Energie nabitého kondenzátoru, použití kondenzátorů

Kovy jsou vynikajícími vodiči elektřiny. Vedou elektřinu, protože mají volné elektronové nosiče bez elektrického náboje. A pokud se na koncích, například měděného drátu pomocí konstantního zdroje EMF, vytvoří potenciální rozdíl, pak v takovém drátu vznikne elektrický proud - elektrony budou vycházet ze záporného pólu EMF. zdroj - na jeho kladnou svorku.

Naopak dielektrika nejsou vodiče elektrického proudu, protože v nich nejsou žádné volné nosiče elektrického náboje. Kladné a záporné nosiče náboje v dielektrikách jsou vzájemně propojeny a tvoří tzv. elektrické dipóly, které se ve vnějším elektrickém poli mohou pouze otáčet, ale vlivem elektrického pole se nemohou translačně pohybovat.

Více o tomto: Rozdíly mezi kovy a dielektriky, a Proč dielektrika nevedou elektrický proud

Vezměte si například kus dielektrika ve formě trubky z PVC (polyvinylchlorid je dielektrikum).Vnější povrch tuby zakryjte potravinářskou fólií a jednoduše dovnitř zabalte více zmačkané fólie tak, aby se dokola dotýkala vnitřních stěn tuby.

Pokud nyní vezmeme zdroj EMF, řekněme baterie 24 voltů a připojte jej záporným pólem k vnitřní fólii a kladným pólem k vnější, pak obě části fólie přijmou náboj různých znaků z baterie a elektrické pole nasměrované zvenčí zevnitř bude působit v celém objemu stěny PVC trubky .

Proto se v tomto elektrickém poli budou dielektrické molekuly (PVC) otáčet a orientovat podle vnějšího elektrického pole — dielektrikum je polarizované takže jeho základní molekuly obracejí své záporné strany směrem ven – respektive ke kladné elektrodě (k fólii připojené k baterii plus), svými kladnými stranami – dovnitř k záporné elektrodě. Vyjmeme baterii.

Kladný náboj zůstává na vnější fólii, protože je stále držen záporně nabitými stranami molekul PVC směřujícími ven, a záporný náboj na vnitřní, protože je držen kladnými stranami dielektrických molekul, které se otočily. dovnitř. Vše se odehrálo plně v souladu se zákonem elektrostatiky.

Pokud nyní uzavřete vnější a vnitřní část fólie kleštěmi, pak si v okamžiku uzavření můžete všimnout malé jiskry: opačné náboje z destiček se navzájem přitahují a způsobují proud přes drát (kleště) a dielektrikum vrátí do původního neutrálního stavu.

Dá se s jistotou říci, že v tomto zařízení, které se skládá z dielektrické trubice a dvou fóliových desek, se při připojení baterie nahromadí Elektrická energie.

Zařízení s podobnou konfigurací se nazývají — dielektrikum uzavřené mezi vodivými deskami navzájem izolovanými elektrické kondenzátory.

To je zajímavé:Kondenzátory a baterie – jaký je rozdíl?

Historicky první prototyp kondenzátoru, Leiden Bank, byl vynalezen v roce 1745 v Leidenu německým fyzikem Ewaldem Jürgenem von Kleistem a nezávisle nizozemským fyzikem Peterem van Muschenbrückem.

Energie nabitého kondenzátoru závisí na napětí (potenciálním rozdílu mezi deskami), na které je nabitý, protože mluvíme o potenciální energii opačných nábojů na deskách oddělených od sebe.

Proto se tato energie rovná práci, kterou elektrické pole těchto nábojů vykoná, když se navzájem přitahují (nebo kterou vykonal zdroj, když byly odděleny během nabíjení kondenzátoru). Elementární práce přesunu elementární části náboje z jedné desky na druhou se rovná:

Kondenzátory různých konfigurací, když jsou nabity stejným množstvím náboje, budou mít různé potenciální rozdíly mezi deskami. Dá se také říci, že u různých kondenzátorů bude mít různá napětí aplikovaná na desky za následek kvantitativně odlišný náboj.

V praxi to znamená, že každý kondenzátor má určitou konstantní hodnotu, charakteristiku, která daný konkrétní kondenzátor charakterizuje, související s jeho konfigurací, tvarem desek, dielektrickou konstantou dielektrika atd. Tento parametr se nazývá elektrická kapacita C. Náboj na kondenzátoru q souvisí s potenciálovým rozdílem mezi jeho deskami U takto:

Proto výraz pro celkovou energii nabitého kondenzátoru, jakmile je integrován, může být zapsán následovně:

Dnes se kondenzátory používají v různých oblastech vědy a techniky: jako zásobníky elektrické energie, jako filtry pro vyhlazování vln v napájecích zdrojích, při řízení RC obvodů elektronických zařízení, v zařízeních pro kompenzaci jalového výkonu, v indukčních instalacích a rádiových zařízeních jako součást oscilačního obvodu, ve výkonných pulzních generátorech, v elektromagnetických urychlovačích, v měřičích vlhkosti vzduchu atd.

Další podrobnosti naleznete zde:Proč se v elektrických obvodech používají kondenzátory?