Электр тогын зерттей бастағаннан бері тек 1745 жылы Эвальд Юрген фон Клейст пен Питер ван Мушенбрук оны жинақтау және сақтау мәселесін шеше алды. Лейденде (Голландия) жасалған құрылғы электр энергиясын жинақтап, қажет кезде пайдалануға мүмкіндік берді.
Лейден банкасы - конденсатордың прототипі. Оны физикалық эксперименттерде пайдалану электр тогын зерттеуді әлдеқайда алға жылжытты, электр тогының прототипін жасауға мүмкіндік берді.
Конденсатор дегеніміз не
Электр заряды мен электр энергиясын жинау конденсатордың негізгі мақсаты болып табылады. Әдетте бұл бір-біріне мүмкіндігінше жақын орналасқан екі оқшауланған өткізгіштер жүйесі. Өткізгіштер арасындағы кеңістік диэлектрикпен толтырылады. Өткізгіштерде жинақталған заряд басқаша таңдалады. Тартылатын қарама-қарсы зарядтардың қасиеті оның көбірек жинақталуына ықпал етеді. Диэлектрикке қосарлы рөл беріледі: диэлектрлік өтімділік неғұрлым үлкен болса, соғұрлым электр сыйымдылығы жоғары болады, зарядтар кедергіні жеңе алмайды жәнебейтараптандыру.
Электр сыйымдылығы конденсатордың зарядты жинақтау қабілетін сипаттайтын негізгі физикалық шама. Өткізгіштер пластиналар деп аталады, олардың арасында конденсатордың электр өрісі шоғырланған.
Зарядталған конденсатордың энергиясы оның сыйымдылығына байланысты болуы керек.
Электр сыйымдылығы
Энергия потенциалы (үлкен электр сыйымдылығы) конденсаторларды пайдалануға мүмкіндік береді. Зарядталған конденсатордың энергиясы қысқа ток импульсін қолдану қажет болғанда пайдаланылады.
Электр сыйымдылығы қандай шамаға тәуелді? Конденсаторды зарядтау процесі оның пластиналарын ток көзінің полюстеріне қосудан басталады. Конденсатордың заряды ретінде бір пластинада жинақталған заряд (мәні q) алынады. Пластиналар арасында шоғырланған электр өрісінің U потенциалдар айырымы бар.
Электр сыйымдылығы (C) бір өткізгіште шоғырланған электр энергиясының мөлшеріне және өріс кернеуіне байланысты: C=q/U.
Бұл мән F (фарадпен) өлшенеді.
Бүкіл Жердің сыйымдылығы конденсатордың сыйымдылығымен салыстыруға келмейді, оның көлемі дәптердің өлшемімен шамалас. Жиналған қуатты зарядты көліктерде пайдалануға болады.
Алайда пластинкаларға шексіз электр қуатын жинақтауға мүмкіндік жоқ. Кернеу максималды мәнге көтерілген кезде конденсатордың бұзылуы орын алуы мүмкін. пластиналарбейтараптандырылған, бұл құрылғыны зақымдауы мүмкін. Зарядталған конденсатордың энергиясы оны қыздыруға толығымен жұмсалады.
Энергия мәні
Конденсатордың қызуы электр өрісі энергиясының ішкі энергияға айналуымен байланысты. Конденсатордың зарядты жылжыту үшін жұмыс істеу қабілеті электр энергиясының жеткілікті қорының болуын көрсетеді. Зарядталған конденсатордың энергиясы қаншалықты жоғары екенін анықтау үшін оны зарядсыздандыру процесін қарастырыңыз. Кернеу U электр өрісінің әсерінен q заряды бір пластинадан екіншісіне өтеді. Анықтау бойынша өрістің жұмысы потенциалдар айырмасы мен заряд мөлшерінің көбейтіндісіне тең: A=qU. Бұл қатынас кернеудің тұрақты мәні үшін ғана жарамды, бірақ конденсатор пластиналарында разрядтау процесінде ол бірте-бірте нөлге дейін төмендейді. Дәлсіздіктерді болдырмау үшін біз оның орташа мәнін U/2 аламыз.
Электр сыйымдылығы формуласынан бізде: q=CU.
Осыдан зарядталған конденсатордың энергиясын мына формуламен анықтауға болады:
W=CU2/2.
Оның мәні неғұрлым үлкен болса, электр сыйымдылығы мен кернеуі соғұрлым жоғары екенін көреміз. Зарядталған конденсатордың энергиясы қандай деген сұраққа жауап беру үшін олардың түрлеріне тоқталайық.
Конденсаторлар түрлері
Конденсатордың ішінде шоғырланған электр өрісінің энергиясы оның сыйымдылығына тікелей байланысты, ал конденсаторлардың жұмысы олардың конструкциялық ерекшеліктеріне байланысты болғандықтан, әртүрлі сақтау құрылғылары қолданылады.
- Пластиналардың пішіні бойынша: жалпақ, цилиндрлік, сфералық және т.б.e.
- Сыйымдылықты өзгерту арқылы: тұрақты (сыйымдылық өзгермейді), айнымалы (физикалық қасиеттерін өзгерту арқылы сыйымдылықты өзгертеміз), баптау. Сыйымдылықты өзгерту температураны, механикалық немесе электрлік кернеуді өзгерту арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Триммер конденсаторларының сыйымдылығы пластиналардың ауданын өзгерту арқылы өзгереді.
- Диэлектрик түрі бойынша: газ, сұйық, қатты диэлектрик.
- Диэлектриктердің түрі бойынша: шыны, қағаз, слюда, металл-қағаз, керамикалық, әртүрлі құрамдағы жұқа қабатты пленкалар.
Түріне байланысты басқа конденсаторлар да ерекшеленеді. Зарядталған конденсатордың энергиясы диэлектриктің қасиеттеріне байланысты. Негізгі шама диэлектрлік өтімділік деп аталады. Электр сыйымдылығы оған тура пропорционал.
Пластиналық конденсатор
Электр зарядын жинауға арналған ең қарапайым құрылғыны - жазық конденсаторды қарастырайық. Бұл екі параллель пластинадан тұратын физикалық жүйе, олардың арасында диэлектрлік қабат бар.
Тақталардың пішіні тікбұрышты да, дөңгелек те болуы мүмкін. Егер ауыспалы сыйымдылықты алу қажет болса, онда пластиналарды жартылай дискілер түрінде алу әдеттегідей. Бір пластинаның екіншісіне қатысты айналуы пластиналар ауданының өзгеруіне әкеледі.
Бір пластинаның ауданы S-ке тең деп есептейміз, плиталар арасындағы қашықтық d-ге тең қабылданады, толтырғыштың диэлектрлік өтімділігі ε. Мұндай жүйенің сыйымдылығы тек конденсатордың геометриясына байланысты.
C=εε0S/g.
Тегіс конденсатордың энергиясы
Біз конденсатордың сыйымдылығы бір пластинаның жалпы ауданына тура пропорционал және олардың арасындағы қашықтыққа кері пропорционал екенін көреміз. Пропорционалдық коэффициенті ε0 электр тұрақтысы болып табылады. Диэлектриктің диэлектрлік өтімділігін арттыру электр сыйымдылығын арттырады. Пластиналардың ауданын азайту конденсаторларды баптауға мүмкіндік береді. Зарядталған конденсатордың электр өрісінің энергиясы оның геометриялық параметрлеріне байланысты.
Есептеу формуласын пайдаланыңыз: W=CU2/2.
Зарядталған жазық пішінді конденсатордың энергиясын анықтау мына формула бойынша жүзеге асырылады:
W=εε0S U2/(2күн).
Конденсаторларды пайдалану
Конденсаторлардың электр зарядын біркелкі жинап, оны жеткілікті жылдам беру мүмкіндігі технологияның әртүрлі салаларында қолданылады.
Индукторлармен қосылу тербелмелі тізбектерді, ток сүзгілерін, кері байланыс тізбектерін жасауға мүмкіндік береді.
Лездік дерлік разряд пайда болатын фото жыпылықтаулар, күшті ток импульсін жасау үшін конденсатордың мүмкіндігін пайдаланады. Конденсатор тұрақты ток көзінен зарядталады. Конденсатордың өзі тізбекті бұзатын элемент ретінде әрекет етеді. Қарама-қарсы бағытта разряд бірден дерлік төмен омикалық кедергі шамы арқылы жүреді. Ескерткіш мылтықтағы бұл элемент адам денесі болып табылады.
Конденсатор немесе батарея
Жинақталған зарядты ұзақ уақыт сақтау мүмкіндігі оны ақпаратты сақтау немесе энергия сақтау орны ретінде пайдалануға тамаша мүмкіндік береді. Бұл қасиет радиотехникада кеңінен қолданылады.
Батареяны ауыстырыңыз, өкінішке орай, конденсатор мүмкін емес, өйткені оның зарядсыздану ерекшелігі бар. Жиналған энергия бірнеше жүз джоульден аспайды. Батарея үлкен көлемде электр қуатын ұзақ уақыт және дерлік жоғалтпай сақтай алады.
