Od počátku studia elektřiny se teprve v roce 1745 podařilo Ewaldu Jurgenu von Kleistovi a Pieteru van Muschenbroekovi vyřešit problém její akumulace a uchování. Zařízení vytvořené v Leidenu v Holandsku umožňovalo akumulovat elektrickou energii a v případě potřeby ji využívat.
Leydenská nádoba - prototyp kondenzátoru. Jeho použití ve fyzikálních experimentech posunulo studium elektřiny daleko dopředu a umožnilo vytvořit prototyp elektrického proudu.
Co je to kondenzátor
Sběr elektrického náboje a elektřiny je hlavním účelem kondenzátoru. Obvykle se jedná o systém dvou izolovaných vodičů umístěných co nejblíže k sobě. Prostor mezi vodiči je vyplněn dielektrikem. Náboj nahromaděný na vodičích se volí odlišně. Vlastnost opačných nábojů přitahovat se přispívá k jeho větší akumulaci. Dielektrikum je přiřazena dvojí role: čím větší je dielektrická konstanta, tím větší je elektrická kapacita, náboje nemohou překonat bariéru aneutralizovat.
Elektrická kapacita je hlavní fyzikální veličina, která charakterizuje schopnost kondenzátoru akumulovat náboj. Vodiče se nazývají desky, elektrické pole kondenzátoru je soustředěno mezi nimi.
Energie nabitého kondenzátoru by zjevně měla záviset na jeho kapacitě.
Elektrická kapacita
Energetický potenciál umožňuje použití (velká elektrická kapacita) kondenzátorů. Energie nabitého kondenzátoru se využívá, když je potřeba použít krátký proudový impuls.
Na jakých veličinách závisí elektrická kapacita? Proces nabíjení kondenzátoru začíná připojením jeho desek k pólům zdroje proudu. Náboj nahromaděný na jedné desce (jehož hodnota je q) se bere jako náboj kondenzátoru. Elektrické pole soustředěné mezi deskami má potenciálový rozdíl U.
Elektrická kapacita (C) závisí na množství elektřiny soustředěné na jeden vodič a napětí pole: C=q/U.
Tato hodnota se měří ve F (faradech).
Kapacita celé Země není srovnatelná s kapacitou kondenzátoru, jehož velikost odpovídá velikosti notebooku. Akumulovaný silný náboj lze použít ve vozidlech.
Neexistuje však způsob, jak akumulovat neomezené množství elektřiny na talířích. Když napětí stoupne na maximální hodnotu, může dojít k průrazu kondenzátoru. talířeneutralizované, což může poškodit zařízení. Energie nabitého kondenzátoru se zcela spotřebuje na jeho ohřev.
Energetická hodnota
Zahřívání kondenzátoru je způsobeno přeměnou energie elektrického pole na vnitřní. Schopnost kondenzátoru vykonat práci pro přesun náboje ukazuje na přítomnost dostatečné zásoby elektřiny. Chcete-li zjistit, jak vysoká je energie nabitého kondenzátoru, zvažte proces jeho vybíjení. Působením elektrického pole o napětí U proudí náboj q z jedné desky na druhou. Podle definice se práce pole rovná součinu rozdílu potenciálu a velikosti náboje: A=qU. Tento poměr platí pouze pro konstantní hodnotu napětí, ale v procesu vybíjení na deskách kondenzátoru postupně klesá až k nule. Abychom se vyhnuli nepřesnostem, bereme jeho průměrnou hodnotu U/2.
Ze vzorce elektrické kapacity máme: q=CU.
Odtud lze energii nabitého kondenzátoru určit podle vzorce:
W=CU2/2.
Vidíme, že jeho hodnota je tím větší, čím vyšší je elektrická kapacita a napětí. Chcete-li odpovědět na otázku, jaká je energie nabitého kondenzátoru, pojďme se věnovat jejich odrůdám.
Typy kondenzátorů
Vzhledem k tomu, že energie elektrického pole soustředěného uvnitř kondenzátoru přímo souvisí s jeho kapacitou a činnost kondenzátorů závisí na jejich konstrukčních prvcích, používají se různé typy paměťových zařízení.
- Podle tvaru desek: ploché, válcové, kulové atd.e.
- Změnou kapacity: konstantní (kapacita se nemění), proměnná (změnou fyzikálních vlastností měníme kapacitu), ladění. Změnu kapacity lze provést změnou teploty, mechanického nebo elektrického namáhání. Kapacita trimrových kondenzátorů se mění změnou plochy desek.
- Podle typu dielektrika: plyn, kapalina, pevné dielektrikum.
- Podle typu dielektrika: sklo, papír, slída, kov-papír, keramika, tenkovrstvé filmy různého složení.
Podle typu se rozlišují i další kondenzátory. Energie nabitého kondenzátoru závisí na vlastnostech dielektrika. Hlavní veličina se nazývá dielektrická konstanta. Elektrická kapacita je jí přímo úměrná.
Deskový kondenzátor
Zvažte nejjednodušší zařízení pro sběr elektrického náboje – plochý kondenzátor. Jedná se o fyzický systém dvou rovnoběžných desek, mezi nimiž je dielektrická vrstva.
Tvar desek může být obdélníkový i kulatý. Pokud je potřeba získat variabilní kapacitu, pak je obvyklé brát desky ve formě půldisků. Rotace jedné desky vzhledem k druhé vede ke změně plochy desek.
Předpokládáme, že plocha jedné desky je rovna S, vzdálenost mezi deskami je rovna d, dielektrická konstanta výplně je ε. Kapacita takového systému závisí pouze na geometrii kondenzátoru.
C=εε0S/d.
Energie plochého kondenzátoru
Vidíme, že kapacita kondenzátoru je přímo úměrná celkové ploše jedné desky a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi nimi. Koeficient úměrnosti je elektrická konstanta ε0. Zvýšení dielektrické konstanty dielektrika zvýší elektrickou kapacitu. Zmenšení plochy desek umožňuje získat ladicí kondenzátory. Energie elektrického pole nabitého kondenzátoru závisí na jeho geometrických parametrech.
Použijte vzorec pro výpočet: W=CU2/2.
Určení energie nabitého plochého kondenzátoru se provádí podle vzorce:
W=εε0S U2/(2d).
Použití kondenzátorů
Schopnost kondenzátorů plynule sbírat elektrický náboj a dostatečně rychle jej odevzdávat se využívá v různých oblastech technologie.
Propojení s tlumivkami umožňuje vytvářet oscilační obvody, proudové filtry, zpětnovazební obvody.
Foto blesky, paralyzéry, ve kterých dochází k téměř okamžitému výboji, využívají schopnost kondenzátoru vytvořit silný proudový impuls. Kondenzátor se nabíjí ze zdroje stejnosměrného proudu. Samotný kondenzátor funguje jako prvek, který přeruší obvod. K výboji v opačném směru dochází prostřednictvím lampy s nízkým ohmickým odporem téměř okamžitě. V paralyzéru je tímto prvkem lidské tělo.
Kondenzátor nebo baterie
Schopnost udržet nahromaděný náboj po dlouhou dobu dává skvělou příležitost využít jej jako úložiště informací nebo úložiště energie. Tato vlastnost je široce používána v radiotechnice.
Vyměňte baterii, kondenzátor bohužel není schopen, protože má tu zvláštnost, že je vybitý. Akumulovaná energie nepřesahuje několik set joulů. Baterie dokáže uchovat velké množství elektřiny po dlouhou dobu a téměř beze ztrát.
