Az elektromos kondenzátor egy passzív eszköz, amely képes elektromos energiát felhalmozni és tárolni. Két vezetőképes lemezből áll, amelyeket dielektromos anyag választ el egymástól. Különböző előjelű elektromos potenciálok alkalmazása vezető lemezeken ahhoz vezet, hogy azok töltést szereznek, ami az egyik lemezen pozitív, a másikon negatív. Ebben az esetben a teljes díj nulla.
Ez a cikk a történelem kérdéseit és a kondenzátorok kapacitásának meghatározását tárgyalja.
Találmánytörténet
1745 októberében a német tudós, Ewald Georg von Kleist észrevette, hogy elektromos töltés tárolható, ha egy elektrosztatikus generátort és bizonyos mennyiségű vizet egy üvegedényben kábellel összekötnek. Ebben a kísérletben von Kleist keze és víz vezettek, az üvegedény pedig elektromos szigetelő. Miután a tudós megérintette a fémhuz alt a kezével, erőteljes kisülés történt, ami az voltsokkal erősebb, mint egy elektrosztatikus generátor kisülése. Ennek eredményeként von Kleist arra a következtetésre jutott, hogy van tárolt elektromos energia.
1746-ban Pieter van Muschenbroek holland fizikus feltalált egy kondenzátort, amelyet Leideni palacknak nevezett el a Leideni Egyetem tiszteletére, ahol a tudós dolgozott. Daniel Gralat ezután több leideni palack csatlakoztatásával megnövelte a kondenzátor kapacitását.
1749-ben Benjamin Franklin megvizsgálta a Leyden kondenzátort, és arra a következtetésre jutott, hogy az elektromos töltés nem vízben raktározódik, mint korábban hitték, hanem a víz és az üveg határán. Franklin felfedezésének köszönhetően a Leyden palackokat üvegedények belsejének és külsejének fémlemezekkel történő lefedésével készítettek.
Iparági fejlesztés
A "kondenzátor" kifejezést Alessandro Volta alkotta meg 1782-ben. Kezdetben olyan anyagokat használtak elektromos kondenzátor szigetelők előállításához, mint az üveg, a porcelán, a csillám és a sima papír. Tehát Guglielmo Marconi rádiómérnök porcelán kondenzátorokat használt adóihoz és vevőkészülékeihez - csillámszigetelővel ellátott kis kondenzátorokat, amelyeket 1909-ben - a második világháború előtt - találtak fel, ezek voltak a legelterjedtebbek az USA-ban.
Az első elektrolit kondenzátort 1896-ban találták fel, és alumíniumelektródákkal ellátott elektrolit volt. Az elektronika gyors fejlődése csak azután kezdődött, hogy 1950-ben feltalálták a miniatűr tantál kondenzátort.szilárd elektrolit.
A második világháború idején a műanyagkémia fejlődésének eredményeként elkezdtek megjelenni a kondenzátorok, amelyekben a szigetelő szerepét a vékony polimer fóliákhoz rendelték.
Végül az 50-60-as években fejlődik ki a szuperkondenzátorok ipara, amelyeknek több működő vezető felületük van, aminek köszönhetően a kondenzátorok elektromos kapacitása 3 nagyságrenddel megnő a hagyományos kondenzátorok értékéhez képest.
A kondenzátor kapacitásának fogalma
A kondenzátorlemezben tárolt elektromos töltés arányos a készülék lemezei között fennálló elektromos tér feszültségével. Ebben az esetben az arányossági együtthatót lapos kondenzátor elektromos kapacitásának nevezzük. Az SI-ben (International System of Units) az elektromos kapacitást, mint fizikai mennyiséget faradokban mérik. Az egyik farad egy olyan kondenzátor elektromos kapacitása, amelynek lemezei közötti feszültség 1 volt 1 coulomb tárolt töltéssel.
1 farad elektromos kapacitása óriási, és a gyakorlatban az elektrotechnikában és az elektronikában általában pikofarad, nanofarad és mikrofarad nagyságrendű kapacitású kondenzátorokat használnak. Az egyetlen kivétel a szuperkondenzátorok, amelyek aktív szénből állnak, ami növeli a készülék munkaterületét. Több ezer farádot is elérhetnek, és elektromos járművek prototípusainak meghajtására használják.
Így a kondenzátor kapacitása: C=Q1/(V1-V2). Itt C-elektromos kapacitás, Q1 - elektromos töltés a kondenzátor egyik lemezében tárolva, V1-V2- a lemezek elektromos potenciáljai közötti különbség.
A lapos kondenzátor kapacitásának képlete: C=e0eS/d. Itt e0és e az univerzális dielektromos állandó és a szigetelőanyag S dielektromos állandója a lemezek területe, d a lemezek közötti távolság. Ez a képlet lehetővé teszi, hogy megértse, hogyan változik a kondenzátor kapacitása, ha megváltoztatja a szigetelő anyagát, a lemezek közötti távolságot vagy területüket.
Használt dielektrikumok típusai
A kondenzátorok gyártásához különféle típusú dielektrikumokat használnak. A legnépszerűbbek a következők:
- Levegő. Ezek a kondenzátorok két vezető anyagú lemez, amelyeket légréteg választ el egymástól, és egy üvegházba helyezik. A légkondenzátorok elektromos kapacitása kicsi. Általában a rádiótechnikában használják őket.
- Csillám. A csillám tulajdonságai (az a képessége, hogy vékony lemezekre válnak szét és ellenáll a magas hőmérsékletnek) alkalmasak kondenzátorok szigetelőjeként való felhasználására.
- Papír. Viaszos vagy lakkozott papírt használnak a nedvesség elleni védelemre.
Tárolt energia
A kondenzátor lemezei közötti potenciálkülönbség növekedésével a készülék elektromos energiát tárol aelektromos mező jelenléte benne. Ha a lemezek közötti potenciálkülönbség csökken, akkor a kondenzátor lemerül, energiát adva az elektromos áramkörnek.
Matematikailag egy tetszőleges típusú kondenzátorban tárolt elektromos energia a következő képlettel fejezhető ki: E=½C(V2-V 1)2, ahol V2 és V1 a végső és a kezdőbetű feszültség a lemezek között.
Töltés és kisütés
Ha egy kondenzátort egy ellenállással és valamilyen elektromos áramforrással rendelkező elektromos áramkörhöz csatlakoztatnak, akkor az áram átfolyik az áramkörön, és a kondenzátor töltődni kezd. Amint teljesen feltöltődött, az áramkörben leáll az elektromos áram.
Ha egy feltöltött kondenzátort párhuzamosan csatlakoztatunk egy ellenállással, akkor az egyik lemezről a másikra áram folyik az ellenálláson keresztül, ami addig folytatódik, amíg az eszköz teljesen le nem merül. Ebben az esetben a kisülési áram iránya ellentétes lesz az elektromos áram áramlási irányával a készülék töltése idején.
A kondenzátor töltése és kisütése exponenciális időfüggést követ. Például egy kondenzátor lapjai közötti feszültség kisülés közben a következő képlet szerint változik: V(t)=Vie-t/(RC) , ahol V i - kezdeti feszültség a kondenzátoron, R - elektromos ellenállás az áramkörben, t - kisülési idő.
Összekapcsolás elektromos áramkörben
A rendelkezésre álló kondenzátorok kapacitásának meghatározásáhozelektromos áramkör, ne feledje, hogy két különböző módon kombinálhatók:
- Soros csatlakozás: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Párhuzamos kapcsolat: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - n kondenzátor teljes kapacitása. A kondenzátorok teljes elektromos kapacitását a teljes elektromos ellenállás matematikai kifejezéseihez hasonló képletek határozzák meg, az ellenállások párhuzamos csatlakoztatására csak az eszközök soros csatlakoztatásának képlete érvényes és fordítva.
