Електрическият кондензатор е пасивно устройство, което е в състояние да акумулира и съхранява електрическа енергия. Състои се от две проводими плочи, разделени от диелектричен материал. Прилагането на електрически потенциали с различни знаци към проводими пластини води до придобиване на заряд от тях, който е положителен на едната пластина и отрицателен на другата. В този случай общата такса е нула.
Тази статия обсъжда въпросите на историята и дефиницията на капацитета на кондензатор.
История за изобретения
През октомври 1745 г. немският учен Евалд Георг фон Клайст забелязал, че електрически заряд може да се съхранява, ако електростатичен генератор и определено количество вода в стъклен съд се свържат с кабел. В този експеримент ръката и водата на фон Клайст бяха проводници, а стъкленият съд беше електрически изолатор. След като ученият докосна металната тел с ръка, настъпи мощен разряд, който бешемного по-силен от разряда на електростатичен генератор. В резултат на това фон Клайст стига до заключението, че има натрупана електрическа енергия.
През 1746 г. холандският физик Питер ван Мушенбрук изобретява кондензатор, който той нарича Лайденска бутилка в чест на Лайденския университет, където ученият работи. След това Даниел Гралат увеличи капацитета на кондензатора чрез свързване на няколко бутилки Leiden.
През 1749 г. Бенджамин Франклин изследва лейденския кондензатор и стига до заключението, че електрическият заряд се съхранява не във вода, както се смяташе преди, а на границата на водата и стъклото. Благодарение на откритието на Франклин, бутилките Leyden са направени чрез покриване на вътрешната и външната страна на стъклените съдове с метални пластини.
Развитие на индустрията
Терминът "кондензатор" е въведен от Алесандро Волта през 1782 г. Първоначално материали като стъкло, порцелан, слюда и обикновена хартия са били използвани за направата на електрически кондензаторни изолатори. И така, радиоинженерът Гулиелмо Маркони използва порцеланови кондензатори за своите предаватели, а за приемници - малки кондензатори със слюден изолатор, които са изобретени през 1909 г. - преди Втората световна война, те са най-разпространените в САЩ.
Първият електролитен кондензатор е изобретен през 1896 г. и е електролит с алуминиеви електроди. Бързото развитие на електрониката започва едва след изобретяването през 1950 г. на миниатюрен танталов кондензатор ствърд електролит.
По време на Втората световна война, в резултат на развитието на химията на пластмасите, започват да се появяват кондензатори, в които ролята на изолатор е възложена на тънките полимерни филми..
Накрая, през 50-60-те години се развива индустрията на суперкондензаторите, които имат няколко работни проводими повърхности, поради което електрическият капацитет на кондензаторите се увеличава с 3 порядъка в сравнение със стойността му за конвенционалните кондензатори.
Концепцията за капацитета на кондензатор
Електрическият заряд, съхранен в плочата на кондензатора, е пропорционален на напрежението на електрическото поле, което съществува между плочите на устройството. В този случай коефициентът на пропорционалност се нарича електрически капацитет на плосък кондензатор. В SI (Международна система от единици) електрическият капацитет, като физическа величина, се измерва във фаради. Един фарад е електрическият капацитет на кондензатор, напрежението между плочите на който е 1 волт със съхранен заряд от 1 кулон.
Електрическият капацитет от 1 фарад е огромен и на практика в електротехниката и електрониката обикновено се използват кондензатори с капацитет от порядъка на пикофарад, нанофарад и микрофарад. Единствените изключения са суперкондензаторите, които се състоят от активен въглен, който увеличава работната площ на устройството. Те могат да достигнат хиляди фаради и се използват за захранване на прототипи на електрически превозни средства.
По този начин, капацитетът на кондензатора е: C=Q1/(V1-V2). Тук C-електрически капацитет, Q1 - електрически заряд, съхраняван в една пластина на кондензатора, V1-V2- разликата между електрическите потенциали на плочите.
Формулата за капацитета на плосък кондензатор е: C=e0eS/d. Тук e0и e е универсалната диелектрична константа, а диелектричната константа на изолационния материал S е площта на плочите, d е разстоянието между плочите. Тази формула ви позволява да разберете как ще се промени капацитетът на кондензатора, ако промените материала на изолатора, разстоянието между плочите или тяхната площ.
Видове използвани диелектрици
За производството на кондензатори се използват различни видове диелектрици. Най-популярните са следните:
- Въздух. Тези кондензатори представляват две плочи от проводим материал, които са разделени от слой въздух и се поставят в стъклена витрина. Електрическият капацитет на въздушните кондензатори е малък. Обикновено се използват в радиотехниката.
- Слюда. Свойствата на слюдата (способността да се разделя на тънки листове и да издържат на високи температури) са подходящи за използването й като изолатори в кондензатори.
- Хартия. Восъчна или лакирана хартия се използва за предпазване от намокряне.
Съхранена енергия
Тъй като потенциалната разлика между плочите на кондензатора се увеличава, устройството съхранява електрическа енергия порадиналичието на електрическо поле вътре в него. Ако потенциалната разлика между плочите намалее, тогава кондензаторът се разрежда, давайки енергия на електрическата верига.
Математически електрическата енергия, която се съхранява в произволен тип кондензатор, може да бъде изразена със следната формула: E=½C(V2-V 1)2, където V2 и V1 са крайните и началните напрежение между плочите.
Зареждане и разреждане
Ако кондензатор е свързан към електрическа верига с резистор и някакъв източник на електрически ток, тогава токът ще тече през веригата и кондензаторът ще започне да се зарежда. Веднага след като се зареди напълно, електрическият ток във веригата ще спре.
Ако зареден кондензатор е свързан паралелно с резистор, тогава през резистора ще тече ток от една плоча към друга, което ще продължи, докато устройството се разреди напълно. В този случай посоката на разрядния ток ще бъде противоположна на посоката на потока на електрическия ток, когато устройството се зарежда.
Зареждането и разреждането на кондензатор следва експоненциална зависимост от времето. Например, напрежението между плочите на кондензатор по време на неговото разреждане се променя по следната формула: V(t)=Vie-t/(RC) , където V i - първоначално напрежение на кондензатора, R - електрическо съпротивление във веригата, t - време на разреждане.
Комбиниране в електрическа верига
За да определите капацитета на кондензаторите, които са наличниелектрическа верига, трябва да се помни, че те могат да бъдат комбинирани по два различни начина:
- Серийна връзка: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Паралелна връзка: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - общ капацитет на n кондензатора. Общият електрически капацитет на кондензаторите се определя по формули, подобни на математическите изрази за общото електрическо съпротивление, само формулата за последователно свързване на устройства е валидна за паралелно свързване на резистори и обратно.
