Kondenzátor. Energie nabitého kondenzátoru

Od počátku studia elektřiny byl problém jeho akumulace a konzervace řešen až v roce 1745 Ewaldem Jürgenem von Kleist a Peter van Mushenbruck. Vytvořeno v holandském zařízení Leyden povoleno hromadit elektrická energie

Leidenská banka je prototypem kondenzátoru. Jeho využití ve fyzikálních experimentech pokročilo ve studiu elektřiny daleko dopředu, umožnilo vytvořit prototyp elektrického proudu.

Co je kondenzátor?

Sbírat elektrický náboj a elektřina je hlavním účelem kondenzátoru. Obvykle se jedná o systém dvou izolovaných vodičů umístěných co nejblíže k sobě. Prostor mezi vodiči je vyplněn dielektrikem. Nabíjení nahromaděné na vodičích je vybráno s odlišným nábojem. Vlastnost na rozdíl od přitahovaných poplatků přispívá k její větší akumulaci. Dielektrik má dvojí roli: čím větší je dielektrická konstanta, tím větší je elektrická kapacita, náboje nemohou překonat bariéru a stát se neutrální.

Elektrická kapacita je hlavní fyzikální veličina, která charakterizuje schopnost kondenzátoru akumulovat náboj. Vodiče se nazývají desky, elektrické pole kondenzátoru je mezi nimi.

Energie nabitého kondenzátoru by zřejmě měla záviset na jeho kapacitě.

Elektrická kapacita

Energetický potenciál umožňuje použít kondenzátory (velké kapacitní kapacity). Energie nabitého kondenzátoru se v případě potřeby používá k použití krátkodobého proudového impulsu.

Jaké jsou hodnoty elektrické kapacity? Proces nabíjení kondenzátoru začíná připojením desek k pólu zdroje proudu. Nabíjení nahromaděné na jedné desce (jejíž hodnota je q) se považuje za náboj kondenzátoru. Elektrické pole, koncentrované mezi deskami, má potenciální rozdíl U.

Elektrická kapacita (C) závisí na množství elektrické energie soustředěné na jednom vodiči a na napětí pole: C = q / U.

Tato hodnota je měřena ve Ф (фарадах).

Kapacita celé Země není srovnatelná kapacita kondenzátoru, jehož hodnota je přibližně z notebooku. Akumulovaný silný náboj lze použít ve strojírenství.

Neexistuje však možnost hromadit neomezené množství elektřiny na talíři. Když napětí stoupne na maximální hodnotu, může dojít ke zhroucení kondenzátoru. Desky jsou neutralizovány, což může vést k poškození zařízení. Energie nabitého kondenzátoru se v tomto případě zcela zahřeje.

Energetická hodnota

Ohřívání kondenzátoru je způsobeno přeměnou energie elektrického pole na vnitřní energii. Schopnost kondenzátoru provádět práci na přesunutí nabíjení indikuje dostupnost dostatečného množství elektrické energie. Abychom zjistili, jak velká je energie nabitého kondenzátoru, zvažte proces jeho vypouštění. Při působení elektrického pole napětí U, proudění q proudí z jedné desky do druhé. Definice práce pole je roven produkci potenciálního rozdílu podle velikosti náboje: A = qU. Tento vztah platí pouze pro konstantní hodnotu napětí, ale v procesu vypouštění na deskách kondenzátoru se postupně snižuje na nulu. Abychom se vyhnuli nepřesnostem, vezměme si průměrnou hodnotu U / 2.

Ze vzorce pro elektrickou kapacitu máme: q = CU.

Energii nabitého kondenzátoru lze tedy stanovit podle vzorce:

W = CU²/ 2.

Vidíme, že jeho velikost je větší, tím větší je elektrická kapacita a napětí. Chcete-li odpovědět na otázku, co se rovná energii nabitého kondenzátoru, obráťte se na jejich odrůdy.

Typy kondenzátorů

Jelikož energie elektrického pole soustředěného uvnitř kondenzátoru je přímo spojena s jeho kapacitou a provoz kondenzátorů závisí na jejich konstrukčních vlastnostech, používají se různé typy paměťových zařízení.

1. Podle tvaru desek: ploché, válcové, kulové atd.
2. Změnou kapacity: konstantní (kapacita se nemění), proměnnými (měnícími se fyzikálními vlastnostmi, změnou kapacity), ořezáváním. Změnu kapacity lze provést změnou teploty, mechanické nebo elektrické napětí. Elektrická kapacita kondenzátorů trimru se mění v závislosti na ploše desek.
3. Podle typu dielektrika: plyn, kapalina, s pevným dielektrikem.
4. Podle typu dielektrika: sklo, papír, slída, kov, keramika, tenká vrstva z filmů různého složení.

V závislosti na typu jsou různé kondenzátory. Energie nabitého kondenzátoru závisí na vlastnostech dielektrika. Hlavní množství se nazývá dielektrická permitivita. Elektrická kapacita je přímo úměrná.

Plochý kondenzátor

Zvažte nejjednodušší zařízení pro sběr elektrického náboje - plochý kondenzátor. Jedná se o fyzický systém dvou paralelních desek, mezi nimiž je dielektrická vrstva.

Tvar desek může být obdélníkový a kruhový. Pokud je potřeba získat proměnnou kapacitu, pak desky jsou odebírány ve formě polotovary. Otočení jednoho směru vůči druhému vede ke změně oblasti desek.

Předpokládáme, že plocha jedné desky je S, vzdálenost mezi deskami se předpokládá d, dielektrická konstanta plnivo - epsilon-. Elektrická kapacita takového systému závisí pouze na geometrii kondenzátoru.

C = epsilon-epsilon-₀S / d.

Energie plochého kondenzátoru

Vidíme, že kapacita kondenzátoru je přímo úměrná celkové ploše jedné desky a je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi nimi. Koeficient proporcionality je elektrická konstanta epsilon-₀. Zvýšení dielektrické permitivity dielektrika zvýší elektrickou kapacitu. Snižování plochy desek umožňuje získat tuningové kondenzátory. Energie elektrického pole nabitého kondenzátoru závisí na jeho geometrických parametrech.

Použijeme výpočtový vzorec: W = CU²/ 2.

Stanovení energie nabitého kondenzátoru rovinného tvaru se provádí podle vzorce:

W = epsilon-epsilon-₀S U²/ (2d).

Použití kondenzátorů

Schopnost kondenzátorů plynule sbírat elektrický náboj a dostatečně rychle se vzdát v různých technologických oblastech.

Spojení s induktory umožňuje vytvářet oscilační obvody, proudové filtry, zpětnovazební obvody.

Kondenzátor nebo baterie

Schopnost ukládat nahromaděný náboj po dlouhou dobu poskytuje vynikající příležitost k jeho použití jako skladování informací nebo ukládání energie. V rádiovém inženýrství je tato vlastnost široce využívána.

Při výměně baterie bohužel není kondenzátor schopen, protože má funkci vybíjení. Akumulovaná energie nepřesahuje několik set joules. Baterie může ušetřit velké množství elektrické energie po dlouhou dobu a prakticky bez ztráty.