Elektrisk kondensator er en passiv enhet som er i stand til å akkumulere og lagre elektrisk energi. Den består av to ledende plater atskilt av et dielektrisk materiale. Anvendelsen av elektriske potensialer av forskjellige tegn på ledende plater fører til at de får en ladning, som er positiv på den ene platen og negativ på den andre. I dette tilfellet er den totale kostnaden null.
Denne artikkelen diskuterer historiens spørsmål og definisjonen av kapasitansen til en kondensator.
Oppfinnelseshistorie
I oktober 1745 la den tyske vitenskapsmannen Ewald Georg von Kleist merke til at en elektrisk ladning kunne lagres hvis en elektrostatisk generator og en viss mengde vann i et glasskar ble koblet sammen med en kabel. I dette eksperimentet var von Kleists hånd og vann ledere, og glasskaret var en elektrisk isolator. Etter at forskeren berørte metalltråden med hånden, skjedde en kraftig utladning, som varmye sterkere enn utladningen av en elektrostatisk generator. Som et resultat konkluderte von Kleist med at det var lagret elektrisk energi.
I 1746 oppfant den nederlandske fysikeren Pieter van Muschenbroek en kondensator, som han k alte Leiden-flasken til ære for Leiden-universitetet der forskeren jobbet. Daniel Gralat økte deretter kapasitansen til kondensatoren ved å koble til flere Leiden-flasker.
I 1749 undersøkte Benjamin Franklin Leyden-kondensatoren og kom til den konklusjonen at den elektriske ladningen ikke er lagret i vann, slik man trodde før, men på grensen til vann og glass. Takket være Franklins oppdagelse ble Leyden-flasker laget ved å dekke innsiden og utsiden av glasskar med metallplater.
Industriutvikling
Begrepet "kondensator" ble laget av Alessandro Volta i 1782. Opprinnelig ble materialer som glass, porselen, glimmer og vanlig papir brukt til å lage elektriske kondensatorisolatorer. Så radioingeniøren Guglielmo Marconi brukte porselenskondensatorer til sine sendere, og til mottakere - små kondensatorer med glimmerisolator, som ble oppfunnet i 1909 - før andre verdenskrig var de de vanligste i USA.
Den første elektrolytkondensatoren ble oppfunnet i 1896 og var en elektrolytt med aluminiumselektroder. Den raske utviklingen av elektronikk begynte først etter oppfinnelsen i 1950 av en miniatyr tantalkondensator medfast elektrolytt.
Under andre verdenskrig, som et resultat av utviklingen av plastkjemi, begynte det å dukke opp kondensatorer, der rollen som en isolator ble tildelt tynne polymerfilmer.
Til slutt, på 50-60-tallet, utvikles industrien for superkondensatorer, som har flere fungerende ledende overflater, på grunn av hvilke den elektriske kapasiteten til kondensatorer øker med 3 størrelsesordener sammenlignet med verdien for konvensjonelle kondensatorer.
Konseptet med kapasitansen til en kondensator
Den elektriske ladningen som er lagret i kondensatorplaten er proporsjonal med spenningen til det elektriske feltet som eksisterer mellom platene på enheten. I dette tilfellet kalles proporsjonalitetskoeffisienten den elektriske kapasitansen til en flat kondensator. I SI (International System of Units) måles elektrisk kapasitet, som en fysisk størrelse, i farad. En farad er den elektriske kapasitansen til en kondensator, hvis spenning mellom platene er 1 volt med en lagret ladning på 1 coulomb.
Elektrisk kapasitans på 1 farad er enorm, og i praksis innen elektroteknikk og elektronikk brukes ofte kondensatorer med kapasitanser i størrelsesorden picofarad, nanofarad og microfarad. De eneste unntakene er superkondensatorer, som består av aktivert karbon, som øker arbeidsområdet til enheten. De kan nå tusenvis av farader og brukes til å drive prototyper av elektriske kjøretøyer.
Dermed er kapasitansen til kondensatoren: C=Q1/(V1-V2). Her C-elektrisk kapasitet, Q1 - elektrisk ladning lagret i én plate på kondensatoren, V1-V2- forskjellen mellom de elektriske potensialene til platene.
Formelen for kapasitansen til en flat kondensator er: C=e0eS/d. Her er e0og e den universelle dielektrisitetskonstanten og dielektrisitetskonstanten til isolatormaterialet S er arealet til platene, d er avstanden mellom platene. Denne formelen lar deg forstå hvordan kapasitansen til en kondensator vil endres hvis du endrer materialet på isolatoren, avstanden mellom platene eller deres område.
Typer brukt dielektrikum
For produksjon av kondensatorer brukes ulike typer dielektrikum. De mest populære er følgende:
- Air. Disse kondensatorene er to plater av ledende materiale, som er atskilt med et luftlag og plassert i et glasshus. Den elektriske kapasiteten til luftkondensatorer er liten. De brukes vanligvis i radioteknikk.
- Glimmer. Egenskapene til glimmer (evnen til å skille til tynne plater og tåle høye temperaturer) er egnet for bruk som isolatorer i kondensatorer.
- Papir. Vokset eller lakkert papir brukes for å beskytte mot å bli våt.
Lagret energi
Når potensialforskjellen mellom platene til kondensatoren øker, lagrer enheten elektrisk energi pga.tilstedeværelsen av et elektrisk felt inne i den. Hvis potensialforskjellen mellom platene avtar, blir kondensatoren utladet, og gir energi til den elektriske kretsen.
Matematisk kan den elektriske energien som er lagret i en vilkårlig type kondensator uttrykkes med følgende formel: E=½C(V2-V 1)2, der V2 og V1 er siste og innledende stress mellom platene.
Lading og utladning
Hvis en kondensator er koblet til en elektrisk krets med en motstand og en kilde til elektrisk strøm, vil strøm flyte gjennom kretsen og kondensatoren begynner å lades. Så snart den er fulladet, vil den elektriske strømmen i kretsen stoppe.
Hvis en ladet kondensator kobles parallelt med en motstand, vil en strøm flyte fra en plate til en annen gjennom motstanden, som vil fortsette til enheten er fullstendig utladet. I dette tilfellet vil retningen på utladningsstrømmen være motsatt av retningen for elektrisk strømflyt da enheten ble ladet.
Lading og utlading av en kondensator følger en eksponentiell tidsavhengighet. For eksempel endres spenningen mellom platene til en kondensator under utladingen i henhold til følgende formel: V(t)=Vie-t/(RC) , hvor V i - startspenning på kondensatoren, R - elektrisk motstand i kretsen, t - utladingstid.
Kombinering i en elektrisk krets
For å bestemme kapasitansen til kondensatorene som er tilgjengelige ielektrisk krets, må det huskes at de kan kombineres på to forskjellige måter:
- Seriell tilkobling: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Parallell tilkobling: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - total kapasitans på n kondensatorer. Den totale elektriske kapasitansen til kondensatorer bestemmes av formler som ligner på matematiske uttrykk for den totale elektriske motstanden, kun formelen for seriekobling av enheter er gyldig for parallellkobling av motstander og omvendt.
