Od początku badań nad elektrycznością dopiero w 1745 roku Ewald Jurgen von Kleist i Pieter van Muschenbroek zdołali rozwiązać problem jej gromadzenia i konserwacji. Stworzone w Leiden w Holandii urządzenie umożliwiło gromadzenie energii elektrycznej i wykorzystanie jej w razie potrzeby.
Słoik lejdejski - prototyp kondensatora. Jego zastosowanie w eksperymentach fizycznych posunęło daleko naprzód badania nad elektrycznością, umożliwiło stworzenie prototypu prądu elektrycznego.
Co to jest kondensator
Głównym celem kondensatora jest gromadzenie ładunku elektrycznego i energii elektrycznej. Zwykle jest to system dwóch izolowanych przewodów umieszczonych jak najbliżej siebie. Przestrzeń między przewodami wypełniona jest dielektrykiem. Inaczej dobiera się ładunek nagromadzony na przewodach. Własność przeciwstawnych ładunków, które należy przyciągać, przyczynia się do jej większej akumulacji. Dielektrykowi przypisuje się podwójną rolę: im większa stała dielektryczna, tym większa pojemność elektryczna, ładunki nie mogą pokonać bariery izneutralizować.
Pojemność elektryczna to główna wielkość fizyczna charakteryzująca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku. Przewodniki nazywane są płytami, pole elektryczne kondensatora jest skoncentrowane między nimi.
Energia naładowanego kondensatora najwyraźniej powinna zależeć od jego pojemności.
Pojemność elektryczna
Potencjał energetyczny umożliwia zastosowanie kondensatorów (o dużej pojemności elektrycznej). Energia naładowanego kondensatora jest wykorzystywana, gdy konieczne jest przyłożenie krótkiego impulsu prądowego.
Od jakich wielkości zależy pojemność elektryczna? Proces ładowania kondensatora rozpoczyna się od połączenia jego płytek z biegunami źródła prądu. Ładunek zgromadzony na jednej płytce (której wartość wynosi q) jest traktowany jako ładunek kondensatora. Pole elektryczne skoncentrowane między płytami ma różnicę potencjałów U.
Pojemność elektryczna (C) zależy od ilości energii elektrycznej skoncentrowanej na jednym przewodzie i napięcia pola: C=q/U.
Ta wartość jest mierzona w F (faradach).
Pojemność całej Ziemi nie jest porównywalna z pojemnością kondensatora, którego wielkość jest wielkości notebooka. Nagromadzony potężny ładunek może być używany w pojazdach.
Jednak nie ma możliwości zgromadzenia na płytach nieograniczonej ilości energii elektrycznej. Gdy napięcie wzrośnie do wartości maksymalnej, może nastąpić awaria kondensatora. talerzezneutralizowany, co może spowodować uszkodzenie urządzenia. Energia naładowanego kondensatora jest całkowicie zużywana na jego podgrzanie.
Wartość energetyczna
Nagrzewanie się kondensatora wynika z przekształcenia energii pola elektrycznego w energię wewnętrzną. Zdolność kondensatora do wykonywania pracy w celu przeniesienia ładunku wskazuje na obecność wystarczającej ilości energii elektrycznej. Aby określić, jak wysoka jest energia naładowanego kondensatora, rozważ proces jego rozładowywania. Pod działaniem pola elektrycznego o napięciu U ładunek q przepływa z jednej płytki na drugą. Z definicji praca pola jest równa iloczynowi różnicy potencjałów i wielkości ładunku: A=qU. Ten stosunek obowiązuje tylko dla stałej wartości napięcia, ale w trakcie rozładowywania na płytach kondensatora stopniowo spada do zera. Aby uniknąć niedokładności, przyjmujemy jego średnią wartość U/2.
Z wzoru na pojemność elektryczną mamy: q=CU.
Z tego miejsca energię naładowanego kondensatora można określić za pomocą wzoru:
W=CU2/2.
Widzimy, że jego wartość jest tym większa, im większa jest pojemność elektryczna i napięcie. Aby odpowiedzieć na pytanie, jaka jest energia naładowanego kondensatora, przejdźmy do ich odmian.
Rodzaje kondensatorów
Ponieważ energia pola elektrycznego skoncentrowanego wewnątrz kondensatora jest bezpośrednio związana z jego pojemnością, a działanie kondensatorów zależy od ich cech konstrukcyjnych, stosowane są różnego rodzaju urządzenia magazynujące.
- W zależności od kształtu płyt: płaskie, cylindryczne, kuliste itp.e.
- Zmieniając pojemność: stała (pojemność się nie zmienia), zmienna (zmieniając właściwości fizyczne, zmieniamy pojemność), strojenie. Zmianę pojemności można przeprowadzić poprzez zmianę temperatury, naprężenia mechanicznego lub elektrycznego. Pojemność kondensatorów trymera zmienia się poprzez zmianę powierzchni płytek.
- Według typu dielektryka: gaz, ciecz, dielektryk stały.
- Według rodzaju dielektryka: szkło, papier, mika, metal-papier, ceramika, folie cienkowarstwowe o różnym składzie.
W zależności od typu rozróżnia się również inne kondensatory. Energia naładowanego kondensatora zależy od właściwości dielektryka. Główna wielkość nazywana jest stałą dielektryczną. Pojemność elektryczna jest do niej wprost proporcjonalna.
Kondensator płytowy
Rozważ najprostsze urządzenie do zbierania ładunku elektrycznego - płaski kondensator. Jest to fizyczny układ dwóch równoległych płyt, pomiędzy którymi znajduje się warstwa dielektryczna.
Kształt płytek może być zarówno prostokątny, jak i okrągły. Jeśli istnieje potrzeba uzyskania zmiennej pojemności, zwykle przyjmuje się płytki w postaci półtarczy. Obrót jednej płytki względem drugiej prowadzi do zmiany powierzchni płytek.
Zakładamy, że powierzchnia jednej płytki jest równa S, odległość między płytami jest równa d, stała dielektryczna wypełniacza wynosi ε. Pojemność takiego układu zależy tylko od geometrii kondensatora.
C=εε0S/d.
Energia płaskiego kondensatora
Widzimy, że pojemność kondensatora jest wprost proporcjonalna do całkowitej powierzchni jednej płytki i odwrotnie proporcjonalna do odległości między nimi. Współczynnik proporcjonalności to stała elektryczna ε0. Zwiększenie stałej dielektrycznej dielektryka zwiększy pojemność elektryczną. Zmniejszenie powierzchni płytek pozwala na uzyskanie kondensatorów tuningowych. Energia pola elektrycznego naładowanego kondensatora zależy od jego parametrów geometrycznych.
Użyj wzoru obliczeniowego: W=CU2/2.
Wyznaczanie energii naładowanego kondensatora płaskiego odbywa się według wzoru:
W=εε0S U2/(2d).
Korzystanie z kondensatorów
Zdolność kondensatorów do płynnego gromadzenia ładunku elektrycznego i odpowiednio szybkiego oddawania go jest wykorzystywana w różnych dziedzinach techniki.
Połączenie z cewkami indukcyjnymi umożliwia tworzenie obwodów oscylacyjnych, filtrów prądowych, obwodów sprzężenia zwrotnego.
Błyski fotograficzne, paralizatory, w których dochodzi do niemal natychmiastowego wyładowania, wykorzystują zdolność kondensatora do wytworzenia silnego impulsu prądowego. Kondensator jest ładowany ze źródła prądu stałego. Sam kondensator działa jako element przerywający obwód. Wyładowanie w przeciwnym kierunku następuje niemal natychmiast przez lampę o niskiej rezystancji omowej. W paralizatorze tym elementem jest ludzkie ciało.
Kondensator lub bateria
Możliwość utrzymywania nagromadzonego ładunku przez długi czas daje wspaniałą możliwość wykorzystania go jako magazynu informacji lub magazynu energii. Ta właściwość jest szeroko stosowana w inżynierii radiowej.
Wymień baterię, niestety kondensator nie jest w stanie, ponieważ ma cechę rozładowania. Zgromadzona energia nie przekracza kilkuset dżuli. Akumulator może przechowywać dużą ilość energii elektrycznej przez długi czas i prawie bez strat.
