Az elektromosság tanulmányozásának kezdete óta csak 1745-ben sikerült Ewald Jurgen von Kleistnek és Pieter van Muschenbroeknek megoldani az elektromosság felhalmozódásának és megőrzésének problémáját. A Leidenben (Hollandia) készült eszköz lehetővé tette az elektromos energia felhalmozását és szükség szerinti felhasználását.
Leyden jar – a kondenzátor prototípusa. Fizikai kísérletekben való felhasználása messze előre vitte az elektromosság tanulmányozását, lehetővé téve az elektromos áram prototípusának megalkotását.
Mi az a kondenzátor
A kondenzátorok fő célja az elektromos töltés és az elektromosság összegyűjtése. Általában ez egy két szigetelt vezetékből álló rendszer, amelyek a lehető legközelebb vannak egymáshoz. A vezetők közötti teret dielektrikum tölti ki. A vezetőkön felhalmozódott töltést másként választják meg. Az ellentétes töltések vonzási tulajdonsága hozzájárul a nagyobb felhalmozódásához. A dielektrikum kettős szerepet kap: minél nagyobb a dielektromos állandó, annál nagyobb az elektromos kapacitás, a töltések nem tudják legyőzni az akadályt éssemlegesíteni.
Az elektromos kapacitás a fő fizikai mennyiség, amely a kondenzátor töltésfelhalmozási képességét jellemzi. A vezetőket lemezeknek nevezzük, a kondenzátor elektromos tere közöttük koncentrálódik.
A feltöltött kondenzátor energiája láthatóan a kapacitásától függ.
Elektromos kapacitás
Az energiapotenciál lehetővé teszi (nagy elektromos kapacitású) kondenzátorok használatát. A feltöltött kondenzátor energiáját akkor használják fel, ha rövid áramimpulzust kell alkalmazni.
Milyen mennyiségektől függ az elektromos kapacitás? A kondenzátor feltöltésének folyamata a lemezeinek az áramforrás pólusaihoz való csatlakoztatásával kezdődik. Az egy lemezen felhalmozódott töltést (amelynek értéke q) vesszük a kondenzátor töltéseként. A lemezek között koncentrált elektromos térnek U potenciálkülönbsége van.
Az elektromos kapacitás (C) az egyik vezetőre koncentrált elektromosság mennyiségétől és a térfeszültségtől függ: C=q/U.
Ez az érték F-ben (farad) van mérve.
Az egész Föld kapacitása nem hasonlítható össze egy kondenzátor kapacitásával, amelynek mérete körülbelül egy notebook méretű. A felhalmozott erőteljes töltés járművekben is használható.
A tányérokon azonban nincs mód korlátlan mennyiségű elektromosság felhalmozására. Amikor a feszültség a maximális értékre emelkedik, a kondenzátor meghibásodhat. tányéroksemlegesített, ami károsíthatja a készüléket. A feltöltött kondenzátor energiáját teljes mértékben a fűtésére fordítják.
Energiaérték
A kondenzátor felmelegedése az elektromos tér energiájának belsővé történő átalakulásának köszönhető. A kondenzátor azon képessége, hogy a töltés mozgatása érdekében munkát végezzen, elegendő villamos energia jelenlétét jelzi. Annak meghatározásához, hogy mekkora a feltöltött kondenzátor energiája, vegye figyelembe a kisütési folyamatot. Az U feszültségű elektromos tér hatására q töltés áramlik egyik lemezről a másikra. Definíció szerint a mező munkája egyenlő a potenciálkülönbség és a töltés mennyiségének szorzatával: A=qU. Ez az arány csak állandó feszültségértékre érvényes, de a kondenzátorlapokon történő kisütés során fokozatosan nullára csökken. A pontatlanságok elkerülése érdekében az átlagos értéket vesszük U/2.
Az elektromos kapacitás képletéből a következőt kapjuk: q=CU.
Innentől kezdve a feltöltött kondenzátor energiája a következő képlettel határozható meg:
W=CU2/2.
Azt látjuk, hogy minél nagyobb az értéke, annál nagyobb az elektromos kapacitás és a feszültség. Annak a kérdésnek a megválaszolásához, hogy mekkora a töltött kondenzátor energiája, nézzük meg ezek fajtáit.
Kondenzátorok típusai
Mivel a kondenzátor belsejében koncentrált elektromos tér energiája közvetlenül kapcsolódik a kondenzátor kapacitásához, és a kondenzátorok működése a tervezési jellemzőiktől függ, különféle típusú tárolóeszközöket használnak.
- A lemezek alakja szerint: lapos, hengeres, gömb alakú stb.e.
- A kapacitás változtatásával: állandó (a kapacitás nem változik), változó (a fizikai tulajdonságok változtatásával a kapacitást változtatjuk), hangolás. A kapacitás változtatása történhet a hőmérséklet, mechanikai vagy elektromos igénybevétel változtatásával. A trimmer kondenzátorok kapacitása a lemezek területének változtatásával változik.
- Dielektromos típus szerint: gáz, folyékony, szilárd dielektrikum.
- Dielektrikum típusa szerint: üveg, papír, csillám, fém-papír, kerámia, különböző összetételű vékonyrétegű filmek.
Típustól függően más kondenzátorok is megkülönböztethetők. A töltött kondenzátor energiája a dielektrikum tulajdonságaitól függ. A fő mennyiséget dielektromos állandónak nevezzük. Az elektromos kapacitás egyenesen arányos vele.
Lemezkondenzátor
Fontolja meg a legegyszerűbb eszközt az elektromos töltés gyűjtésére - egy lapos kondenzátort. Ez egy fizikai rendszer két párhuzamos lemezből, amelyek között egy dielektromos réteg található.
A lemezek formája lehet téglalap és kerek is. Ha változó kapacitásra van szükség, akkor a lemezeket féllemezek formájában szokás venni. Az egyik lemez elforgatása a másikhoz képest a lemezek területének megváltozásához vezet.
Feltételezzük, hogy egy lemez területe egyenlő S-vel, a lemezek közötti távolság d, a töltőanyag dielektromos állandója ε. Egy ilyen rendszer kapacitása csak a kondenzátor geometriájától függ.
C=εε0S/d.
Egy lapos kondenzátor energiája
Látjuk, hogy a kondenzátor kapacitása egyenesen arányos egy lemez teljes területével, és fordítottan arányos a köztük lévő távolsággal. Az arányossági együttható a ε0 elektromos állandó. A dielektrikum dielektromos állandójának növelése növeli az elektromos kapacitást. A lemezek területének csökkentése lehetővé teszi a hangoló kondenzátorok beszerzését. Egy feltöltött kondenzátor elektromos mezőjének energiája a geometriai paramétereitől függ.
Használja a számítási képletet: W=CU2/2.
A feltöltött lapos kondenzátor energiájának meghatározása a következő képlet szerint történik:
W=εε0S U2/(2d).
Kondenzátorok használata
A kondenzátorok azon képességét, hogy zökkenőmentesen összegyűjtsék és elég gyorsan leadják az elektromos töltést, a technológia különböző területein használják.
Az induktorokkal való csatlakoztatás lehetővé teszi oszcilláló áramkörök, áramszűrők, visszacsatoló áramkörök létrehozását.
Fotóvakuk, kábítópisztolyok, amelyekben szinte azonnali kisülés következik be, a kondenzátor képességét használják erős áramimpulzus létrehozására. A kondenzátor töltése egyenáramú forrásból történik. Maga a kondenzátor olyan elemként működik, amely megszakítja az áramkört. Az ellenkező irányú kisülés egy alacsony ohmos ellenállású lámpán keresztül szinte azonnal megtörténik. A sokkoló fegyverben ez az elem az emberi test.
Kondenzátor vagy akkumulátor
A felgyülemlett töltés hosszú távú megtartásának képessége csodálatos lehetőséget ad arra, hogy információtárolóként vagy energiatárolóként használjuk. Ezt a tulajdonságot széles körben használják a rádiótechnikában.
Cseréld ki az elemet, sajnos a kondenzátor nem tud, mert az a sajátossága, hogy lemerül. A felhalmozott energia nem haladja meg a néhány száz joule-t. Az akkumulátor nagy mennyiségű áramot képes tárolni hosszú ideig és szinte veszteség nélkül.
