Töltött kondenzátor energiája, kondenzátorok használata
A fémek kiváló elektromos vezetők. Azért vezetik az áramot, mert szabad elektronhordozójuk van, elektromos töltés nélkül. És ha potenciálkülönbség jön létre például egy rézhuzal végén egy állandó EMF-forrás segítségével, akkor egy ilyen vezetékben elektromos áram keletkezik - az elektronok az EMF negatív termináljáról jönnek előre. forrás - a pozitív termináljára.
Éppen ellenkezőleg, a dielektrikumok nem elektromos áram vezetői, mivel nincsenek bennük szabad elektromos töltéshordozók. A dielektrikumban lévő pozitív és negatív töltéshordozók összekapcsolódnak, és úgynevezett elektromos dipólusokat képeznek, amelyek külső elektromos térben csak forogni tudnak, de nem képesek transzlációs mozgásra elektromos tér hatására.
Erről bővebben: A fémek és a dielektrikumok közötti különbségek, és Miért nem vezetnek áramot a dielektrikumok?
Vegyünk például egy dielektrikum darabot PVC-cső formájában (a polivinil-klorid dielektrikum).Fedjük le a cső külső felületét ragasztófóliával, és egyszerűen csomagoljuk be gyűröttebb fóliába úgy, hogy körös-körül érintse a cső belső falait.
Ha most az EMF-forrást vesszük, mondjuk akkumulátor 24 voltos feszültségről, és csatlakoztassa a negatív pólussal a belső fóliára, a pozitív pólussal a külsőre, akkor a fólia mindkét része eltérő előjelű töltést kap az akkumulátortól, és belülről kívülről irányított elektromos tér fog hat a PVC csőfal teljes térfogatában .
Ezért ebben az elektromos térben a dielektromos molekulák (PVC) megfordulnak, orientálódnak a külső elektromos térnek megfelelően - a dielektrikum polarizált úgy, hogy az azt alkotó molekulák negatív oldalukat kifelé fordítják - rendre a pozitív elektródára (az akkumulátor pluszhoz csatlakoztatott fóliára), a pozitív oldalukat pedig befelé, a negatív elektródára. Vegyük ki az akkumulátort.
A pozitív töltés a külső fólián marad, mivel továbbra is a PVC-molekulák kifelé néző negatív töltésű oldalai tartják, a belsőn pedig egy negatív töltés, ahogyan az elfordult dielektromos molekulák pozitív oldalai tartják. befelé. Minden az elektrosztatika törvényének megfelelően történt.
Ha most fogóval lezárja a fólia külső és belső részét, akkor a zárás pillanatában észrevehet egy kis szikrát: a lemezek ellentétes töltései vonzzák egymást, és áramot okoznak a vezetéken (fogókon) és a dielektrikumon keresztül. visszatér eredeti semleges állapotába.
Nyugodtan kijelenthetjük, hogy ebben a dielektromos csőből és két fólialapból álló készülékben, amikor egy akkumulátort csatlakoztatunk hozzá, felhalmozódik Elektromos energia.
A hasonló konfigurációjú eszközöket - dielektrikumnak nevezik, amely egymástól elszigetelt vezető lemezek közé van zárva elektromos kondenzátorok.
Ez érdekes:Kondenzátorok és akkumulátorok - Mi a különbség?
Történelmileg az első kondenzátor prototípust, a Leiden Bankot 1745-ben, Leidenben Ewald Jürgen von Kleist német fizikus, egymástól függetlenül Peter van Muschenbrück holland fizikus találta fel.
A feltöltött kondenzátor energiája attól függ, hogy milyen feszültségre (a lemezek közötti potenciálkülönbségre) van feltöltve, mivel az egymástól elválasztott lemezeken ellentétes töltések potenciális energiájáról beszélünk.
Ezért ez az energia megegyezik azzal a munkával, amelyet ezeknek a töltéseknek az elektromos tere akkor végez, amikor vonzzák egymást (vagy amit a forrás végzett, amikor a kondenzátor töltése során szétváltak). A töltés elemi részének egyik lemezről a másikra történő mozgatásának elemi munkája egyenlő:
A különböző konfigurációjú kondenzátorok azonos mennyiségű töltéssel különböző potenciálkülönbségeket tapasztalnak a lemezek között. Azt is elmondhatjuk, hogy a különböző kondenzátorok esetében a lemezekre adott eltérő feszültség mennyiségileg eltérő töltést eredményez.
Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy minden kondenzátornak van egy bizonyos állandó értéke, egy olyan karakterisztikája, amely az adott kondenzátort jellemzi a konfigurációjával, a lemezek alakjával, a dielektrikum dielektromos állandójával stb. Ezt a paramétert hívják elektromos kapacitás C. A q kondenzátor töltése az U lemezei közötti potenciálkülönbséggel a következőképpen függ össze:
Ezért a feltöltött kondenzátor teljes energiájának kifejezése, miután integráltuk, a következőképpen írható fel:
Napjainkban a kondenzátorokat a tudomány és a technológia különböző területein használják: elektromos energiatárolóként, szűrőként a tápegységek hullámsimítására, az elektronikus eszközök RC áramköreinek vezérlésére, a meddőteljesítmény-kompenzáló berendezésekben, az indukciós berendezésekben és rádiókészülékekben. oszcilláló áramkörben, erős impulzusgenerátorokban, elektromágneses gyorsítókban, légnedvességmérőkben stb.
További részletekért lásd itt:Miért használnak kondenzátorokat elektromos áramkörökben?