Električni kondenzator je pasivna naprava, ki lahko akumulira in shranjuje električno energijo. Sestavljen je iz dveh prevodnih plošč, ločenih z dielektričnim materialom. Uporaba električnih potencialov različnih predznakov na prevodne plošče vodi do tega, da le-te pridobijo naboj, ki je na eni plošči pozitiven, na drugi pa negativen. V tem primeru je skupna bremenitev nič.
Ta članek obravnava vprašanja zgodovine in definicije kapacitivnosti kondenzatorja.
zgodba o izumu
Oktobra 1745 je nemški znanstvenik Ewald Georg von Kleist opazil, da se lahko električni naboj shrani, če sta elektrostatični generator in določena količina vode v stekleni posodi povezana s kablom. V tem poskusu sta bila von Kleistova roka in voda prevodnika, steklena posoda pa je bila električni izolator. Potem ko se je znanstvenik z roko dotaknil kovinske žice, je prišlo do močnega izpusta, ki je bilveliko močnejši od razelektritve elektrostatičnega generatorja. Posledično je von Kleist ugotovil, da je bila shranjena električna energija.
Leta 1746 je nizozemski fizik Pieter van Muschenbroek izumil kondenzator, ki ga je poimenoval Leidenska steklenica v čast Univerze v Leidnu, kjer je delal znanstvenik. Daniel Gralat je nato povečal kapacitivnost kondenzatorja s povezovanjem več steklenic Leiden.
Leta 1749 je Benjamin Franklin raziskal Leydenski kondenzator in prišel do zaključka, da električni naboj ni shranjen v vodi, kot so verjeli prej, ampak na meji vode in stekla. Zahvaljujoč Franklinovemu odkritju so bile steklenice Leyden izdelane tako, da so notranjost in zunanjost steklenih posod prekrile s kovinskimi ploščami.
Razvoj industrije
Izraz "kondenzator" je leta 1782 skoval Alessandro Volta. Sprva so za izdelavo električnih kondenzatorskih izolatorjev uporabljali materiale, kot so steklo, porcelan, sljuda in navaden papir. Tako je radijski inženir Guglielmo Marconi za svoje oddajnike uporabljal porcelanaste kondenzatorje, za sprejemnike - majhne kondenzatorje z izolatorjem sljude, ki so jih izumili leta 1909 - pred drugo svetovno vojno, so bili najpogostejši v ZDA.
Prvi elektrolitski kondenzator je bil izumljen leta 1896 in je bil elektrolit z aluminijastimi elektrodami. Hiter razvoj elektronike se je začel šele po izumu leta 1950 miniaturnega tantalovega kondenzatorja ztrdni elektrolit.
Med drugo svetovno vojno so se kot posledica razvoja plastične kemije začeli pojavljati kondenzatorji, pri katerih je bila tankim polimernim filmom dodeljena vloga izolatorja.
Končno se v 50-60-ih letih razvije industrija superkondenzatorjev, ki imajo več delovnih prevodnih površin, zaradi česar se električna zmogljivost kondenzatorjev poveča za 3 rede velikosti v primerjavi z njeno vrednostjo pri običajnih kondenzatorjih.
Koncept kapacitivnosti kondenzatorja
Električni naboj, shranjen v plošči kondenzatorja, je sorazmeren z napetostjo električnega polja, ki obstaja med ploščama naprave. V tem primeru se koeficient sorazmernosti imenuje električna kapacitivnost ravnega kondenzatorja. V SI (Mednarodni sistem enot) se električna zmogljivost kot fizična veličina meri v faradi. En farad je električna kapacitivnost kondenzatorja, katerega napetost med ploščama je 1 volt s shranjenim nabojem 1 kulon.
Električna kapacitivnost 1 farad je ogromna in v praksi v elektrotehniki in elektroniki se običajno uporabljajo kondenzatorji s kapacitivnostmi reda pikofarad, nanofarad in mikrofarad. Izjema so le superkondenzatorji, ki so sestavljeni iz aktivnega oglja, ki poveča delovno površino naprave. Lahko dosežejo na tisoče faradov in se uporabljajo za pogon prototipov električnih vozil.
Tako je kapacitivnost kondenzatorja: C=Q1/(V1-V2). Tukaj C-električna zmogljivost, Q1 - električni naboj, shranjen v eni plošči kondenzatorja, V1-V2- razlika med električnimi potenciali plošč.
Formula za kapacitivnost ploskega kondenzatorja je: C=e0eS/d. Tukaj je e0in e je univerzalna dielektrična konstanta in dielektrična konstanta izolacijskega materiala S je površina plošč, d je razdalja med ploščama. Ta formula vam omogoča, da razumete, kako se bo kapacitivnost kondenzatorja spremenila, če spremenite material izolatorja, razdaljo med ploščami ali njihovo površino.
Vrste uporabljenih dielektrikov
Za izdelavo kondenzatorjev se uporabljajo različne vrste dielektrikov. Najbolj priljubljeni so naslednji:
- Zrak. Ti kondenzatorji sta dve plošči iz prevodnega materiala, ki sta ločeni s plastjo zraka in nameščeni v stekleno ohišje. Električna zmogljivost zračnih kondenzatorjev je majhna. Običajno se uporabljajo v radijskem inženirstvu.
- Sljuda. Lastnosti sljude (zmožnost ločevanja na tanke plošče in prenašanje visokih temperatur) so primerne za njeno uporabo kot izolatorji v kondenzatorjih.
- Papir. Za zaščito pred zmočenjem se uporablja povoščen ali lakiran papir.
Shranjena energija
Ko se potencialna razlika med ploščami kondenzatorja poveča, naprava shranjuje električno energijo zaradiprisotnost električnega polja v njem. Če se potencialna razlika med ploščama zmanjša, se kondenzator izprazni, kar daje energijo električnemu tokokrogu.
Matematično lahko električno energijo, ki je shranjena v kondenzatorju poljubne vrste, izrazimo z naslednjo formulo: E=½C(V2-V 1)2, kjer sta V2 in V1 končni in začetni napetost med ploščami.
Polnjenje in praznjenje
Če je kondenzator priključen na električni tokokrog z uporom in nekim virom električnega toka, bo tok stekel skozi vezje in kondenzator se bo začel polniti. Takoj, ko je popolnoma napolnjen, se bo električni tok v vezju ustavil.
Če je napolnjen kondenzator povezan vzporedno z uporom, bo tok skozi upor tekel z ene plošče na drugo, kar bo trajalo, dokler se naprava popolnoma ne izprazni. V tem primeru bo smer toka praznjenja nasprotna smeri toka električnega toka, ko se je naprava polnila.
Polnjenje in praznjenje kondenzatorja sledi eksponentni časovni odvisnosti. Na primer, napetost med ploščami kondenzatorja se med njegovim praznjenjem spremeni po naslednji formuli: V(t)=Vie-t/(RC) , kjer je V i - začetna napetost na kondenzatorju, R - električni upor v tokokrogu, t - čas praznjenja.
Kombiniranje v električnem tokokrogu
Za določitev kapacitivnosti kondenzatorjev, ki so na voljo velektričnega tokokroga, je treba spomniti, da jih je mogoče kombinirati na dva različna načina:
- Serijske povezave: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Vzporedna povezava: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - skupna kapacitivnost n kondenzatorjev. Skupno električno kapacitivnost kondenzatorjev določimo po formulah, podobnih matematičnim izrazim za skupni električni upor, le formula za serijsko povezovanje naprav velja za vzporedno povezavo uporov in obratno.
