Elektriline kondensaator on passiivne seade, mis on võimeline koguma ja salvestama elektrienergiat. See koosneb kahest juhtivast plaadist, mis on eraldatud dielektrilise materjaliga. Erinevate märkide elektripotentsiaalide rakendamine juhtivatele plaatidele viib nende poolt laengu saamiseni, mis ühel plaadil on positiivne ja teisel negatiivne. Sel juhul on kogutasu null.
See artikkel käsitleb ajaloo küsimusi ja kondensaatori mahtuvuse määratlust.
Leiutamise lugu
Oktoobris 1745 märkas saksa teadlane Ewald Georg von Kleist, et elektrilaeng saab salvestada, kui ühendada kaabliga elektrostaatiline generaator ja klaasnõus teatud kogus vett. Selles katses olid von Kleisti käsi ja vesi juhiks ning klaasanum oli elektriisolaator. Pärast seda, kui teadlane puudutas metalltraati käega, tekkis võimas tühjenemine, mis olipalju tugevam kui elektrostaatilise generaatori tühjenemine. Selle tulemusena jõudis von Kleist järeldusele, et elektrienergiat on salvestatud.
Aastal 1746 leiutas Hollandi füüsik Pieter van Muschenbroek kondensaatori, mida ta nimetas Leideni pudeliks Leideni ülikooli auks, kus teadlane töötas. Daniel Gralat suurendas seejärel kondensaatori mahtuvust, ühendades mitu Leideni pudelit.
Aastal 1749 uuris Benjamin Franklin Leydeni kondensaatorit ja jõudis järeldusele, et elektrilaeng ei salvestunud mitte vees, nagu varem arvati, vaid vee ja klaasi piiril. Tänu Franklini avastusele valmistati Leydeni pudelid, kattes klaasanumad seest ja väljast metallplaatidega.
Tööstuse arendus
Termina "kondensaator" võttis kasutusele Alessandro Volta 1782. aastal. Algselt kasutati elektrikondensaatorite isolaatorite valmistamiseks selliseid materjale nagu klaas, portselan, vilgukivi ja tavaline paber. Niisiis kasutas raadioinsener Guglielmo Marconi oma saatjate ja vastuvõtjate jaoks portselankondensaatoreid – väikseid vilgukiviisolaatoriga kondensaatoreid, mis leiutati 1909. aastal – enne II maailmasõda olid need USA-s kõige levinumad.
Esimene elektrolüütkondensaator leiutati 1896. aastal ja see oli alumiiniumelektroodidega elektrolüüt. Elektroonika kiire areng algas alles pärast seda, kui 1950. aastal leiutati miniatuurne tantaalkondensaator.tahke elektrolüüt.
Teise maailmasõja ajal hakkasid plastikeemia arengu tulemusena ilmuma kondensaatorid, milles õhukestele polümeerkiledele omistati isolaatori roll.
Lõpuks 50-60ndatel areneb välja superkondensaatorite tööstus, millel on mitu töötavat juhtivat pinda, tänu millele suureneb kondensaatorite elektriline mahtuvus 3 suurusjärku võrreldes selle väärtusega tavakondensaatorite puhul.
Kondensaatori mahtuvuse mõiste
Kondensaatoriplaadile salvestatud elektrilaeng on võrdeline seadme plaatide vahel oleva elektrivälja pingega. Sel juhul nimetatakse proportsionaalsuse koefitsienti lamekondensaatori elektriliseks mahtuvuseks. SI-s (International System of Units) mõõdetakse elektrilist võimsust kui füüsikalist suurust faraadides. Üks farad on kondensaatori elektriline mahtuvus, mille plaatide vaheline pinge on 1 volti salvestatud laenguga 1 kulon.
1 faradi elektriline mahtuvus on tohutu ning praktikas elektrotehnikas ja elektroonikas kasutatakse tavaliselt kondensaatoreid, mille mahtuvus on suurusjärgus pikofarad, nanofarad ja mikrofarad. Ainsad erandid on superkondensaatorid, mis koosnevad aktiivsöest, mis suurendab seadme tööpiirkonda. Need võivad ulatuda tuhandete faradeni ja neid kasutatakse elektrisõidukite prototüüpide toiteks.
Seega on kondensaatori mahtuvus: C=Q1/(V1-V2). Siin C-elektriline võimsus, Q1 - elektrilaeng on salvestatud kondensaatori ühele plaadile, V1-V2- plaatide elektripotentsiaalide erinevus.
Lamekondensaatori mahtuvuse valem on: C=e0eS/d. Siin e0ja e on universaalne dielektriline konstant ning isolatsioonimaterjali S dielektriline konstant on plaatide pindala, d on plaatide vaheline kaugus. See valem võimaldab teil mõista, kuidas muutub kondensaatori mahtuvus, kui muudate isolaatori materjali, plaatide vahekaugust või nende pindala.
Kasutatud dielektrikute tüübid
Kondensaatorite valmistamiseks kasutatakse erinevat tüüpi dielektrikuid. Kõige populaarsemad on järgmised:
- Õhk. Need kondensaatorid on kaks juhtivast materjalist plaati, mis on eraldatud õhukihiga ja asetatud klaasvitriin. Õhkkondensaatorite elektriline võimsus on väike. Neid kasutatakse tavaliselt raadiotehnikas.
- Mica. Vilgukivi omadused (võime eralduda õhukesteks lehtedeks ja taluda kõrgeid temperatuure) sobivad selle kasutamiseks kondensaatorite isolaatorina.
- Paber. Märgumise eest kaitsmiseks kasutatakse vahatatud või lakitud paberit.
salvestatud energia
Kondensaatori plaatide vahelise potentsiaali erinevuse suurenedes salvestab seade elektrienergiat tänuelektrivälja olemasolu selle sees. Kui plaatide potentsiaalide erinevus väheneb, tühjeneb kondensaator, andes elektriahelale energiat.
Matemaatiliselt saab suvalist tüüpi kondensaatorisse salvestatud elektrienergiat väljendada järgmise valemiga: E=½C(V2-V 1)2, kus V2 ja V1 on lõpp- ja algustäht pinge plaatide vahel.
Laadige ja tühjendage
Kui kondensaator on ühendatud takisti ja mõne elektrivooluallikaga elektriahelaga, siis voolab vool läbi ahela ja kondensaator hakkab laadima. Niipea, kui see on täielikult laetud, peatub vooluringis elektrivool.
Kui laetud kondensaator on ühendatud paralleelselt takistiga, siis läbi takisti liigub vool ühelt plaadilt teisele, mis jätkub kuni seadme täieliku tühjenemiseni. Sel juhul on tühjendusvoolu suund seadme laadimise ajal vastupidine elektrivoolu suunale.
Kondensaatori laadimine ja tühjendamine toimub eksponentsiaalse aja sõltuvuse järgi. Näiteks kondensaatori plaatide vaheline pinge selle tühjenemise ajal muutub järgmise valemi järgi: V(t)=Vie-t/(RC) , kus V i - kondensaatori algpinge, R - vooluahela elektritakistus, t - tühjenemise aeg.
Elektriahelasse ühendamine
Saadaolevate kondensaatorite mahtuvuse määramisekselektriahel, tuleb meeles pidada, et neid saab kombineerida kahel erineval viisil:
- Jadaühendus: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Rööpühendus: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - n kondensaatori kogumahtuvus. Kondensaatorite elektriline kogumahtuvus määratakse valemitega, mis sarnanevad kogu elektritakistuse matemaatiliste avaldistega, takistite paralleelühendamisel kehtib ainult seadmete jadaühenduse valem ja vastupidi.
