Ο ηλεκτρικός πυκνωτής είναι μια παθητική συσκευή που μπορεί να συσσωρεύει και να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό υλικό. Η εφαρμογή ηλεκτρικών δυναμικών διαφορετικών σημάτων σε αγώγιμες πλάκες οδηγεί στην απόκτηση ενός φορτίου από αυτές, το οποίο είναι θετικό στη μία πλάκα και αρνητικό στην άλλη. Σε αυτήν την περίπτωση, η συνολική χρέωση είναι μηδέν.
Αυτό το άρθρο συζητά τα ζητήματα της ιστορίας και τον ορισμό της χωρητικότητας ενός πυκνωτή.
Invention Story
Τον Οκτώβριο του 1745, ο Γερμανός επιστήμονας Ewald Georg von Kleist παρατήρησε ότι ένα ηλεκτρικό φορτίο μπορούσε να αποθηκευτεί εάν μια ηλεκτροστατική γεννήτρια και μια ορισμένη ποσότητα νερού σε ένα γυάλινο δοχείο συνδεόταν με ένα καλώδιο. Σε αυτό το πείραμα, το χέρι του φον Κλάιστ και το νερό ήταν αγωγοί και το γυάλινο δοχείο ήταν ένας ηλεκτρικός μονωτήρας. Αφού ο επιστήμονας άγγιξε το μεταλλικό σύρμα με το χέρι του, προέκυψε μια ισχυρή εκκένωση, η οποία ήτανπολύ ισχυρότερη από την εκφόρτιση μιας ηλεκτροστατικής γεννήτριας. Ως αποτέλεσμα, ο φον Κλάιστ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι υπήρχε αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια.
Το 1746, ο Ολλανδός φυσικός Pieter van Muschenbroek εφηύρε έναν πυκνωτή, τον οποίο ονόμασε μπουκάλι Leiden προς τιμή του Πανεπιστημίου του Leiden όπου εργαζόταν ο επιστήμονας. Στη συνέχεια, ο Daniel Gralat αύξησε την χωρητικότητα του πυκνωτή συνδέοντας πολλά μπουκάλια Leiden.
Το 1749, ο Benjamin Franklin ερεύνησε τον πυκνωτή Leyden και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το ηλεκτρικό φορτίο αποθηκεύεται όχι στο νερό, όπως πίστευαν πριν, αλλά στο όριο του νερού και του γυαλιού. Χάρη στην ανακάλυψη του Franklin, τα μπουκάλια Leyden κατασκευάστηκαν καλύπτοντας το εσωτερικό και το εξωτερικό των γυάλινων δοχείων με μεταλλικές πλάκες.
Βιομηχανική Ανάπτυξη
Ο όρος "πυκνωτής" επινοήθηκε από τον Alessandro Volta το 1782. Αρχικά, υλικά όπως γυαλί, πορσελάνη, μαρμαρυγία και απλό χαρτί χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή μονωτών ηλεκτρικών πυκνωτών. Έτσι, ο μηχανικός ραδιοφώνου Guglielmo Marconi χρησιμοποίησε πυκνωτές πορσελάνης για τους πομπούς του και για δέκτες - μικρούς πυκνωτές με μονωτή μαρμαρυγίας, που εφευρέθηκαν το 1909 - πριν από τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, ήταν οι πιο συνηθισμένοι στις ΗΠΑ.
Ο πρώτος ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εφευρέθηκε το 1896 και ήταν ένας ηλεκτρολύτης με ηλεκτρόδια αλουμινίου. Η ταχεία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ξεκίνησε μόνο μετά την εφεύρεση το 1950 ενός μικροσκοπικού πυκνωτή τανταλίου μεστερεός ηλεκτρολύτης.
Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης της χημείας των πλαστικών, άρχισαν να εμφανίζονται πυκνωτές, στους οποίους ο ρόλος του μονωτή αποδόθηκε σε λεπτά πολυμερή φιλμ.
Τέλος, στη δεκαετία του 50-60, αναπτύσσεται η βιομηχανία των υπερπυκνωτών, οι οποίοι έχουν πολλές αγώγιμες επιφάνειες εργασίας, λόγω των οποίων η ηλεκτρική χωρητικότητα των πυκνωτών αυξάνεται κατά 3 τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με την τιμή της για τους συμβατικούς πυκνωτές.
Η έννοια της χωρητικότητας ενός πυκνωτή
Το ηλεκτρικό φορτίο που αποθηκεύεται στην πλάκα του πυκνωτή είναι ανάλογο με την τάση του ηλεκτρικού πεδίου που υπάρχει μεταξύ των πλακών της συσκευής. Στην περίπτωση αυτή, ο συντελεστής αναλογικότητας ονομάζεται ηλεκτρική χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή. Στο SI (Διεθνές Σύστημα Μονάδων), η ηλεκτρική χωρητικότητα, ως φυσικό μέγεθος, μετριέται σε φαράντ. Ένα farad είναι η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή, η τάση μεταξύ των πλακών του οποίου είναι 1 volt με αποθηκευμένο φορτίο 1 coulomb.
Η ηλεκτρική χωρητικότητα του 1 φαράντ είναι τεράστια, και στην πράξη στην ηλεκτρική μηχανική και την ηλεκτρονική, χρησιμοποιούνται συνήθως πυκνωτές με χωρητικότητες της τάξης των picofarad, nanofarad και microfarad. Οι μόνες εξαιρέσεις είναι οι υπερπυκνωτές, οι οποίοι αποτελούνται από ενεργό άνθρακα, ο οποίος αυξάνει την επιφάνεια εργασίας της συσκευής. Μπορούν να φτάσουν χιλιάδες φαράντ και χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία πρωτότυπων ηλεκτρικών οχημάτων.
Έτσι, η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι: C=Q1/(V1-V2). Εδώ Γ-ηλεκτρική χωρητικότητα, Q1 - ηλεκτρικό φορτίο αποθηκευμένο σε μία πλάκα του πυκνωτή, V1-V2- η διαφορά μεταξύ των ηλεκτρικών δυναμικών των πλακών.
Ο τύπος για την χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή είναι: C=e0eS/d. Εδώ e0και e είναι η καθολική διηλεκτρική σταθερά και η διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού S είναι η περιοχή των πλακών, d είναι η απόσταση μεταξύ των πλακών. Αυτός ο τύπος σας επιτρέπει να κατανοήσετε πώς θα αλλάξει η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εάν αλλάξετε το υλικό του μονωτή, την απόσταση μεταξύ των πλακών ή την περιοχή τους.
Τύποι μεταχειρισμένων διηλεκτρικών
Για την κατασκευή πυκνωτών χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι διηλεκτρικών. Τα πιο δημοφιλή είναι τα ακόλουθα:
- Αέρας. Αυτοί οι πυκνωτές είναι δύο πλάκες από αγώγιμο υλικό, οι οποίες χωρίζονται από ένα στρώμα αέρα και τοποθετούνται σε γυάλινη θήκη. Η ηλεκτρική χωρητικότητα των πυκνωτών αέρα είναι μικρή. Συνήθως χρησιμοποιούνται στη ραδιομηχανική.
- Μίκα. Οι ιδιότητες του μαρμαρυγία (η ικανότητα να διαχωρίζεται σε λεπτά φύλλα και να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες) είναι κατάλληλες για χρήση ως μονωτές σε πυκνωτές.
- Χαρτί. Το κερωμένο ή βερνικωμένο χαρτί χρησιμοποιείται για προστασία από το να βραχεί.
Αποθηκευμένη Ενέργεια
Καθώς η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών του πυκνωτή αυξάνεται, η συσκευή αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια λόγωτην παρουσία ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό του. Εάν η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών μειωθεί, τότε ο πυκνωτής αποφορτίζεται, δίνοντας ενέργεια στο ηλεκτρικό κύκλωμα.
Μαθηματικά, η ηλεκτρική ενέργεια που αποθηκεύεται σε έναν αυθαίρετο τύπο πυκνωτή μπορεί να εκφραστεί με τον ακόλουθο τύπο: E=½C(V2-V 1)2, όπου V2 και V1 είναι το τελικό και αρχικό πίεση μεταξύ των πιάτων.
Φόρτιση και αποφόρτιση
Εάν ένας πυκνωτής συνδεθεί σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα με αντίσταση και κάποια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, τότε το ρεύμα θα διαρρέει το κύκλωμα και ο πυκνωτής θα αρχίσει να φορτίζει. Μόλις φορτιστεί πλήρως, το ηλεκτρικό ρεύμα στο κύκλωμα θα σταματήσει.
Εάν ένας φορτισμένος πυκνωτής συνδεθεί παράλληλα με μια αντίσταση, τότε ένα ρεύμα θα ρέει από τη μια πλάκα στην άλλη μέσω της αντίστασης, το οποίο θα συνεχιστεί μέχρι να αποφορτιστεί πλήρως η συσκευή. Σε αυτήν την περίπτωση, η κατεύθυνση του ρεύματος εκφόρτισης θα είναι αντίθετη από την κατεύθυνση της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος κατά τη φόρτιση της συσκευής.
Η φόρτιση και η εκφόρτιση ενός πυκνωτή ακολουθεί μια εκθετική χρονική εξάρτηση. Για παράδειγμα, η τάση μεταξύ των πλακών ενός πυκνωτή κατά την εκφόρτισή του αλλάζει σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο: V(t)=Vie-t/(RC) , όπου V i - αρχική τάση στον πυκνωτή, R - ηλεκτρική αντίσταση στο κύκλωμα, t - χρόνος εκφόρτισης.
Συνδυασμός σε ηλεκτρικό κύκλωμα
Για τον προσδιορισμό της χωρητικότητας των πυκνωτών που είναι διαθέσιμοι σεηλεκτρικό κύκλωμα, πρέπει να θυμόμαστε ότι μπορούν να συνδυαστούν με δύο διαφορετικούς τρόπους:
- Σειριακή σύνδεση: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Παράλληλη σύνδεση: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - συνολική χωρητικότητα n πυκνωτών. Η συνολική ηλεκτρική χωρητικότητα των πυκνωτών καθορίζεται από τύπους παρόμοιους με μαθηματικές εκφράσεις για τη συνολική ηλεκτρική αντίσταση, μόνο ο τύπος για σύνδεση σε σειρά συσκευών ισχύει για παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων και αντίστροφα.
