Конденсатордың электр сыйымдылығы: формулалар және тарих

2024 Автор: Aaron Duncan | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-01 20:12

Электр конденсаторы – электр энергиясын жинақтауға және сақтауға қабілетті пассивті құрылғы. Ол диэлектрлік материалмен бөлінген екі өткізгіш пластинадан тұрады. Өткізгіш пластиналарға әртүрлі таңбалы электрлік потенциалдарды қолдану олардың бір пластинада оң, екіншісінде теріс заряд алуына әкеледі. Бұл жағдайда жалпы төлем нөлге тең болады.

Бұл мақала тарих және конденсатордың сыйымдылығын анықтау мәселелерін қарастырады.

Өнертабыс тарихы

1745 жылы қазанда неміс ғалымы Эвальд Георг фон Клейст электростатикалық генератор мен шыны ыдыстағы белгілі бір суды кабель арқылы жалғаса, электр зарядының сақталуы мүмкін екенін байқады. Бұл тәжірибеде фон Клейсттің қолы мен суы өткізгіш, ал шыны ыдыс электр оқшаулағышы болды. Ғалым металл сымды қолымен ұстағаннан кейін күшті разряд пайда болды, ол болдыэлектростатикалық генератордың разрядынан әлдеқайда күшті. Нәтижесінде фон Клейст жинақталған электр энергиясы бар деген қорытындыға келді.

1746 жылы голланд физигі Питер ван Мушенбрук конденсаторды ойлап тауып, оны ғалым жұмыс істеген Лейден университетінің құрметіне Лейден бөтелкесі деп атады. Содан кейін Даниэль Гратат бірнеше Лейден бөтелкесін қосу арқылы конденсатордың сыйымдылығын арттырды.

1749 жылы Бенджамин Франклин Лейден конденсаторын зерттеп, электр заряды бұрын ойлағандай суда емес, су мен шыны шекарасында сақталады деген қорытындыға келді. Франклиннің ашуының арқасында Лейден бөтелкелері шыны ыдыстардың іші мен сыртын металл пластиналармен жабу арқылы жасалды.

Индустрияны дамыту

«Конденсатор» терминін 1782 жылы Алессандро Вольта енгізген. Бастапқыда электрлік конденсатор изоляторларын жасау үшін шыны, фарфор, слюда және қарапайым қағаз сияқты материалдар пайдаланылды. Сонымен, радиоинженер Гуглельмо Маркони өзінің таратқыштары үшін фарфордан жасалған конденсаторларды, ал қабылдағыштар үшін - 1909 жылы ойлап табылған слюда изоляторы бар шағын конденсаторларды қолданды - Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін олар АҚШ-та кең таралған.

Алғашқы электролиттік конденсатор 1896 жылы ойлап табылды және алюминий электродтары бар электролит болды. Электрониканың қарқынды дамуы 1950 жылы миниатюралық тантал конденсаторын ойлап тапқаннан кейін ғана басталды.қатты электролит.

Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде пластмассалар химиясының дамуы нәтижесінде жұқа полимерлі пленкаларға оқшаулағыш рөлі берілген конденсаторлар пайда бола бастады.

Соңында, 50-60-шы жылдары бірнеше жұмыс өткізгіш беттері бар суперконденсаторлар өнеркәсібі дамиды, соның арқасында конденсаторлардың электрлік сыйымдылығы оның әдеттегі конденсаторлар үшін мәнімен салыстырғанда 3 ретке артады.

Конденсатордың сыйымдылығы туралы түсінік

Конденсатор пластинасында сақталған электр заряды құрылғының пластиналарының арасында болатын электр өрісінің кернеуіне пропорционал. Бұл жағдайда пропорционалдық коэффициенті жазық конденсатордың электр сыйымдылығы деп аталады. SI жүйесінде (Халықаралық бірлік жүйесі) электр қуаты физикалық шама ретінде фарадпен өлшенеді. Бір фарад – конденсатордың электр сыйымдылығы, оның пластиналарының арасындағы кернеу 1 кулон заряды 1 вольт.

1 фарад электр сыйымдылығы өте үлкен және тәжірибеде электротехника мен электроникада пикофарад, нанофарад және микрофарад ретті сыйымдылығы бар конденсаторлар жиі қолданылады. Жалғыз ерекшелік - бұл құрылғының жұмыс аймағын арттыратын белсендірілген көмірден тұратын суперконденсаторлар. Олар мыңдаған фарадқа жетеді және электр көліктерінің прототипін қуаттандыру үшін пайдаланылады.

Осылайша, конденсатордың сыйымдылығы: C=Q₁/(V₁-V_{2). Мұнда C-электр сыйымдылығы, Q}1 _{- конденсатордың бір пластинасында сақталған электр заряды, V}1_-V2_{- пластиналардың электр потенциалдарының айырмашылығы.}

Тегіс конденсатордың сыйымдылығының формуласы: C=e₀eS/d. Мұнда e_{0және e - әмбебап диэлектрлік өтімділік және оқшаулағыш материалдың диэлектрлік өтімділігі S - пластиналардың ауданы, d - плиталар арасындағы қашықтық. Бұл формула оқшаулағыштың материалын, плиталар арасындағы қашықтықты немесе олардың ауданын өзгерткен жағдайда конденсатордың сыйымдылығы қалай өзгеретінін түсінуге мүмкіндік береді.}

Қолданылатын диэлектриктердің түрлері

Конденсаторларды жасау үшін әртүрлі типтегі диэлектриктер қолданылады. Ең танымалдары мыналар:

1. Ауа. Бұл конденсаторлар ауа қабатымен бөлінген және шыны корпусқа салынған өткізгіш материалдың екі пластинасы. Ауа конденсаторларының электр сыйымдылығы аз. Олар әдетте радиотехникада қолданылады.
2. Слюда. Слюданың қасиеттері (жұқа парақтарға бөлу және жоғары температураға төтеп беру қабілеті) оны конденсаторларда оқшаулағыш ретінде пайдалануға жарамды.
3. Қағаз. Ылғалдан қорғау үшін балауыз немесе лакпен қапталған қағаз қолданылады.

Сақталған энергия

Конденсатор тақталары арасындағы потенциалдар айырымы артқан сайын құрылғы электр энергиясын сақтайдыоның ішінде электр өрісінің болуы. Пластиналар арасындағы потенциалдар айырмасы азайса, конденсатор разрядталып, электр тізбегіне энергия береді.

Математикалық түрде конденсатордың ерікті түрінде сақталатын электр энергиясын келесі формуламен өрнектеуге болады: E=½C(V₂-V ₁)², мұнда V₂ және V_{1 соңғы және бастапқы болып табылады пластиналар арасындағы кернеу.}

Зарядтау және зарядсыздандыру

Егер конденсатор электр тізбегіне резисторы және кейбір электр тогының көзі қосылған болса, онда тізбек арқылы ток өтеді де, конденсатор зарядтала бастайды. Толық зарядталғаннан кейін тізбектегі электр тогы тоқтайды.

Егер зарядталған конденсатор резисторға параллель қосылса, онда резистор арқылы бір пластинадан екіншісіне ток өтеді, ол құрылғы толығымен разрядталғанша жалғасады. Бұл жағдайда разряд тоғының бағыты құрылғы зарядталып жатқан кездегі электр тогы ағынының бағытына қарама-қарсы болады.

Конденсаторды зарядтау және разрядтау экспоненциалды уақытқа тәуелділікпен жүреді. Мысалы, конденсатордың разряды кезінде пластиналар арасындағы кернеу келесі формула бойынша өзгереді: V(t)=V_ie^-t/(RC) , мұндағы V _{i - конденсатордағы бастапқы кернеу, R - тізбектегі электр кедергісі, t - разряд уақыты.}

Электр тізбегінде біріктіру

Қол жетімді конденсаторлардың сыйымдылығын анықтау үшінэлектр тізбегі, оларды екі түрлі жолмен біріктіруге болатындығын есте ұстаған жөн:

1. Сериялық қосылым: 1/C_s =1/C₁+1/C₂+ …+1/C_.
2. Параллель қосылым: C_s =C₁+C₂+…+C_.

C_{s - n конденсатордың жалпы сыйымдылығы. Конденсаторлардың жалпы электр сыйымдылығы жалпы электр кедергісі үшін математикалық өрнектерге ұқсас формулалармен анықталады, тек құрылғыларды тізбектей қосу формуласы резисторларды параллель қосу үшін жарамды және керісінше.}