კონდენსატორის ელექტრული სიმძლავრე: ფორმულები და ისტორია

2024 ავტორი: Aaron Duncan | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-01 20:11

ელექტრული კონდენსატორი არის პასიური მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია ელექტრო ენერგიის დაგროვება და შენახვა. იგი შედგება ორი გამტარი ფირფიტისგან, რომლებიც გამოყოფილია დიელექტრიკული მასალით. გამტარ ფირფიტებზე სხვადასხვა ნიშნის ელექტრული პოტენციალის გამოყენება იწვევს მათ მიერ მუხტის მიღებას, რომელიც ერთ ფირფიტაზე დადებითია, მეორეზე კი უარყოფითი. ამ შემთხვევაში მთლიანი გადასახადი ნულის ტოლია.

ეს სტატია განიხილავს ისტორიის საკითხებს და კონდენსატორის ტევადობის განსაზღვრას.

გამოგონების ამბავი

1745 წლის ოქტომბერში გერმანელმა მეცნიერმა ევალდ გეორგ ფონ კლაისტმა შენიშნა, რომ ელექტრული მუხტის შენახვა შეიძლებოდა, თუ ელექტროსტატიკური გენერატორი და გარკვეული რაოდენობის წყალი შუშის ჭურჭელში იყო დაკავშირებული კაბელთან. ამ ექსპერიმენტში ფონ კლაისტის ხელი და წყალი გამტარები იყო, ხოლო მინის ჭურჭელი იყო ელექტრო იზოლატორი. მას შემდეგ, რაც მეცნიერი ლითონის მავთულს ხელით შეეხო, ძლიერი გამონადენი მოხდა, რაც იყოგაცილებით ძლიერი ვიდრე ელექტროსტატიკური გენერატორის გამონადენი. შედეგად, ფონ კლაისტმა დაასკვნა, რომ იქ იყო შენახული ელექტრო ენერგია.

1746 წელს ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა პიტერ ვან მუშენბროკმა გამოიგონა კონდენსატორი, რომელსაც მან ლეიდენის ბოთლი უწოდა ლეიდენის უნივერსიტეტის პატივსაცემად, სადაც მეცნიერი მუშაობდა. შემდეგ დანიელ გრალატმა გაზარდა კონდენსატორის ტევადობა ლეიდენის რამდენიმე ბოთლის შეერთებით.

1749 წელს ბენჯამინ ფრანკლინმა გამოიკვლია ლეიდენის კონდენსატორი და მივიდა დასკვნამდე, რომ ელექტრული მუხტი ინახება არა წყალში, როგორც ადრე ითვლებოდა, არამედ წყლისა და მინის საზღვარზე. ფრანკლინის აღმოჩენის წყალობით, ლეიდენის ბოთლები დამზადდა მინის ჭურჭლის შიგნიდან და გარედან ლითონის ფირფიტებით დაფარვით.

ინდუსტრიის განვითარება

ტერმინი "კონდენსატორი" გამოიგონა ალესანდრო ვოლტამ 1782 წელს. თავდაპირველად, ელექტრული კონდენსატორების იზოლატორების დასამზადებლად გამოიყენებოდა მასალები, როგორიცაა მინა, ფაიფური, მიკა და ჩვეულებრივი ქაღალდი. ასე რომ, რადიო ინჟინერმა გულიელმო მარკონიმ გამოიყენა ფაიფურის კონდენსატორები თავისი გადამცემებისთვის, ხოლო მიმღებებისთვის - პატარა კონდენსატორები მიკას იზოლატორით, რომლებიც გამოიგონეს 1909 წელს - მეორე მსოფლიო ომამდე ისინი ყველაზე გავრცელებული იყო აშშ-ში.

პირველი ელექტროლიტური კონდენსატორი გამოიგონეს 1896 წელს და იყო ელექტროლიტი ალუმინის ელექტროდებით. ელექტრონიკის სწრაფი განვითარება დაიწყო მხოლოდ მას შემდეგ, რაც 1950 წელს გამოიგონეს მინიატურული ტანტალის კონდენსატორი.მყარი ელექტროლიტი.

მეორე მსოფლიო ომის დროს, პლასტმასის ქიმიის განვითარების შედეგად, დაიწყო კონდენსატორების გამოჩენა, რომლებშიც იზოლატორის როლი ენიჭებოდა თხელ პოლიმერულ ფენებს..

საბოლოოდ, 50-60-იან წლებში ვითარდება სუპერკონდენსატორების ინდუსტრია, რომლებსაც აქვთ რამდენიმე მუშა გამტარ ზედაპირი, რის გამოც კონდენსატორების ელექტრული სიმძლავრე იზრდება 3 რიგით სიდიდით ჩვეულებრივი კონდენსატორების ღირებულებასთან შედარებით..

კონდენსატორის ტევადობის კონცეფცია

კონდენსატორის ფირფიტაში შენახული ელექტრული მუხტი პროპორციულია ელექტრული ველის ძაბვისა, რომელიც არსებობს მოწყობილობის ფირფიტებს შორის. ამ შემთხვევაში პროპორციულობის კოეფიციენტს ბრტყელი კონდენსატორის ელექტრული ტევადობა ეწოდება. SI-ში (ერთეულების საერთაშორისო სისტემა) ელექტრული სიმძლავრე, როგორც ფიზიკური სიდიდე, იზომება ფარადებში. ერთი ფარადი არის კონდენსატორის ელექტრული ტევადობა, რომლის ფირფიტებს შორის ძაბვა არის 1 ვოლტი, შენახული მუხტით 1 კულონი.

1 ფარადის ელექტრული ტევადობა უზარმაზარია და პრაქტიკაში ელექტროინჟინერიასა და ელექტრონიკაში ჩვეულებრივ გამოიყენება კონდენსატორები პიკოფარადის, ნანოფარადისა და მიკროფარადის რიგის ტევადობით. ერთადერთი გამონაკლისი არის სუპერკონდენსატორები, რომლებიც შედგება გააქტიურებული ნახშირბადისგან, რაც ზრდის მოწყობილობის სამუშაო არეალს. მათ შეუძლიათ მიაღწიონ ათასობით ფარადს და გამოიყენება ელექტრომობილების პროტოტიპისთვის.

ამგვარად, კონდენსატორის ტევადობა არის: C=Q₁/(V₁-V_{2). აქ C-ელექტრული სიმძლავრე, Q}1 _{- ელექტრული მუხტი ინახება კონდენსატორის ერთ ფირფიტაში, V}1_-V2_{- განსხვავება ფირფიტების ელექტრულ პოტენციალებს შორის.}

ბრტყელი კონდენსატორის ტევადობის ფორმულა არის: C=e₀eS/d. აქ e_{0და e არის უნივერსალური დიელექტრიკული მუდმივი და საიზოლაციო მასალის დიელექტრიკული მუდმივა S არის ფირფიტების ფართობი, d არის მანძილი ფირფიტებს შორის. ეს ფორმულა საშუალებას გაძლევთ გაიგოთ, როგორ შეიცვლება კონდენსატორის ტევადობა, თუ შეცვლით იზოლატორის მასალას, ფირფიტებს შორის მანძილს ან მათ ფართობს.}

მეორადი დიელექტრიკის სახეები

კონდენსატორების წარმოებისთვის გამოიყენება სხვადასხვა ტიპის დიელექტრიკები. ყველაზე პოპულარულია შემდეგი:

1. ჰაერი. ეს კონდენსატორები არის გამტარი მასალის ორი ფირფიტა, რომლებიც გამოყოფილია ჰაერის ფენით და მოთავსებულია მინის ყუთში. ჰაერის კონდენსატორების ელექტრული სიმძლავრე მცირეა. ისინი ჩვეულებრივ გამოიყენება რადიოინჟინერიაში.
2. მიკა. მიკას თვისებები (თხელ ფურცლებად გამოყოფის და მაღალი ტემპერატურის გაძლების უნარი) შესაფერისია კონდენსატორების იზოლატორად გამოსაყენებლად.
3. ქაღალდი. ცვილის ან ლაქირებული ქაღალდი გამოიყენება დასველებისგან დასაცავად.

შენახული ენერგია

როგორც კონდენსატორის ფირფიტებს შორის პოტენციური სხვაობა იზრდება, მოწყობილობა ინახავს ელექტრო ენერგიას იმის გამო, რომმის შიგნით ელექტრული ველის არსებობა. თუ ფირფიტებს შორის პოტენციური სხვაობა მცირდება, მაშინ კონდენსატორი იხსნება, რაც ენერგიას აძლევს ელექტრულ წრეს.

მათემატიკურად, ელექტრული ენერგია, რომელიც ინახება თვითნებური ტიპის კონდენსატორში, შეიძლება გამოისახოს შემდეგი ფორმულით: E=½C(V₂-V ₁)², სადაც V₂ და V_{1 არის საბოლოო და საწყისი დაძაბულობა ფირფიტებს შორის.}

დამუხტვა და განმუხტვა

თუ კონდენსატორი დაკავშირებულია ელექტრულ წრესთან რეზისტორთან და ელექტრული დენის გარკვეული წყაროთი, მაშინ დენი გადის წრედში და კონდენსატორი დაიწყებს დამუხტვას. როგორც კი ის სრულად დაიტენება, ელექტრული დენი წრეში შეწყდება.

თუ დამუხტული კონდენსატორი დაკავშირებულია რეზისტორთან პარალელურად, მაშინ დენი გადავა ერთი ფირფიტიდან მეორეზე რეზისტორის გავლით, რომელიც გაგრძელდება სანამ მოწყობილობა მთლიანად არ დაითხოვება. ამ შემთხვევაში, გამონადენის მიმართულება საპირისპირო იქნება ელექტრული დენის დინების მიმართულებისა, როდესაც მოწყობილობა დამუხტებოდა.

კონდენსატორის დამუხტვა და განმუხტვა ხდება დროის ექსპონენციალურ დამოკიდებულებაზე. მაგალითად, კონდენსატორის ფირფიტებს შორის ძაბვა მისი გამონადენის დროს იცვლება შემდეგი ფორმულის მიხედვით: V(t)=V_ie^-t/(RC) , სადაც V _{i - საწყისი ძაბვა კონდენსატორზე, R - ელექტრული წინააღმდეგობა წრედში, t - გამონადენის დრო.}

კომბინირება ელექტრულ წრეში

კონდენსატორების ტევადობის დასადგენად, რომლებიც ხელმისაწვდომიაელექტრული წრე, უნდა გვახსოვდეს, რომ მათი გაერთიანება შესაძლებელია ორი განსხვავებული გზით:

1. სერიული კავშირი: 1/C_s =1/C₁+1/C₂+ …+1/C_.
2. პარალელური კავშირი: C_s =C₁+C₂+…+C_1+C2+…+C.

C_{s - n კონდენსატორის ჯამური ტევადობა. კონდენსატორების მთლიანი ელექტრული ტევადობა განისაზღვრება მათემატიკური გამონათქვამების მსგავსი ფორმულებით მთლიანი ელექტრული წინააღმდეგობისთვის, მხოლოდ მოწყობილობების სერიული კავშირის ფორმულა მოქმედებს რეზისტორების პარალელური შეერთებისთვის და პირიქით.}