Енергия на зареден кондензатор, използването на кондензатори

Металите са отлични проводници на електрически ток. Те провеждат електрически ток, защото имат свободни носители на електрони без електрически заряд. И ако в краищата, например на меден проводник, се създаде потенциална разлика с помощта на постоянен източник на ЕМП, тогава в такъв проводник ще възникне електрически ток — електроните ще идват напред от отрицателния извод на ЕМП източник — към положителния му терминал.

Напротив, диелектриците не са проводници на електрически ток, тъй като в тях няма свободни носители на електрически заряд. Положителните и отрицателните носители на заряд в диелектриците са свързани помежду си и образуват така наречените електрически диполи, които във външно електрическо поле могат само да се въртят, но не са в състояние да се движат транслационно под въздействието на електрическо поле.

Повече за това: Разлики между метали и диелектрици, и Защо диелектриците не провеждат електричество

Вземете например парче диелектрик под формата на PVC тръба (поливинилхлоридът е диелектрик). Покрийте външната повърхност на епруветката с хранително фолио и просто уплътнете в по -смачкано фолио вътре, така че да докосва вътрешните стени на тръбата навсякъде.

Ако сега вземем източника на ЕМП, да речем батерия на 24 волта и го свържете с отрицателния полюс към вътрешното фолио, а положителния полюс към външния, тогава и двете части на фолиото ще получат заряд от различни знаци от батерията и електрическо поле, насочено отвън отвътре ще действа в целия обем на стената от PVC тръба.

Следователно в това електрическо поле диелектричните молекули (PVC) ще се обърнат, ще се ориентират според външното електрическо поле — диелектрикът се поляризира така че съставните му молекули да обърнат отрицателните си страни навън — съответно към положителния електрод (към фолиото, свързано към батерията плюс), с положителните страни — навътре, към отрицателния електрод. Нека извадим батерията.

Положителният заряд остава на външното фолио, тъй като той все още се държи от отрицателно заредените страни на PVC молекулите, обърнати навън, и отрицателен заряд във вътрешната, тъй като се държи от положителните страни на диелектричните молекули, които са се обърнали навътре. Всичко се случи в пълно съответствие със закона за електростатиката.

Ако сега затворите външните и вътрешните части на фолиото с клещи, тогава в момента на затваряне можете да забележите малка искра: противоположните заряди от плочите взаимно се привличат и предизвикват ток през проводника (клещи) и диелектрикът се връща до първоначалното си неутрално състояние.

Безопасно е да се каже, че в това устройство, състоящо се от диелектрична тръба и две фолиеви плочи, когато към него е свързана батерия, се натрупва Електрическа енергия.

Извикват се устройства с подобна конфигурация — диелектрик, затворен между проводими плочи, изолирани една от друга електрически кондензатори.

Интересно е:Кондензатори и батерии — каква е разликата?

В исторически план първият прототип на кондензатор, Leiden Bank, е изобретен през 1745 г. в Лайден от германския физик Евалд Юрген фон Клайст и независимо от него, от холандския физик Петер ван Мушенбрюк.

Енергията на заредения кондензатор зависи от напрежението (потенциалната разлика между плочите), на което е заредено, тъй като говорим за потенциалната енергия на противоположните заряди на плочите, отделени една от друга.

Следователно тази енергия е равна на работата, която електрическото поле на тези заряди ще извърши, когато те се привличат взаимно (или което източникът е извършил, когато са били разделени по време на зареждането на кондензатора). Елементарната работа по преместването на елементарна част от заряда от една плоча в друга е равна на:

Кондензаторите с различни конфигурации, когато се зареждат със същото количество заряд, ще получат различни потенциални разлики между плочите. Може също така да се каже, че за различните кондензатори, различни напрежения, приложени към плочите, ще доведат до количествено различен заряд.

На практика това означава, че всеки кондензатор има определена постоянна стойност, характеристика, която характеризира този конкретен кондензатор, свързана с неговата конфигурация, формата на плочите, диелектричната константа на диелектрика и т.н. Този параметър се нарича електрически капацитет В. Зарядът на кондензатор q е свързан с потенциалната разлика между неговите плочи U, както следва:

Следователно изразът за общата енергия на заредения кондензатор, след като е интегриран, може да бъде записан, както следва:

Днес кондензаторите се използват в различни области на науката и технологиите: като устройства за съхранение на електрическа енергия, като филтри за изглаждане на вълните в захранванията, по време на управляващи RC вериги на електронни устройства, в устройства за компенсация на реактивна мощност, в индукционни инсталации и радиоустройства като част от колебателна верига, в генератори на мощни импулси, в електромагнитни ускорители, в измерватели на влажност на въздуха и др.

За повече подробности вижте тук:Защо кондензаторите се използват в електрически вериги?