Condensator. Energia unui condensator încărcat

De la începutul studiului energiei electrice, problema acumulării și conservării acestuia a fost rezolvată abia în 1745 de către Ewald Jürgen von Kleist și Peter van Mushenbruck. Creat în dispozitivul olandez Leyden permis să se acumuleze energie electrică

Banca Leiden este un prototip de condensator. Utilizarea sa în experimentele fizice a avansat studiul electricității cu mult înainte, a făcut posibilă crearea unui prototip al unui curent electric.

Ce este un condensator?

aduna încărcătura electrică iar energia electrică este scopul principal al condensatorului. De obicei, este vorba despre un sistem de două conductori izolați situați cât mai aproape de celălalt. Spațiul dintre conductori este umplut cu un dielectric. Acumulatorul acumulat pe conductori este selectat cu o încărcare diferită. Proprietatea, spre deosebire de taxele atrase, contribuie la acumularea sa mai mare. Dielectricul are un rol dublu: cu cât este mai mare constanta dielectrică, cu atât capacitatea electrică este mai mare, încărcăturile nu pot depăși bariera și devin neutre.

Capacitatea electrică este cantitatea fizică principală care caracterizează capacitatea condensatorului de a acumula o încărcătură. Conductorii sunt numiți plăci, iar câmpul electric al condensatoarelor se află între ele.

Energia unui condensator încărcat, aparent, ar trebui să depindă de capacitatea sa.

Capacitatea electrică

Potențialul energetic face posibilă utilizarea condensatoarelor mari (capacitate mare). Energia condensatorului încărcat este utilizată, dacă este necesar, pentru a aplica un impuls de curent de scurtă durată.

Care sunt valorile capacității electrice? Procesul de încărcare a condensatorului începe prin conectarea plăcilor la polii sursei de curent. Încărcarea acumulată pe o singură placă (a cărei valoare este q) este luată ca sarcină a condensatorului. Câmpul electric, concentrat între plăci, are o diferență de potențial U.

Capacitatea electrică (C) depinde de cantitatea de energie electrică concentrată pe un conductor, iar tensiunea de câmp: C = q / U.

Această valoare este măsurată în Ф (фарадах).

Capacitatea întregului Pământ nu este comparabilă capacitatea condensatorului, a căror valoare este aproximativ din notebook. Încărcarea puternică acumulată poate fi utilizată în inginerie.

Cu toate acestea, nu există posibilitatea de a acumula o cantitate nelimitată de energie electrică pe plăci. Atunci când tensiunea se ridică la valoarea maximă, poate apărea o defecțiune a condensatorului. Plăcile sunt neutralizate, ceea ce poate duce la deteriorarea dispozitivului. Energia condensatorului încărcat în acest caz merge complet la încălzirea acestuia.

Valoarea energetică

Încălzirea condensatorului se datorează transformării energiei câmpului electric în cea internă. Capacitatea condensatorului de a efectua lucrări pentru a deplasa încărcătura indică disponibilitatea unei cantități suficiente de energie electrică. Pentru a determina cât de mare este energia unui condensator încărcat, să luăm în considerare procesul de descărcare. Sub acțiunea unui câmp electric cu o tensiune U, o sarcină de q curge de la o placă la alta. Prin definiție, munca câmpului este egală cu produsul diferenței de potențial prin mărimea încărcăturii: A = qU. Această relație este valabilă numai pentru o valoare constantă a tensiunii, dar în procesul de descărcare pe plăcile condensatorului, aceasta scade treptat la zero. Pentru a evita inexactitățile, să luăm valoarea medie U / 2.

Din formula pentru capacitatea electrică avem: q = CU.

Prin urmare, energia unui condensator încărcat poate fi determinată de formula:

W = CU²/ 2.

Vedem că magnitudinea lui este mai mare, cu atât mai mare este capacitatea electrică și tensiunea. Pentru a răspunde la întrebarea despre ceea ce este egal cu energia unui condensator încărcat, să ne întoarcem la soiurile lor.

Tipuri de condensatoare

Deoarece energia câmpului electric concentrat în interiorul condensatorului este direct legată de capacitatea sa, iar funcționarea condensatoarelor depinde de caracteristicile lor de proiectare, se folosesc diferite tipuri de dispozitive de stocare.

1. În funcție de forma plăcilor: plat, cilindric, sferic etc.
2. Prin schimbarea capacității: constanta (capacitatea nu se schimbă), variabilele (modificarea proprietăților fizice, schimbarea capacității), tăierea. Schimbarea capacității poate fi efectuată prin schimbarea temperaturii, mecanică sau tensiune electrică. Capacitatea electrică a condensatoarelor se schimbă prin schimbarea suprafeței plăcilor.
3. Prin tipul de dielectric: gaz, lichid, cu dielectric solid.
4. Prin tipul de dielectric: sticlă, hârtie, mica, metal, ceramică, peliculă subțire din filme de diferite compoziții.

În funcție de tip, există diferite condensatoare. Energia unui condensator încărcat depinde de proprietățile dielectricului. Cantitatea principală se numește permitivitate dielectrică. Capacitatea electrică este direct proporțională cu aceasta.

Condensator plat

Luați în considerare cel mai simplu dispozitiv pentru colectarea încărcării electrice - un condensator plat. Acesta este un sistem fizic de două plăci paralele, între care există un strat dielectric.

Forma plăcilor poate fi dreptunghiulară și circulară. Dacă există o nevoie de a obține o capacitate variabilă, atunci plăcile sunt luate sub formă de jumătăți de discuri. Întoarcerea una față în față cu cealaltă duce la o schimbare în zona plăcilor.

Vom presupune că suprafața unei plăci este S, distanța dintre plăci este presupusă a fi d, dielectric constant umplutură - epsilon-. Capacitatea electrică a unui astfel de sistem depinde doar de geometria condensatorului.

C = epsilon-epsilon-₀S / d.

Energia unui condensator plat

Vedem că capacitatea condensatorului este direct proporțională cu aria totală a unei plăci și este invers proporțională cu distanța dintre ele. Coeficientul de proporționalitate este constanta electrică epsilon-₀. Creșterea permitivității dielectrice a dielectricului va crește capacitatea electrică. Reducerea suprafeței plăcilor face posibilă obținerea unor condensatoare de tuning. Energia câmpului electric al unui condensator încărcat depinde de parametrii geometrici ai acestuia.

Utilizăm formula de calcul: W = CU²/ 2.

Determinarea energiei unui condensator încărcat de o formă plană se realizează conform formulei:

W = epsilon-epsilon-₀S U²/ (2d).

Utilizarea condensatoarelor

Abilitatea condensatorilor de a colecta fără probleme încărcătura electrică și o dau destul de repede în diferite domenii ale tehnologiei.

Conectarea cu inductoare permite crearea de circuite oscilante, filtre de curent, circuite de reacție.

Condensator sau baterie

Abilitatea de a stoca încărcătura acumulată pentru o lungă perioadă de timp oferă o oportunitate excelentă de ao utiliza ca stocare de informații sau stocare de energie. În radiotelefonie, această proprietate este utilizată pe scară largă.

Pentru a înlocui bateria, din păcate, condensatorul nu este capabil, deoarece are caracteristica de descărcare. Energia acumulată de el nu depășește câteva sute de jouli. Bateria poate economisi o cantitate mare de energie electrică pentru o perioadă lungă de timp și practic fără pierderi.