Конденсатор. Енергія зарядженого конденсатора
З моменту початку вивчення електрики вирішити питання про його накопиченні і збереженні вдалося лише в 1745 році Евальду Юргену фон Клейста і Пітеру ван Мушенбрук. Створене в голландському Лейдені пристрій дозволяло акумулювати електричну енергію
Содержание
Лейденська банку - прототип конденсатора. Її використання в фізичних дослідах просунуло вивчення електрики далеко вперед, дозволило створити прототип електричного струму.
Що таке конденсатор
збирати електричний заряд і електроенергію - основне призначення конденсатора. Зазвичай це система з двох ізольованих провідників, розташованих якомога ближче один до одного. Простір між провідниками заповнюють діелектриком. Накопичується на провідниках заряд вибирають різнойменних. Властивість різнойменних зарядів притягатися сприяє більшому його накопиченню. Діелектрика відводиться двоїста роль: чим більше діелектрична проникність, тим більше електроємність, заряди не можуть подолати перешкоду і нейтралізуватися.
Електроємність - основна фізична величина, що характеризує можливість конденсатора накопичувати заряд. Провідники називають обкладками, електричне поле конденсатора зосереджується між ними.
Енергія зарядженого конденсатора, по всій видимості, повинна залежати від його ємності.
електроємність
Енергетичний потенціал дає можливість застосовувати (велика електроємність) конденсатори. Енергія зарядженого конденсатора використовується при необхідності застосувати короткочасний імпульс струму.
Від яких величин залежить електроємність? Процес зарядки конденсатора починається з підключення його обкладок до полюсів джерела струму. Накопичується на одній обкладці заряд (величина якого q) приймається за заряд конденсатора. Електричне поле, зосереджене між обкладками, має різницю потенціалів U.
Електроємність (С) залежить від кількості електрики, зосередженого на одному провіднику, і напруги поля: С = q / U.
Вимірюється ця величина в Ф (Фарада).
Ємність всій Землі не йде в порівняння з ємністю конденсатора, величина якого приблизно з зошит. Накопичується потужний заряд може бути використаний в техніці.
Однак накопичити необмежену кількість електрики на обкладинках немає можливості. При зростанні напруги до максимального значення може статися пробій конденсатора. Пластини нейтралізуються, що може привести до псування пристрою. Енергія зарядженого конденсатора при цьому повністю йде на його нагрівання.
величина енергії
Нагрівання конденсатора відбувається через перетворення енергії електричного поля у внутрішню. Здатність конденсатора здійснювати роботу з переміщення заряду говорить про наявність достатнього запасу електроенергії. Щоб визначити, як велика енергія зарядженого конденсатора, розглянемо процес його розрядки. Під дією електричного поля напругою U заряд величиною q перетікає з однієї пластини на іншу. За визначенням, робота поля дорівнює добутку різниці потенціалів на величину заряду: A = qU. Це співвідношення справедливо лише для постійного значення напруги, але в процесі розрядки на пластинах конденсатора відбувається поступове його зменшення до нуля. Щоб уникнути неточностей, візьмемо його середнє значення U / 2.
З формули електроємна маємо: q = CU.
Звідси енергія зарядженого конденсатора може бути визначена за формулою:
W = CU2/ 2.
Бачимо, що її величина тим більше, чим вище електроємність і напруга. Щоб відповісти на питання про те, чому дорівнює енергія зарядженого конденсатора, звернемося до їх різновидам.
види конденсаторів
Оскільки енергія електричного поля, зосередженого всередині конденсатора, безпосередньо пов`язана з його ємністю, а експлуатація конденсаторів залежить від їх конструктивних особливостей, використовують різні типи накопичувачів.
- За формою обкладок: плоскі, циліндричні, сферичні і т. Д.
- За зміною ємності: постійні (ємність не змінюється), змінні (змінюючи фізичні властивості, міняємо ємність), підлаштування. Зміна ємності можна проводити, змінюючи температуру, механічне або електрична напруга. Електроємність підлаштування конденсаторів змінюється зміною площі обкладок.
- За типом діелектрика: газові, рідинні, з твердим діелектриком.
- По виду діелектрика: скляні, паперові, слюдяні, металопаперові, керамічні, тонкошарові із плівок різного складу.
Залежно від типу розрізняють і інші конденсатори. Енергія зарядженого конденсатора залежить від властивостей діелектрика. Основною величиною називають діелектричну проникність. Електроємність їй прямо пропорційна.
плоский конденсатор
Розглянемо простий пристрій для збирання електричного заряду - плоский конденсатор. Це фізична система з двох паралельних пластин, між якими знаходиться шар діелектрика.
Форма пластин може бути і прямокутної, і круглої. Якщо є необхідність отримувати змінну ємність, то пластини прийнято брати у вигляді напівдиска. Поворот однієї обкладки відносно іншої призводить до зміни площі пластин.
Будемо вважати, що площа однієї пластини дорівнює S, відстань між пластинами приймемо рівним d, діелектрична проникність наповнювача - &epsilon-. Електроємність такої системи залежить тільки від геометрії конденсатора.
С = &epsilon-&epsilon-0S / d.
Енергія плоского конденсатора
Бачимо, що ємність конденсатора прямо пропорційна повній площі однієї пластини і обернено пропорційна відстані між ними. Коефіцієнт пропорційності - електрична постійна &epsilon-0. Збільшення діелектричної проникності діелектрика дозволять наростити електроємність. Зменшення площі пластин дозволяє отримати Конденсатори підлаштування. Енергія електричного поля зарядженого конденсатора залежить від його геометричних параметрів.
Використовуємо формулу розрахунку: W = CU2/ 2.
Визначення енергії зарядженого конденсатора плоскої форми проводять за формулою:
W = &epsilon-&epsilon-0S U2/ (2d).
Використання конденсаторів
Здатність конденсаторів плавно збирати електричний заряд і досить швидко його віддавати використовується в різних областях техніки.
З`єднання з котушками індуктивності дозволяє створювати коливальні контури, фільтри струмів, ланцюга зворотного зв`язку.
Фотоспалахи, електрошокери, в яких відбувається практично миттєвий розряд, використовують здатність конденсатора створити потужний імпульс струму. Зарядка конденсатора походить від джерела постійного струму. Сам конденсатор виступає як елемент, що розриває ланцюг. Розряд у зворотному напрямку відбувається через лампу малого провідникові практично миттєво. У електрошокер цим елементом служить тіло людини.
Конденсатор або акумулятор
Здатність тривалий час зберігати накопичений заряд дає чудову можливість використовувати його в якості накопичувача інформації або сховища енергії. У радіотехніці це властивість широко використовується.
Замінити акумулятор, на жаль, конденсатор не в змозі, оскільки має особливість розряджатися. Накопичена їм енергія не перевищує декількох сотень джоулів. Акумулятор може зберігати великий запас електроенергії тривало і практично без втрат.
