Elektriskais kondensators ir pasīva ierīce, kas spēj uzkrāt un uzglabāt elektroenerģiju. Tas sastāv no divām vadošām plāksnēm, kuras atdala dielektrisks materiāls. Dažādu zīmju elektrisko potenciālu pielietošana vadošām plāksnēm noved pie tā, ka tās iegūst lādiņu, kas vienā plāksnē ir pozitīvs, bet otrā - negatīvs. Šajā gadījumā kopējā maksa ir nulle.
Šajā rakstā apskatīti vēstures jautājumi un kondensatora kapacitātes definīcija.
Izgudrojumu stāsts
1745. gada oktobrī vācu zinātnieks Ēvalds Georgs fon Kleists pamanīja, ka elektrisko lādiņu var uzglabāt, ja ar kabeli savienotu elektrostatisko ģeneratoru un noteiktu daudzumu ūdens stikla traukā. Šajā eksperimentā fon Kleista roka un ūdens bija vadītāji, un stikla trauks bija elektriskais izolators. Pēc tam, kad zinātnieks ar roku pieskārās metāla stieplei, notika spēcīga izlāde, kas bijadaudz spēcīgāka nekā elektrostatiskā ģeneratora izlāde. Rezultātā fon Kleists secināja, ka ir uzkrāta elektriskā enerģija.
1746. gadā holandiešu fiziķis Pīters van Mušenbruks izgudroja kondensatoru, ko viņš nosauca par Leidenes pudeli par godu Leidenes universitātei, kurā strādāja zinātnieks. Pēc tam Daniels Gralats palielināja kondensatora kapacitāti, savienojot vairākas Leidenes pudeles.
1749. gadā Bendžamins Franklins izpētīja Leidenas kondensatoru un nonāca pie secinājuma, ka elektriskais lādiņš tiek glabāts nevis ūdenī, kā tika uzskatīts iepriekš, bet gan uz ūdens un stikla robežas. Pateicoties Franklina atklājumam, Leidenas pudeles tika izgatavotas, stikla trauku iekšpusi un ārpusi nosedzot ar metāla plāksnēm.
Nozares attīstība
Jēdzienu "kondensators" 1782. gadā ieviesa Alesandro Volta. Sākotnēji elektrisko kondensatoru izolatoru izgatavošanai tika izmantoti tādi materiāli kā stikls, porcelāns, vizla un parasts papīrs. Tātad radioinženieris Guglielmo Markoni saviem raidītājiem izmantoja porcelāna kondensatorus, bet uztvērējiem - mazus kondensatorus ar vizlas izolatoru, kas tika izgudroti 1909. gadā - pirms Otrā pasaules kara, tie bija visizplatītākie ASV.
Pirmais elektrolītiskais kondensators tika izgudrots 1896. gadā, un tas bija elektrolīts ar alumīnija elektrodiem. Elektronikas strauja attīstība sākās tikai pēc tam, kad 1950. gadā tika izgudrots miniatūrs tantala kondensators arciets elektrolīts.
Otrā pasaules kara laikā plastmasas ķīmijas attīstības rezultātā sāka parādīties kondensatori, kuros izolatora loma tika piešķirta plānām polimēru plēvēm.
Beidzot 50.-60. gados attīstās superkondensatoru nozare, kam ir vairākas darba vadošās virsmas, kuru dēļ kondensatoru elektriskā kapacitāte palielinās par 3 kārtām, salīdzinot ar tās vērtību parastajiem kondensatoriem.
Kondensatora kapacitātes jēdziens
Kondensatora plāksnē saglabātais elektriskais lādiņš ir proporcionāls elektriskā lauka spriegumam, kas pastāv starp ierīces plāksnēm. Šajā gadījumā proporcionalitātes koeficientu sauc par plakana kondensatora elektrisko kapacitāti. SI (Starptautiskā mērvienību sistēma) elektrisko jaudu kā fizisko lielumu mēra farādos. Viens farads ir kondensatora elektriskā kapacitāte, kura spriegums starp plāksnēm ir 1 volts ar saglabāto lādiņu 1 kulonu.
1 faradas elektriskā kapacitāte ir milzīga, un praksē elektrotehnikā un elektronikā parasti izmanto kondensatorus ar pikofarādes, nanofarādes un mikrofarādes kapacitātēm. Vienīgie izņēmumi ir superkondensatori, kas sastāv no aktīvās ogles, kas palielina ierīces darba zonu. Tie var sasniegt tūkstošiem faradu un tiek izmantoti elektrisko transportlīdzekļu prototipu darbināšanai.
Tādējādi kondensatora kapacitāte ir: C=Q1/(V1-V2). Šeit C-elektriskā jauda, Q1 - elektriskais lādiņš uzkrāts vienā kondensatora plāksnē, V1-V2- atšķirība starp plākšņu elektriskajiem potenciāliem.
Plakana kondensatora kapacitātes formula ir: C=e0eS/d. Šeit e0un e ir universālā dielektriskā konstante, un izolatora materiāla S dielektriskā konstante ir plākšņu laukums, d ir attālums starp plāksnēm. Šī formula ļauj saprast, kā mainīsies kondensatora kapacitāte, ja mainīsiet izolatora materiālu, attālumu starp plāksnēm vai to laukumu.
Izmantoto dielektriķu veidi
Kondensatoru ražošanai tiek izmantoti dažāda veida dielektriķi. Populārākās ir šādas:
- Gaiss. Šie kondensatori ir divas vadoša materiāla plāksnes, kuras atdala gaisa slānis un ievieto stikla vitrīnā. Gaisa kondensatoru elektriskā jauda ir maza. Tos parasti izmanto radiotehnikā.
- Mica. Vizlas īpašības (spēja sadalīties plānās loksnēs un izturēt augstu temperatūru) ir piemērotas tās izmantošanai kā kondensatoru izolatori.
- Papīrs. Lai aizsargātu pret mitrumu, tiek izmantots vaskots vai lakots papīrs.
Uzglabātā enerģija
Palielinoties potenciālajai starpībai starp kondensatora plāksnēm, ierīce uzglabā elektroenerģiju, joelektriskā lauka klātbūtne tajā. Ja potenciālu starpība starp plāksnēm samazinās, tad kondensators tiek izlādēts, dodot enerģiju elektriskajai ķēdei.
Matemātiski elektrisko enerģiju, kas tiek uzkrāta patvaļīgā tipa kondensatorā, var izteikt ar šādu formulu: E=½C(V2-V 1)2, kur V2 un V1 ir beigu un sākuma numurs. spriegums starp plāksnēm.
Uzlādējiet un izlādējiet
Ja kondensators ir pievienots elektriskajai ķēdei ar rezistoru un kādu elektriskās strāvas avotu, tad strāva plūdīs caur ķēdi un kondensators sāks uzlādēties. Tiklīdz tas ir pilnībā uzlādēts, elektriskā strāva ķēdē apstāsies.
Ja uzlādēts kondensators ir savienots paralēli rezistoram, tad caur rezistoru no vienas plāksnes uz otru plūdīs strāva, kas turpināsies, līdz ierīce pilnībā izlādēsies. Šajā gadījumā izlādes strāvas virziens būs pretējs elektriskās strāvas plūsmas virzienam, kad ierīce tika uzlādēta.
Kondensatora uzlāde un izlāde notiek eksponenciāli atkarībā no laika. Piemēram, spriegums starp kondensatora plāksnēm tā izlādes laikā mainās pēc šādas formulas: V(t)=Vie-t/(RC) , kur V i - sākotnējais spriegums uz kondensatora, R - elektriskā pretestība ķēdē, t - izlādes laiks.
Apvienošana elektriskā ķēdē
Lai noteiktu pieejamo kondensatoru kapacitātielektriskā ķēde, jāatceras, ka tās var apvienot divos dažādos veidos:
- Seriālais savienojums: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Paralēls savienojums: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - n kondensatoru kopējā kapacitāte. Kondensatoru kopējo elektrisko kapacitāti nosaka pēc formulas, kas līdzīgas matemātiskām izteiksmēm par kopējo elektrisko pretestību, tikai ierīču sērijveida savienojuma formula ir derīga rezistoru paralēlai pieslēgšanai un otrādi.
