Alates elektri uurimise algusest õnnestus Ewald Jurgen von Kleistil ja Pieter van Muschenbroekil alles 1745. aastal lahendada selle akumuleerimise ja säilimise probleem. Hollandis Leidenis loodud seade võimaldas koguda elektrienergiat ja seda vajadusel kasutada.
Leyden jar – kondensaatori prototüüp. Selle kasutamine füüsilistes katsetes viis elektri uurimise kaugele edasi, võimaldas luua elektrivoolu prototüübi.
Mis on kondensaator
Elektri laengu ja elektri kogumine on kondensaatori peamine eesmärk. Tavaliselt on see süsteem kahest isoleeritud juhist, mis asuvad üksteisele võimalikult lähedal. Juhtide vaheline ruum on täidetud dielektrikuga. Juhtidele kogunev laeng valitakse erinev alt. Vastandlaengute omadus meelitada aitab kaasa selle suuremale kuhjumisele. Dielektrikul on kahekordne roll: mida suurem on dielektriline konstant, seda suurem on elektriline võimsus, laengud ei suuda barjääri ületada janeutraliseerida.
Elektrivõimsus on peamine füüsikaline suurus, mis iseloomustab kondensaatori võimet koguda laengut. Juhte nimetatakse plaatideks, nende vahele on koondunud kondensaatori elektriväli.
Laetud kondensaatori energia peaks ilmselt sõltuma selle võimsusest.
Elektrivõimsus
Energiapotentsiaal võimaldab kasutada (suure elektrilise võimsusega) kondensaatoreid. Laetud kondensaatori energiat kasutatakse siis, kui on vaja rakendada lühikest vooluimpulssi.
Millistest suurustest sõltub elektrivõimsus? Kondensaatori laadimise protsess algab selle plaatide ühendamisest vooluallika poolustega. Kondensaatori laenguks võetakse ühele plaadile kogunenud laeng (mille väärtus on q). Plaatide vahele koondunud elektriväljal on potentsiaalide erinevus U.
Elektrivõimsus (C) sõltub ühele juhile koondunud elektrienergia hulgast ja väljapingest: C=q/U.
Seda väärtust mõõdetakse F (faradides).
Kogu Maa võimsus pole võrreldav kondensaatori võimsusega, mille suurus on umbes sülearvuti suurune. Kogunenud võimsat laengut saab kasutada sõidukites.
Samas pole võimalust plaatidele piiramatul hulgal elektrit koguda. Kui pinge tõuseb maksimumväärtuseni, võib tekkida kondensaatori rike. taldrikudneutraliseerida, mis võib seadet kahjustada. Laetud kondensaatori energia kulub täielikult selle soojendamisele.
Energiaväärtus
Kondensaatori kuumenemine on tingitud elektrivälja energia muutumisest sisemiseks. Kondensaatori võime teha tööd laengu liigutamiseks näitab piisava elektrivarustuse olemasolu. Et määrata, kui suur on laetud kondensaatori energia, kaaluge selle tühjenemise protsessi. Pinge U elektrivälja toimel voolab laeng q ühelt plaadilt teisele. Definitsiooni järgi on välja töö võrdne potentsiaalse erinevuse ja laengu suuruse korrutisega: A=qU. See suhe kehtib ainult konstantse pinge väärtuse korral, kuid kondensaatori plaatide tühjenemise käigus väheneb see järk-järgult nullini. Ebatäpsuste vältimiseks võtame selle keskmise väärtuse U/2.
Elektrilise võimsuse valemist saame: q=CU.
Siit saab laetud kondensaatori energia määrata järgmise valemiga:
W=CU2/2.
Näeme, et mida suurem on selle väärtus, seda suurem on elektriline võimsus ja pinge. Et vastata küsimusele, milline on laetud kondensaatori energia, vaatame nende variante.
Kondensaatorite tüübid
Kuna kondensaatorisse koondunud elektrivälja energia on otseselt seotud selle mahtuvusega ja kondensaatorite töö sõltub nende konstruktsiooniomadustest, kasutatakse erinevat tüüpi salvestusseadmeid.
- Vastav alt plaatide kujule: lamedad, silindrilised, sfäärilised jne.e.
- Mahtuvuse muutmisega: konstantne (mahtuvus ei muutu), muutuv (füüsikalisi omadusi muutes muudame mahtuvust), häälestus. Mahtuvust saab muuta temperatuuri, mehaanilise või elektrilise pinge muutmisega. Trimmerite kondensaatorite mahtuvus varieerub sõltuv alt plaatide pindala muutmisest.
- Dielektrilise tüübi järgi: gaas, vedel, tahke dielektrik.
- Dielektriku tüübi järgi: klaas, paber, vilgukivi, metall-paber, keraamika, erineva koostisega õhukesekihilised kiled.
Olenev alt tüübist eristatakse ka teisi kondensaatoreid. Laetud kondensaatori energia sõltub dielektriku omadustest. Peamist suurust nimetatakse dielektriliseks konstandiks. Elektriline võimsus on sellega otseselt võrdeline.
Plaadikondensaator
Kaaluge elektrilaengu kogumise lihtsaimat seadet – lamekondensaatorit. See on füüsiline süsteem kahest paralleelsest plaadist, mille vahel on dielektriline kiht.
Plaadide kuju võib olla nii ristkülikukujuline kui ka ümmargune. Kui on vaja saada muutuvat mahtu, siis on tavaks võtta plaadid poolketaste kujul. Ühe plaadi pöörlemine teise suhtes viib plaatide pindala muutumiseni.
Eeldame, et ühe plaadi pindala on võrdne S-ga, plaatide vaheline kaugus on d, täiteaine dielektriline konstant on ε. Sellise süsteemi mahtuvus sõltub ainult kondensaatori geomeetriast.
C=εε0S/d.
Lamekondensaatori energia
Näeme, et kondensaatori mahtuvus on võrdeline ühe plaadi kogupindalaga ja pöördvõrdeline nendevahelise kaugusega. Proportsionaalsustegur on elektriline konstant ε0. Dielektriku dielektrilise konstandi suurendamine suurendab elektrilist võimsust. Plaatide pindala vähendamine võimaldab teil saada häälestuskondensaatoreid. Laetud kondensaatori elektrivälja energia sõltub selle geomeetrilistest parameetritest.
Kasutage arvutusvalemit: W=CU2/2.
Laetud lameda kujuga kondensaatori energia määramine toimub järgmise valemi järgi:
W=εε0S U2/(2d).
Kondensaatorite kasutamine
Kondensaatorite võimet sujuv alt elektrilaengut koguda ja piisav alt kiiresti ära anda kasutatakse erinevates tehnoloogiavaldkondades.
Induktiivpoolidega ühendamine võimaldab luua võnkeahelaid, voolufiltreid, tagasisideahelaid.
Fotodvälgud, uimastuspüstolid, milles toimub peaaegu hetkeline tühjenemine, kasutavad kondensaatori võimet luua võimas vooluimpulss. Kondensaatorit laetakse alalisvooluallikast. Kondensaator ise toimib vooluahela katkestava elemendina. Tühjenemine vastupidises suunas toimub väikese oomilise takistusega lambi kaudu peaaegu koheselt. Uimastuspüstoli puhul on selleks elemendiks inimkeha.
Kondensaator või aku
Võimalus kogunenud laengut pikka aega hoida annab suurepärase võimaluse kasutada seda info- või energiasalvestina. Seda omadust kasutatakse raadiotehnikas laialdaselt.
Aku vahetada, kondensaator kahjuks ei saa, kuna sellel on tühjenemise eripära. Kogunenud energia ei ületa paarsada džauli. Aku suudab pikka aega ja peaaegu kadudeta salvestada suure hulga elektrienergiat.
