Condensatorul electric este un dispozitiv pasiv care este capabil să acumuleze și să stocheze energie electrică. Este format din două plăci conductoare separate printr-un material dielectric. Aplicarea potențialelor electrice de diferite semne la plăcile conductoare duce la dobândirea de către acestea a unei sarcini, care este pozitivă pe o placă și negativă pe ceal altă. În acest caz, taxa totală este zero.
Acest articol discută problemele istoriei și definiția capacității unui condensator.
Poveste de invenție
În octombrie 1745, omul de știință german Ewald Georg von Kleist a observat că o sarcină electrică poate fi stocată dacă un generator electrostatic și o anumită cantitate de apă dintr-un vas de sticlă erau conectate cu un cablu. În acest experiment, mâna și apa lui von Kleist erau conductoare, iar vasul de sticlă era un izolator electric. După ce omul de știință a atins firul de metal cu mâna, a avut loc o descărcare puternică, care a fostmult mai puternic decât descărcarea unui generator electrostatic. Drept urmare, von Kleist a concluzionat că există energie electrică stocată.
În 1746, fizicianul olandez Pieter van Muschenbroek a inventat un condensator, pe care l-a numit sticla Leiden în onoarea Universității din Leiden unde lucra omul de știință. Daniel Gralat a crescut apoi capacitatea condensatorului prin conectarea mai multor sticle Leiden.
În 1749, Benjamin Franklin a investigat condensatorul din Leyden și a ajuns la concluzia că sarcina electrică este stocată nu în apă, așa cum se credea înainte, ci la granița dintre apă și sticlă. Datorită descoperirii lui Franklin, sticlele Leyden au fost realizate prin acoperirea interiorului și exterioară a vaselor de sticlă cu plăci metalice.
Dezvoltarea industriei
Termenul „condensator” a fost inventat de Alessandro Volta în 1782. Inițial, materiale precum sticlă, porțelan, mica și hârtie simplă au fost folosite pentru a face izolatori pentru condensatori electrici. Așadar, inginerul radio Guglielmo Marconi a folosit condensatori din porțelan pentru transmițătoarele sale, iar pentru receptoare - condensatoare mici cu izolator de mică, care au fost inventate în 1909 - înainte de al Doilea Război Mondial, erau cele mai comune în SUA.
Primul condensator electrolitic a fost inventat în 1896 și era un electrolit cu electrozi de aluminiu. Dezvoltarea rapidă a electronicii a început abia după inventarea în 1950 a unui condensator de tantal miniatural cuelectrolit solid.
În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, ca urmare a dezvoltării chimiei materialelor plastice, au început să apară condensatoare, în care rolul de izolator era atribuit foliilor subțiri de polimer.
În sfârșit, în anii 50-60 se dezvoltă industria supercondensatorilor, care au mai multe suprafețe conductoare de lucru, datorită cărora capacitatea electrică a condensatoarelor crește cu 3 ordine de mărime față de valoarea acesteia pentru condensatoarele convenționale.
Conceptul capacității unui condensator
Sarcina electrică stocată în placa condensatorului este proporțională cu tensiunea câmpului electric care există între plăcile dispozitivului. În acest caz, coeficientul de proporționalitate se numește capacitatea electrică a unui condensator plat. În SI (Sistemul Internațional de Unități), capacitatea electrică, ca mărime fizică, se măsoară în faradi. Un farad este capacitatea electrică a unui condensator, a cărui tensiune între plăci este de 1 volt cu o sarcină stocată de 1 coulomb.
Capacitatea electrică de 1 farad este uriașă și, în practică, în electrotehnică și electronică, sunt utilizate în mod obișnuit condensatoare cu capacități de ordinul picofaradului, nanofaradului și microfaradului. Singurele excepții sunt supercondensatorii, care constau din cărbune activ, care mărește aria de lucru a dispozitivului. Pot atinge mii de farazi și sunt folosite pentru a propulsa prototipuri de vehicule electrice.
Astfel, capacitatea condensatorului este: C=Q1/(V1-V2). Aici C-capacitate electrică, Q1 - sarcina electrică stocată într-o placă a condensatorului, V1-V2- diferența dintre potențialele electrice ale plăcilor.
Formula pentru capacitatea unui condensator plat este: C=e0eS/d. Aici e0și e este constanta dielectrică universală, iar constanta dielectrică a materialului izolator S este aria plăcilor, d este distanța dintre plăci. Această formulă vă permite să înțelegeți cum se va schimba capacitatea unui condensator dacă schimbați materialul izolatorului, distanța dintre plăci sau aria lor.
Tipuri de dielectrici uzați
Pentru fabricarea condensatoarelor se folosesc diverse tipuri de dielectrice. Cele mai populare sunt următoarele:
- Aer. Acești condensatori sunt două plăci de material conductiv, care sunt separate printr-un strat de aer și plasate într-o carcasă de sticlă. Capacitatea electrică a condensatoarelor de aer este mică. Sunt de obicei folosite în inginerie radio.
- Mica. Proprietățile mica (capacitatea de a se separa în foi subțiri și de a rezista la temperaturi ridicate) sunt potrivite pentru utilizarea sa ca izolatori în condensatori.
- Hârtie. Hârtia cerată sau lăcuită este folosită pentru a proteja împotriva umezirii.
Energie stocată
Pe măsură ce diferența de potențial dintre plăcile condensatorului crește, dispozitivul stochează energie electrică datorităprezența unui câmp electric în interiorul acestuia. Dacă diferența de potențial dintre plăci scade, atunci condensatorul se descarcă, dând energie circuitului electric.
Matematic, energia electrică care este stocată într-un tip arbitrar de condensator poate fi exprimată prin următoarea formulă: E=½C(V2-V 1)2, unde V2 și V1 sunt finale și inițiale stres între plăci.
Încărcare și descărcare
Dacă un condensator este conectat la un circuit electric cu un rezistor și o sursă de curent electric, atunci curentul va curge prin circuit și condensatorul va începe să se încarce. Imediat ce este complet încărcat, curentul electric din circuit se va opri.
Dacă un condensator încărcat este conectat în paralel cu un rezistor, atunci un curent va curge de la o placă la alta prin rezistor, care va continua până când dispozitivul este complet descărcat. În acest caz, direcția curentului de descărcare va fi opusă direcției fluxului de curent electric atunci când dispozitivul era încărcat.
Încărcarea și descărcarea unui condensator urmează o dependență exponențială de timp. De exemplu, tensiunea dintre plăcile unui condensator în timpul descărcării acestuia se modifică conform următoarei formule: V(t)=Vie-t/(RC) , unde V i - tensiunea inițială pe condensator, R - rezistența electrică în circuit, t - timpul de descărcare.
Combinarea într-un circuit electric
Pentru a determina capacitatea condensatoarelor care sunt disponibile încircuit electric, trebuie amintit că acestea pot fi combinate în două moduri diferite:
- Conexiune serială: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Conexiune paralelă: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - capacitatea totală a n condensatoare. Capacitatea electrică totală a condensatoarelor este determinată de formule similare cu expresiile matematice pentru rezistența electrică totală, doar formula pentru conectarea în serie a dispozitivelor este valabilă pentru conectarea în paralel a rezistențelor și invers.
