Από την αρχή της μελέτης του ηλεκτρισμού, μόλις το 1745 ο Ewald Jurgen von Kleist και ο Pieter van Muschenbroek κατάφεραν να λύσουν το πρόβλημα της συσσώρευσης και της διατήρησής του. Η συσκευή δημιουργήθηκε στο Λέιντεν της Ολλανδίας και επέτρεψε τη συσσώρευση ηλεκτρικής ενέργειας και τη χρήση της όταν ήταν απαραίτητο.
Βάζο Leyden - ένα πρωτότυπο πυκνωτή. Η χρήση του σε φυσικά πειράματα προώθησε τη μελέτη του ηλεκτρισμού πολύ μπροστά, κατέστησε δυνατή τη δημιουργία ενός πρωτοτύπου ηλεκτρικού ρεύματος.
Τι είναι ένας πυκνωτής
Η συλλογή ηλεκτρικού φορτίου και ηλεκτρικής ενέργειας είναι ο κύριος σκοπός ενός πυκνωτή. Συνήθως πρόκειται για ένα σύστημα δύο μονωμένων αγωγών που βρίσκονται όσο το δυνατόν πιο κοντά ο ένας στον άλλο. Ο χώρος μεταξύ των αγωγών είναι γεμάτος με ένα διηλεκτρικό. Το φορτίο που συσσωρεύεται στους αγωγούς επιλέγεται διαφορετικά. Η ιδιότητα των αντίθετων φορτίων να έλκονται συμβάλλει στη μεγαλύτερη συσσώρευσή του. Το διηλεκτρικό έχει διπλό ρόλο: όσο μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά, τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική χωρητικότητα, τα φορτία δεν μπορούν να ξεπεράσουν το φράγμα καιεξουδετερώνω.
Η ηλεκτρική χωρητικότητα είναι το κύριο φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός πυκνωτή να συσσωρεύει φορτίο. Οι αγωγοί ονομάζονται πλάκες, το ηλεκτρικό πεδίο του πυκνωτή συγκεντρώνεται μεταξύ τους.
Η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή, προφανώς, θα πρέπει να εξαρτάται από την χωρητικότητά του.
Ηλεκτρική χωρητικότητα
Το ενεργειακό δυναμικό καθιστά δυνατή τη χρήση πυκνωτών (μεγάλης ηλεκτρικής χωρητικότητας). Η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή χρησιμοποιείται όταν είναι απαραίτητο να εφαρμοστεί ένας βραχύς παλμός ρεύματος.
Από ποιες ποσότητες εξαρτάται η ηλεκτρική χωρητικότητα; Η διαδικασία φόρτισης ενός πυκνωτή ξεκινά συνδέοντας τις πλάκες του με τους πόλους μιας πηγής ρεύματος. Το φορτίο που συσσωρεύεται σε μια πλάκα (η τιμή της οποίας είναι q) λαμβάνεται ως φορτίο του πυκνωτή. Το ηλεκτρικό πεδίο που συγκεντρώνεται μεταξύ των πλακών έχει διαφορά δυναμικού U.
Η ηλεκτρική χωρητικότητα (C) εξαρτάται από την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που συγκεντρώνεται σε έναν αγωγό και την τάση πεδίου: C=q/U.
Αυτή η τιμή μετριέται σε F (farads).
Η χωρητικότητα ολόκληρης της Γης δεν είναι συγκρίσιμη με τη χωρητικότητα ενός πυκνωτή, το μέγεθος του οποίου είναι περίπου όσο ένα σημειωματάριο. Το συσσωρευμένο ισχυρό φορτίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οχήματα.
Ωστόσο, δεν υπάρχει τρόπος να συσσωρευτεί απεριόριστη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στις πλάκες. Όταν η τάση αυξάνεται στη μέγιστη τιμή, μπορεί να προκληθεί βλάβη του πυκνωτή. πιάταεξουδετερωθεί, γεγονός που μπορεί να βλάψει τη συσκευή. Η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή δαπανάται πλήρως για τη θέρμανση του.
Ενεργειακή αξία
Η θέρμανση του πυκνωτή οφείλεται στη μετατροπή της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου σε εσωτερική. Η ικανότητα του πυκνωτή να κάνει εργασία για να μετακινήσει το φορτίο υποδηλώνει την παρουσία επαρκούς παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Για να προσδιορίσετε πόσο υψηλή είναι η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή, εξετάστε τη διαδικασία εκφόρτισής του. Υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου τάσης U, ένα φορτίο q ρέει από τη μια πλάκα στην άλλη. Εξ ορισμού, το έργο του πεδίου ισούται με το γινόμενο της διαφοράς δυναμικού και του ποσού φορτίου: A=qU. Αυτή η αναλογία ισχύει μόνο για σταθερή τιμή τάσης, αλλά κατά τη διαδικασία εκφόρτισης στις πλάκες πυκνωτών, μειώνεται σταδιακά στο μηδέν. Για να αποφύγουμε ανακρίβειες, λαμβάνουμε τη μέση τιμή του U/2.
Από τον τύπο ηλεκτρικής χωρητικότητας έχουμε: q=CU.
Από εδώ, η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή μπορεί να προσδιοριστεί με τον τύπο:
W=CU2/2.
Βλέπουμε ότι η τιμή του είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική χωρητικότητα και η τάση. Για να απαντήσουμε στο ερώτημα ποια είναι η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή, ας στραφούμε στις ποικιλίες τους.
Τύποι πυκνωτών
Δεδομένου ότι η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου που συγκεντρώνεται μέσα στον πυκνωτή σχετίζεται άμεσα με την χωρητικότητά του και η λειτουργία των πυκνωτών εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά σχεδιασμού τους, χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι συσκευών αποθήκευσης.
- Σύμφωνα με το σχήμα των πλακών: επίπεδες, κυλινδρικές, σφαιρικές κ.λπ.ε.
- Με αλλαγή της χωρητικότητας: σταθερή (η χωρητικότητα δεν αλλάζει), μεταβλητή (με την αλλαγή των φυσικών ιδιοτήτων, αλλάζουμε την χωρητικότητα), συντονισμός. Η αλλαγή της χωρητικότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί αλλάζοντας τη θερμοκρασία, τη μηχανική ή την ηλεκτρική καταπόνηση. Η χωρητικότητα των πυκνωτών trimmer ποικίλλει ανάλογα με την αλλαγή της επιφάνειας των πλακών.
- Κατά διηλεκτρικό τύπο: αέριο, υγρό, στερεό διηλεκτρικό.
- Κατά τύπο διηλεκτρικού: γυαλί, χαρτί, μαρμαρυγία, μεταλλικό χαρτί, κεραμικό, μεμβράνες λεπτής στρώσης διαφόρων συνθέσεων.
Ανάλογα με τον τύπο, διακρίνονται και άλλοι πυκνωτές. Η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή εξαρτάται από τις ιδιότητες του διηλεκτρικού. Η κύρια ποσότητα ονομάζεται διηλεκτρική σταθερά. Η ηλεκτρική χωρητικότητα είναι ευθέως ανάλογη με αυτήν.
Πυκνωτής πλάκας
Εξετάστε την απλούστερη συσκευή για τη συλλογή ηλεκτρικού φορτίου - έναν επίπεδο πυκνωτή. Αυτό είναι ένα φυσικό σύστημα δύο παράλληλων πλακών, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα διηλεκτρικό στρώμα.
Το σχήμα των πιάτων μπορεί να είναι και ορθογώνιο και στρογγυλό. Εάν υπάρχει ανάγκη να αποκτήσετε μεταβλητή χωρητικότητα, τότε είναι συνηθισμένο να παίρνετε τις πλάκες με τη μορφή μισών δίσκων. Η περιστροφή μιας πλάκας σε σχέση με την άλλη οδηγεί σε αλλαγή στην περιοχή των πλακών.
Υποθέτουμε ότι το εμβαδόν μιας πλάκας είναι ίσο με S, η απόσταση μεταξύ των πλακών λαμβάνεται ίση με d, η διηλεκτρική σταθερά του πληρωτικού είναι ε. Η χωρητικότητα ενός τέτοιου συστήματος εξαρτάται μόνο από τη γεωμετρία του πυκνωτή.
C=εε0Α/ημ.
Ενέργεια επίπεδου πυκνωτή
Βλέπουμε ότι η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι ευθέως ανάλογη με τη συνολική επιφάνεια μιας πλάκας και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ τους. Ο συντελεστής αναλογικότητας είναι η ηλεκτρική σταθερά ε0. Η αύξηση της διηλεκτρικής σταθεράς του διηλεκτρικού θα αυξήσει την ηλεκτρική χωρητικότητα. Η μείωση της επιφάνειας των πλακών σάς επιτρέπει να αποκτήσετε πυκνωτές συντονισμού. Η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου ενός φορτισμένου πυκνωτή εξαρτάται από τις γεωμετρικές του παραμέτρους.
Χρησιμοποιήστε τον τύπο υπολογισμού: W=CU2/2.
Ο προσδιορισμός της ενέργειας ενός φορτισμένου επίπεδου πυκνωτή πραγματοποιείται σύμφωνα με τον τύπο:
W=εε0S U2/(2η).
Χρήση πυκνωτών
Η ικανότητα των πυκνωτών να συλλέγουν ομαλά ένα ηλεκτρικό φορτίο και να το απομακρύνουν αρκετά γρήγορα χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας.
Η σύνδεση με επαγωγείς σάς επιτρέπει να δημιουργείτε ταλαντευτικά κυκλώματα, φίλτρα ρεύματος, κυκλώματα ανάδρασης.
Φωτογραφικά φλας, πιστόλια αναισθητοποίησης, στα οποία εμφανίζεται σχεδόν στιγμιαία εκφόρτιση, χρησιμοποιούν την ικανότητα ενός πυκνωτή να δημιουργεί έναν ισχυρό παλμό ρεύματος. Ο πυκνωτής φορτίζεται από πηγή συνεχούς ρεύματος. Ο ίδιος ο πυκνωτής λειτουργεί ως στοιχείο που διακόπτει το κύκλωμα. Η εκκένωση προς την αντίθετη κατεύθυνση γίνεται μέσω μιας λάμπας χαμηλής ωμικής αντίστασης σχεδόν αμέσως. Σε ένα πιστόλι αναισθητοποίησης, αυτό το στοιχείο είναι το ανθρώπινο σώμα.
Πυκνωτής ή μπαταρία
Η δυνατότητα διατήρησης της συσσωρευμένης φόρτισης για μεγάλο χρονικό διάστημα δίνει μια υπέροχη ευκαιρία να το χρησιμοποιήσετε ως αποθήκευση πληροφοριών ή αποθήκευση ενέργειας. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται ευρέως στη ραδιομηχανική.
Αντικατάσταση μπαταρίας, δυστυχώς, ο πυκνωτής δεν μπορεί, γιατί έχει την ιδιαιτερότητα να είναι αποφορτισμένος. Η συσσωρευμένη ενέργεια δεν ξεπερνά τις μερικές εκατοντάδες τζάουλ. Η μπαταρία μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα και σχεδόν χωρίς απώλεια.
