Sähkökondensaattori on passiivinen laite, joka pystyy keräämään ja varastoimaan sähköenergiaa. Se koostuu kahdesta johtavasta levystä, jotka on erotettu eristemateriaalilla. Erimerkkisten sähköpotentiaalien kohdistaminen johtaviin levyihin johtaa siihen, että ne saavat varauksen, joka on toisella levyllä positiivinen ja toisella negatiivinen. Tässä tapauksessa kokonaisveloitus on nolla.
Tässä artikkelissa käsitellään historiallisia kysymyksiä ja kondensaattorin kapasitanssin määritelmää.
Keksintötarina
Lokakuussa 1745 saksalainen tiedemies Ewald Georg von Kleist huomasi, että sähkövaraus voidaan varastoida, jos sähköstaattinen generaattori ja tietty määrä vettä lasiastiassa yhdistetään kaapelilla. Tässä kokeessa von Kleistin käsi ja vesi olivat johtimia, ja lasiastia oli sähköeriste. Kun tiedemies kosketti metallilankaa kädellä, tapahtui voimakas purkaus, joka olipaljon voimakkaampi kuin sähköstaattisen generaattorin purkaus. Tämän seurauksena von Kleist päätteli, että sähköenergiaa oli varastoitu.
Vuonna 1746 hollantilainen fyysikko Pieter van Muschenbroek keksi kondensaattorin, jota hän kutsui Leidenin pulloksi sen Leidenin yliopiston kunniaksi, jossa tiedemies työskenteli. Daniel Gralat lisäsi sitten kondensaattorin kapasitanssia yhdistämällä useita Leiden-pulloja.
Vuonna 1749 Benjamin Franklin tutki Leydenin kondensaattoria ja tuli siihen tulokseen, että sähkövaraus ei varastoidu veteen, kuten aiemmin uskottiin, vaan veden ja lasin rajalle. Franklinin löydön ansiosta Leydenin pullot valmistettiin peittämällä lasiastioiden sisä- ja ulkopuoli metallilevyillä.
Toimialan kehitys
Termin "kondensaattori" loi Alessandro Volta vuonna 1782. Aluksi materiaaleja, kuten lasia, posliinia, kiillettä ja tavallista paperia, käytettiin sähkökondensaattorien eristeiden valmistukseen. Joten radioinsinööri Guglielmo Marconi käytti posliinikondensaattoreita lähettimissään ja vastaanottimissa - pieniä kondensaattoreita kiilleeristimellä, jotka keksittiin vuonna 1909 - ennen toista maailmansotaa, ne olivat yleisimpiä Yhdysvalloissa.
Ensimmäinen elektrolyyttikondensaattori keksittiin vuonna 1896, ja se oli alumiinielektrodeista valmistettu elektrolyytti. Elektroniikan nopea kehitys alkoi vasta sen jälkeen, kun vuonna 1950 keksittiin miniatyyri tantaalikondensaattori.kiinteä elektrolyytti.
Toisen maailmansodan aikana muovikemian kehityksen seurauksena alkoi ilmestyä kondensaattoreita, joissa ohuille polymeerikalvoille annettiin eristimen rooli.
Vihdoin 50-60-luvulla kehittyy superkondensaattoriteollisuus, jolla on useita toimivia johtavia pintoja, minkä ansiosta kondensaattoreiden sähköinen kapasiteetti kasvaa 3 suuruusluokkaa verrattuna sen arvoon perinteisillä kondensaattoreilla.
Kondensaattorin kapasitanssin käsite
Kondensaattorilevyyn tallennettu sähkövaraus on verrannollinen laitteen levyjen välissä olevan sähkökentän jännitteeseen. Tässä tapauksessa suhteellisuuskerrointa kutsutaan litteän kondensaattorin sähköiseksi kapasitanssiksi. SI:ssä (International System of Units) sähkökapasiteettia mitataan fyysisenä suurena faradeina. Yksi faradista on kondensaattorin sähköinen kapasitanssi, jonka levyjen välinen jännite on 1 voltti 1 coulombin tallennetulla varauksella.
1 faradin sähkökapasitanssi on v altava, ja käytännössä sähkötekniikassa ja elektroniikassa käytetään yleisesti kondensaattoreita, joiden kapasitanssit ovat luokkaa picofarad, nanofarad ja mikrofarad. Ainoat poikkeukset ovat superkondensaattorit, jotka koostuvat aktiivihiilestä, mikä lisää laitteen työskentelyaluetta. Ne voivat saavuttaa tuhansia faradeja, ja niitä käytetään sähköajoneuvojen prototyyppeihin.
Siten kondensaattorin kapasitanssi on: C=Q1/(V1-V2). Täällä C-sähköinen kapasiteetti, Q1 - kondensaattorin yhteen levyyn tallennettu sähkövaraus, V1-V2- levyjen sähköpotentiaalien välinen ero.
Litteän kondensaattorin kapasitanssin kaava on: C=e0eS/d. Tässä e0ja e on yleinen dielektrisyysvakio ja eristemateriaalin dielektrisyysvakio S on levyjen pinta-ala, d on levyjen välinen etäisyys. Tämän kaavan avulla voit ymmärtää, kuinka kondensaattorin kapasitanssi muuttuu, jos muutat eristimen materiaalia, levyjen välistä etäisyyttä tai niiden pinta-alaa.
Käytettyjen eristeiden tyypit
Kondensaattorien valmistuksessa käytetään erilaisia eristeitä. Suosituimmat ovat seuraavat:
- Ilma. Nämä kondensaattorit ovat kaksi johtavaa materiaalia olevaa levyä, jotka erotetaan ilmakerroksella ja sijoitetaan lasikoteloon. Ilmakondensaattorien sähköinen kapasiteetti on pieni. Niitä käytetään yleensä radiotekniikassa.
- Mica. Kiillen ominaisuudet (kyky erottua ohuiksi levyiksi ja kestää korkeita lämpötiloja) soveltuvat käytettäväksi eristimenä kondensaattoreissa.
- Paperi. Vahattua tai lakattua paperia käytetään suojaamaan kastumista vastaan.
Varastettu energia
Kun kondensaattorin levyjen välinen potentiaaliero kasvaa, laite varastoi sähköenergiaa johtuensähkökentän läsnäolo sen sisällä. Jos levyjen välinen potentiaaliero pienenee, kondensaattori purkautuu ja antaa energiaa sähköpiirille.
Matemaattisesti mieliv altaiseen kondensaattorityyppiin varastoitu sähköenergia voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla: E=½C(V2-V 1)2, jossa V2 ja V1 ovat viimeinen ja alkukirjain jännitys levyjen välillä.
Lataa ja pura
Jos kondensaattori on kytketty sähköpiiriin, jossa on vastus ja jokin sähkövirran lähde, virta kulkee piirin läpi ja kondensaattori alkaa latautua. Heti kun se on ladattu täyteen, sähkövirta piirissä pysähtyy.
Jos ladattu kondensaattori on kytketty rinnan vastuksen kanssa, virta kulkee levyltä toiselle vastuksen kautta, joka jatkuu, kunnes laite on täysin purkautunut. Tässä tapauksessa purkausvirran suunta on päinvastainen kuin sähkövirran suunta, kun laitetta ladataan.
Kondensaattorin lataaminen ja purkaminen noudattaa eksponentiaalista aikariippuvuutta. Esimerkiksi kondensaattorin levyjen välinen jännite sen purkauksen aikana muuttuu seuraavan kaavan mukaan: V(t)=Vie-t/(RC) , missä V i - kondensaattorin alkujännite, R - piirin sähkövastus, t - purkausaika.
Yhdistäminen sähköpiiriin
Käytettävien kondensaattorien kapasitanssin määrittäminensähköpiiri, on muistettava, että ne voidaan yhdistää kahdella eri tavalla:
- Sarjaliitäntä: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Rinnakkaisliitäntä: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - n kondensaattorin kokonaiskapasitanssi. Kondensaattorien kokonaissähköinen kapasitanssi määritetään kaavoilla, jotka ovat samank altaisia kuin kokonaissähköisen vastuksen matemaattisia lausekkeita, vain laitteiden sarjakytkennän kaava pätee vastusten rinnakkaiskytkemiseen ja päinvastoin.
