Elektrisk kondensator är en passiv enhet som kan ackumulera och lagra elektrisk energi. Den består av två ledande plattor åtskilda av ett dielektriskt material. Tillämpningen av elektriska potentialer av olika tecken på ledande plattor leder till förvärvet av en laddning av dem, som är positiv på en platta och negativ på den andra. I det här fallet är den totala avgiften noll.
Den här artikeln diskuterar historiens frågor och definitionen av en kondensators kapacitans.
Invention Story
I oktober 1745 märkte den tyske vetenskapsmannen Ewald Georg von Kleist att en elektrisk laddning kunde lagras om en elektrostatisk generator och en viss mängd vatten i ett glaskärl kopplades ihop med en kabel. I detta experiment var von Kleists hand och vatten ledare, och glaskärlet var en elektrisk isolator. Efter att forskaren vidrört metalltråden med sin hand inträffade en kraftig urladdning, vilket varmycket starkare än urladdningen från en elektrostatisk generator. Som ett resultat drog von Kleist slutsatsen att det fanns lagrad elektrisk energi.
År 1746 uppfann den holländska fysikern Pieter van Muschenbroek en kondensator, som han kallade Leiden-flaskan för att hedra Leidens universitet där vetenskapsmannen arbetade. Daniel Gralat ökade sedan kapacitansen på kondensatorn genom att koppla ihop flera Leiden-flaskor.
År 1749 undersökte Benjamin Franklin Leyden-kondensatorn och kom till slutsatsen att den elektriska laddningen inte lagras i vatten, som man trodde tidigare, utan på gränsen mellan vatten och glas. Tack vare Franklins upptäckt tillverkades Leyden-flaskor genom att insidan och utsidan av glaskärl täcktes med metallplattor.
Industriutveckling
Begreppet "kondensator" myntades av Alessandro Volta 1782. Till en början användes material som glas, porslin, glimmer och vanligt papper för att tillverka elektriska kondensatorisolatorer. Så radioingenjören Guglielmo Marconi använde porslinskondensatorer för sina sändare och för mottagare - små kondensatorer med glimmerisolator, som uppfanns 1909 - före andra världskriget var de vanligast i USA.
Den första elektrolytkondensatorn uppfanns 1896 och var en elektrolyt med aluminiumelektroder. Elektronikens snabba utveckling började först efter uppfinningen 1950 av en miniatyrtantalkondensator medfast elektrolyt.
Under andra världskriget, som ett resultat av utvecklingen av plastkemi, började kondensatorer dyka upp, där rollen som en isolator tilldelades tunna polymerfilmer.
Äntligen, på 50-60-talet, utvecklas industrin för superkondensatorer, som har flera fungerande ledande ytor, på grund av vilka kondensatorernas elektriska kapacitet ökar med 3 storleksordningar jämfört med dess värde för konventionella kondensatorer.
Begreppet kapacitans för en kondensator
Den elektriska laddningen som lagras i kondensatorplattan är proportionell mot spänningen i det elektriska fältet som finns mellan enhetens plattor. I detta fall kallas proportionalitetskoefficienten den elektriska kapacitansen för en platt kondensator. I SI (International System of Units) mäts elektrisk kapacitet, som en fysisk storhet, i farad. En farad är den elektriska kapacitansen hos en kondensator, vars spänning mellan plattorna är 1 volt med en lagrad laddning på 1 coulomb.
Elektrisk kapacitans på 1 farad är enorm, och i praktiken inom elektroteknik och elektronik används ofta kondensatorer med kapacitanser i storleksordningen picofarad, nanofarad och microfarad. De enda undantagen är superkondensatorer, som består av aktivt kol, vilket ökar enhetens arbetsarea. De kan nå tusentals farads och används för att driva prototyper av elfordon.
Därmed är kondensatorns kapacitans: C=Q1/(V1-V2). Här C-elektrisk kapacitet, Q1 - elektrisk laddning lagrad i en platta på kondensatorn, V1-V2- skillnaden mellan plattornas elektriska potentialer.
Formeln för kapacitansen för en platt kondensator är: C=e0eS/d. Här är e0och e den universella dielektricitetskonstanten och dielektricitetskonstanten för isolatormaterialet S är plattornas area, d är avståndet mellan plattorna. Denna formel låter dig förstå hur kapacitansen hos en kondensator kommer att förändras om du ändrar isolatorns material, avståndet mellan plattorna eller deras area.
Typer av begagnad dielektrikum
För tillverkning av kondensatorer används olika typer av dielektrikum. De mest populära är följande:
- Air. Dessa kondensatorer är två plattor av ledande material, som är åtskilda av ett luftlager och placerade i en glaslåda. Den elektriska kapaciteten hos luftkondensatorer är liten. De används vanligtvis inom radioteknik.
- Mica. Egenskaperna hos glimmer (förmågan att separera till tunna skivor och motstå höga temperaturer) är lämpliga för dess användning som isolatorer i kondensatorer.
- Papper. Vaxat eller lackat papper används för att skydda mot blöta.
Lagrad energi
När potentialskillnaden mellan plattorna på kondensatorn ökar, lagrar enheten elektrisk energi p.g.a.närvaron av ett elektriskt fält inuti den. Om potentialskillnaden mellan plattorna minskar, laddas kondensatorn ur, vilket ger energi till den elektriska kretsen.
Matematiskt kan den elektriska energin som är lagrad i en godtycklig typ av kondensator uttryckas med följande formel: E=½C(V2-V 1)2, där V2 och V1 är de sista och initiala stress mellan tallrikarna.
Ladda och ladda ur
Om en kondensator är ansluten till en elektrisk krets med ett motstånd och någon elektrisk strömkälla, kommer ström att flyta genom kretsen och kondensatorn börjar laddas. Så snart den är fulladdad kommer den elektriska strömmen i kretsen att sluta.
Om en laddad kondensator ansluts parallellt med ett motstånd, kommer en ström att flyta från en platta till en annan genom motståndet, vilket fortsätter tills enheten är helt urladdad. I det här fallet kommer urladdningsströmmens riktning att vara motsatt riktningen för den elektriska strömmen när enheten laddades.
Laddning och urladdning av en kondensator följer ett exponentiellt tidsberoende. Till exempel ändras spänningen mellan plattorna på en kondensator under dess urladdning enligt följande formel: V(t)=Vie-t/(RC) , där V i - initial spänning på kondensatorn, R - elektriskt motstånd i kretsen, t - urladdningstid.
Kombinera i en elektrisk krets
För att bestämma kapacitansen för de kondensatorer som finns tillgängliga ielektriska kretsar, bör man komma ihåg att de kan kombineras på två olika sätt:
- Serial anslutning: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Parallell anslutning: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - total kapacitans för n kondensatorer. Den totala elektriska kapacitansen för kondensatorer bestäms av formler som liknar matematiska uttryck för den totala elektriska resistansen, endast formeln för seriekoppling av enheter är giltig för parallellkoppling av motstånd och vice versa.
