Energi til en ladet kondensator, bruk av kondensatorer

Metaller er gode ledere av elektrisitet. De leder strøm fordi de har frie elektronbærere uten elektrisk ladning. Og hvis det opprettes en potensialforskjell i endene, for eksempel av en kobbertråd ved hjelp av en konstant kilde til EMF, vil det oppstå en elektrisk strøm i en slik ledning - elektroner vil komme frem fra den negative terminalen til EMF kilde - til sin positive terminal.

Tvert imot er dielektrikum ikke ledere av elektrisk strøm, siden det ikke er noen frie bærere av elektrisk ladning i dem. Positive og negative ladningsbærere i dielektrikum henger sammen og danner såkalte elektriske dipoler, som i et eksternt elektrisk felt bare kan rotere, men ikke er i stand til å bevege seg translasjonsmessig under påvirkning av et elektrisk felt.

Mer om dette: Forskjeller mellom metaller og dielektriske stoffer, og Hvorfor dielektriske ikke leder elektrisitet

Ta for eksempel et stykke dielektrikum i form av et PVC-rør (polyvinylklorid er et dielektrikum).Dekk den ytre overflaten av røret med matfilm og pakk ganske enkelt inn mer sammenkrøllet folie på innsiden slik at den berører de indre veggene av røret rundt.

Hvis vi nå tar EMF-kilden, si batteri på 24 volt og koble den med den negative polen til den indre folien og den positive polen til den ytre, så vil begge deler av folien motta en ladning av forskjellige tegn fra batteriet og et elektrisk felt rettet fra utsiden fra innsiden vil virke i hele volumet av PVC-rørveggen.

Derfor, i dette elektriske feltet, vil de dielektriske molekylene (PVC) snu, orientere seg i henhold til det eksterne elektriske feltet - dielektrikumet er polarisert slik at dens bestanddeler molekyler vender sine negative sider utover - henholdsvis til den positive elektroden (til folien koblet til batteriet pluss), med sine positive sider - innover til den negative elektroden. La oss ta ut batteriet.

Den positive ladningen forblir på den ytre folien, siden den fortsatt holdes av de negativt ladede sidene av PVC-molekylene som vender utover, og en negativ ladning på den indre, ettersom den holdes av de positive sidene av de dielektriske molekylene, som har snudd innover. Alt skjedde i full overensstemmelse med loven om elektrostatikk.

Hvis du nå lukker de ytre og indre delene av folien med en tang, kan du i lukkingsøyeblikket legge merke til en liten gnist: de motsatte ladningene fra platene tiltrekker hverandre og forårsaker en strøm gjennom ledningen (tangen) og dielektrikumet går tilbake til sin opprinnelige nøytrale tilstand.

Det er trygt å si at i denne enheten, som består av et dielektrisk rør og to folieplater, når et batteri er koblet til det, en akkumulering av Elektrisk energi.

Enheter med en lignende konfigurasjon kalles - et dielektrikum innelukket mellom ledende plater isolert fra hverandre elektriske kondensatorer.

Det er interessant:Kondensatorer og batterier - hva er forskjellen?

Historisk sett ble den første prototypekondensatoren, Leiden Bank, oppfunnet i 1745 i Leiden av den tyske fysikeren Ewald Jürgen von Kleist og uavhengig av den nederlandske fysikeren Peter van Muschenbrück.

Energien til en ladet kondensator avhenger av spenningen (potensialforskjellen mellom platene) som den er ladet til, siden vi snakker om den potensielle energien til motsatte ladninger på platene atskilt fra hverandre.

Derfor er denne energien lik arbeidet som det elektriske feltet til disse ladningene vil gjøre når de tiltrekker hverandre (eller som kilden gjorde da de ble separert under ladingen av kondensatoren). Det elementære arbeidet med å flytte en elementær del av ladningen fra en plate til en annen er lik:

Kondensatorer med forskjellige konfigurasjoner vil, når de lades med samme mengde ladning, oppleve forskjellige potensielle forskjeller mellom platene. Det kan også sies at for ulike kondensatorer vil ulike spenninger påført platene resultere i en kvantitativt forskjellig ladning.

I praksis betyr dette at hver kondensator har en viss konstant verdi, en karakteristikk som kjennetegner den aktuelle kondensatoren, relatert til dens konfigurasjon, formen på platene, dielektrikumets dielektriske konstant, etc. Denne parameteren kalles elektrisk kapasitet C. Ladningen på en kondensator q er relatert til potensialforskjellen mellom platene U som følger:

Derfor kan uttrykket for den totale energien til den ladede kondensatoren, når den er integrert, skrives som følger:

I dag brukes kondensatorer innen ulike felt av vitenskap og teknologi: som lagringsenheter for elektrisk energi, som filtre for utjevning av bølger i strømforsyninger, under kontroll RC-kretser for elektroniske enheter, i enheter for reaktiv effektkompensasjon, i induksjonsinstallasjoner og radioenheter som en del av en oscillerende krets, i kraftige pulsgeneratorer, i elektromagnetiske akseleratorer, i luftfuktighetsmålere, etc.

For mer detaljer se her:Hvorfor brukes kondensatorer i elektriske kretser?