Električni kondenzator je pasivni uređaj koji može akumulirati i pohraniti električnu energiju. Sastoji se od dvije vodljive ploče odvojene dielektričnim materijalom. Primjena električnih potencijala različitih predznaka na vodljive ploče dovodi do stjecanja naboja od njih, koji je na jednoj ploči pozitivan, a na drugoj negativan. U ovom slučaju, ukupna naplata je nula.
Ovaj članak raspravlja o pitanjima povijesti i definiciji kapacitivnosti kondenzatora.
Priča o izumu
U listopadu 1745. njemački znanstvenik Ewald Georg von Kleist primijetio je da se električni naboj može pohraniti ako se kabelom poveže elektrostatički generator i određena količina vode u staklenoj posudi. U ovom eksperimentu von Kleistova ruka i voda bili su vodiči, a staklena posuda je bila električni izolator. Nakon što je znanstvenik rukom dodirnuo metalnu žicu, došlo je do snažnog pražnjenja, koje je bilomnogo jače od pražnjenja elektrostatičkog generatora. Kao rezultat toga, von Kleist je zaključio da postoji pohranjena električna energija.
Godine 1746. nizozemski fizičar Pieter van Muschenbroek izumio je kondenzator, koji je nazvao Leidenska boca u čast Leidenskog sveučilišta na kojem je znanstvenik radio. Daniel Gralat je zatim povećao kapacitet kondenzatora spajanjem nekoliko Leidenskih boca.
Godine 1749. Benjamin Franklin je istražio Leydenski kondenzator i došao do zaključka da se električni naboj ne pohranjuje u vodi, kao što se prije vjerovalo, već na granici vode i stakla. Zahvaljujući Franklinovom otkriću, Leydenske boce su napravljene tako što su staklene posude iznutra i izvana bile prekrivene metalnim pločama.
Razvoj industrije
Izraz "kondenzator" skovao je Alessandro Volta 1782. U početku su se za izradu električnih izolatora kondenzatora koristili materijali poput stakla, porculana, liskuna i običnog papira. Tako je radioinženjer Guglielmo Marconi za svoje odašiljače koristio porculanske kondenzatore, a za prijemnike - male kondenzatore s izolatorom od tiskuna, koji su izumljeni 1909. - prije Drugog svjetskog rata, bili su najčešći u SAD-u.
Prvi elektrolitički kondenzator izumljen je 1896. godine i bio je elektrolit s aluminijskim elektrodama. Brzi razvoj elektronike započeo je tek nakon izuma 1950. minijaturnog tantalnog kondenzatora sčvrsti elektrolit.
Tijekom Drugog svjetskog rata, kao rezultat razvoja kemije plastike, počeli su se pojavljivati kondenzatori, u kojima je uloga izolatora dodijeljena tankim polimernim filmovima.
Konačno, 50-60-ih godina razvija se industrija superkondenzatora, koji imaju nekoliko radnih vodljivih površina, zbog čega se električni kapacitet kondenzatora povećava za 3 reda veličine u odnosu na njegovu vrijednost za konvencionalne kondenzatore.
Koncept kapacitivnosti kondenzatora
Električni naboj pohranjen u ploči kondenzatora proporcionalan je naponu električnog polja koje postoji između ploča uređaja. U ovom slučaju, koeficijent proporcionalnosti naziva se električni kapacitet ravnog kondenzatora. U SI (Međunarodni sustav jedinica), električni kapacitet, kao fizička veličina, mjeri se u faradima. Jedan farad je električni kapacitet kondenzatora čiji je napon između ploča 1 volt sa pohranjenim nabojem od 1 kulona.
Električni kapacitet od 1 farada je ogroman, a u praksi se u elektrotehnici i elektronici najčešće koriste kondenzatori s kapacitetima reda pikofarada, nanofarada i mikrofarada. Jedina iznimka su superkondenzatori koji se sastoje od aktivnog ugljena, koji povećava radnu površinu uređaja. Mogu doseći tisuće farada i koriste se za pogon prototipa električnih vozila.
Dakle, kapacitet kondenzatora je: C=Q1/(V1-V2). Ovdje C-električni kapacitet, Q1 - električni naboj pohranjen u jednoj ploči kondenzatora, V1-V2- razlika između električnih potencijala ploča.
Formula za kapacitet ravnog kondenzatora je: C=e0eS/d. Ovdje je e0i e je univerzalna dielektrična konstanta, a dielektrična konstanta izolacijskog materijala S je površina ploča, d je udaljenost između ploča. Ova formula vam omogućuje da shvatite kako će se kapacitivnost kondenzatora promijeniti ako promijenite materijal izolatora, udaljenost između ploča ili njihovu površinu.
Vrste korištenih dielektrika
Za proizvodnju kondenzatora koriste se razne vrste dielektrika. Najpopularnije su sljedeće:
- Zrak. Ovi kondenzatori su dvije ploče od vodljivog materijala, koje su odvojene slojem zraka i smještene u staklenu vitrinu. Električni kapacitet zračnih kondenzatora je mali. Obično se koriste u radiotehnici.
- Mica. Svojstva liskuna (sposobnost odvajanja u tanke listove i otpornost na visoke temperature) prikladna su za njegovu upotrebu kao izolatora u kondenzatorima.
- Papir. Za zaštitu od vlaženja koristi se voštani ili lakirani papir.
Pohranjena energija
Kako se razlika potencijala između ploča kondenzatora povećava, uređaj pohranjuje električnu energiju zbogprisutnost električnog polja unutar njega. Ako se razlika potencijala između ploča smanji, tada se kondenzator prazni, dajući energiju električnom krugu.
Matematički, električna energija koja je pohranjena u proizvoljnom tipu kondenzatora može se izraziti sljedećom formulom: E=½C(V2-V 1)2, gdje su V2 i V1 konačni i početni naprezanje između ploča.
Punjenje i pražnjenje
Ako je kondenzator spojen na električni krug s otpornikom i nekim izvorom električne struje, struja će teći kroz krug i kondenzator će se početi puniti. Čim se potpuno napuni, električna struja u krugu će prestati.
Ako je nabijeni kondenzator spojen paralelno s otpornikom, tada će struja teći s jedne ploče na drugu kroz otpornik, što će se nastaviti sve dok se uređaj potpuno ne isprazni. U ovom slučaju, smjer struje pražnjenja bit će suprotan smjeru toka električne struje kada se uređaj punio.
Punjenje i pražnjenje kondenzatora slijedi eksponencijalnu vremensku ovisnost. Na primjer, napon između ploča kondenzatora tijekom njegovog pražnjenja mijenja se prema sljedećoj formuli: V(t)=Vie-t/(RC) , gdje je V i - početni napon na kondenzatoru, R - električni otpor u krugu, t - vrijeme pražnjenja.
Kombiniranje u električnom krugu
Za određivanje kapaciteta kondenzatora koji su dostupnielektrični krug, treba imati na umu da se mogu kombinirati na dva različita načina:
- Serijska veza: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Paralelna veza: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - ukupni kapacitet n kondenzatora. Ukupni električni kapacitet kondenzatora određuje se formulama sličnim matematičkim izrazima za ukupni električni otpor, samo formula za serijski spoj uređaja vrijedi za paralelno spajanje otpornika i obrnuto.
