В чем измеряется ёмкость конденсатора: определение и формулы

Электрическая емкость. Конденсаторы

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Диэлектрическая проницаемость вещества. Электроемкость. Конденсаторы. Поле плоского конденсатора. Электроемкость плоского конденсатора. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Вещества в природе можно разделить на проводники и диэлектрики.

Основная особенность — наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

Типичные проводники — металлы.

Диэлектрическая проницаемость вещества

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды — индукционными зарядами.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности (vec_0) внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности (vec) полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества (varepsilon) .

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда (q) одного из проводников к разности потенциалов (Delta varphi) между ними:

Единицы измерения: (displaystyle [text<Ф>]) (фарад).

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами , а проводники, составляющие конденсатор, — обкладками .

Плоский конденсатор — система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Электроемкость плоского конденсатора

Разность потенциалов (Delta varphi) между пластинами в однородном электрическом поле равна (Ed) , где (d) — расстояние между пластинами. Из этих соотношений можно получить формулу для электроемкости плоского конденсатора:

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в (varepsilon) раз:

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния. В целом ряде задач приближенно можно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Для достижения нужной емкости или при напряжении, превышающем номинальное напряжение, конденсаторы, могут соединяться последовательно или параллельно. Любое же сложное соединение состоит из нескольких комбинаций последовательного и параллельного соединений.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении, конденсаторы подключены таким образом, что только первый и последний конденсатор подключены к источнику тока одной из своих пластин. Заряд одинаков на всех пластинах , но внешние заряжаются от источника, а внутренние образуются только за счет разделения зарядов ранее нейтрализовавших друг друга. При этом заряд конденсаторов в батарее меньше, чем, если бы каждый конденсатор подключался бы отдельно. Следовательно, и общая емкость батареи конденсаторов меньше.

Напряжение на данном участке цепи соотносятся следующим образом:

Зная, что напряжение конденсатора можно представить через заряд и емкость, запишем:

Сократив выражение на (Q) , получим формулу:

Откуда эквивалентная емкость батареи конденсаторов соединенных последовательно:

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках одинаковое, а заряды разные.

Величина общего заряда полученного конденсаторами, равна сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов. В случае батареи из двух конденсаторов:

Так как заряд конденсатора

А напряжения на каждом из конденсаторов равны, получаем следующее выражение для эквивалентной емкости двух параллельно соединенных конденсаторов

По сути, расчет общей емкости конденсаторов схож с расчетом общего сопротивления цепи в случае с последовательным или параллельным соединением, но при этом, зеркально противоположен.

Энергия заряженного конденсатора

Заряженный конденсатор обладает энергией. В этом можно убедиться на опыте. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на лампочку, то (при условии того, что ёмкость конденсатора достаточно велика) лампочка ненадолго загорится. Следовательно, в заряженном конденсаторе запасена энергия, которая и выделяется при его разрядке.

Вычислим эту энергию: начнём с плоского воздушного конденсатора.

Ответим на такой вопрос: какова силу притяжения его обкладок друг к другу. Величины используем следующие: заряд конденсатора (q) , площадь обкладок (S) . Возьмём на второй обкладке настолько маленькую площадку, что заряд (q_0) этой площадки можно считать точечным. Данный заряд притягивается к первой обкладке с силой

где (E_1) — напряжённость поля первой обкладки:

Направлена эта сила параллельно линиям поля (т.е. перпендикулярно пластинам). Результирующая сила (F) притяжения второй обкладки к первой складывается из всех этих сил (F_0) , с которыми притягиваются к первой обкладке всевозможные маленькие заряды (q_0) второй обкладки. При этом суммировании постоянный множитель (displaystyledfrac<2varepsilon_0S>) вынесется за скобку, а в скобке просуммируются все (q_0) и дадут (q) . В результате получим

Предположим теперь, что расстояние между обкладками изменилось от начальной величины (d_1) до конечной величины (d_2) . Сила притяжения пластин совершает при этом работу [A = F(d_1 -d_2)]

Знак правильный: если пластины сближаются ((d_2 , то сила совершает положительную работу, так как пластины притягиваются друг к другу. Наоборот, если удалять пластины ((d_2 > d_1)) , то работа силы притяжения получается отрицательной, как и должно быть.

Это можно переписать следующим образом: [A =-(W_2-W_1) =-Delta W,]

Работа потенциальной силы (F) притяжения обкладок оказалась равна изменению со знаком минус величины (W) . Это как раз и означает, что (W) — потенциальная энергия взаимодействия обкладок, или энергия заряженного конденсатора. Используя соотношение (q = CU) , можно получить ещё две формулы для энергии конденсатора (проделать это самостоятельно).

Формулы (1)—(3) универсальны: они справедливы как для воздушного конденсатора, так и для конденсатора с диэлектриком.

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 28. Электрическая ёмкость. Конденсатор

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Электрическая ёмкость
2. Плоский конденсатор
3. Энергия конденсатора

Глоссарий по теме:

Конденсатор – устройство для накопления электрического заряда.

Электроёмкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его обкладок.

Последовательное соединение – электрическая цепь не имеет разветвлений. Все элементы цепи включают поочередно друг за другом. При параллельном соединении концы каждого элемента присоединены к одной и той же паре точек.

Смешанное соединение – это такое соединение, когда в цепи присутствует и последовательное, и параллельное соединение.

Энергия конденсатора прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля внутри его:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения.

Основная и дополнительная литература по теме:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 321-330.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. С. 97-100.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Конденсатор при переводе с латиницы означает, то что уплотняет, сгущает – устройство, предназначенное для накопления зарядов энергии электрического поля. Конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Главной характеристикой этого прибора, является его электроёмкость, которая зависит от площади его пластин, расстояния между ними и свойств диэлектрика.

Заряд конденсатора определяется – модулем заряда на любой одной из её обкладок. Заряд конденсатора прямо пропорционален напряжению между обкладками конденсатора. Коэффициент пропорциональности С называется электрической ёмкостью, электроёмкостью или просто ёмкостью конденсатора.

Электрической ёмкостью конденсатора называется физическая величина, которая численно равна отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Чем больше площадь проводников и чем меньше пространство заполняющего диэлектриком, тем больше увеличивается ёмкость обкладок конденсатора.

Измеряется электрическая ёмкость в Международной системе СИ в Фарадах. Эта единица имеет своё название в честь английского физика экспериментатора Майкла Фарадея который внёс большой вклад в развитие теории электромагнетизма. Один Фарад равен ёмкости такого конденсатора, между пластинами которого возникает напряжение, равное одному Вольту, при сообщении заряда в один Кулон.

Электрическая ёмкость конденсаторов определяется их конструкцией, самыми простыми из них являются плоские конденсаторы.

Чем больше площадь взаимного перекрытия обкладок и чем меньше расстояние между ними, тем значительнее будет увеличение ёмкости обкладок конденсатора. При заполнении в пространство между обкладками стеклянной пластины, электрическая ёмкость конденсатора значительно увеличивается, получается, что она зависит от свойств используемого диэлектрика.

Электрическая ёмкость плоского конденсатора зависит от площади его обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками и определяется по формуле:

где – электрическая постоянная.

Для того чтобы получить необходимую определённую ёмкость, берут несколько конденсаторов и собирают их в батарею применяя при этом параллельное, последовательное или смешанное соединения.

Энергия конденсатора равна половине произведения заряда конденсатора напряжённости поля и расстояния между пластинами конденсатора: u = Еd

Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин, это поле совершает положительную работу. При этом энергия электрического поля уменьшается:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения:

Примеры и разбор решения заданий:

1. Плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого равно 3 мм, заряжен до напряжения 150 В и отключен от источника питания. Разность потенциалов между пластинами возросла до 300 В.

1. Во сколько раз увеличилась разность потенциалов между пластинами?
2. Какое расстояние между пластинами конденсатора стало после того, как пластины были раздвинуты?
3. Во сколько раз изменилось расстояние между пластинами.

Электрическая ёмкость конденсатора определяется по формуле:

1.По условию разность потенциалов увеличилось в два раза. U₁ = 150В→ U₂ = 300В.

2.По условию d = 3 мм, если разность потенциалов увеличилось в два раза, по формуле соответственно и расстояние между пластинами увеличилось в два раза, и d =2·3 мм = 6 мм.

3.Расстояние между пластинами увеличилось в два раза.

2. Конденсатор электроёмкостью 20 мкФ имеет заряд 4 мкКл. Чему равна энергия заряженного конденсатора?

Дано: С = 20 мкФ = 20 · 10 -6 Ф, q = 4 мкКл = 4·10 -6 Кл.

Энергия заряженного конденсатора W через заряд q и электрическую ёмкость С определяется по формуле:

формулы для конденсаторов

Одним из важных элементов электрической цепи является конденсатор, формулы для которого позволяют рассчитать и подобрать наиболее подходящий вариант. Основная функция данного устройства заключается в накоплении определенного количества электроэнергии. Простейшая система включает в себя два электрода или обкладки, разделенные между собой диэлектриком.

1. В чем измеряется емкость конденсатора
2. Формула энергии конденсатора
3. Формула заряда конденсатора
4. Формула тока утечки конденсатора

В чем измеряется емкость конденсатора

Одной из важнейших характеристик конденсатора является его емкость. Данный параметр определяется количеством электроэнергии, накапливаемой этим прибором. Накопление происходит в виде электронов. Их количество, помещающееся в конденсаторе, определяет величину емкости конкретного устройства.

Для измерения емкости применяется единица – фарада. Емкость конденсатора в 1 фараду соответствует электрическому заряду в 1 кулон, а на обкладках разность потенциалов равна 1 вольту. Эта классическая формулировка не подходит для практических расчетов, поскольку в конденсаторе собираются не заряды, а электроны. Емкость любого конденсатора находится в прямой зависимости от объема электронов, способных накапливаться при нормальном рабочем режиме.

Для обозначения емкости все равно используется фарада, а количественные параметры определяются по формуле: С = Q / U, где С означает емкость, Q – заряд в кулонах, а U является напряжением. Таким образом, просматривается взаимная связь заряда и напряжения, оказывающих влияние на способность конденсатора к накоплению и удержанию определенного количества электричества.

Для расчетов емкости плоского конденсатора используется формула:
в которой ε = 8,854187817 х 10 -12 ф/м представляет собой постоянную величину. Прочие величины: ε – является диэлектрической проницаемостью диэлектрика, находящегося между обкладками, S – означает площадь обкладки, а d – зазор между обкладками.

Формула энергии конденсатора

С емкостью самым тесным образом связана другая величина, известная как энергия заряженного конденсатора. После зарядки любого конденсатора, в нем образуется определенное количество энергии, которое в дальнейшем выделяется в процессе разрядки. С этой потенциальной энергией вступают во взаимодействие обкладки конденсатора. В них образуются разноименные заряды, притягивающиеся друг к другу.

В процессе зарядки происходит расходование энергии внешнего источника для разделения зарядов с положительным и отрицательным значением, которые, затем располагаются на обкладках конденсатора. Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии, она не исчезает бесследно, а остается внутри конденсатора в виде электрического поля, сосредоточенного между пластинами. Разноименные заряды образуют взаимодействие и последующее притяжение обкладок между собой.

Каждая пластина конденсатора под действием заряда создает напряженность электрического поля, равную Е/2. Общее поле будет складываться из обоих полей, возникающих в каждой обкладке с одинаковыми зарядами, имеющими противоположные значения.

Таким образом, энергия конденсатора выражается формулой: W=q(E/2)d. В свою очередь, напряжение выражается с помощью понятий напряженности и расстояния и представляется в виде формулы U=Ed. Это значение, подставленное в первую формулу, отображает энергию конденсатора в таком виде: W=qU/2. Для получения окончательного результата необходимо использовать определение емкости: C=q/U, и в конце концов энергия заряженного конденсатора будет выглядеть следующим образом: W_эл = CU 2 /2.

Формула заряда конденсатора

Для выполнения зарядки, конденсатор должен быть подключен к цепи постоянного тока. С этой целью может использоваться генератор. У каждого генератора имеется внутреннее сопротивление. При замыкании цепи происходит зарядка конденсатора. Между его обкладками появляется напряжение, равное электродвижущей силе генератора: U_c = E.

Обкладка, подключенная к положительному полюсу генератора, заряжается положительно (+q), а другая обкладка получает равнозначный заряд с отрицательной величиной (- q). Величина заряда q находится в прямой пропорциональной зависимости с емкостью конденсатора С и напряжением на обкладках Uc. Эта зависимость выражается формулой: q = C x Uc.

В процессе зарядки одна из обкладок конденсатора приобретает, а другая теряет определенное количество электронов. Они переносятся по внешней цепи под влиянием электродвижущей силы генератора. Такое перемещение является электрическим током, известным еще как зарядный емкостной ток (Iзар).

Течение зарядного тока в цепи происходит практически за тысячные доли секунды, до того момента, пока напряжение конденсатора не станет равным электродвижущей силе генератора. Напряжение увеличивается плавно, а потом постепенно замедляется. Далее значение напряжения конденсатора будет постоянным. Во время зарядки по цепи течет зарядный ток. В самом начале он достигает максимальной величины, так как напряжение конденсатора имеет нулевое значение. Согласно закона Ома I_зар = Е/R_i, поскольку к сопротивлению Ri приложена вся ЭДС генератора.

Формула тока утечки конденсатора

Ток утечки конденсатора вполне можно сравнить с воздействием подключенного к нему резистора с каким-либо сопротивлением R. Ток утечки тесно связан с типом конденсатора и качеством используемого диэлектрика. Кроме того, важным фактором становится конструкция корпуса и степень его загрязненности.

Некоторые конденсаторы имеют негерметичный корпус, что приводит к проникновению влаги из воздуха и возрастанию тока утечки. В первую очередь это касается устройств, где в качестве диэлектрика использована промасленная бумага. Значительные токи утечки возникают из-за снижения электрического сопротивления изоляции. В результате нарушается основная функция конденсатора – способность получать и сохранять заряд электрического тока.

Основная формула для расчета выглядит следующим образом: I_ут = U/R_d, где I_ут, – это ток утечки, U – напряжение, прилагаемое к конденсатору, а R_d – сопротивление изоляции.

В чём и как измеряется емкость аккумулятора?

Аккумулятор — источник тока многоразового действия, работающий за счет обратимых внутренних химических процессов. Аккумуляторные батареи используются для автономного электропитания разнообразного оборудования. При выборе аккумулятора для автомобиля, другой техники или электроники, в первую очередь обращают внимание на емкость аккумулятора — ключевой параметр устройства. Важно не путать его с зарядом или заряженностью.

Что такое емкость аккумулятора и как ее измеряют

Выражаемая в ампер-часах (А·ч), емкость батареи говорит о времени, которое она может питать автономной энергией подключенное к ней оборудование в рамках одного заряда. Для маленьких аккумуляторов, от которых работает электроника, используется другая единица для отображения емкости — мА·ч (миллиампер-час). Иначе говоря, аккумуляторная емкость — это тот максимальный объем энергии, который он может накопить за один полный цикл зарядки.

Емкость аккумулятора — это то, в чем измеряется ее потенциал, но не заряд. Можно произвести сравнение с бутылкой для воды — независимо от того, наполнена она жидкостью или нет, ее объем не меняется. В данном случае емкость правильно сравнивать с объемом: она не меняется независимо от того, полностью заряжен или разряжен аккумулятор. Эта цифра в большинстве случаев указана на батарее, например, на наклейке автомобильного аккумулятора пишется рядом с величиной пускового тока.

Пример: автомобильный аккумулятор емкостью 60 А·ч говорит о том, что он может работать в течение часа с нагрузкой 60 Ампер и номинальным напряжением 12,7 Вольт (классическое напряжение для большинства батарей, устанавливаемых в машины).

Если вам необходим источник автономной энергии для некоторого оборудования, то как точно рассчитать емкость аккумулятора, подходящего для этой задачи, самостоятельно? Для этого вам необходимо знать несколько переменных:

• критичная нагрузка, измеряемая в Ваттах (обозначение — P);
• время, которое батарея должна питать электрооборудование (t);
• напряжение каждого аккумулятора (V, измеряется в Вольтах)
• коэффициент использования емкости батареи: 1 — использование на 100%, 0,5 — на 50% и т. д. (обозначение — k).

Буквой Q обозначается необходимая емкость. Чтобы ее рассчитать, используйте формулу:

Наглядно: при использовании стандартного аккумулятора 12 В, необходимой работы в течение 5 часов, критичной нагрузке 500 Вт и максимальном разряде батареи до 80%

Q= (500·5) / (12·0,8) = 260,4 А·ч

Это минимальная емкость аккумулятора для поставленной задачи, а также суммарная емкость 12-вольтовых аккумуляторов. Но, в любом случае, лучше приобретать источник энергии с небольшим запасом емкости, например, на 20% больше. Тогда он реже будет разряжаться в ноль и аккумулятор дольше «проживет».

Мы разобрались, что такое емкость аккумулятора и как ее рассчитать, но иногда, надпись на нем может врать или отсутствовать. Или нужно сравнить паспортные данные и реальную картину. Как измерить емкость батарейки в таком случае? В идеале для этого нужно провести процедуру контрольного разряда. Суть проста: нужно пополнить заряд батареи на 100%, используя зарядное устройство с подходящими характеристиками, а после полностью разрядить постоянным током, замерив потраченное на разрядку время. Далее, используется формула:

где I – это постоянный ток разряда, измеряемый в Амперах, а T – время разряда в часах. Например, измерение емкости полностью заряженного аккумулятора, проработавшего 22 с половиной часа с постоянным током 3,6 А дает цифру 81 А·ч. Но это не значит, что та же батарея проработает больше 2 часов с током 36 А: увеличение тока ведет к уменьшению времени разряда. На него влияют и другие факторы, например, температура электролита.

Хитрости измерения емкости аккумуляторов смартфонов и другой мобильной техники

Содержание

Содержание

Как может показаться на первый взгляд, с емкостью аккумуляторов мобильных устройств все предельно просто и понятно — грубо говоря, чем больше миллиампер-часов (мА·ч) в батарее, тем лучше, и тем дольше проработает девайс. Но подобный показатель, к которому привыкли все или почти все, не всегда отражает реальное положение дел, а значит, что сравнивать данные по емкости аккумуляторов у различных устройств не всегда корректно. Какие же секреты таят современные аккумуляторы, и какие дополнительные показатели могут пролить свет на их реальную емкость? Обо всем этом и пойдет речь в нашей статье, а также будут рассмотрены популярные методы измерения емкости аккумуляторов в домашних условиях.

Параметры аккумуляторов

Самую подробную информацию об аккумуляторе стоит искать на его корпусе или в специальных документах с детальным техническим описанием, именуемых «даташитами» (datasheet), а вот в обычных технических характеристиках устройства едва ли будут указаны все нюансы.

Тип аккумулятора — в современных устройствах обычно используется так называемые литий-полимерные аккумуляторы, которые являются слегка усовершенствованной версией литий-ионных аккумуляторов, а иногда на самом деле отличий никаких и нет, и это не более чем маркетинговая уловка. В бытовом понимании литий-полимерные батареи выделяются лишь тем, что имеют мягкий пластиковый мешочек вместо твердого корпуса.

Limited charge voltage — максимально возможное напряжение аккумулятора, повышение которого вызовет различные проблемы с батареей, вплоть до взрыва. Впрочем, бояться перезаряда не стоит, так как при зарядке должна сработать защита.

Nominal Voltage — среднее или рабочее напряжение аккумулятора, при котором он работает большую часть времени. Показатель стоит воспринимать как усредненное значение.

Typical Capacity — типичное, среднестатистическое значение емкости для используемого аккумулятора. Показатель указывается в мА·ч и/или Вт·ч.

Rated Capacity — минимальная емкость батареи, и тут нужно пояснить, что даже в рамках одной партии емкость аккумуляторов может немного отличаться, что вполне допустимо, а показатель Rated Capacity как раз и дает понять в каких пределах могут быть отклонения. Есть и случаи, когда фактическая емкость оказывается выше заявленной производителем.

В каких значениях измеряется емкость аккумулятора

Так сложилось, что почти все ориентируются на показатель в миллиампер-часах при указании емкости, что удобно как производителям, так и на самом деле и пользователям. Посудите сами, какая цифра выглядит более красивой, 5000 мА·ч или, к примеру, 19.25 Вт·ч? Очевидно, что второй показатель кажется маленьким и неудобным для того, чтобы прижиться у массового пользователя. Но давайте более подробно вникнет в суть терминов.

А·ч (ампер-час) — правильнее ампер-часы называть не единицей измерения емкости, а электрическим зарядом, показывающим, какой ток аккумулятор может выдать за один час. При этом важно знать номинальное напряжение аккумулятора, чтобы получить представление о его возможностях, так как 4000 мА·ч при 3.85 вольтах при переводе в Вт·ч, дадут меньшую емкость, чем 4000 мА·ч, скажем, с 7.4 вольта. Для мобильных устройств стандартным остается номинальное напряжение аккумулятора в 3.7, 3.8 или 3.85 В.

Вт·ч (Ватт-час) — является мерой энергии, показывающей то, сколько энергии будет получено или отдано в течение часа при приеме или отдаче энергии в 1 Вт. Считается, что ватт-часы наиболее точно отражают емкость аккумулятора.

И все-таки не на всех аккумуляторах обозначено значение в ватт-часах, либо оно по каким-то причинам дано неправильно. Но мы и сами можем рассчитать показатель, зная емкость в миллиампер-часах и номинальное напряжение. Достаточно перемножить известные числа, затем поделить их на 1000:

3700 мА·ч («емкость» в миллиампер-часах) x 3.85 В (номинальное напряжение) : 1000 = 14.245 Вт·ч

Бывают случаи, когда производители, вместо номинального напряжения, показатель в мА·ч умножают на максимальное напряжение, что дает более солидную, но неправильную цифру в Вт·ч. По каким причинам это делают непонятно — возможно это ошибка, а может попытка ввести пользователя в заблуждение.

Впрочем, с подсчетом в любом случае не все так просто — ниже приведен график разрядки аккумулятора, по которому видно, что напряжение постепенно падает, а поэтому при умножении на номинальное напряжение получается лишь приблизительная цифра, которая, тем менее, обычно оказывается довольно близка к реальной. Погрешность может составлять около 1 Вт·ч (часто меньше), и почти всегда именно в ватт-часах реальная емкость оказывается меньше заявленной, даже если получится полное соответствие в миллиампер-часах.

Как самостоятельно измерить емкость аккумулятора

Реальную емкость аккумуляторов можно измерить самостоятельно, и самым популярным методом является использование USB-тестера. Обычно такие устройства действительно могут отобразить приблизительную, сравнительно точную емкость, но вариаций тестеров столько, что каких-то однозначных выводов делать не стоит.

Проблема в том, что тестеры подсчитывают только ту емкость аккумулятора, которая используется устройством, тогда как даже после полной разрядки всегда остается некий запас, необходимый для предотвращения глубокого разряда, очень вредного для аккумуляторов. В зависимости от модели мобильного устройства такой запас может составлять несколько сотен мА·ч или около 0.4–1 Вт·ч. Еще одна особенность USB-тестеров заключается в том, что не все они подсчитывают емкость в Вт·ч, а если и делают это, то на достоверность показателей рассчитывать не стоит.

Кроме того, более точные результаты получаются при разрядке, а не при зарядке батареи. И, наконец, в тестерах подсчет в мА·ч обычно происходит при 5 В напряжения, тогда как многие современные смартфоны поддерживают быструю зарядку при более высоком напряжении, в результате чего тестер выдаст низкие показатели емкости. Здесь придется либо использовать при зарядке блок питания, выдающий напряжение не более 5 В, либо самостоятельно пересчитывать результаты с учетом фактического напряжения.

В связи с этим возникает вопрос, есть ли более достоверные методы измерения емкости? Да, есть, правда самое точное оборудование недоступно простым пользователям, так как оно используется на производстве, стоит немалых денег и может иметь огромные размеры. Но есть и бюджетные аналоги в виде электронных нагрузок, которые доступны каждому.

Рассмотрим подобное оборудование на примере EBC-A10, которое способно как заряжать даже глубоко разряженные аккумуляторы, так и разряжать их, что нам и нужно для получения достоверных данных.

Стоит отметить, что правильнее всего измерять емкость батареи, когда она извлечена из устройства или когда отсоединен шлейф, соединяющий ее с основной платой девайса.

Проще всего тестировать съемные батареи, для извлечения которых не нужно разбирать устройство. Вначале добиваемся полной разрядки девайса, так, чтобы он автоматически выключился. После подключаем аккумулятор к электронной нагрузке и дополнительно разряжаем его примерно 30–60 секунд током 0.2 C (20% от заявленной емкости аккумулятора), в результате чего получим напряжение, которое нам пригодится для того, чтобы узнать используемую мобильным устройством емкость батареи.

В аккумуляторах смартфонов напряжение при отключении устройства варьируется примерно от 3.2 до 3.5 вольта.

Затем полностью заряжаем аккумулятор через мобильный девайс и вновь ставим его на разрядку через электронную нагрузку, снова тем же током 0.2 C. В настройках программы EB Tester Software, которая нужна для проведения подсчетов и построения графиков, выставляем разрядку сначала до напряжения, полученного в предыдущем тесте, а затем до значения 2.8 вольта. Меньше уже ставить опасно для аккумулятора — он может перестать заряжаться даже через электронную нагрузку (а именно через нее потом придется заряжаться для получения более высокого напряжения), не говоря уже о смартфонах и планшетах, да и на общее значение емкости это почти никак не повлияет, так как после разрядки примерно до 3 вольт напряжение уменьшается очень быстро.

В итоге получаем емкость как в привычных для многих мА·ч, так и в более правильных Вт·ч, причем программное обеспечение ведет непрерывный подсчет с учетом снижающегося напряжения, и по итогу получаются более точные цифры, чем в том случае, если бы просто умножили номинальное напряжение на заявленные производителем миллиампер-часы.

Итоги

У производителей давно существуют различные маркетинговые хитрости, благодаря которым удается добиться красивых цифр в спецификации под названием «емкость аккумулятора», и лишь изредка в технических характеристиках устройств указывается емкость в Вт·ч, по которой было бы правильнее делать сравнения с другими моделями. Но даже это значение является приблизительным.

Впрочем, явным обманом это трудно назвать, ведь миллиампер-часы (мА·ч) обычному пользователю удобнее для восприятия, а сильно завышенная информация о емкости встречается обычно только в некоторых девайсах от не слишком известных производителей. Правда многое зависит и от вида устройства, и если смартфоны с завышенной в характеристиках емкостью батареи встречаются все реже, то у портативных аккумуляторов реальные показатели пока не всегда соответствует ожиданиям.

Не стоит забывать и том, что большая емкость батареи, насколько бы честной она не была, еще не гарантирует продолжительное время работы устройства, так как многое зависит от оптимизации операционной системы и софта, а также от максимальной яркости дисплея, дополнительных функций и от используемого железа, которое не всегда может быть энергоэффективным.

Как определить емкость АКБ

Время на чтение:

Сегодня большинство устройств работает в автономном режиме при помощи аккумуляторов или батарей. Проводные постепенно уходят в прошлое. Аккумуляторные батареи используются в телефонах, ноутбуках, авто, фонарях и многих других приборах. Важнейшая техническая характеристика аккумулятора — емкость, определяющая промежуток времени, за который устройство может питать другие приборы с фиксированной амперной нагрузкой. В сегодняшнем материале рассмотрено, как определить емкость АКБ, и в чем она измеряется.

Что такое емкость аккумулятора

Емкостная характеристика АКБ показывает время, в течение которого оно может служить источником питания для какой-либо подключенной нагрузки. Иными словами, это значение определяют следующим образом: максимальное количество электрической энергии, которое может быть накоплено аккумулятором в течение одного полного цикла зарядки.

Пальчиковые батарейки

К сведению! Если исходить из определения, то электрическая энергия аккумулятора, который используется в качестве источника бесперебойной подачи питания, равна номинальной характеристике емкости, умноженной на номинальное напряжение на клеймах. Измеряется она в ваттах.

Если несколько батарей последовательно соединить друг с другом, то в результате выйдет агрегат, емкость которого будет равна сумме емкостей входящих в него батарей. Электрическая энергия при этом высчитывается как энергия одного источника питания, умноженная на их количество.

Процесс проверки конденсаторов

Характеристики электрического аккумулятора

Аккумуляторные батареи электрического типа обладают следующими характеристиками:

• емкость. Главный параметр, характеризующий АКБ. Обычно это электричество, по количеству равное 1 Кл при силе тока в 1 А за 1 сек. Но это принято, а не измерено. Часто думают, что емкость измеряется в ампер-часах, что не правда, ведь 1 А × ч = 3600 Кл — количество электричества;
• плотность энергии. Это такое количество электроэнергии, которое приходится на единицу объема или веса аккумуляторной батареи;
• самозаряд. Характеризует потерю АКБ своего заряда после полного цикла зарядки при его неиспользовании. Такой параметр различен для всех типов и марок батарей, но объединяет их то, что саморазряд силен в первые часы после подзарядки, а далее становится слабее;
• температурные диапазон. У разных АКБ различный режим рабочих температур, но все их нужно беречь от прямых солнечных лучей, открытого огня, холода, воды и влаги. Не рекомендуется использовать батареи по назначению при температуре от −25 °С до 50 °С. Если зима слишком сурова, то аккумулятор снимают и хранят в теплом доме. Если нарушить температурный режим, то можно столкнуться с тем, что срок службы элемента значительно уменьшится, а сам он может рано выйти из строя;
• тип элемента. Важная характеристика — тип используемых веществ. Наиболее популярными являются графен-полимерные, литий-ионные, литий-полимерные, литий-железно-сульфидные, литий-хлорные, свинцово-кислотные АКБ. Помимо них, есть также цинк-бромные, цинк-воздушные, ванадиевые, никель-металлогидридные и другие типы;
• формы. Различаются элементы и по своим типоразмерам, а также способу применения.

В чем измеряется емкость аккумулятора

Определяется характеристика емкости в амперах для больших элементов и в миллиамперах для небольших батарей. Единица измерения четко дает понять, что емкость — сила постоянного электротока или заряд, умноженный на время (T), в течение которого АКБ может производить питание.

Есть неправильное мнение, что емкостные характеристики являются характеристиками энергетическими. Это в корне неверно, так как чем выше напряженность на клеммах АКБ, тем больше значение энергии, которое копится в нем. Емкость остается прежней.

Обратите внимание! Из физики: электрическая энергия считается в джоулях и получается из произведения напряжения на силу тока и на время.

Как правильно и чем измерять

Измерение емкости и других важных параметров может осуществляться различными приборами:

• ручной замер до полного разряда и подсчет;
• мультиметр (амперметр);
• специализированные приборы.

Как с помощью мультиметров, так и с помощью спецсредств емкостные характеристики измеряются благодаря контрольному заряду АКБ. Для этого устройство полностью заряжается, что проверяется замером напряжения и плотностью электролитов. После этого подключается нагрузка, мощность которой известна, и отмечается точное время начала разряда. Когда напряжение падает до 50 % от изначального максимального, то нагрузка отключается и высчитывается емкость.

Важно! Разряжать аккумулятор полностью опасно.

Обычным лабораторным способом измерения является метод длительного и подконтрольного разрядов. Делается это следующим образом:

1. Аккумулятор заряжают на 100 %.
2. Разряжают подконтрольным малым током.
3. Ведут учет времени, в течение которого АКБ полностью разрядится и перестанет питать конструкцию.

Считается характеристика стандартно: сила тока умножается на время, затраченное на его полный разряд. Сложность такого способа заключается в поддержании одного и того же значения тока на протяжении эксперимента.

В домашних условиях определить емкостные параметры можно методом полной разрядки аккумулятора при помощи постоянной нагрузки. Для этого используют автомобильные лампы или другие приборы, использующие практически одну и ту же величину тока все время.

Обратите внимание! Домашние методы неточны, поскольку в течение разряда снижается напряжение, что влечет за собой уменьшение тока нагрузки. Более того, полный разряд может полностью вывести из строя даже новое устройство.

Формула емкости

Как стало понятно, емкость — важнейшая характеристика аккумуляторов. Формула ее достаточно проста: Е (А × час) = I (А) × Т (час), где E — емкость, I — сила тока в амперах, а T — время в часах.

Формула

Таким образом, было рассказано, как определить емкость аккумуляторной батареи и что вообще это такое — емкостная характеристика элементов питания нагрузки. Как понятно из статьи, подсчитать ее легко и просто в домашних условиях, но только следует придерживаться определенных правил.

Об аккумуляторах .

Вопросы об аккумуляторах

Емкость аккумулятора – что это такое?

1. Емкость аккумулятора – самая важная техническая характеристика аккумулятора

Е мкость аккумулятора показывает, сколько времени аккумулятор сможет питать подключенную к нему нагрузку. Обычно емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах, а для небольших аккумуляторов – в миллиампер-часах.

С ама единица измерения показывает, что емкость аккумулятора является произведением постоянного тока разряда аккумулятора (в амперах, иногда в миллиамперах) на время разряда (в часах):

Е [А * час] = I [А] х T [час]

2. Емкость аккумулятора и энергия.

В опреки расхожему мнению, емкость аккумулятора не характеризует полностью энергию аккумулятора, т.е. энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе. Ведь чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия. В самом деле, электрическая энергия равна произведению напряжения на ток и на время протекания тока:

W [Дж]= I [А] х U [В] х T [с]

С ледовательно, энергия аккумулятора равна произведению его емкости на номинальное напряжение:

W [Вт*час]= E [А*час] х U [В]

2. Емкость и энергия аккумуляторной батареи

Е сли несколько аккумуляторов одной емкости соединены последовательно, то емкость получившейся аккумуляторной батареи равна емкости входящих в батарею аккумуляторов. А энергия аккумуляторной батарея является произведением энергии одного аккумулятора на число аккумуляторов.

4. Емкость аккумулятора и заряд (заряженность)

И ногда путают емкость аккумулятора и заряд (заряженность) аккумулятора. Емкость показывает потенциал аккумулятора, то, сколько времени он сможет питать нагрузку, если будет полностью заряжен.

М ожно провести аналогию со стаканом воды. Емкость (объем) стакана не изменяется в зависимости от того, полный он или пустой. Так и с аккумулятором – в заряженном и разряженном состоянии аккумулятор имеет одну и ту же емкость.

5. Какие еще бывают характеристики емкости свинцового аккумулятора?

Энергетическая емкость [Вт/элемент]

Х арактеристика аккумулятора, показывающая способность аккумулятора разряжаться в режиме постоянной мощности в течение определенного небольшого времени (обычно 15 минут). Эта характеристика распространена в США, но постепенно распространяется и среди производителей аккумуляторов из других стран. Приближенно оценить емкость аккумулятора в ампер-часах по его энергии в Вт/эл (15 мин) можно по формуле:

Е [А*час] = W [Вт/эл] / 4

Резервная емкость

Х арактеристика автомобильного аккумулятора, показывающая его способность питать электросистему движущегося автомобиля, если генератор автомобиля не работает. Измеряется в минутах разряда аккумулятора током 25 А. Распространена в США (reserve capacity). Приближенно оценить емкость аккумулятора в ампер-часах по его резервной емкости в минутах можно по формуле:

Е [А*час] = T [мин] / 2

6. От чего зависит емкость аккумулятора?

Ток разряда

О бычно производитель назначает номинальной емкость свинцового аккумулятора при длительных (10, 20 или 100 часов) разрядах. Емкость аккумулятора при таких разрядах обозначается как С₁₀, С₂₀ или С₁₀₀. Мы можем рассчитать ток, протекающий через нагрузку при 20-часовом (например) разряде – I₂₀:

Читайте также:

Игрушки из ниток своими руками

З начит ли это, что при 15-минутном (1/4 часа) разряде ток будет равен Е₂₀ х 4 ? Нет, это не так. При 15-минутном разряде емкость свинцового аккумулятора обычно составляет чуть менее половины номинальной емкости. Поэтому и ток I_0.25 не превышает Е₂₀ х 2. Т.е. ток разряда и время разряда свинцового аккумулятора не пропорциональны друг другу.

З ависимость времени разряда от тока разряда близка к степенной. Распространена, в частности, формула (закон) Пейкерта (Пекерта) – по имени немецкого ученого Peukert. Пейкерт установил, что:

Здесь p – число Пейкерта – показатель степени, постоянный для данного аккумулятора или типа аккумуляторов. Формула Пейкерта действует и для современных герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов.

Д ля свинцовых аккумуляторов число Пейкерта обычно изменяется от 1.15 до 1.35. Величину константы в правой части уравнения можно определить по номинальной емкости аккумулятора. Тогда, после нескольких преобразований, получим формулу для емкости аккумулятора E при произвольном токе разряда I:

Здесь E_н – номинальная емкость аккумулятора, а I_н – ток разряда, при котором задана номинальная емкость (обычно ток 20-часового или 10-часового разряда).

Конечное напряжение разряда

П о мере разряда напряжение на аккумуляторе падает. При достижении конечного напряжения разряда аккумулятор отключают. Чем меньше конечное напряжение разряда, тем больше емкость аккумулятора. Производитель аккумулятора устанавливает минимальное допустимое конечное напряжение разряда (оно зависит от тока разряда). Если напряжение аккумулятора становится меньше этой величины (глубокий разряд), аккумулятор может выйти из строя.

Температура

П ри повышении температуры от 20 до 40 градусов Цельсия емкость свинцового аккумулятора возрастает примерно на 5%. При уменьшении температуры от 20 до 0 градусов Цельсия емкость аккумулятора уменьшается примерно на 15%. При уменьшении температуры еще на 20 градусов, емкость аккумулятора падает еще на 25%.

Износ аккумулятора

Е мкость свинцового аккумулятора в состоянии поставки может быть чуть больше или чуть меньше номинальной емкости. После нескольких циклов разряд-заряд или нескольких недель пребывания под “плавающим” зарядом (в буфере) емкость аккумулятора увеличивается. При дальнейшей эксплуатации или хранении аккумулятора емкость аккумулятора падает – аккумулятор изнашивается, стареет и в конце концов должен быть заменен новым аккумулятором. Чтобы заменить аккумулятор вовремя, за износом аккумулятора лучше следить с помощью современного тестера емкости аккумулятора – индикатора емкости свинцовых аккумуляторов “Кулон”

7. Как проверить емкость свинцового аккумулятора?

К лассическим методом проверки аккумулятора является контрольный разряд. Аккумулятор заряжают, а затем разряжают постоянным током, регистрируя время до конечного напряжения разряда. Дальше определяют остаточную емкость аккумулятора по формуле:

Е [А*час]= I [А] * T [час]

Т ок разряда обычно выбирают таким, чтобы время разряда примерно соответствовало 10 или 20 часам (в зависимости от того, для какого времени разряда указана номинальная емкость аккумулятора). Теперь можно сравнить остаточную емкость аккумулятора с номинальной емкостью. Если остаточная емкость составляет менее 70-80% номинальной емкости, аккумулятор выводят из эксплуатации, потому что при таком износе, дальнейшее старение аккумулятора будет происходить очень быстро.

Н едостатки традиционного метода контроля емкости аккумулятора очевидны:

• сложность и трудоемкость;
• выведение аккумулятора из эксплуатации на длительный срок.

Для быстрого теста аккумуляторов сейчас существуют специальные приборы, которые позволяют проверить емкость аккумулятора за несколько секунд.

Похожие записи:

1. Есть-ли разница в укладке между тротуарной плиткой и брусчаткой?
2. Акустические минплиты Шуманет-БМ
3. Воздуховоды из стали
4. Вытяжные заклепки (50 фото): размеры алюминиевых и стальных заклепок, нержавеющие изделия по ГОСТу, комбинированные и глухие