внешним воздействиям — влаге, температуре, ветру и механическим воздействиям. Сегодня будем говорить о прочности бетона — одной из его важнейших характеристик.

Прочность природных материалов очевидна и понятна, а у бетона это комплексная величина, зависящая от разных факторов, в которых мы сейчас и разберемся.

Факторы, влияющие на прочность бетона

Бетон производится из цемента, заполнителей и воды. Смесь закладывается в опалубку (форму) и затвердевает. Этапы создания и затвердевания раствора оказывают свой эффект на прочность. Далее поговорим о факторах, влияющих на этот параметр.

Активность цемента

Активностью называется предел прочности образцов, улежавшихся 28 дней. По этому параметру цемент делится на марки. Именно от активности цемента зависит то, каким в итоге выйдет бетон.

Вот что влияет на активность цемента:

• Помол и размеры гранул цемента. Тонкий помол способствует быстрому набору прочности. При этом средняя фракция дает высокую прочность к концу периода застывания. Портландцемент имеет помол, обеспечивающий удельную поверхность в 300-350 м2/кг. Если помол сделать тоньше, показатель вырастет до 400-450 м2/кг. Прочность будет набираться быстрее. Крупный помол может отрицательно сказаться на прочности. Он тяжело вступает в реакцию с водой. Даже спустя годы в бетоне могут обнаружиться зерна сухого цемента.
• Хим. состав клинкера.Если в нем есть негашеная известь, цемент сохранит активность на долгое время.
• Наличие примесей. Если в цемент есть окись магния — около 2%, то набор прочности ускорится. При этом активность цемента заметно снизится, если концентрация этого вещества увеличится.
• Свежесть. 3-месячный цемент, хранящийся во влажной среде, снизит прочность на 60%. При хранении около месяца, прочность уменьшится примерно на 20%. Влага и углекислый газ приводят к появлению на частицах цемента новых образований, негативно влияющих на активность. При хранении быстротвердеющего материала, за месяц он становится обычным.

Для прочного бетона, следует выбирать свежий и тонкомолотый цемент.

Соотношение воды и цемента

Это важнейший показатель, влияющий на прочность состава. По количеству воды, смеси можно разделить на жесткие и подвижные. Подвижные при этом делятся на:

• Малоподвижные — П1;
• Универсальные — П2-П3;
• Подвижные, не требующие уплотнения — П4;
• Литьевые — П5.

Показатель подвижности измеряется конусом Абрамса. По степени осадки конуса определяется класс подвижности раствора.

Выходит что, чем меньше воды содержится в растворе, тем более прочным получится бетон.

В этой таблице представлено соотношение удобоукладываемости бетона в зависимости от его подвижности.

Добавление воды позволяет сделать бетон более пластичным. Он будет лучше забивать пустоты и хорошо уплотняться. Однако с другой стороны его прочность будет уменьшаться. Вот таблица изменения прочности бетона в зависимости от количества воды в растворе.

Для снижения количества воды в смеси, и при этом увеличения подвижности, используются пластификаторы. Параметры прочности остаются прежними, но работать с раствором становится гораздо удобнее. Другими полезными свойствами пластификаторов являются:

• В смеси присутствует меньше воды, а значит можно использовать меньшее количество цемента. В некоторых случаях удается экономить до 10-20%. При ценах на материал, удастся сохранить хорошую сумму.
• Смеси с пластификаторами легко укладываются и уплотняются. Иногда даже можно обойтись без обработки вибратором.
• Пластификаторы увеличивают срок жизни бетонных смесей. Это очень важно, если их нужно доставлять на площадки. Также эти добавки помогают предотвратить расслаивание.
• При заливке монолитного железобетона (фундаментов, армопоясов и т. д.), пластификаторы обеспечивают лучшую адгезию бетона и арматуры, что делает конструкцию надежнее.

При создании бетонных растворов могут также использоваться суперпластификаторы. Они предназначены не только для водоредуцирования, но также для регулирования времени застывания и повышения свойств морозостойкости.

Заполнители

Это другая важная составляющая бетонных смесей. Заполнители могут быть:

• крупными — гравий, щебень;
• мелкими — песок.

Фракция крупного заполнителя может быть размером в 20-100 мм. По этому параметру заполнители делятся на тяжелые и мелкозернистые. Виды и состав заполнителей регламентированы в ГОСТе 26633-2015.

Методы замеса

На прочность бетона влияет такой процесс как замешивание и обработка цемента. Это может быть:

• мокрая активация;
• виброактивация.

Мокрая активация производится так. В мешалку загружаются все компоненты, кроме песка. Постепенно подливается вода. Когда мешалка работает, заполнитель растирает цемент. Через 5 минут добавляются остальные ингредиенты. При такой процедуре цемент легко активируется. Даже лежалый материал быстро приходит в форму.

При виброактивации все компоненты перемешивают одновременно. При этом наполнение цемента влагой значительно увеличивается. Его активность повышается примерно на 30%.

Повышение активности лежалого цемента может производиться при помощи добавления пластификаторов.

Армирование

Залитая бетоном арматура является более крепким сооружением, нежели простая застывшая бетонная смесь. Вместо армирования или в дополнение к нему, может использоваться фибра разного вида. Она снижает риск возникновения трещин, уменьшает усадку и уплотняет материал.

Бетонная фибра — это многочисленные тонкие волокна соединенные между собой. Она добавляется в раствор при замешивании. Фибра может быть металлической, стекловолоконной, полипропиленовой, базальтовой.

Обработка при укладке

Прочность бетона зависит от отсутствия крупных пор и пустот при его укладке. Чтобы минимизировать их наличие, используется вибрирование. Для этого требуется специальное оборудование, большие трудозатраты и расход энергии. Обойтись без вибрирования можно при добавлении в раствор пластификаторов.

Условия затвердевания и уход за материалом

Цемент твердеет при высокой влажности. Это значит, что ее уровень должен поддерживаться пока раствор не достигнет хотя бы критической прочности.

Критическая прочность — это показатель прочности бетона, когда на его застывание уже не может ничего повлиять. Величина указывается в проектной документации. Обычно она составляет от 30 до 50% расчетного показателя материала. Некоторые виды раствора достигают критической прочности при 70%. В большинстве случаев критическая прочность достигается уже через 7 дней после заливки.

Влажность позволяет смеси находиться в постоянной реакции гидратации. Увеличение прочности происходит неравномерно. Самые сильные реакции происходят в первые несколько суток. Потом их интенсивность снижается. Это хорошо видно на графике:

За 28 дней бетон набирает расчетную прочность. Дополнительную прочность он может получать еще на протяжении нескольких месяцев.

Для набора расчетной прочности, надо создать комфортные условия. Влажность воздуха должна составлять около 100%, а температура около 20°С.

При большой сухости воздуха, поверхность бетона поливают водой и накрывают пленкой, чтобы сохранить влажность. Такое часто встречается летом.

Если уровень влажности опустится ниже 40%, твердение почти полностью прекратится. То же самое произойдет если температура опустится ниже 0°С.

В этой таблице показана зависимость прочности бетона разных марок и классов от температуры.

Если заливка бетона производится в зимний период, необходимо организовать его обогрев.

Как прочность бетона связана с показателями морозостойкости и водонепроницаемости?

Прочность бетона зависит от его плотности. При этом высокий уровень плотности отражается и на других свойствах материала.

Несмотря на высокую плотность, бетон остается пористым материалом. В нем встречается множество пор и “капилляров”, в которых могут развиваться плесень, грибки и микроорганизмы. Такое воздействие негативно воздействует на материал и может привести к его разрушению.

Если бетон находится под регулярным воздействием низких температур. Влага в его порах замерзает и расширяется. С каждым циклом заморозки и разморозки, трещины и повреждения становятся больше и опаснее, ведя в конечном счете к разрушению.

Именно поэтому для бетона так важна плотность. Чем он плотнее, тем меньше в нем пор. Это касается не только их количества, но и размера.

Чтобы улучшить гидрофобные качества бетона, применяются специальные добавки и мастики, пропитывающие застывший камень.

Зачем нужно знать прочность бетона?

При строительстве сооружений, важно знать какие нагрузки будут ложиться на фундамент. Так, деревянный дом гораздо легче кирпичного, и уж тем более многоэтажного.

При этом избыточная прочность бетона также не приветствуется, поскольку более высокий класс бетона обойдется дороже.

Разные типы работ предусматривают использование своего класса бетона:

• легкий бетон В7,5 — подготовительные работы;
• В12,5 — мощение дорожек и стяжек, основания для легких конструкций;
• В15 — фундаменты для домов до 2 этажей;
• В20 — ленточные фундаменты, лестницы, свободные перекрытия;
• В22,5 — фундаментные основания, дорожки, монолитные стены;
• В25 — фундаменты, стены, бассейны;
• В30 — технические объекты и мосты;
• В35 — дамбы, гидротехнические объекты;
• В40 — мосты, метро, плотины, прочие конструкции с особыми требованиями.

Как определяется прочность бетона?

Чтобы присвоить определенному рецепту бетона класс, проводятся испытания кубических образцов с ребром 150 мм. В ходе испытаний образцы разрушаются особыми способами.

• Метод отрыва и скалывания. Из куба выдергивается заранее сделанный стержень.
• Метод вдавливания, с использования штампа и шарикового молотка.
• Метод упругого отскока. Для этого метода применяется особый измеритель прочности бетона. При этом материал остается целым. Для проведения теста используется молоток Шмидта. Такой вариант можно использовать на готовых конструкциях, чтобы убедиться в их прочности.

Молоток Шмидта применяется не только для тестирования бетона, но также кирпича и прочих материалов. Устройства производятся с разной энергией удара.

Чтобы провести испытание при помощи молотка Шмидта, понадобится участок площадью не меньше 100 кв. см. Молоток приставляется перпендикулярно к зоне испытания. Удар не должен приходится на крупные раковины или арматуру. На всех участках производится по 10 замеров.

После удара замеряется значение отскока. По итогам всех испытаний вычисляется средняя величина и затем высчитывается прочность на сжатие.

Разделение бетонов по прочности

Классификация марок бетона по прочности использовалась в Советском Союзе. Сейчас они делятся на классы. Марка обозначалось буквой “М” и числом, которое обозначало среднее давление, которое может выдержать бетон. Оно измерялось в кг на кв. см.

Класс бетона обозначается буквой “В” и числом, соответствующим максимальной прочности бетона, измеряемой в Мпа.

Класс бетона является более точным показателем чем марка. Посмотреть приблизительное соответствие класса бетона его марке можно в этой таблице:

Заключение

Строительный материал, появившийся еще в древности, активно используется и сейчас. Он претерпел множество изменений. В современных смесях применяются разные добавки, улучшающие его свойства. Благодаря этому удается снизить финансовые и трудовые затраты, получая качественный и надежный материал с необходимыми характеристиками.

Как измерить ёмкость конденсатора мультиметром?

Ёмкость — это мера способности конденсатора накапливать заряды. Ёмкость измеряется в фарадах, по имени почетного члена Петербургского университета английского физика Майкла Фарадея.

Что такое емкость?

Если удалить одиночный электропроводник бесконечно далеко, исключить влияние заряженных тел друг на друга, то потенциал удаленного проводника станет пропорционален заряду. Но у отличающихся по размеру проводников потенциалы не совпадают.

Единицей емкости конденсатора в СИ является фарад. Коэффициент пропорциональности обозначают буквой С — это емкость, на которую влияет размер и внешняя структура проводника. Материал, фазовое состояние вещества электрода роли не играют — заряды распределяются на поверхности. Поэтому в международных правилах СГС ёмкость измеряется не в фарадах, а в сантиметрах.

Уединенный шар радиусом 9 млн км (1400 радиусов Земли) содержит 1 фарад. Отдельный проводящий элемент удерживает заряды в недостаточных для применения в технике количествах. По технологиям XXI в. создается ёмкость конденсаторов с единицами измерений выше 1 фарада.

Накапливать требуемое для работы электронных схем количество электричества способна структура из минимум 2 электродов и разделяющего диэлектрика. В такой конструкции положительные и отрицательные частицы взаимно притягиваются и сами себя держат. Диэлектрик между электронно-позитронной парой не допускает аннигиляции. Подобное состояние зарядов называется связанным.

Раньше для измерения электрических величин применяли громоздкое оборудование, не отличающееся точностью. Теперь, как измерить ёмкость тестером, знает даже начинающий радиолюбитель.

Маркировка на конденсаторах

Знать характеристики электронных приборов требуется для точной и безопасной работы.

Определение ёмкости конденсатора включает измерение величины приборами и чтение маркировки на корпусе. Обозначенные значения и полученные при измерениях отличаются. Это вызвано несовершенством производственных технологий и эксплуатационным разбросом параметров (износ, влияние температур).

На корпусе указана номинальная емкость и параметры допустимых отклонений. В бытовых устройствах используют приборы с отклонением до 20%. В космической отрасли, военном оборудовании и в автоматике опасных объектов разрешают разброс характеристик в 5-10%. Рабочие схемы не содержат значений допусков.

Номинальная емкость кодируется по стандартам IEC — Международной электротехнической комиссии, которая объединяет национальные организации по стандартам 60 стран.

Стандарт IEC использует обозначения:

1. Кодировка из 3 цифр. 2 знака в начале — количество пФ, третий — число нулей, 9 в конце — номинал меньше 10 пФ, 0 спереди — не больше 1 пФ. Код 689 — 6,8 пФ, 152 — 1500 пФ, 333 — 33000 пФ или 33 нФ, или 0,033 мкФ. Для облегчения чтения десятичная запятая в коде заменяется буквой «R». R8=0,8 пФ, 2R5 — 2,5 пФ.
2. 4 цифры в маркировке. Последняя — число нулей. 3 первых — величина в пФ. 3353 — 335000 пФ, 335 нФ или 0,335 мкФ.
3. Использование букв в коде. Буква µ — мкФ, n — нанофарад, p — пФ. 34p5 — 34,5 пФ, 1µ5 — 1,5 мкФ.
4. Планерные керамические изделия кодируют буквами A-Z в 2 регистрах и цифрой, обозначающей степень числа 10. K3 — 2400 пФ.
5. Электролитические SMD приборы маркируются 2 способами: цифры — номинальная емкость в пФ и рядом или во 2 строчке при наличии места — значение номинального напряжения; буква, кодирующая напряжение и рядом 3 цифры, 2 определяют емкость, а последняя — количество нулей. А205 значит 10 В и 2 мкФ.
6. Изделия для поверхностного монтажа маркируются кодом из букв и чисел: СА7 — 10 мкФ и 16 В.
7. Кодировки — цветом корпуса.

Маркировка IEC, национальные обозначения и кодировки брендов делают запоминание кодов бессмысленным. Разработчикам аппаратуры и мастерам-ремонтникам требуются справочные источники.

Вычисление с помощью формул

Вычисление номинальной емкости элемента требуется в 2 случаях:

1. Конструкторы электронной аппаратуры рассчитывают параметр при создании схем.
2. Мастера при отсутствии конденсаторов подходящей мощности и емкости используют расчет элемента для подбора из доступных деталей.

RC цепи рассчитывают с применением величины импеданса — комплексного сопротивления (Z). Rа — потери тока на нагревание участников цепи. Ri и Rе — учитывают влияние индуктивности и ёмкости элементов. На выводах резистора в RC цепи напряжение Uр обратно пропорционально Z.

Тепловое сопротивление увеличивает потенциал на нагрузке, а реактивное уменьшает. Работа конденсатора на частотах выше резонансных, когда растет реактивная составляющая комплексного сопротивления, приводит к потерям напряжения.

Частота резонанса обратно пропорциональна способности накапливать заряд. Из формулы для определения Fр вычисляют, какие значения Ск (емкости конденсатора) требуются для работы цепи.

Для расчета импульсных схем используют постоянную времени цепи, определяющую воздействие RC на структуру импульса. Если знают сопротивление цепи и время заряда конденсатора, по формуле постоянной времени вычисляют емкость. На истинность результата влияет человеческий фактор.

Мастера используют параллельные и последовательные соединения конденсаторов. Формулы расчета обратны формулам для резисторов.

Последовательное соединение делает емкость меньше меньшей в соединении элементов, параллельная схема суммирует величины.

Как измерить ёмкость конденсатора мультиметром?

Измеряя параметры, конденсатор предварительно разряжают, замкнув выводы между собой отверткой с изоляцией на ручке. Если этого не сделать, маломощный мультиметр выйдет из строя.

Ответ на вопрос, как проверить емкость конденсатора мультиметром с режимом «Сх» такой:

1. Включить режим «Сх» и подобрать предел замера — 2000 пФ — 20 мкФ в стандартном приборе;
2. Вставить конденсатор в гнезда в приборе или приложить щупы к выводам конденсатора и посмотреть значение на шкале прибора.

Амперовольтметром или мультиметром определяют наличие внутри корпуса короткого замыкания или обрыва.

Полярный конденсатор включают в цепь прибора с учетом направления тока. Электроды изделия производители маркируют. Конденсатор, рассчитанный для напряжения 1-3 В, при обратном токе выше нормы выйдет из строя.

Перед тем как измерить характеристики, полярный электролитический конденсатор выпаивают из платы. Включают мультиметр в режим измерения сопротивления или проверки полупроводников. Прикладывают щупы к электродам полярного конденсатора — плюс к плюсу, минус к минусу. Исправная емкость покажет плавный рост сопротивления. По мере заряда ток уменьшается, ЭДС растет и достигает напряжения источника питания.

Обрыв в конденсаторе будет выглядеть на мультиметре как бесконечное сопротивление. Прибор не отреагирует или стрелка на аналоговом экземпляре едва шевельнется.

При пробое элемента измеряемый параметр не соответствует номинальному значению в меньшую сторону, пропорционально величине пробоя.

Если задаться вопросом, как измерить мультиметром комплексное или эквивалентное последовательное сопротивление (ESR конденсатора), то без приставки сделать это проблематично. Реактивные свойства конденсатор проявляет при высокочастотном токе.

Емкость конденсатора: единица измерения

Конденсаторные радиодетали содержат в себе пластины из электропроводящего вещества, разделенные прослойкой диэлектрика. От других устройств, используемых в электроцепях, они отличаются способностью накапливать электрический заряд. Чтобы правильно выбрать подходящую деталь, нужно иметь представление о том, что собой представляет описывающая емкость конденсатора единица измерения, и уметь читать обозначения на маркировке.

Что такое емкость

Данная величина характеризует способность конденсаторного устройства накапливать электрический заряд. Выразить ее можно как частное накопленного радиодеталью заряда и разницы потенциалов между пластинами.

Важно! Понятие электрической емкости применяют не только к конденсаторам, но и кабелям и другим проводниковым элементам. В этом случае она зависит от габаритов и пространственно-конфигурационных характеристик проводника, а также условий внешней среды.

Единица измерения емкости

Измерять емкостные показатели принято в фарадах. В России в вычислениях принято сокращать название единицы до заглавной буквы Ф, в международных документах она именуется латинской литерой – F. Названа она по имени английского физика Майкла Фарадея. За значение 1 Ф принимается такая емкость, при которой при транспортировке однокулонного заряда от одной обкладки к другой (или из одной точки в другую) напряжение между ними изменится на величину одного вольта.

Единица измерения электроёмкости в других системах

В систему СИ использование фарада для описания емкости внедрено в 1960 году. В гауссовой системе для этого используется статфарад. Сокращать такую единицу на письме принято как статФ. 1 статФ приблизительно равен 1,11 пикофарада и описывает емкость сферы, имеющей радиус 1 сантиметр и помещенной в вакуумную среду. Перевести значения той или иной величины во внесистемных единицах в принятые в СИ можно с помощью специальных калькуляторов.

Фарады через основные единицы системы СИ

Чтобы выразить рассматриваемую единицу через другие, можно отталкиваться от формулы емкости:

С = q/U, где q – заряд (принято вычислять его в кулонах), а U – потенциальная разность пластин (измеряют в вольтах).

Выходит, что Ф=Кл/В. Справедливо также следующее выражение:

Здесь подразумеваются слева направо: секунда, ампер, килограмм и квадратный метр.

Кратные единицы ёмкости

В большинстве случаев в электротехнике оперируют деталями с малыми значениями емкостей. Иногда можно увидеть такие обозначения, как 10uf конденсатор. Малоопытный человек может не сразу понять, что значит аббревиатура uf. Следует усвоить, что наиболее распространенными в описании емкостных элементов являются следующие единицы: пикофарад (или пФ, он равен 10-12 Ф), нанофарад (нФ, 10-9 Ф) и микрофарад (мкФ, 10-6 Ф). Указание емкости конденсатора в uf обозначает именно микрофарады. Целесообразно приобрести таблицу перевода измерительных единиц разных масштабов друг в друга.

Кратные единицы на практике применяются не настолько часто. У некоторых ионисторных деталей с бинарным электрическим слоем емкостной показатель может измеряться килофарадами (кФ, 1000 Ф). Значение у стандартных конденсаторных элементов обычно не превышает сотни фарад.

Маркировка конденсаторов в зависимости от ёмкости

При приобретении элементов, соответствующих расчетным данным для той или иной цепи, пользователю нужно уметь расшифровывать обозначения на корпусах устройств, информирующие, сколько емкости они способны накопить. У различных производителей приняты разные системы маркировки радиодеталей.

Кодировка маленьких по размерам устройств

На корпусах советских радиодеталей было принято обозначать пикофарады целым числом (например, 25). Если на такой детали параметр указан числом, содержащим десятичную дробную часть, подразумеваются микрофарады. Сами буквенные обозначения (пФ, мкФ и им подобные) прописывать на корпусах было не принято.

Важно! Что касается российских изделий, нанофарады и микрофарады указываются традиционными сокращениями, в которых редуцируется буква Ф (получается «н» и «мк», соответственно). Емкость, исчисляющуюся в пикофарадах, указывают только числом, как и у советских деталей.

Когда латинская приставка, указывающая кратную единицу, находится перед числом, последнее нужно считать как сотые доли. К примеру, n45 означает 0,45 нанофарад. Когда приставка находится в середине числа, на ее месте полагается быть запятой: 4u3 – 4,3 микрофарад. Применяется и трехзначная пикофарадная кодировка: когда последняя из цифр не больше 6, чтобы получить емкостное значение, к первым двум цифрам нужно приписать число нулей, соответствующее этой цифре (340 – 34 пикофарада, 342 – 3400). Цифры 7, 8 и 9 соответствуют перемножениям двузначного числа на 0,001, 0,01 и 0,1, соответственно.

Используется также обозначение номиналов изделий цветными полосами. Указание емкостного параметра регламентируется стандартом EIA.

Кодировка больших по размерам устройств

У крупногабаритных компонентов, к примеру, электролитических из алюминия, данные о параметрах, включая емкостной показатель, указываются на поверхности корпуса. Обычно емкость таких деталей выражается в микрофарадах. Буквы M или MFD символизируют именно эту единицу. Трехзначная аббревиатура может указываться и строчными буквами – mfd.

Как измерить ёмкость конденсатора мультиметром

Чтобы произвести такую операцию, необходим прибор с режимом измерения емкости (часто помечается как С или Сх). Он должен иметь сопротивление, превышающее 2 килоом. Перед замерами надо произвести разрядку контактов устройства. Для этого подойдет отвертка с рукоятью, покрытой изоляционным материалом (например, прорезиненной). Нужно взять инструмент за рукоятку и дотронуться до контактов, после этого они замкнутся. Затем нужно подержать конденсатор обесточенным около получаса, чтобы он полностью разрядился.

Важно! При неисправности емкостной радиодетали измерительный прибор покажет бесконечное значение и начнет издавать пищащие звуки. Проверке нельзя подвергать устройства, имеющие проколы или выпуклости на корпусе – такие конденсаторы непригодны к эксплуатации.

Электрическую цепь отключают от питания. После этого надо убедиться в его отсутствии, приставив щупы к поставщику при предварительно установленной программе измерения напряжения. Нужно, чтобы параметр имел нулевое значение.

Измерительный прибор ставят в режим измерения емкостного параметра. При использовании прибора с несколькими интервалами настроек выбирают тот, что подойдет с большей вероятностью (ориентируясь на данные маркировки). Если есть кнопка Rel, ее используют для освобождения щупов от емкостной нагрузки. Щупы ставят к выводам детали, строго соблюдая поляризацию. Если после ожидания экран сообщает о перегруженности, емкость слишком велика для идентификации этим прибором, либо надо выбрать другой интервал.

Прочие способы измерения

Максимальной точности данных можно достигнуть при применении индикатора иммитанса. Проблема в том, что такие устройства требуют больших бюджетных вложений, зачастую имея цену более 100 тысяч рублей.

Еще один способ – собрать цепь из резистора и конденсатора. Предварительно у первого замеряют сопротивление, а также измеряют напряжение источника питания. Собрав цепь, емкостной элемент закорачивают, подключают цепь к питанию, замеряют напряжение и умножают на 0,95. После раскорачивания замеряют время, за которое напряжение упадет от 100 до 95%. Эту цифру надо поделить на утроенное резисторное сопротивление. Это и будет емкостной показатель в фарадах.

Единицу фарад используют для описания емкостных показателей, как конденсаторных устройств, так и проводников. Для правильного подбора деталей необходимо уметь расшифровывать маркировку на корпусе.

Видео

Что такое емкость конденсатора?

Электрическое понятие ёмкости означает способность проводника или нескольких проводников накапливать электрический заряд. Этой важной характеристикой обладает одиночный проводник. Для него ёмкость будет составлять отношение собственного заряда к величине потенциала, при условии, что все остальные проводники теоретически не существуют (удалены в бесконечность) и потенциал любой точки пространства соответственно равен нулю.

Этой характеристикой обладают и два проводника. В этом случае ёмкость системы, представленной в качестве двухполюсника, равна отношению заряда системы к разности потенциалов двух проводников. В случае разделения пространства проводников вакуумом или диэлектриком – когда мы имеем дело с конденсатором – разность потенциалов берётся между обкладками.

Единицей измерения ёмкости в системе СИ (Международной системе единиц) выступает фарад (ранее – фарада), названный так в честь выдающегося учёного из Великобритании, внёсшего огромнейший вклад в развитие электротехники, Майкла Фарадея. В системе СГС ёмкость измеряется в сантиметрах. Ёмкостью в 1 фарад (ф) обладает конденсатор, способный создавать напряжение между обкладками в 1 вольт при заряде в 1 кулон.

Сам по себе фарад – гигантская величина ёмкости для уединённого проводника (её мог бы иметь шар из металла, размером в 13 раз превышающим Солнце). На практике нашли применение его дольные единицы: микрофарады, нанофарады и пикофарады. Они применяются для измерения ёмкостей между электродами в разнообразных приборах, а также ёмкостей кабелей и конденсаторов.

Определения

Конденсатор представляет собой двухполюсник (совокупность двух проводников, имеющих противоположно направленные, но равные по величине заряды), обладающий переменной или постоянной ёмкостью при наличии малого уровня проводимости. Его неотъемлемой функцией является возможность накопления и отдачи заряда, а также электрической энергии, существующего благодаря ему поля. В электрических цепях он играет пассивную роль.

Честь создания первых прототипов современных конденсаторов принадлежит двум независимым друг от друга исследователям:

• Голландцу Питеру ван Мушенбруку, работавшему совместно со своим учеником Кюнеусом над созданием так называемой «лейденской банки», первый образец которой появился в 1745 году.
• Немцу Эдварду Юргену фон Клейсту, параллельно ставшему изобретателем «медицинской банки».

Хотя надо отметить, что несколько ранее российско-германским физиком Эпинусом были созданы первые разделённые диэлектриком (непроводящим электрический ток материалом) электрические листы – фактически полноценные конденсаторы.

Сегодня столь повсеместно распространённое устройство как конденсатор представляет собой две пластины, служащие электродами (обкладками), между которыми расположен слой тончайшего диэлектрика. На практике они (пластины и диэлектрики) отличаются многослойностью, а изготавливаются в виде скрученных в параллелепипед или цилиндр чередующихся между собой лент изоляционного материала и проводника.

Плоский конденсатор

Плоский конденсатор представляет собой две параллельно расположенные пластины прямоугольной, квадратной или круглой формы, противоположно заряженные и разделённые тонким слоем диэлектрика. Формула расчёта его ёмкости выглядит следующим образом:

• С – ёмкость конденсатора, ф.
• ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, речь о которой пойдёт ниже.
• ε – диэлектрическая постоянная, равная 8,854185×10-12 ф/м.
• S – площадь пластины, м 2 .
• d – расстояние между пластинами, м.

Как следует из приведённой формулы, ёмкость плоского конденсатора растёт по мере увеличения площади пластин и при сокращении расстояния между ними. При этом в качестве диэлектрика лучше всего выбирать материалы с наибольшей диэлектрической проницаемостью (в идеале – дистиллированную воду). В случае использования многослойного плоского конденсатора, чередующего диэлектрик и пластины, его ёмкость вырастет в n-1 раз. Где n – количество используемых пластин.

Сферический конденсатор

Сферический конденсатор представляет собой шар, состоящий из двух концентрических обкладок, разделённых слоем сферы диэлектрика. Благодаря особенностям геометрии находящихся внутри друг друга тел, формула расчёта его ёмкости такова:

Здесь R1 и R2 – радиусы обкладок, а r2 – радиус от центра до самого края, r1 – самый малый радиус.

Цилиндрический конденсатор

Ёмкость цилиндрического конденсатора рассчитывается по следующей формуле:

Где l – длина цилиндра конденсатора, а R1 и R2 – радиусы цилиндрических обкладок.

Маркировка конденсаторов

В электротехнике конденсаторы применяются повсюду. Обычно они подразделяются (классифицируются) по виду наполняемого межэлектродное пространство диэлектрика и по методам изменения своей ёмкости. Старые (изготовленные до 1960 года) конденсаторы маркируются системой обозначения с участием только лишь букв:

• первая буква К говорит, что это конденсатор;
• вторая буква указывает на материал, из которого изготовлен диэлектрик (Б – бумага, К – керамика, С – слюда, Э – электролит);
• третья показывает приемлемые условия эксплуатации или подразумевает герметичность конструкции.

Применяемая сегодня обновлённая (цифровая) система маркировки подразделяет конденсаторы по предназначению, исполнению, виду диэлектрика. Суть её сводится к следующему:

• начальная буква К также обозначает конденсатор;
• следующая цифра сообщает о диэлектрическом материале, буква – о целях применения;
• далее идёт номер разработки или вариант конструкции, указываемый соответствующей буквой.

Формулы для вычисления

Электрической ёмкости в фарадах, посредством математических выражений

Ёмкость, которую может накапливать и хранить конденсатор, как потенциальную электрическую энергию – величина постоянная. Она пропорциональна заряду и обратно пропорциональна приложенному напряжению. Математическое выражение фарада выглядит так:

• C – ёмкость конденсатора,
• Q – заряд,
• U – приложенное напряжение.

Из приведённого выражения следует, что, изменяя прикладываемое напряжение, можно регулировать величину самого заряда.

Единица измерения электрической ёмкости – фарад – может выражаться (рассчитываться) и через иные единицы измерения, действующие в системе СИ:

Здесь: F – фарад, C – кулон, V – вольт, A – ампер, s – секунда, J – джоуль, N – ньютон, m – метр, W – ватт, kg – килограмм, Ω – ом, Hz – герц, H – генри.

Ёмкости конденсатора в зависимости от диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между его пластинами

Диэлектрическая проницаемость среды характеризует изоляционные свойства материала. В нашем случае – изолятора, определяющего ёмкость конденсатора. Из приведённых выше формул для расчёта ёмкостей плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов видно, что ёмкость всегда прямо пропорциональна величине проницаемости используемого диэлектрического материала – ε.

Из практических соображений при расчёте ёмкостей конденсаторов употребляется относительная диэлектрическая проницаемость, равная:

• 3-10 для стекла;
• 5-7 для слюды;
• 2,5-3,5 для бумаги;
• 1,0006 для воздуха.

Как измерить ёмкость конденсатора с помощью мультиметра?

Обычно ёмкость конденсатора указывается на его корпусе цветовым кодом или дробными единицами фарад. Однако с течением времени её величина, вследствие износа и эксплуатации, может измениться.

Для того, чтоб убедится в правильности указанной величины, можно воспользоваться мультиметром. Современные цифровые мультиметры, оснащённые функцией измерения ёмкости «Cx», способны выдавать достаточно объективные показания, анализируя кривую нарастания напряжения при заряде и разряде в конденсаторе заранее заданным током.

Выполняется данная процедура следующим образом:

• Ножки конденсатора, соблюдая полярность, вставляются в соответствующие гнёзда.
• Выбирается нужный диапазон измерения (подчас проблемой является конкретная для данного прибора узость измеряемых величин – это необходимо предусмотреть заранее).
• Нужные показания считываются на табло.

Иные способы измерения

Существуют и иные способы измерения ёмкости конденсатора.

Осциллографом

С помощью осциллографа можно определить постоянную времени, то есть время заряда конденсатора на 63%. Далее разделив эту постоянную на сопротивление цепи в омах, получим искомую величину в фарадах.

Мостовыми измерителями

Здесь конденсатор включается в плечо моста, что позволяет обеспечить высокую точность измерения. Показания можно отслеживать на дисплее и по мере необходимости, пользуясь средствами связи, оперативно передавать на значительные расстояния.

С помощью тестера, не обладающего функцией замера ёмкости

В этом случае потребуется источник питания и схема с включением измеряемого конденсатора и резистором, номиналом в 1-10 кОм. Проведя с помощью тестера и секундомера замеры и сделав необходимые расчёты, можно примерно рассчитать ёмкость исследуемого конденсатора.

Кроме вышеперечисленных методов, имеется множество сделанных руками любителей и профессионалов моделей, позволяющих проводить тестирование конденсаторов с функциями определения их ёмкостей.

Заключение

Конденсаторы нашли широчайшее применение во всех направлениях электротехники и электроэнергетики благодаря целому набору функциональных возможностей:

• фильтрации электрических сигналов;
• способности формирования цепей обратной связи;
• вхождения в схемы колебательных контуров;
• возможности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения;
• получения импульсного разряда значительной мощности;
• использования в качестве элемента памяти логических устройств;
• ограничителя величин переменного тока (балласта);
• использования как одного из элементов времязадающих цепей;
• компенсации реактивных мощностей и фильтрации высших гармоник;
• применения в качестве ускорителя заряженных частиц;
• измерителя малых перемещений;
• косвенного измерителя физических величин: влажности, температуры, уровня среды;
• употребления в качестве фазосдвигающего устройства;
• использования в качестве аккумулятора электроэнергии.

О последнем пункте хочется сказать отдельно и особо. Голубой мечтой энергетиков (и не только энергетиков) является создание суперконденсатора и освоение сверхпроводимости. При всех своих достоинствах электрическая энергия обладает рядом существенных недостатков: её невозможно хранить, а передача больших мощностей на значительные расстояния обходится очень дорого.

Выходом могло бы стать создание конденсаторов огромной ёмкости – быстро заряжающихся (в отличие от химических источников тока) и длительно хранящих большие запасы электроэнергии при сравнительно небольших габаритах. Но пока что суперконденсаторы – всего лишь красивая мечта. Хотя, вполне возможно, что на путях создания молекулярно-структурированных материалов, служащих в качестве электродов и изоляции, возникнут, в конце концов, устройства, обладающие практически неограниченной электрической ёмкостью.

Работа в этом отношении ведётся на протяжении 70 с лишним лет. Перспективные разработки с уникальными данными имеются, они находят применение на практике в качестве установок, сглаживающих колебания электрического напряжения или электроэквивалентов механических инерционных устройств.

Ликбез КО. Лекция №2 Конденсатор.

Конденсатор (ёмкость)
Конденсатор (ёмкость) –элемент, способный накапливать электромагнитную энергию в собственном электрическом поле, образуемом обкладками конденсатора. Обозначается – С. Напряжение и ток на его контактах связано зависимостью:

Величина ёмкости измеряется в фарадах (Ф). 1 фарада – это величина такой ёмкости, на которой имеет место падение напряжения 1 вольт при наличии заряда в ёмкости 1 кулон.

1 фарада – очень большая величина, поэтому применяемые в технике конденсаторы имеют величины: – пикофарад – 10-12; нанофарад – 10-9; микрофарад – 10-6.
Процессы, происходящие в конденсаторе.

Конденсатор (ёмкость)
Конденсатор (ёмкость) –элемент, способный накапливать электромагнитную энергию в собственном электрическом поле, образуемом обкладками конденсатора. Обозначается – С. Напряжение и ток на его контактах связано зависимостью:

Величина ёмкости измеряется в фарадах (Ф). 1 фарада – это величина такой ёмкости, на которой имеет место падение напряжения 1 вольт при наличии заряда в ёмкости 1 кулон.

1 фарада – очень большая величина, поэтому применяемые в технике конденсаторы имеют величины: – пикофарад – 10-12; нанофарад – 10-9; микрофарад – 10-6.
Процессы, происходящие в конденсаторе на временном графике при подключении конденсатора к источнику прямоугольного однополярного сигнала, показаны на рисунке.

Из рисунка видно, что в момент подачи прямоугольного импульса источника тока (красный), напряжение на выводах конденсатора (фиолетовый) сначала равно нулю и с изменением времени увеличивается по экспоненте – конденсатор заряжается, а ток конденсатора (зелёный) наоборот сначала максимален, но потом по мере заряда уменьшается по экспоненте. При пропадании импульса, напряжение на выводах конденсатора уменьшается по экспоненте – конденсатор разряжается, а ток, изменивший полярность сначала максимален, и по мере разряда уменьшается из отрицательной области до нуля. Скорость изменения напряжения и тока зависит от значения ёмкости. Чем больше ёмкость, тем медленнее они изменяются (экспонента более вытянута по времени). Напряжение и ток на нагрузочном резисторе ведут себя одинаково, и изображены на временном графике оранжевым цветом. Их взаимосвязь описывается законом Ома.
Фактически, мы рассмотрели «четырёхполюсник» состоящий из конденсатора и резистора, который называют дифференцирующей цепочкой.

Дифференцирующая цепочка применяется для преобразования прямоугольных импульсов большой длительности в прямоугольные импульсы малой длительности. Чтобы, Вам было понятнее, дифференцирующая цепочка и преобразование импульса изображены на следующем рисунке.

Вслед за дифференцирующей цепочкой устанавливается пороговое устройство, не пропускающее через себя всё, что ниже по амплитуде установленного порога, с выхода порогового устройства, срезанные импульсы поступают на усилитель-ограничитель, который усиливает «кривой» импульс и ограничивая его амплитуду «сверху» пропускает его на выход.
Кроме функции преобразования прямоугольных импульсов, дифференцирующая цепочка может применяться в качестве фильтра высоких частот (ФВЧ). Конденсатор – инертный элемент. Если к конденсатору с большой ёмкостью приложить переменное напряжение низкой частоты, в силу своей инертности, ёмкость будет не способной пропустить через себя ток, ведь конденсатору сначала надо будет зарядиться, а потом отдавать заряд. Свойство конденсатора сопротивляться переменному электрическому току называют реактивным сопротивлением конденсатора, которое используется при конструировании частотных фильтров и колебательных контуров. Реактивное сопротивление конденсатора обозначается Xc или Zc и измеряется в Омах. Реактивное сопротивление конденсатора связано с собственной ёмкостью и частотой тока выражением:

Из формулы видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Другими словами, чем выше частота, тем меньше реактивное сопротивление конденсатора.

Теперь представьте, что дифференцирующая цепь, это – делитель напряжения, где вместо первого резистора выступает конденсатор. А мы из формулы теперь знаем, что конденсатор легко пропускает высокие частоты – его сопротивление минимально и плохо пропускает низкие частоты – его сопротивление максимально. В радиоэлектронике, когда рассчитывают частотные фильтры, то считают характеристикой фильтра – частоту среза, которая определяется как значение частоты сигнала, на котором амплитуда выходного сигнала уменьшается (затухает) до значения 0,7 от входного сигнала. Чтобы было понятнее, изображу это на рисунке.

То, что изображено, называется амплитудно-частотной характеристикой, или сокращённо – АЧХ. Для фильтра высоких частот соответствует АЧХ фиолетового цвета, и частота среза равная значению f2.

Зная, как рассчитывается делитель напряжения и реактивное сопротивление конденсатора на определённой частоте, Вы элементарно можете рассчитать простейший г-образный фильтр высокой частоты на конденсаторе и резисторе.
Если в дифференцирующей цепочке поменять местами конденсатор и резистор, то мы получим – интегрирующую цепочку. Все процессы в интегрирующей цепочке происходят точно так же, как и в дифференцирующей. Временные графики, показанные на первом рисунке абсолютно справедливы для интегрирующей цепочки. Отличие заключается в том, что выходным элементом является не резистор, а конденсатор. Поэтому, на выходе интегрирующей цепи будут не остроконечные дифференцированные импульсы (зелёного цвета), а импульсы напряжения, которое присутствует на выводах конденсатора (фиолетового цвета). Ну а если дифференцирующая цепочка – это фильтр высоких частот, то интегрирующая цепочка – это фильтр низких частот (ФНЧ). И рассчитывается он так же, через делитель напряжения. Для фильтра низких частот соответствует АЧХ на рисунке – оранжевого цвета, и частота среза равная значению f1.
Cледует добавить, частотные фильтры, выполненные на конденсаторах и резисторах имеют пологую амплитудно-частотную характеристику. Другими словами у таких фильтров слабо выражен частотный срез. Более качественный срез имеют фильтры состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей), но об этом позже, когда изучим катушку индуктивности.
Параллельное соединение конденсаторов
Общая ёмкость конденсаторов при параллельном соединении равна их сумме.

Последовательное соединение конденсаторов
Величина, обратно пропорциональная общей ёмкости конденсаторов при последовательном соединении равна сумме величин, обратно пропорциональных их ёмкости.

Для двух последовательно соединенных конденсаторов их общая ёмкость равна: