Kondensator elektryczny jest urządzeniem pasywnym, które jest w stanie gromadzić i przechowywać energię elektryczną. Składa się z dwóch przewodzących płyt oddzielonych materiałem dielektrycznym. Przyłożenie do płytek przewodzących potencjałów elektrycznych o różnych znakach prowadzi do pozyskania przez nie ładunku, który na jednej płytce jest dodatni, a na drugiej ujemny. W tym przypadku całkowity koszt wynosi zero.
W tym artykule omówiono zagadnienia związane z historią i definicją pojemności kondensatora.
Historia wynalazku
W październiku 1745 niemiecki naukowiec Ewald Georg von Kleist zauważył, że ładunek elektryczny może być przechowywany, jeśli generator elektrostatyczny i pewna ilość wody w szklanym naczyniu zostaną połączone kablem. W tym eksperymencie ręka i woda von Kleista były przewodnikami, a szklane naczynie było izolatorem elektrycznym. Po tym, jak naukowiec dotknął ręką metalowego drutu, nastąpiło silne wyładowanie, które byłoznacznie silniejsze niż wyładowanie generatora elektrostatycznego. W rezultacie von Kleist doszedł do wniosku, że istnieje zmagazynowana energia elektryczna.
W 1746 roku holenderski fizyk Pieter van Muschenbroek wynalazł kondensator, który nazwał butelką Leiden na cześć Uniwersytetu Leiden, w którym pracował naukowiec. Następnie Daniel Gralat zwiększył pojemność kondensatora, podłączając kilka butelek Leiden.
W 1749 roku Benjamin Franklin zbadał kondensator Leyden i doszedł do wniosku, że ładunek elektryczny jest gromadzony nie w wodzie, jak sądzono wcześniej, ale na granicy wody i szkła. Dzięki odkryciu Franklina butelki Leyden zostały wykonane przez pokrycie wewnątrz i na zewnątrz szklanych naczyń metalowymi płytkami.
Rozwój przemysłu
Termin „kondensator” został ukuty przez Alessandro Voltę w 1782 roku. Początkowo do produkcji izolatorów kondensatorów elektrycznych stosowano materiały takie jak szkło, porcelana, mika i zwykły papier. Tak więc inżynier radiowy Guglielmo Marconi użył kondensatorów porcelanowych do swoich nadajników, a do odbiorników - małych kondensatorów z izolatorem mikowym, które zostały wynalezione w 1909 roku - przed II wojną światową były najbardziej rozpowszechnione w USA.
Pierwszy kondensator elektrolityczny został wynaleziony w 1896 roku i był elektrolitem z elektrodami aluminiowymi. Szybki rozwój elektroniki rozpoczął się dopiero po wynalezieniu w 1950 roku miniaturowego kondensatora tantalowego zelektrolit stały.
Podczas II wojny światowej w wyniku rozwoju chemii tworzyw sztucznych zaczęły pojawiać się kondensatory, w których rolę izolatora przypisano cienkim filmom polimerowym.
Wreszcie, w latach 50-60, rozwija się przemysł superkondensatorów, które mają kilka roboczych powierzchni przewodzących, dzięki czemu pojemność elektryczna kondensatorów wzrasta o 3 rzędy wielkości w porównaniu do jej wartości dla konwencjonalnych kondensatorów.
Pojęcie pojemności kondensatora
Ładunek elektryczny zgromadzony na płytce kondensatora jest proporcjonalny do napięcia pola elektrycznego, które istnieje pomiędzy płytkami urządzenia. W tym przypadku współczynnik proporcjonalności nazywany jest pojemnością elektryczną płaskiego kondensatora. W SI (Międzynarodowy Układ Jednostek) pojemność elektryczna, jako wielkość fizyczna, jest mierzona w faradach. Jeden farad to pojemność elektryczna kondensatora, którego napięcie między płytkami wynosi 1 wolt, a zmagazynowany ładunek wynosi 1 kulomb.
Pojemność elektryczna 1 farada jest ogromna iw praktyce w elektrotechnice i elektronice powszechnie stosuje się kondensatory o pojemnościach rzędu pikofaradów, nanofaradów i mikrofaradów. Jedynymi wyjątkami są superkondensatory, które składają się z węgla aktywnego, który zwiększa powierzchnię roboczą urządzenia. Mogą sięgać tysięcy faradów i są wykorzystywane do zasilania prototypowych pojazdów elektrycznych.
Tak więc pojemność kondensatora wynosi: C=Q1/(V1-V2). Tutaj C-pojemność elektryczna, Q1 - ładunek elektryczny przechowywany w jednej płytce kondensatora, V1-V2- różnica potencjałów elektrycznych płytek.
Wzór na pojemność płaskiego kondensatora to: C=e0eS/d. Tutaj e0i e jest uniwersalną stałą dielektryczną, a stała dielektryczna materiału izolatora S jest powierzchnią płyt, d jest odległością między płytami. Ten wzór pozwala zrozumieć, jak zmieni się pojemność kondensatora, jeśli zmienisz materiał izolatora, odległość między płytami lub ich powierzchnię.
Rodzaje stosowanych dielektryków
Do produkcji kondensatorów stosuje się różne rodzaje dielektryków. Najpopularniejsze to:
- Powietrze. Kondensatory te to dwie płytki z materiału przewodzącego, które są oddzielone warstwą powietrza i umieszczone w szklanej obudowie. Pojemność elektryczna kondensatorów powietrznych jest niewielka. Są zwykle używane w inżynierii radiowej.
- Mika. Właściwości miki (zdolność rozdzielania się na cienkie arkusze i odporność na wysokie temperatury) nadają się do wykorzystania jako izolatory w kondensatorach.
- Papier. Papier woskowany lub lakierowany służy do ochrony przed zamoczeniem.
Zmagazynowana energia
Wraz ze wzrostem różnicy potencjałów między płytkami kondensatora urządzenie magazynuje energię elektryczną dziękiobecność w nim pola elektrycznego. Jeśli różnica potencjałów między płytkami zmniejszy się, kondensator jest rozładowywany, oddając energię do obwodu elektrycznego.
Matematycznie, energia elektryczna przechowywana w dowolnym typie kondensatora może być wyrażona następującym wzorem: E=½C(V2-V 1)2, gdzie V2 i V1 to końcowa i początkowa naprężenie między płytami.
Ładowanie i rozładowywanie
Jeśli kondensator jest podłączony do obwodu elektrycznego z rezystorem i źródłem prądu elektrycznego, prąd popłynie przez obwód i kondensator zacznie się ładować. Gdy tylko zostanie w pełni naładowany, prąd elektryczny w obwodzie zostanie zatrzymany.
Jeśli naładowany kondensator jest połączony równolegle z opornikiem, prąd będzie płynął z jednej płytki do drugiej przez opornik, który będzie trwał aż do całkowitego rozładowania urządzenia. W takim przypadku kierunek prądu rozładowania będzie przeciwny do kierunku przepływu prądu elektrycznego podczas ładowania urządzenia.
Ładowanie i rozładowywanie kondensatora odbywa się w wykładniczej zależności od czasu. Na przykład napięcie między płytkami kondensatora podczas jego rozładowywania zmienia się zgodnie z następującym wzorem: V(t)=Vie-t/(RC) , gdzie V i - początkowe napięcie na kondensatorze, R - rezystancja elektryczna w obwodzie, t - czas rozładowania.
Łączenie w obwodzie elektrycznym
Aby określić pojemność kondensatorów dostępnych wobwodu elektrycznego, należy pamiętać, że można je łączyć na dwa różne sposoby:
- Połączenie szeregowe: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Połączenie równoległe: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - całkowita pojemność n kondensatorów. Całkowita pojemność elektryczna kondensatorów jest określana wzorami podobnymi do wyrażeń matematycznych na całkowity opór elektryczny, tylko wzór na szeregowe połączenie urządzeń jest ważny dla równoległego połączenia rezystorów i odwrotnie.
