Nuo elektros mokslo pradžios tik 1745 m. Ewald Jurgen von Kleist ir Pieter van Muschenbroek sugebėjo išspręsti jos kaupimo ir išsaugojimo problemą. Leidene, Olandijoje, sukurtas prietaisas leido kaupti elektros energiją ir prireikus ją naudoti.
Leyden jar – kondensatoriaus prototipas. Jo naudojimas fiziniuose eksperimentuose gerokai pažengė į priekį elektros tyrinėjimams, leido sukurti elektros srovės prototipą.
Kas yra kondensatorius
Pagrindinė kondensatoriaus paskirtis yra surinkti elektros krūvį ir elektros energiją. Paprastai tai yra dviejų izoliuotų laidininkų, išdėstytų kuo arčiau vienas kito, sistema. Tarpas tarp laidininkų užpildytas dielektriku. Ant laidininkų susikaupęs krūvis pasirenkamas kitaip. Priešingų krūvių savybė pritraukti prisideda prie didesnio jo kaupimosi. Dielektrikui priskiriamas dvejopas vaidmuo: kuo didesnė dielektrinė konstanta, tuo didesnė elektrinė talpa, krūviai negali įveikti barjero irneutralizuoti.
Elektrinė talpa yra pagrindinis fizinis dydis, apibūdinantis kondensatoriaus gebėjimą kaupti krūvį. Laidininkai vadinami plokštelėmis, tarp jų yra sutelktas kondensatoriaus elektrinis laukas.
Matyt, įkrauto kondensatoriaus energija turėtų priklausyti nuo jo talpos.
Elektros galia
Energijos potencialas leidžia naudoti (didelės elektrinės talpos) kondensatorius. Įkrauto kondensatoriaus energija naudojama, kai reikia įjungti trumpą srovės impulsą.
Nuo kokių kiekių priklauso elektros galia? Kondensatoriaus įkrovimo procesas prasideda prijungus jo plokštes prie srovės š altinio polių. Kondensatoriaus įkrovimu imamas vienoje plokštelėje susikaupęs krūvis (kurio reikšmė q). Elektrinis laukas, sutelktas tarp plokščių, turi potencialų skirtumą U.
Elektros talpa (C) priklauso nuo viename laidininke sukoncentruotos elektros energijos kiekio ir lauko įtampos: C=q/U.
Ši vertė matuojama F (faradais).
Visos Žemės talpa nepalyginama su kondensatoriaus talpa, kurios dydis prilygsta nešiojamojo kompiuterio dydžiui. Sukauptą galingą įkrovą galima naudoti transporto priemonėse.
Tačiau lėkštėse jokiu būdu negalima sukaupti neriboto elektros energijos kiekio. Kai įtampa pakyla iki didžiausios vertės, gali įvykti kondensatoriaus gedimas. lėkštėsneutralizuoti, o tai gali sugadinti įrenginį. Įkrauto kondensatoriaus energija visiškai sunaudojama jį šildyti.
Energijos vertė
Kondensatorius įkaista dėl elektrinio lauko energijos pavertimo vidine. Kondensatoriaus gebėjimas atlikti darbą perkelti įkrovą rodo, kad yra pakankamai elektros energijos. Norėdami nustatyti, kokia yra įkrauto kondensatoriaus energija, apsvarstykite jo iškrovimo procesą. Veikiant U įtampos elektriniam laukui, q krūvis teka iš vienos plokštės į kitą. Pagal apibrėžimą lauko darbas lygus potencialų skirtumo ir krūvio dydžio sandaugai: A=qU. Šis santykis galioja tik pastoviai įtampos vertei, tačiau kondensatoriaus plokščių išsikrovimo procese jis palaipsniui mažėja iki nulio. Kad išvengtume netikslumų, imame jo vidutinę reikšmę U/2.
Iš elektrinės talpos formulės turime: q=CU.
Iš čia įkrauto kondensatoriaus energiją galima nustatyti pagal formulę:
W=CU2/2.
Matome, kad jo vertė yra didesnė, tuo didesnė elektrinė talpa ir įtampa. Norėdami atsakyti į klausimą, kokia yra įkrauto kondensatoriaus energija, panagrinėkime jų įvairovę.
Kondensatorių tipai
Kadangi kondensatoriaus viduje sutelkto elektrinio lauko energija yra tiesiogiai susijusi su jo talpa, o kondensatorių veikimas priklauso nuo jų konstrukcijos ypatybių, naudojami įvairūs saugojimo įrenginiai.
- Pagal plokščių formą: plokščia, cilindrinė, sferinė ir kt.e.
- Keičiant talpą: pastovus (talpa nesikeičia), kintamoji (keisdami fizines savybes keičiame talpą), derinimas. Talpa gali būti keičiama keičiant temperatūrą, mechaninį ar elektrinį įtempį. Žoliapjovių kondensatorių talpa kinta, keičiant plokščių plotą.
- Pagal dielektriko tipą: dujinis, skystasis, kietasis dielektrikas.
- Pagal dielektriko tipą: stiklas, popierius, žėrutis, metalas-popierius, keramika, įvairios sudėties plonasluoksnės plėvelės.
Priklausomai nuo tipo, išskiriami ir kiti kondensatoriai. Įkrauto kondensatoriaus energija priklauso nuo dielektriko savybių. Pagrindinis dydis vadinamas dielektrine konstanta. Elektrinė talpa yra tiesiogiai jai proporcinga.
Plokštelės kondensatorius
Apsvarstykite paprasčiausią prietaisą elektros krūviui surinkti – plokščią kondensatorių. Tai fizinė sistema iš dviejų lygiagrečių plokščių, tarp kurių yra dielektrinis sluoksnis.
Lėkštės gali būti stačiakampės ir apvalios. Jei reikia gauti kintamą talpą, įprasta paimti plokštes pusdiskus. Vienos plokštės sukimasis kitos atžvilgiu lemia plokščių ploto pasikeitimą.
Manome, kad vienos plokštės plotas lygus S, atstumas tarp plokščių lygus d, užpildo dielektrinė konstanta yra ε. Tokios sistemos talpa priklauso tik nuo kondensatoriaus geometrijos.
C=εε0S/d.
Plokščiojo kondensatoriaus energija
Matome, kad kondensatoriaus talpa yra tiesiogiai proporcinga bendram vienos plokštės plotui ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp jų. Proporcingumo koeficientas yra elektrinė konstanta ε0. Padidinus dielektriko dielektrinę konstantą, padidės elektrinė talpa. Sumažinus plokščių plotą, galite gauti derinimo kondensatorius. Įkrauto kondensatoriaus elektrinio lauko energija priklauso nuo jo geometrinių parametrų.
Naudokite skaičiavimo formulę: W=CU2/2.
Įkrauto plokščios formos kondensatoriaus energija nustatoma pagal formulę:
W=εε0S U2/(2d).
Kondensatorių naudojimas
Kondensatorių gebėjimas sklandžiai surinkti elektros krūvį ir pakankamai greitai jį atiduoti naudojamas įvairiose technologijų srityse.
Sujungimas su induktoriais leidžia sukurti virpesių grandines, srovės filtrus, grįžtamojo ryšio grandines.
Nuotraukų blykstės, apsvaiginimo pistoletai, kuriuose įvyksta beveik akimirksniu išsikrovimas, naudoja kondensatoriaus galimybę sukurti galingą srovės impulsą. Kondensatorius įkraunamas iš nuolatinės srovės š altinio. Pats kondensatorius veikia kaip elementas, kuris nutraukia grandinę. Išlydis priešinga kryptimi įvyksta per mažo ominio atsparumo lempą beveik akimirksniu. Svaiginimo ginkle šis elementas yra žmogaus kūnas.
Kondensatorius arba baterija
Galimybė ilgą laiką išlaikyti sukauptą krūvį suteikia nuostabią galimybę panaudoti jį kaip informacijos saugyklą ar energijos kaupiklį. Ši savybė plačiai naudojama radijo inžinerijoje.
Pakeiskite bateriją, deja, kondensatorius negali, nes jis turi išsikrovimo ypatumą. Sukaupta energija neviršija kelių šimtų džaulių. Baterija gali ilgą laiką ir beveik be nuostolių saugoti didelį elektros energijos kiekį.
