Elektrische condensator is een passief apparaat dat elektrische energie kan accumuleren en opslaan. Het bestaat uit twee geleidende platen gescheiden door een diëlektrisch materiaal. De toepassing van elektrische potentialen van verschillende tekens op geleidende platen leidt tot het verwerven van een lading door hen, die positief is op de ene plaat en negatief op de andere. In dit geval is de totale lading nul.
Dit artikel bespreekt de problemen van de geschiedenis en de definitie van de capaciteit van een condensator.
Uitvindingsverhaal
In oktober 1745 merkte de Duitse wetenschapper Ewald Georg von Kleist op dat een elektrische lading kon worden opgeslagen als een elektrostatische generator en een bepaalde hoeveelheid water in een glazen vat met een kabel waren verbonden. In dit experiment waren de hand en het water van Von Kleist geleiders en het glazen vat was een elektrische isolator. Nadat de wetenschapper de metaaldraad met zijn hand had aangeraakt, vond er een krachtige ontlading plaats, dieveel sterker dan de ontlading van een elektrostatische generator. Als resultaat concludeerde von Kleist dat er elektrische energie was opgeslagen.
In 1746 vond de Nederlandse natuurkundige Pieter van Muschenbroek een condensator uit, die hij de Leidse fles noemde ter ere van de Leidse universiteit waar de wetenschapper werkte. Daniel Gralat verhoogde vervolgens de capaciteit van de condensator door meerdere Leidse flessen aan te sluiten.
In 1749 onderzocht Benjamin Franklin de Leidse condensator en kwam tot de conclusie dat de elektrische lading niet in water wordt opgeslagen, zoals eerder werd aangenomen, maar op de grens van water en glas. Dankzij de ontdekking van Franklin werden Leidse flessen gemaakt door de binnen- en buitenkant van glazen vaten te bedekken met metalen platen.
Industrieontwikkeling
De term "condensator" werd in 1782 bedacht door Alessandro Volta. Aanvankelijk werden materialen zoals glas, porselein, mica en gewoon papier gebruikt om isolatoren voor elektrische condensatoren te maken. Dus de radio-ingenieur Guglielmo Marconi gebruikte porseleinen condensatoren voor zijn zenders en voor ontvangers - kleine condensatoren met een mica-isolator, die in 1909 werden uitgevonden - vóór de Tweede Wereldoorlog waren ze de meest voorkomende in de VS.
De eerste elektrolytische condensator werd uitgevonden in 1896 en was een elektrolyt met aluminium elektroden. De snelle ontwikkeling van elektronica begon pas na de uitvinding in 1950 van een miniatuur tantaalcondensator metvast elektrolyt.
Tijdens de Tweede Wereldoorlog, als gevolg van de ontwikkeling van de kunststofchemie, begonnen condensatoren te verschijnen, waarin de rol van een isolator werd toegewezen aan dunne polymeerfilms.
Eindelijk, in de jaren 50-60, ontwikkelt zich de industrie van supercondensatoren, die verschillende werkende geleidende oppervlakken hebben, waardoor de elektrische capaciteit van condensatoren met 3 ordes van grootte toeneemt in vergelijking met de waarde voor conventionele condensatoren.
Het concept van de capaciteit van een condensator
De elektrische lading die is opgeslagen in de condensatorplaat is evenredig met de spanning van het elektrische veld dat bestaat tussen de platen van het apparaat. In dit geval wordt de evenredigheidscoëfficiënt de elektrische capaciteit van een platte condensator genoemd. In SI (International System of Units) wordt elektrische capaciteit, als een fysieke grootheid, gemeten in farads. Eén farad is de elektrische capaciteit van een condensator, waarvan de spanning tussen de platen 1 volt is met een opgeslagen lading van 1 coulomb.
Elektrische capaciteit van 1 farad is enorm, en in de praktijk in elektrotechniek en elektronica worden condensatoren met capaciteiten in de orde van grootte van picofarad, nanofarad en microfarad vaak gebruikt. De enige uitzonderingen zijn supercondensatoren, die bestaan uit actieve kool, waardoor het werkgebied van het apparaat groter wordt. Ze kunnen duizenden farads bereiken en worden gebruikt om prototypen van elektrische voertuigen aan te drijven.
De capaciteit van de condensator is dus: C=Q1/(V1-V2). Hier C-elektrisch vermogen, Q1 - elektrische lading opgeslagen in één plaat van de condensator, V1-V2- het verschil tussen de elektrische potentialen van de platen.
De formule voor de capaciteit van een platte condensator is: C=e0eS/d. Hier is e0en e de universele diëlektrische constante en de diëlektrische constante van het isolatiemateriaal S is het oppervlak van de platen, d is de afstand tussen de platen. Met deze formule kun je begrijpen hoe de capaciteit van een condensator zal veranderen als je het materiaal van de isolator, de afstand tussen de platen of hun oppervlakte verandert.
Soorten gebruikte diëlektrica
Voor de vervaardiging van condensatoren worden verschillende soorten diëlektrica gebruikt. De meest populaire zijn de volgende:
- Lucht. Deze condensatoren zijn twee platen van geleidend materiaal, die door een luchtlaag van elkaar worden gescheiden en in een glazen kast worden geplaatst. De elektrische capaciteit van luchtcondensatoren is klein. Ze worden meestal gebruikt in radiotechniek.
- Mica. De eigenschappen van mica (het vermogen om te scheiden in dunne platen en bestand tegen hoge temperaturen) zijn geschikt voor gebruik als isolatoren in condensatoren.
- Papier. Gewaxt of gelakt papier wordt gebruikt om te beschermen tegen nat worden.
Opgeslagen energie
Naarmate het potentiaalverschil tussen de platen van de condensator groter wordt, slaat het apparaat elektrische energie op vanwegede aanwezigheid van een elektrisch veld erin. Als het potentiaalverschil tussen de platen afneemt, wordt de condensator ontladen, waardoor energie aan het elektrische circuit wordt gegeven.
Wiskundig gezien kan de elektrische energie die is opgeslagen in een willekeurig type condensator worden uitgedrukt door de volgende formule: E=½C(V2-V 1)2, waarbij V2 en V1 de laatste en initiële zijn spanning tussen de platen.
Opladen en ontladen
Als een condensator is aangesloten op een elektrisch circuit met een weerstand en een elektrische stroombron, dan zal er stroom door het circuit vloeien en zal de condensator beginnen op te laden. Zodra het volledig is opgeladen, stopt de elektrische stroom in het circuit.
Als een geladen condensator parallel is geschakeld met een weerstand, zal er een stroom vloeien van de ene plaat naar de andere door de weerstand, die zal doorgaan totdat het apparaat volledig is ontladen. In dit geval is de richting van de ontlaadstroom tegengesteld aan de richting van de elektrische stroom toen het apparaat werd opgeladen.
Het opladen en ontladen van een condensator volgt een exponentiële tijdsafhankelijkheid. De spanning tussen de platen van een condensator tijdens de ontlading verandert bijvoorbeeld volgens de volgende formule: V(t)=Vie-t/(RC) , waarbij V i - beginspanning op de condensator, R - elektrische weerstand in het circuit, t - ontlaadtijd.
Combineren in een elektrisch circuit
Om de capaciteit te bepalen van de condensatoren die beschikbaar zijn inelektrisch circuit, moet u er rekening mee houden dat ze op twee verschillende manieren kunnen worden gecombineerd:
- Seriële verbinding: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Parallelle verbinding: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - totale capaciteit van n condensatoren. De totale elektrische capaciteit van condensatoren wordt bepaald door formules die vergelijkbaar zijn met wiskundige uitdrukkingen voor de totale elektrische weerstand, alleen de formule voor serieschakeling van apparaten is geldig voor parallelle aansluiting van weerstanden en vice versa.
