Energi av en laddad kondensator, användning av kondensatorer

Metaller är utmärkta ledare av elektricitet. De leder elektricitet eftersom de har fria elektronbärare utan elektrisk laddning. Och om en potentialskillnad skapas i ändarna, till exempel av en koppartråd med hjälp av en konstant källa till EMF, kommer en elektrisk ström att uppstå i en sådan tråd - elektroner kommer att komma fram från EMF:s negativa terminal källa - till dess positiva terminal.

Tvärtom är dielektrika inte ledare av elektrisk ström, eftersom det inte finns några fria bärare av elektrisk laddning i dem. Positiva och negativa laddningsbärare i dielektrikum är sammankopplade och bildar så kallade elektriska dipoler, som i ett externt elektriskt fält bara kan rotera, men inte kan röra sig translationellt under påverkan av ett elektriskt fält.

Mer om detta: Skillnader mellan metaller och dielektrika, och Varför dielektriska inte leder elektricitet

Ta till exempel en bit dielektrikum i form av ett PVC-rör (polyvinylklorid är ett dielektrikum).Täck tubens yttre yta med matfilm och packa helt enkelt in mer skrynklig folie inuti så att den nuddar rörets innerväggar runt om.

Om vi ​​nu tar EMF-källan, säg batteri på 24 volt och koppla den med minuspolen till den inre folien och pluspolen till den yttre, då kommer båda delarna av folien att få en laddning av olika tecken från batteriet och ett elektriskt fält riktat utifrån från insidan agera i hela volymen av PVC-rörväggen.

Därför, i detta elektriska fält, kommer de dielektriska molekylerna (PVC) att vända sig, orientera sig efter det yttre elektriska fältet - dielektrikumet är polariserat så att dess ingående molekyler vänder sina negativa sidor utåt - respektive till den positiva elektroden (till folien ansluten till batteriet plus), med sina positiva sidor - inåt, till den negativa elektroden. Låt oss ta bort batteriet.

Den positiva laddningen stannar kvar på den yttre folien, eftersom den fortfarande hålls av de negativt laddade sidorna av PVC-molekylerna som är vända utåt, och en negativ laddning på den inre, eftersom den hålls av de positiva sidorna av de dielektriska molekylerna, som har vänt inåt. Allt skedde helt i enlighet med elektrostatikens lag.

Om du nu stänger de yttre och inre delarna av folien med en tång, kan du i stängningsögonblicket märka en liten gnista: de motsatta laddningarna från plattorna attraherar varandra och orsakar en ström genom tråden (tången) och dielektrikumet återgår till sitt ursprungliga neutrala tillstånd.

Det är säkert att säga att i denna enhet, bestående av ett dielektriskt rör och två folieplattor, när ett batteri är anslutet till den, en ackumulering av Elektrisk energi.

Enheter med liknande konfiguration kallas - en dielektrikum innesluten mellan ledande plattor isolerade från varandra elektriska kondensatorer.

Det är intressant:Kondensatorer och batterier - vad är skillnaden?

Historiskt sett uppfanns den första prototypkondensatorn, Leiden Bank, 1745 i Leiden av den tyske fysikern Ewald Jürgen von Kleist och oberoende av den holländska fysikern Peter van Muschenbrück.

Energin hos en laddad kondensator beror på spänningen (potentialskillnaden mellan plattorna) till vilken den är laddad, eftersom vi talar om den potentiella energin för motsatta laddningar på plattorna som är separerade från varandra.

Därför är denna energi lika med det arbete som dessa laddningars elektriska fält kommer att göra när de attraherar varandra (eller som källan gjorde när de separerades under laddningen av kondensatorn). Det elementära arbetet med att flytta en elementär del av laddningen från en platta till en annan är lika med:

Kondensatorer med olika konfigurationer kommer, när de laddas med samma mängd laddning, att uppleva olika potentialskillnader mellan plattorna. Det kan också sägas att för olika kondensatorer kommer olika spänningar som appliceras på plattorna att resultera i en kvantitativt olika laddning.

I praktiken betyder detta att varje kondensator har ett visst konstant värde, en egenskap som kännetecknar just den kondensatorn, relaterad till dess konfiguration, formen på plattorna, dielektrikumets dielektricitetskonstant osv. Denna parameter kallas elektrisk kapacitet C. Laddningen på en kondensator q är relaterad till potentialskillnaden mellan dess plattor U enligt följande:

Därför kan uttrycket för den laddade kondensatorns totala energi, när den väl har integrerats, skrivas på följande sätt:

Idag används kondensatorer inom olika vetenskaps- och teknikområden: som lagringsenheter för elektrisk energi, som filter för att utjämna vågor i strömförsörjning, under RC-styrkretsar för elektroniska enheter, i enheter för kompensation för reaktiv effekt, i induktionsinstallationer och radioenheter som en del av en oscillerande krets, i kraftfulla pulsgeneratorer, i elektromagnetiska acceleratorer, i luftfuktighetsmätare, etc.

För mer information se här:Varför används kondensatorer i elektriska kretsar?