Energia naładowanego kondensatora, zastosowanie kondensatorów

Metale są doskonałymi przewodnikami elektryczności. Przewodzą prąd elektryczny, ponieważ mają wolne nośniki elektronów bez ładunku elektrycznego. A jeśli różnica potencjałów zostanie utworzona na końcach, na przykład drutu miedzianego za pomocą stałego źródła pola elektromagnetycznego, wówczas w takim przewodzie powstanie prąd elektryczny - elektrony przejdą do przodu z ujemnego bieguna pola elektromagnetycznego źródło - do jego dodatniego zacisku.

Przeciwnie, dielektryki nie są przewodnikami prądu elektrycznego, ponieważ nie ma w nich wolnych nośników ładunku elektrycznego. Dodatnie i ujemne nośniki ładunku w dielektrykach są ze sobą połączone i tworzą tzw. dipole elektryczne, które w zewnętrznym polu elektrycznym mogą się tylko obracać, ale nie mogą poruszać się translacyjnie pod wpływem pola elektrycznego.

Więcej na ten temat: Różnice między metalami a dielektrykami, I Dlaczego dielektryki nie przewodzą prądu

Weźmy na przykład kawałek dielektryka w postaci rury PVC (polichlorek winylu jest dielektrykiem).Przykryj zewnętrzną powierzchnię tuby folią spożywczą i po prostu włóż do środka bardziej pogniecioną folię, tak aby dotykała wewnętrznych ścian tuby dookoła.

Jeśli teraz weźmiemy źródło EMF, powiedzmy bateria 24 V i połączyć go biegunem ujemnym z folią wewnętrzną a biegunem dodatnim z zewnętrzną, wtedy obie części folii otrzymają ładunek o różnych znakach z akumulatora i pole elektryczne skierowane z zewnątrz od wewnątrz będzie działają w całej objętości ścianki rury PCV.

Dlatego w tym polu elektrycznym cząsteczki dielektryka (PVC) będą się obracać, orientować się zgodnie z zewnętrznym polem elektrycznym — dielektryk jest spolaryzowany tak, że jego cząsteczki składowe zwracają swoje ujemne strony na zewnątrz — odpowiednio do elektrody dodatniej (do folii połączonej z plusem akumulatora), a swoimi dodatnimi stronami — do wewnątrz, do elektrody ujemnej. Wyjmijmy baterię.

Ładunek dodatni pozostaje na zewnętrznej folii, ponieważ jest nadal utrzymywany przez ujemnie naładowane strony cząsteczek PVC skierowane na zewnątrz, a ładunek ujemny na wewnętrznej, ponieważ jest utrzymywany przez dodatnie strony cząsteczek dielektryka, które obróciły się do wewnątrz. Wszystko odbyło się w pełnej zgodzie z prawami elektrostatyki.

Jeśli teraz zamkniesz zewnętrzną i wewnętrzną część folii szczypcami, to w momencie zamknięcia możesz zauważyć małą iskrę: przeciwne ładunki z płytek przyciągają się i powodują przepływ prądu przez drut (szczypce) i dielektryk powraca do pierwotnego stanu neutralnego.

Można śmiało powiedzieć, że w tym urządzeniu, składającym się z dielektryka i dwóch płyt foliowych, po podłączeniu do niego baterii gromadzi się Energia elektryczna.

Nazywa się urządzenia o podobnej konfiguracji — dielektryk zamknięty między przewodzącymi płytami odizolowanymi od siebie kondensatory elektryczne.

To interesujące:Kondensatory i baterie — jaka jest różnica?

Historycznie rzecz biorąc, pierwszy prototyp kondensatora, Leiden Bank, został wynaleziony w 1745 roku w Lejdzie przez niemieckiego fizyka Ewalda Jürgena von Kleista i niezależnie przez holenderskiego fizyka Petera van Muschenbrücka.

Energia naładowanego kondensatora zależy od napięcia (różnicy potencjałów między okładkami), do którego jest on naładowany, ponieważ mówimy o energii potencjalnej przeciwnych ładunków na oddzielonych od siebie okładkach.

Dlatego energia ta jest równa pracy, jaką wykona pole elektryczne tych ładunków, gdy się one przyciągają (lub jaką wykonało źródło, gdy zostały rozdzielone podczas ładowania kondensatora). Elementarna praca przeniesienia elementarnej części ładunku z jednej płyty na drugą jest równa:

Kondensatory o różnych konfiguracjach, gdy są ładowane tą samą ilością ładunku, będą doświadczać różnych różnic potencjałów między płytkami. Można również powiedzieć, że dla różnych kondensatorów różne napięcia przyłożone do okładek spowodują ilościowo różny ładunek.

W praktyce oznacza to, że każdy kondensator ma pewną stałą wartość, cechę charakteryzującą ten konkretny kondensator, związaną z jego konfiguracją, kształtem płytek, stałą dielektryczną dielektryka itp. Ten parametr nazywa się pojemność elektryczna C. Ładunek na kondensatorze q jest powiązany z różnicą potencjałów między jego okładkami U w następujący sposób:

Dlatego wyrażenie na całkowitą energię naładowanego kondensatora po scałkowaniu można zapisać w następujący sposób:

Współcześnie kondensatory znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i techniki: jako magazyny energii elektrycznej, jako filtry do wygładzania fal w zasilaczach, podczas sterowania obwodami RC urządzeń elektronicznych, w urządzeniach kompensacji mocy biernej, w instalacjach indukcyjnych i urządzeniach radiowych jako element obwodu oscylacyjnego, w generatorach impulsów dużej mocy, w akceleratorach elektromagnetycznych, w miernikach wilgotności powietrza, itp.

Aby uzyskać więcej informacji, zobacz tutaj:Dlaczego kondensatory są używane w obwodach elektrycznych?