De la începutul studiului electricității, abia în 1745 Ewald Jurgen von Kleist și Pieter van Muschenbroek au reușit să rezolve problema acumulării și conservării acesteia. Creat în Leiden, Olanda, dispozitivul a făcut posibilă acumularea de energie electrică și utilizarea acesteia atunci când este necesar.
Bocan Leyden - un prototip de condensator. Utilizarea sa în experimente fizice a avansat mult înainte studiul electricității, a făcut posibilă crearea unui prototip de curent electric.
Ce este un condensator
Colectarea sarcinii electrice și a electricității este scopul principal al unui condensator. De obicei, acesta este un sistem de doi conductori izolați situat cât mai aproape unul de celăl alt. Spațiul dintre conductori este umplut cu un dielectric. Sarcina acumulată pe conductori este aleasă diferit. Proprietatea sarcinilor opuse de a fi atrase contribuie la acumularea sa mai mare. Dielectricului i se atribuie un dublu rol: cu cât constanta dielectrică este mai mare, cu atât capacitatea electrică este mai mare, sarcinile nu pot depăși bariera șineutralizează.
Capacitatea electrică este principala mărime fizică care caracterizează capacitatea unui condensator de a acumula sarcină. Conductorii se numesc plăci, câmpul electric al condensatorului este concentrat între ele.
Energia unui condensator încărcat, aparent, ar trebui să depindă de capacitatea acestuia.
Capacitate electrică
Potențialul energetic face posibilă utilizarea condensatoarelor (capacitate electrică mare). Energia unui condensator încărcat este utilizată atunci când este necesar să se aplice un impuls scurt de curent.
De ce cantități depinde capacitatea electrică? Procesul de încărcare a unui condensator începe prin conectarea plăcilor sale la polii unei surse de curent. Sarcina acumulată pe o placă (a cărei valoare este q) este luată ca sarcină a condensatorului. Câmpul electric concentrat între plăci are o diferență de potențial U.
Capacitatea electrică (C) depinde de cantitatea de energie electrică concentrată pe un conductor și de tensiunea câmpului: C=q/U.
Această valoare este măsurată în F (farads).
Capacitatea întregului Pământ nu este comparabilă cu capacitatea unui condensator, a cărui dimensiune este aproximativ de dimensiunea unui notebook. Încărcarea puternică acumulată poate fi utilizată în vehicule.
Cu toate acestea, nu există nicio modalitate de a acumula o cantitate nelimitată de electricitate pe plăci. Când tensiunea crește la valoarea maximă, poate apărea o defecțiune a condensatorului. farfuriineutralizat, ceea ce poate deteriora dispozitivul. Energia unui condensator încărcat este cheltuită complet pentru încălzirea acestuia.
Valoare energetică
Încălzirea condensatorului se datorează transformării energiei câmpului electric în interior. Capacitatea condensatorului de a lucra pentru a muta sarcina indică prezența unei surse suficiente de energie electrică. Pentru a determina cât de mare este energia unui condensator încărcat, luați în considerare procesul de descărcare. Sub acțiunea unui câmp electric de tensiune U, o sarcină de q curge de la o placă la alta. Prin definiție, munca câmpului este egală cu produsul dintre diferența de potențial și cantitatea de sarcină: A=qU. Acest raport este valabil numai pentru o valoare constantă a tensiunii, dar în procesul de descărcare pe plăcile condensatorului, scade treptat la zero. Pentru a evita inexactitățile, luăm valoarea medie U/2.
Din formula capacității electrice avem: q=CU.
De aici, energia unui condensator încărcat poate fi determinată cu formula:
W=CU2/2.
Vedem că valoarea sa este mai mare, cu atât capacitatea electrică și tensiunea sunt mai mari. Pentru a răspunde la întrebarea care este energia unui condensator încărcat, să ne întoarcem la soiurile lor.
Tipuri de condensatoare
Deoarece energia câmpului electric concentrat în interiorul condensatorului este direct legată de capacitatea acestuia, iar funcționarea condensatoarelor depinde de caracteristicile lor de proiectare, se folosesc diverse tipuri de dispozitive de stocare.
- După forma plăcilor: plate, cilindrice, sferice etc.e.
- Prin modificarea capacității: constantă (capacitatea nu se modifică), variabilă (prin modificarea proprietăților fizice, schimbăm capacitatea), reglaj. Modificarea capacității poate fi efectuată prin modificarea temperaturii, stresului mecanic sau electric. Capacitatea condensatoarelor de tuns variază prin schimbarea zonei plăcilor.
- După tipul dielectric: gaz, lichid, dielectric solid.
- După tipul de dielectric: sticlă, hârtie, mica, metal-hârtie, ceramică, filme în strat subțire de diferite compoziții.
În funcție de tip, se disting și alți condensatori. Energia unui condensator încărcat depinde de proprietățile dielectricului. Mărimea principală se numește constantă dielectrică. Capacitatea electrică este direct proporțională cu aceasta.
Condensator cu plăci
Luați în considerare cel mai simplu dispozitiv pentru colectarea sarcinii electrice - un condensator plat. Acesta este un sistem fizic de două plăci paralele, între care există un strat dielectric.
Forma farfuriilor poate fi atât dreptunghiulară, cât și rotundă. Dacă este nevoie de a obține o capacitate variabilă, atunci se obișnuiește să se ia plăcile sub formă de semi-discuri. Rotirea unei plăci față de alta duce la o modificare a zonei plăcilor.
Presumăm că aria unei plăci este egală cu S, distanța dintre plăci este luată egală cu d, constanta dielectrică a umpluturii este ε. Capacitatea unui astfel de sistem depinde doar de geometria condensatorului.
C=εε0S/d.
Energia unui condensator plat
Vedem că capacitatea condensatorului este direct proporțională cu aria totală a unei plăci și invers proporțională cu distanța dintre ele. Coeficientul de proporționalitate este constanta electrică ε0. Creșterea constantei dielectrice a dielectricului va crește capacitatea electrică. Reducerea suprafeței plăcilor vă permite să obțineți condensatori de reglare. Energia câmpului electric al unui condensator încărcat depinde de parametrii săi geometrici.
Utilizați formula de calcul: W=CU2/2.
Determinarea energiei unui condensator de formă plată încărcat se realizează după formula:
W=εε0S U2/(2d).
Utilizarea condensatorilor
Capacitatea condensatoarelor de a colecta fără probleme o sarcină electrică și de a o elibera suficient de repede este utilizată în diferite domenii ale tehnologiei.
Conexiunea cu inductori vă permite să creați circuite oscilatorii, filtre de curent, circuite de feedback.
Blițurile foto, pistoalele asomatoare, în care are loc o descărcare aproape instantanee, folosesc capacitatea unui condensator de a crea un impuls de curent puternic. Condensatorul este încărcat de la o sursă de curent continuu. Condensatorul în sine acționează ca un element care întrerupe circuitul. Descărcarea în direcția opusă are loc printr-o lampă cu rezistență ohmică scăzută aproape instantaneu. Într-un pistol paralizant, acest element este corpul uman.
Condensator sau baterie
Abilitatea de a păstra încărcarea acumulată pentru o perioadă lungă de timp oferă o oportunitate minunată de a o folosi ca stocare de informații sau stocare de energie. Această proprietate este utilizată pe scară largă în inginerie radio.
Înlocuiește bateria, din păcate, condensatorul nu este capabil, deoarece are particularitatea de a fi descărcat. Energia acumulată nu depășește câteva sute de jouli. Bateria poate stoca o cantitate mare de energie electrică pentru o perioadă lungă de timp și aproape fără pierderi.
