Od začiatku štúdia elektriny sa až v roku 1745 podarilo Ewaldovi Jurgenovi von Kleistovi a Pieterovi van Muschenbroekovi vyriešiť problém jej akumulácie a zachovania. Toto zariadenie, vytvorené v holandskom Leidene, umožňovalo akumulovať elektrickú energiu a v prípade potreby ju využívať.
Leydenská nádoba - prototyp kondenzátora. Jeho použitie vo fyzikálnych experimentoch posunulo štúdium elektriny ďaleko dopredu a umožnilo vytvoriť prototyp elektrického prúdu.
Čo je to kondenzátor
Zber elektrického náboja a elektriny je hlavným účelom kondenzátora. Zvyčajne ide o systém dvoch izolovaných vodičov umiestnených čo najbližšie k sebe. Priestor medzi vodičmi je vyplnený dielektrikom. Náboj nahromadený na vodičoch sa volí inak. Vlastnosť opačných nábojov priťahovať sa prispieva k jeho väčšej akumulácii. Dielektrikum je priradená dvojaká úloha: čím väčšia je dielektrická konštanta, tým väčšia je elektrická kapacita, náboje nedokážu prekonať bariéru aneutralizovať.
Elektrická kapacita je hlavná fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje schopnosť kondenzátora akumulovať náboj. Vodiče sa nazývajú dosky, elektrické pole kondenzátora je sústredené medzi nimi.
Energia nabitého kondenzátora by zjavne mala závisieť od jeho kapacity.
Elektrická kapacita
Energetický potenciál umožňuje použiť (veľká elektrická kapacita) kondenzátory. Energia nabitého kondenzátora sa využíva, keď je potrebné použiť krátky prúdový impulz.
Od akých veličín závisí elektrická kapacita? Proces nabíjania kondenzátora začína pripojením jeho dosiek k pólom zdroja prúdu. Náboj nahromadený na jednej platni (ktorého hodnota je q) sa berie ako náboj kondenzátora. Elektrické pole sústredené medzi platňami má potenciálny rozdiel U.
Elektrická kapacita (C) závisí od množstva elektriny sústredenej na jeden vodič a od napätia poľa: C=q/U.
Táto hodnota sa meria v F (faradoch).
Kapacita celej Zeme nie je porovnateľná s kapacitou kondenzátora, ktorého veľkosť je približne ako notebook. Akumulovaný silný náboj je možné použiť vo vozidlách.
Neexistuje však spôsob, ako akumulovať neobmedzené množstvo elektriny na tanieroch. Keď napätie stúpne na maximálnu hodnotu, môže dôjsť k poruche kondenzátora. taniereneutralizované, čo môže poškodiť zariadenie. Energia nabitého kondenzátora sa úplne spotrebuje na jeho ohrev.
Energetická hodnota
Zahrievanie kondenzátora je spôsobené premenou energie elektrického poľa na vnútornú. Schopnosť kondenzátora vykonávať prácu na presun náboja naznačuje prítomnosť dostatočnej zásoby elektriny. Ak chcete zistiť, aká vysoká je energia nabitého kondenzátora, zvážte proces jeho vybíjania. Pôsobením elektrického poľa napätia U prúdi náboj q z jednej dosky na druhú. Podľa definície sa práca poľa rovná súčinu rozdielu potenciálov a veľkosti náboja: A=qU. Tento pomer platí len pre konštantnú hodnotu napätia, ale v procese vybíjania na doskách kondenzátora sa postupne znižuje na nulu. Aby sme sa vyhli nepresnostiam, berieme jeho priemernú hodnotu U/2.
Zo vzorca elektrickej kapacity máme: q=CU.
Odtiaľ možno energiu nabitého kondenzátora určiť podľa vzorca:
W=CU2/2.
Vidíme, že jeho hodnota je tým väčšia, čím vyššia je elektrická kapacita a napätie. Aby sme odpovedali na otázku, aká je energia nabitého kondenzátora, pozrime sa na ich odrody.
Typy kondenzátorov
Keďže energia elektrického poľa sústredeného vo vnútri kondenzátora priamo súvisí s jeho kapacitou a činnosť kondenzátorov závisí od ich konštrukčných vlastností, používajú sa rôzne typy pamäťových zariadení.
- Podľa tvaru dosiek: ploché, valcové, guľové atď.e.
- Zmenou kapacity: konštantná (kapacita sa nemení), premenná (zmenou fyzikálnych vlastností meníme kapacitu), ladiaca. Zmena kapacity sa môže uskutočniť zmenou teploty, mechanického alebo elektrického namáhania. Kapacita kondenzátorov trimrov sa mení zmenou plochy dosiek.
- Podľa typu dielektrika: plyn, kvapalina, pevné dielektrikum.
- Podľa typu dielektrika: sklo, papier, sľuda, kov-papier, keramika, tenkovrstvové filmy rôzneho zloženia.
V závislosti od typu sa rozlišujú aj iné kondenzátory. Energia nabitého kondenzátora závisí od vlastností dielektrika. Hlavná veličina sa nazýva dielektrická konštanta. Elektrická kapacita je jej priamo úmerná.
Doskový kondenzátor
Zvážte najjednoduchšie zariadenie na zber elektrického náboja - plochý kondenzátor. Ide o fyzikálny systém dvoch rovnobežných dosiek, medzi ktorými je dielektrická vrstva.
Tvar tanierov môže byť obdĺžnikový aj okrúhly. Ak je potrebné získať variabilnú kapacitu, potom je obvyklé brať platne vo forme polovičných diskov. Otáčanie jednej dosky voči druhej vedie k zmene plochy dosiek.
Predpokladáme, že plocha jednej dosky sa rovná S, vzdialenosť medzi doskami sa rovná d, dielektrická konštanta plniva je ε. Kapacita takéhoto systému závisí len od geometrie kondenzátora.
C=εε0S/d.
Energia plochého kondenzátora
Vidíme, že kapacita kondenzátora je priamo úmerná celkovej ploche jednej dosky a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi nimi. Koeficient úmernosti je elektrická konštanta ε0. Zvýšenie dielektrickej konštanty dielektrika zvýši elektrickú kapacitu. Zníženie plochy dosiek vám umožní získať ladiace kondenzátory. Energia elektrického poľa nabitého kondenzátora závisí od jeho geometrických parametrov.
Použite vzorec výpočtu: W=CU2/2.
Určenie energie nabitého plochého kondenzátora sa vykonáva podľa vzorca:
W=εε0S U2/(2d).
Používanie kondenzátorov
Schopnosť kondenzátorov hladko zbierať elektrický náboj a dostatočne rýchlo ho odovzdávať sa využíva v rôznych oblastiach techniky.
Spojenie s induktormi vám umožňuje vytvárať oscilačné obvody, prúdové filtre, spätnoväzbové obvody.
Fotografické blesky, paralyzéry, v ktorých dochádza k takmer okamžitému výboju, využívajú schopnosť kondenzátora vytvoriť silný prúdový impulz. Kondenzátor sa nabíja zo zdroja jednosmerného prúdu. Samotný kondenzátor pôsobí ako prvok, ktorý preruší obvod. Výboj v opačnom smere nastáva takmer okamžite cez lampu s nízkym ohmickým odporom. V paralyzéri je týmto prvkom ľudské telo.
Kondenzátor alebo batéria
Schopnosť udržať nahromadený náboj po dlhú dobu dáva skvelú príležitosť využiť ho ako úložisko informácií alebo úložisko energie. Táto vlastnosť je široko používaná v rádiotechnike.
Vymeňte batériu, žiaľ, kondenzátor to nedokáže, pretože má tú zvláštnosť, že sa vybíja. Akumulovaná energia nepresahuje niekoľko stoviek joulov. Batéria dokáže uchovať veľké množstvo elektriny na dlhú dobu a takmer bez straty.
