Energija nabijenog kondenzatora, uporaba kondenzatora

Metali su izvrsni vodiči električne struje. Oni provode struju jer imaju slobodne nositelje elektrona bez električnog naboja. A ako se na krajevima, na primjer, bakrene žice uz pomoć stalnog izvora EMF-a stvori razlika potencijala, tada će se u takvoj žici pojaviti električna struja - elektroni će izaći naprijed iz negativnog terminala EMF-a. izvor - na njegov pozitivni terminal.

Naprotiv, dielektrici nisu vodiči električne struje, jer u njima nema slobodnih nositelja električnog naboja. Pozitivni i negativni nositelji naboja u dielektricima međusobno su povezani i tvore takozvane električne dipole, koji u vanjskom električnom polju mogu samo rotirati, ali se ne mogu translatorno kretati pod utjecajem električnog polja.

Više o ovome: Razlike između metala i dielektrika, i Zašto dielektrici ne provode struju

Uzmimo, na primjer, komad dielektrika u obliku PVC cijevi (polivinilklorid je dielektrik).Vanjsku površinu tube prekrijte prozirnom folijom i jednostavno zapakirajte unutra još zgužvane folije tako da dodiruje unutarnje stijenke tube svuda okolo.

Ako sada uzmemo izvor EMF-a, recimo baterija od 24 volta i spojite ga negativnim polom na unutarnju foliju, a pozitivnim na vanjsku, tada će oba dijela folije dobiti naboj različitih predznaka od baterije i električno polje usmjereno izvana iznutra djeluju u cijelom volumenu stijenke PVC cijevi .

Stoga će se u ovom električnom polju dielektrične molekule (PVC) okrenuti, orijentirati prema vanjskom električnom polju — dielektrik je polariziran tako da njegove sastavne molekule okreću svoje negativne strane prema van - odnosno, prema pozitivnoj elektrodi (na foliju spojenu na plus baterije), svojim pozitivnim stranama - prema unutra, prema negativnoj elektrodi. Izvadimo bateriju.

Pozitivni naboj ostaje na vanjskoj foliji, jer ga još uvijek drže negativno nabijene strane molekula PVC-a okrenute prema van, a negativni naboj na unutarnjoj, jer ga drže pozitivne strane molekula dielektrika, koje su se okrenule prema unutra. Sve se dogodilo u potpunom skladu sa zakonom elektrostatike.

Ako sada kliještima zatvorite vanjski i unutarnji dio folije, tada se u trenutku zatvaranja može primijetiti mala iskra: suprotni naboji s ploča se međusobno privlače i izazivaju struju kroz žicu (štipaljke) i dielektrik. vraća u prvobitno neutralno stanje.

Sa sigurnošću se može reći da se u ovom uređaju, koji se sastoji od dielektrične cijevi i dvije folijske ploče, kada se na njega spoji baterija, nakuplja Električna energija.

Uređaji slične konfiguracije nazivaju se — dielektrik zatvoren između vodljivih ploča međusobno izoliranih električni kondenzatori.

Zanimljivo je:Kondenzatori i baterije - u čemu je razlika?

Povijesno gledano, prvi prototip kondenzatora, Leidenska banka, izumio je 1745. u Leidenu njemački fizičar Ewald Jürgen von Kleist i neovisno nizozemski fizičar Peter van Muschenbrück.

Energija nabijenog kondenzatora ovisi o naponu (razlici potencijala između ploča) na koji je nabijen, budući da je riječ o potencijalnoj energiji suprotnih naboja na međusobno odvojenim pločama.

Stoga je ta energija jednaka radu koji će izvršiti električno polje ovih naboja kada se međusobno privuku (ili koji je izvršio izvor kada su bili razdvojeni tijekom punjenja kondenzatora). Elementarni rad premještanja elementarnog dijela naboja s jedne ploče na drugu jednak je:

Kondenzatori različitih konfiguracija, kada se napune istom količinom naboja, iskusit će različite potencijalne razlike između ploča. Također se može reći da će za različite kondenzatore različiti naponi primijenjeni na ploče rezultirati kvantitativno različitim nabojem.

U praksi to znači da svaki kondenzator ima određenu konstantnu vrijednost, karakteristiku koja karakterizira taj određeni kondenzator, a odnosi se na njegovu konfiguraciju, oblik ploča, dielektričnu konstantu dielektrika itd. Ovaj parametar se zove električni kapacitet C. Naboj na kondenzatoru q povezan je s razlikom potencijala između njegovih ploča U na sljedeći način:

Stoga se izraz za ukupnu energiju nabijenog kondenzatora, nakon integracije, može napisati na sljedeći način:

Danas se kondenzatori koriste u raznim područjima znanosti i tehnologije: kao uređaji za pohranu električne energije, kao filtri za izravnavanje valova u izvorima napajanja, tijekom upravljačkih RC krugova elektroničkih uređaja, u uređajima za kompenzaciju jalove snage, u indukcijskim instalacijama i radio uređajima kao dio titrajnog kruga, u snažnim generatorima impulsa, u elektromagnetskim akceleratorima, u mjeračima vlažnosti zraka itd.

Za više detalja pogledajte ovdje:Zašto se kondenzatori koriste u električnim krugovima?