Energia nabitého kondenzátora, použitie kondenzátorov

Kovy sú vynikajúce vodiče elektriny. Vedú elektrinu, pretože majú voľné elektrónové nosiče bez elektrického náboja. A ak sa na koncoch, napríklad medeného drôtu pomocou konštantného zdroja EMF vytvorí potenciálny rozdiel, potom v takomto drôte vznikne elektrický prúd - elektróny budú vychádzať zo záporného pólu EMF. zdroj - na jeho kladný pól.

Naopak, dielektriká nie sú vodičmi elektrického prúdu, keďže v nich nie sú žiadne voľné nosiče elektrického náboja. Pozitívne a negatívne nosiče náboja v dielektrikách sú vzájomne prepojené a tvoria takzvané elektrické dipóly, ktoré sa vo vonkajšom elektrickom poli môžu iba otáčať, ale vplyvom elektrického poľa sa nemôžu translačne pohybovať.

Viac o tomto: Rozdiely medzi kovmi a dielektrikami, a Prečo dielektrika nevedú elektrinu

Vezmime si napríklad kúsok dielektrika vo forme PVC rúrky (polyvinylchlorid je dielektrikum).Vonkajší povrch tuby prikryte potravinovou fóliou a do vnútra jednoducho zabaľte viac pokrčenej fólie tak, aby sa dookola dotýkala vnútorných stien tuby.

Ak teraz vezmeme zdroj EMF, povedzme batérie 24 voltov a pripojte ho záporným pólom k vnútornej fólii a kladným pólom k vonkajšej, potom obe časti fólie dostanú náboj rôznych znakov z batérie a elektrické pole smerované zvonku zvnútra bude pôsobiť v celom objeme steny PVC rúrky .

Preto sa v tomto elektrickom poli budú dielektrické molekuly (PVC) otáčať, orientovať sa podľa vonkajšieho elektrického poľa — dielektrikum je polarizované tak, že jeho základné molekuly otáčajú svoje záporné strany smerom von – respektíve ku kladnej elektróde (k fólii pripojenej k batérii plus), svojimi kladnými stranami – smerom dovnútra k zápornej elektróde. Vyberme batériu.

Kladný náboj zostáva na vonkajšej fólii, pretože je stále držaný záporne nabitými stranami molekúl PVC smerujúcimi von, a záporný náboj na vnútornej fólii, pretože je držaný kladnými stranami dielektrických molekúl, ktoré sa otočili. dovnútra. Všetko sa udialo plne v súlade so zákonom elektrostatiky.

Ak teraz uzatvoríte vonkajšiu a vnútornú časť fólie kliešťami, v momente uzavretia si môžete všimnúť malú iskru: opačné náboje z dosiek sa navzájom priťahujú a spôsobujú prúd cez drôt (kliešte) a dielektrikum vráti do pôvodného neutrálneho stavu.

Dá sa s istotou povedať, že v tomto zariadení, ktoré pozostáva z dielektrickej trubice a dvoch fóliových platní, sa po pripojení batérie nahromadí Elektrická energia.

Zariadenia s podobnou konfiguráciou sa nazývajú — dielektrikum uzavreté medzi vodivými doskami, ktoré sú od seba izolované elektrické kondenzátory.

Je to zaujímavé:Kondenzátory a batérie – aký je medzi nimi rozdiel?

Historicky prvý prototyp kondenzátora, Leiden Bank, vynašiel v roku 1745 v Leidene nemecký fyzik Ewald Jürgen von Kleist a nezávisle od neho holandský fyzik Peter van Muschenbrück.

Energia nabitého kondenzátora závisí od napätia (potenciálneho rozdielu medzi doskami), na ktoré je nabitý, keďže hovoríme o potenciálnej energii opačných nábojov na doskách oddelených od seba.

Preto sa táto energia rovná práci, ktorú vykoná elektrické pole týchto nábojov, keď sa navzájom priťahujú (alebo ktorú vykonal zdroj, keď boli oddelené počas nabíjania kondenzátora). Elementárna práca pri presune elementárnej časti náboja z jednej dosky na druhú sa rovná:

Kondenzátory rôznych konfigurácií, keď sú nabité rovnakým množstvom náboja, budú mať rôzne potenciálne rozdiely medzi doskami. Dá sa tiež povedať, že pre rôzne kondenzátory budú rôzne napätia aplikované na platne mať za následok kvantitatívne odlišný náboj.

V praxi to znamená, že každý kondenzátor má určitú konštantnú hodnotu, charakteristiku, ktorá daný konkrétny kondenzátor charakterizuje, súvisiacu s jeho konfiguráciou, tvarom dosiek, dielektrickou konštantou dielektrika atď. Tento parameter sa nazýva elektrická kapacita C. Náboj na kondenzátore q súvisí s potenciálnym rozdielom medzi jeho doskami U takto:

Preto výraz pre celkovú energiu nabitého kondenzátora, akonáhle je integrovaný, môže byť napísaný takto:

Dnes sa kondenzátory používajú v rôznych oblastiach vedy a techniky: ako zásobníky elektrickej energie, ako filtre na vyhladzovanie vĺn v napájacích zdrojoch, pri riadiacich RC obvodoch elektronických zariadení, v zariadeniach na kompenzáciu jalového výkonu, v indukčných inštaláciách a rádiových zariadeniach ako súčasť oscilačného obvodu, vo výkonných generátoroch impulzov, v elektromagnetických urýchľovačoch, v meračoch vlhkosti vzduchu atď.

Viac podrobností nájdete tu:Prečo sa kondenzátory používajú v elektrických obvodoch?