Կոնդենսատորի էլեկտրական հզորությունը. բանաձևեր և պատմություն

2024 Հեղինակ: Aaron Duncan | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-01 20:10

Էլեկտրական կոնդենսատորը պասիվ սարք է, որն ունակ է կուտակել և պահել էլեկտրական էներգիա: Այն բաղկացած է երկու հաղորդիչ թիթեղներից, որոնք բաժանված են դիէլեկտրիկ նյութով: Տարբեր նշանների էլեկտրական պոտենցիալների կիրառումը հաղորդիչ թիթեղների վրա հանգեցնում է նրանց կողմից լիցքի ձեռքբերմանը, որը մի ափսեի վրա դրական է, մյուսում՝ բացասական։ Այս դեպքում ընդհանուր գանձումը զրո է։

Այս հոդվածը քննարկում է պատմության խնդիրները և կոնդենսատորի հզորության սահմանումը:

Գյուտի պատմություն

1745 թվականի հոկտեմբերին գերմանացի գիտնական Էվալդ Գեորգ ֆոն Կլայստը նկատեց, որ էլեկտրական լիցքը կարող է կուտակվել, եթե էլեկտրաստատիկ գեներատորը և ապակե տարայի մեջ որոշակի քանակությամբ ջուր միացված լինեն մալուխով: Այս փորձի ժամանակ ֆոն Կլայստի ձեռքը և ջուրը հաղորդիչներ էին, իսկ ապակե անոթը էլեկտրական մեկուսիչ էր։ Այն բանից հետո, երբ գիտնականը ձեռքով դիպավ մետաղական մետաղալարին, տեղի ունեցավ հզոր արտանետում, որը տեղի ունեցավշատ ավելի ուժեղ, քան էլեկտրաստատիկ գեներատորի լիցքաթափումը: Արդյունքում, ֆոն Կլայստը եզրակացրեց, որ այնտեղ կուտակված էլեկտրական էներգիա կա:

1746 թվականին հոլանդացի ֆիզիկոս Պիտեր վան Մուշենբրուկը հայտնագործեց կոնդենսատոր, որը նա անվանեց Լեյդենի շիշ՝ ի պատիվ Լեյդենի համալսարանի, որտեղ աշխատում էր գիտնականը: Դանիել Գրալատն այնուհետև ավելացրեց կոնդենսատորի հզորությունը՝ միացնելով Լեյդենի մի քանի շշեր։

1749 թվականին Բենջամին Ֆրանկլինը ուսումնասիրեց Լեյդենի կոնդենսատորը և եկավ այն եզրակացության, որ էլեկտրական լիցքը պահվում է ոչ թե ջրի մեջ, ինչպես նախկինում ենթադրվում էր, այլ ջրի և ապակու սահմանին: Ֆրանկլինի հայտնագործության շնորհիվ Լեյդենի շշերը պատրաստվեցին՝ մետաղական թիթեղներով ծածկելով ապակե անոթների ներսը և դրսից:

Արդյունաբերության զարգացում

«կոնդենսատոր» տերմինը ստեղծվել է Ալեսանդրո Վոլտան 1782 թվականին: Սկզբում էլեկտրական կոնդենսատորների մեկուսիչներ պատրաստելու համար օգտագործվել են այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են ապակին, ճենապակին, միկա և սովորական թուղթ: Այսպիսով, ռադիո ինժեներ Գուլիելմո Մարկոնին իր հաղորդիչների համար օգտագործել է ճենապակյա կոնդենսատորներ, իսկ ընդունիչների համար՝ փոքր կոնդենսատորներ միկա մեկուսիչով, որոնք հայտնագործվել են 1909 թվականին՝ մինչև Երկրորդ համաշխարհային պատերազմը, դրանք ամենատարածվածն էին ԱՄՆ-ում։

Առաջին էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատորը հայտնագործվել է 1896 թվականին և եղել է ալյումինե էլեկտրոդներով էլեկտրոլիտ: Էլեկտրոնիկայի արագ զարգացումը սկսվեց միայն այն բանից հետո, երբ 1950 թվականին հայտնագործվեց մանրանկարչական տանտալային կոնդենսատորը։պինդ էլեկտրոլիտ.

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ժամանակ պլաստիկների քիմիայի զարգացման արդյունքում սկսեցին հայտնվել կոնդենսատորներ, որոնցում մեկուսիչի դերը վերապահված էր բարակ պոլիմերային թաղանթներին։

Վերջապես 50-60-ական թվականներին զարգանում է գերկոնդենսատորների արդյունաբերությունը, որոնք ունեն մի քանի աշխատանքային հաղորդիչ մակերեսներ, որոնց շնորհիվ կոնդենսատորների էլեկտրական հզորությունը սովորական կոնդենսատորների համար արժեքի համեմատ մեծանում է 3 կարգով։

Կոնդենսատորի հզորության հայեցակարգ

Կոնդենսատորի թիթեղում պահվող էլեկտրական լիցքը համաչափ է սարքի թիթեղների միջև գոյություն ունեցող էլեկտրական դաշտի լարմանը: Այս դեպքում համաչափության գործակիցը կոչվում է հարթ կոնդենսատորի էլեկտրական հզորություն: SI-ում (Միավորների միջազգային համակարգ) էլեկտրական հզորությունը, որպես ֆիզիկական մեծություն, չափվում է ֆարադներով։ Մեկ ֆարադը կոնդենսատորի էլեկտրական հզորությունն է, որի թիթեղների միջև լարումը 1 վոլտ է՝ 1 կուլոն կուտակված լիցքով։

1 ֆարադի էլեկտրական հզորությունը հսկայական է, և գործնականում էլեկտրատեխնիկայում և էլեկտրոնիկայի մեջ սովորաբար օգտագործվում են պիկոֆարադի, նանոֆարադի և միկրոֆարադի կարգի հզորություններով կոնդենսատորներ: Բացառություն են կազմում միայն սուպերկոնդենսատորները, որոնք բաղկացած են ակտիվացված ածխածնից, ինչը մեծացնում է սարքի աշխատանքային տարածքը: Դրանք կարող են հասնել հազարավոր ֆարադների և օգտագործվում են էլեկտրական մեքենաների նախատիպերը սնուցելու համար:

Այսպիսով, կոնդենսատորի հզորությունը հետևյալն է. C=Q₁/(V₁-V_{2): Այստեղ C-էլեկտրական հզորություն, Q}1 _{- էլեկտրական լիցք, որը պահվում է կոնդենսատորի մեկ ափսեի մեջ, V}1_-V2_{- թիթեղների էլեկտրական պոտենցիալների տարբերությունը:}

Տափակ կոնդենսատորի հզորության բանաձևը հետևյալն է. C=e₀eS/d: Այստեղ e_{0և e-ն ունիվերսալ դիէլեկտրական հաստատուն է, իսկ մեկուսիչ նյութի դիէլեկտրական հաստատունը S-ը թիթեղների մակերեսն է, d-ը թիթեղների միջև եղած հեռավորությունն է: Այս բանաձևը թույլ է տալիս հասկանալ, թե ինչպես կփոխվի կոնդենսատորի հզորությունը, եթե փոխեք մեկուսիչի նյութը, թիթեղների միջև հեռավորությունը կամ դրանց տարածքը:}

Օգտագործված դիէլեկտրիկների տեսակները

Կոնդենսատորների արտադրության համար օգտագործվում են տարբեր տեսակի դիէլեկտրիկներ։ Ամենատարածվածները հետևյալն են՝

1. Օդ. Այս կոնդենսատորները հաղորդիչ նյութից երկու թիթեղ են, որոնք բաժանված են օդի շերտով և տեղադրվում են ապակե տուփի մեջ։ Օդային կոնդենսատորների էլեկտրական հզորությունը փոքր է: Դրանք սովորաբար օգտագործվում են ռադիոտեխնիկայում։
2. Միկա. Միկայի հատկությունները (բարակ թիթեղների բաժանվելու և բարձր ջերմաստիճաններին դիմակայելու ունակությունը) հարմար են կոնդենսատորներում որպես մեկուսիչներ օգտագործելու համար։
3. Թուղթ. Թրջվելուց պաշտպանվելու համար օգտագործվում է մոմապատ կամ լաքապատ թուղթ։

պահեստավորված էներգիա

Քանի որ կոնդենսատորի թիթեղների միջև պոտենցիալ տարբերությունը մեծանում է, սարքը կուտակում է էլեկտրական էներգիադրա ներսում էլեկտրական դաշտի առկայությունը. Եթե թիթեղների միջև պոտենցիալ տարբերությունը նվազում է, ապա կոնդենսատորը լիցքաթափվում է՝ էներգիա տալով էլեկտրական շղթային։

Մաթեմատիկորեն, էլեկտրական էներգիան, որը պահվում է կամայական տեսակի կոնդենսատորում, կարող է արտահայտվել հետևյալ բանաձևով. E=½C(V₂-V ₁)², որտեղ V₂ և V_{1 վերջնական և սկզբնական լարվածություն թիթեղների միջև։}

Լիցքավորում և լիցքաթափում

Եթե կոնդենսատորը միացված է էլեկտրական շղթային ռեզիստորով և էլեկտրական հոսանքի որոշակի աղբյուրով, ապա հոսանքը կհոսի շղթայի միջով, և կոնդենսատորը կսկսի լիցքավորվել: Հենց որ այն ամբողջությամբ լիցքավորվի, էլեկտրական հոսանքը շղթայում կդադարի:

Եթե լիցքավորված կոնդենսատորը միացված է ռեզիստորի հետ զուգահեռ, ապա ռեզիստորի միջով հոսանք կհոսի մի ափսեից մյուսը, որը կշարունակվի այնքան ժամանակ, մինչև սարքն ամբողջությամբ լիցքաթափվի: Այս դեպքում լիցքաթափման հոսանքի ուղղությունը հակառակ կլինի էլեկտրական հոսանքի ուղղությանը, երբ սարքը լիցքավորվում էր:

Կոնդենսատորի լիցքավորումը և լիցքավորումը հետևում է էքսպոնենցիալ ժամանակային կախվածությանը: Օրինակ, կոնդենսատորի թիթեղների միջև լարումը նրա լիցքաթափման ընթացքում փոխվում է հետևյալ բանաձևի համաձայն՝ V(t)=V_ie^-t/(RC) , որտեղ V _{i - սկզբնական լարումը կոնդենսատորի վրա, R - էլեկտրական դիմադրություն շղթայում, t - լիցքաթափման ժամանակ:}

համակցում էլեկտրական միացումում

Հասանելի կոնդենսատորների հզորությունը որոշելու համարէլեկտրական միացում, պետք է հիշել, որ դրանք կարելի է համատեղել երկու տարբեր եղանակներով՝

1. Սերիական միացում՝ 1/C_s =1/C₁+1/C₂+ …+1/C_.
2. Զուգահեռ միացում՝ C_s =C₁+C₂+…+C_1+C2+…+C.

C_{s - n կոնդենսատորների ընդհանուր հզորություն: Կոնդենսատորների ընդհանուր էլեկտրական հզորությունը որոշվում է ընդհանուր էլեկտրական դիմադրության մաթեմատիկական արտահայտությունների նման բանաձևերով, միայն սարքերի սերիական միացման բանաձևը վավեր է դիմադրիչների զուգահեռ միացման համար և հակառակը:}