Seit Beginn des Studiums der Elektrizität gelang es Ewald Jurgen von Kleist und Pieter van Muschenbroek erst 1745, das Problem ihrer Akkumulation und Erh altung zu lösen. Das in Leiden, Holland, entwickelte Gerät ermöglichte es, elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf zu nutzen.
Leidener Glas - ein Prototyp eines Kondensators. Seine Verwendung in physikalischen Experimenten brachte das Studium der Elektrizität weit voran und ermöglichte die Schaffung eines Prototyps für elektrischen Strom.
Was ist ein Kondensator
Elektrische Ladung und Strom zu sammeln ist der Hauptzweck eines Kondensators. Normalerweise ist dies ein System aus zwei isolierten Leitern, die so nah wie möglich beieinander liegen. Der Raum zwischen den Leitern ist mit einem Dielektrikum gefüllt. Die auf den Leitern angesammelte Ladung wird unterschiedlich gewählt. Die Eigenschaft entgegengesetzter Ladungen, angezogen zu werden, trägt zu ihrer größeren Akkumulation bei. Dem Dielektrikum kommt dabei eine Doppelrolle zu: Je größer die Dielektrizitätskonstante, desto größer die elektrische Kapazität, die Ladungen können die Barriere nicht überwinden undneutralisieren.
Die elektrische Kapazität ist die wichtigste physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Kondensators charakterisiert, Ladung zu akkumulieren. Die Leiter heißen Platten, zwischen ihnen konzentriert sich das elektrische Feld des Kondensators.
Die Energie eines geladenen Kondensators sollte offensichtlich von seiner Kapazität abhängen.
Elektrische Kapazität
Energiepotential ermöglicht die Verwendung von (großen elektrischen Kapazitäten) Kondensatoren. Die Energie eines geladenen Kondensators wird genutzt, wenn ein kurzer Stromimpuls angelegt werden muss.
Von welchen Größen hängt die elektrische Kapazität ab? Der Ladevorgang eines Kondensators beginnt mit dem Verbinden seiner Platten mit den Polen einer Stromquelle. Die auf einer Platte angesammelte Ladung (deren Wert q ist) wird als Ladung des Kondensators genommen. Das zwischen den Platten konzentrierte elektrische Feld hat eine Potentialdifferenz U.
Die elektrische Kapazität (C) hängt von der auf einem Leiter konzentrierten Elektrizitätsmenge und der Feldspannung ab: C=q/U.
Dieser Wert wird in F (Farad) gemessen.
Die Kapazität der gesamten Erde ist nicht vergleichbar mit der Kapazität eines Kondensators, dessen Größe etwa der Größe eines Notebooks entspricht. Die angesammelte starke Ladung kann in Fahrzeugen verwendet werden.
Es gibt jedoch keine Möglichkeit, eine unbegrenzte Menge an Elektrizität auf den Platten anzusammeln. Wenn die Spannung auf den Maximalwert ansteigt, kann es zu einem Zusammenbruch des Kondensators kommen. Plattenneutralisiert, wodurch das Gerät beschädigt werden kann. Die Energie eines geladenen Kondensators wird vollständig für dessen Erwärmung aufgewendet.
Energiewert
Die Erwärmung des Kondensators beruht auf der Umwandlung der Energie des elektrischen Feldes in interne. Die Fähigkeit des Kondensators, Arbeit zu verrichten, um die Ladung zu bewegen, zeigt das Vorhandensein einer ausreichenden Stromversorgung an. Um zu bestimmen, wie hoch die Energie eines geladenen Kondensators ist, betrachten Sie den Vorgang des Entladens. Unter der Wirkung eines elektrischen Feldes der Spannung U fließt eine Ladung q von einer Platte zur anderen. Per Definition ist die Feldarbeit gleich dem Produkt aus Potentialdifferenz und Ladungsmenge: A=qU. Dieses Verhältnis gilt nur für einen konstanten Spannungswert, nimmt aber beim Entladen auf den Kondensatorplatten allmählich auf Null ab. Um Ungenauigkeiten zu vermeiden, nehmen wir den Mittelwert U/2.
Aus der elektrischen Kapazitätsformel ergibt sich: q=CU.
Von hier aus kann die Energie eines geladenen Kondensators durch die Formel bestimmt werden:
W=CU2/2.
Wir sehen, dass sein Wert umso größer ist, je höher die elektrische Kapazität und Spannung ist. Um die Frage zu beantworten, was die Energie eines geladenen Kondensators ist, wenden wir uns ihren Varianten zu.
Kondensatorarten
Da die Energie des im Kondensator konzentrierten elektrischen Feldes direkt mit seiner Kapazität zusammenhängt und der Betrieb von Kondensatoren von ihren Konstruktionsmerkmalen abhängt, werden verschiedene Arten von Speichergeräten verwendet.
- Je nach Form der Platten: flach, zylindrisch, kugelförmig usw.z.
- Durch Änderung der Kapazität: konstant (die Kapazität ändert sich nicht), variabel (durch Änderung der physikalischen Eigenschaften ändern wir die Kapazität), Abstimmung. Die Änderung der Kapazität kann durch Temperaturänderung, mechanische oder elektrische Belastung erfolgen. Die Kapazität von Trimmerkondensatoren variiert durch Veränderung der Plattenfläche.
- Nach Dielektrikumstyp: Gas, Flüssigkeit, festes Dielektrikum.
- Nach Art des Dielektrikums: Glas, Papier, Glimmer, Metallpapier, Keramik, Dünnschichtfolien verschiedener Zusammensetzung.
Je nach Typ werden auch andere Kondensatoren unterschieden. Die Energie eines geladenen Kondensators hängt von den Eigenschaften des Dielektrikums ab. Die Hauptgröße wird als Dielektrizitätskonstante bezeichnet. Die elektrische Kapazität ist direkt proportional dazu.
Plattenkondensator
Betrachten Sie das einfachste Gerät zum Sammeln elektrischer Ladung - einen flachen Kondensator. Dies ist ein physikalisches System aus zwei parallelen Platten, zwischen denen sich eine dielektrische Schicht befindet.
Die Form der Platten kann sowohl rechteckig als auch rund sein. Wenn eine variable Kapazität benötigt wird, ist es üblich, die Platten in Form von Halbscheiben zu nehmen. Die Rotation einer Platte relativ zu einer anderen führt zu einer Flächenänderung der Platten.
Wir nehmen an, dass die Fläche einer Platte gleich S ist, der Abstand zwischen den Platten gleich d ist, die Dielektrizitätskonstante des Füllstoffs ε ist. Die Kapazität eines solchen Systems hängt nur von der Geometrie des Kondensators ab.
C=εε0S/d.
Energie eines flachen Kondensators
Wir sehen, dass die Kapazität des Kondensators direkt proportional zur Gesamtfläche einer Platte und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen ist. Der Proportionalitätskoeffizient ist die elektrische Konstante ε0. Eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums erhöht die elektrische Kapazität. Wenn Sie die Fläche der Platten reduzieren, erh alten Sie Abstimmkondensatoren. Die Energie des elektrischen Feldes eines geladenen Kondensators hängt von seinen geometrischen Parametern ab.
Verwenden Sie die Berechnungsformel: W=CU2/2.
Die Bestimmung der Energie eines aufgeladenen Flachkondensators erfolgt nach der Formel:
W=εε0S U2/(2d).
Kondensatoren verwenden
Die Fähigkeit von Kondensatoren, eine elektrische Ladung reibungslos zu sammeln und schnell genug abzugeben, wird in verschiedenen Bereichen der Technologie genutzt.
Durch die Verbindung mit Induktivitäten können Sie Schwingkreise, Stromfilter und Rückkopplungskreise erstellen.
Fotoblitze, Elektroschocker, bei denen eine fast augenblickliche Entladung auftritt, nutzen die Fähigkeit eines Kondensators, einen starken Stromimpuls zu erzeugen. Der Kondensator wird von einer Gleichstromquelle geladen. Der Kondensator selbst fungiert als Element, das den Stromkreis unterbricht. Die Entladung in die entgegengesetzte Richtung erfolgt fast augenblicklich durch eine Lampe mit niedrigem ohmschen Widerstand. In einem Elektroschocker ist dieses Element der menschliche Körper.
Kondensator oder Batterie
Die Fähigkeit, die angesammelte Ladung lange Zeit zu h alten, bietet eine wunderbare Gelegenheit, sie als Informationsspeicher oder Energiespeicher zu verwenden. Diese Eigenschaft ist in der Funktechnik weit verbreitet.
Batterie austauschen, leider kann der Kondensator das nicht, da er die Eigenart hat, entladen zu werden. Die akkumulierte Energie überschreitet einige hundert Joule nicht. Der Akku kann eine große Menge Strom lange und nahezu verlustfrei speichern.
