Ενέργεια φορτισμένου πυκνωτή, χρήση πυκνωτών

Τα μέταλλα είναι εξαιρετικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Αγάγουν ηλεκτρισμό επειδή έχουν ελεύθερους φορείς ηλεκτρονίων χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. Και αν δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού στα άκρα, για παράδειγμα, ενός χάλκινου σύρματος με τη βοήθεια μιας σταθερής πηγής EMF, τότε θα προκύψει ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα τέτοιο καλώδιο - τα ηλεκτρόνια θα προέλθουν από τον αρνητικό ακροδέκτη του EMF πηγή - στο θετικό τερματικό του.

Αντίθετα, τα διηλεκτρικά δεν είναι αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος, αφού σε αυτά δεν υπάρχουν ελεύθεροι φορείς ηλεκτρικού φορτίου. Οι θετικοί και αρνητικοί φορείς φορτίου στα διηλεκτρικά αλληλοσυνδέονται και σχηματίζουν τα λεγόμενα ηλεκτρικά δίπολα, τα οποία σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο μπορούν μόνο να περιστρέφονται, αλλά δεν μπορούν να κινηθούν μεταφορικά υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου.

Περισσότερα για αυτό: Διαφορές μεταξύ μετάλλων και διηλεκτρικών, και Γιατί τα διηλεκτρικά δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό

Πάρτε, για παράδειγμα, ένα κομμάτι διηλεκτρικού με τη μορφή σωλήνα PVC (το χλωριούχο πολυβινύλιο είναι διηλεκτρικό).Καλύψτε την εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα με μεμβράνη και απλώς συσκευάστε μέσα πιο τσαλακωμένο αλουμινόχαρτο έτσι ώστε να αγγίζει τα εσωτερικά τοιχώματα του σωλήνα γύρω-γύρω.

Αν πάρουμε τώρα την πηγή EMF, ας πούμε μπαταρία 24 βολτ και συνδέστε το με τον αρνητικό πόλο στο εσωτερικό φύλλο και τον θετικό πόλο στο εξωτερικό, τότε και τα δύο μέρη του φύλλου θα λάβουν μια φόρτιση διαφορετικών ενδείξεων από την μπαταρία και ένα ηλεκτρικό πεδίο που κατευθύνεται από το εξωτερικό από το εσωτερικό θα δρουν σε ολόκληρο τον όγκο του τοιχώματος του σωλήνα PVC.

Επομένως, σε αυτό το ηλεκτρικό πεδίο, τα διηλεκτρικά μόρια (PVC) θα στραφούν, θα προσανατολιστούν σύμφωνα με το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο — το διηλεκτρικό είναι πολωμένο έτσι ώστε τα συστατικά του μόρια να στρέφουν τις αρνητικές τους πλευρές προς τα έξω — αντίστοιχα, προς το θετικό ηλεκτρόδιο (στο φύλλο που συνδέεται με την μπαταρία plus), με τις θετικές πλευρές τους — προς τα μέσα, προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Ας αφαιρέσουμε την μπαταρία.

Το θετικό φορτίο παραμένει στο εξωτερικό φύλλο, καθώς εξακολουθεί να συγκρατείται από τις αρνητικά φορτισμένες πλευρές των μορίων PVC που είναι στραμμένες προς τα έξω και ένα αρνητικό φορτίο στο εσωτερικό, καθώς συγκρατείται από τις θετικές πλευρές των διηλεκτρικών μορίων, που έχουν γυρίσει προς τα μέσα. Όλα έγιναν σύμφωνα με τον νόμο της ηλεκτροστατικής.

Εάν τώρα κλείσετε το εξωτερικό και το εσωτερικό μέρος του φύλλου με πένσα, τότε τη στιγμή του κλεισίματος μπορείτε να παρατηρήσετε μια μικρή σπίθα: τα αντίθετα φορτία από τις πλάκες έλκονται μεταξύ τους και προκαλούν ρεύμα μέσω του σύρματος (λαβίδες) και του διηλεκτρικού επιστρέφει στην αρχική του ουδέτερη κατάσταση.

Είναι ασφαλές να πούμε ότι σε αυτή τη συσκευή, που αποτελείται από έναν διηλεκτρικό σωλήνα και δύο πλάκες αλουμινίου, όταν συνδέεται μια μπαταρία σε αυτήν, συσσωρεύεται Ηλεκτρική ενέργεια.

Οι συσκευές με παρόμοια διαμόρφωση ονομάζονται — ένα διηλεκτρικό που περικλείεται μεταξύ αγώγιμων πλακών που απομονώνονται μεταξύ τους ηλεκτρικοί πυκνωτές.

Είναι ενδιαφέρον:Πυκνωτές και μπαταρίες - Ποια είναι η διαφορά;

Ιστορικά, ο πρώτος πρωτότυπος πυκνωτής, η Leiden Bank, εφευρέθηκε το 1745 στο Leiden από τον Γερμανό φυσικό Ewald Jürgen von Kleist και ανεξάρτητα από τον Ολλανδό φυσικό Peter van Muschenbrück.

Η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή εξαρτάται από την τάση (διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών) στην οποία φορτίζεται, αφού μιλάμε για δυναμική ενέργεια αντίθετων φορτίων στις πλάκες που χωρίζονται μεταξύ τους.

Επομένως, αυτή η ενέργεια είναι ίση με το έργο που θα κάνει το ηλεκτρικό πεδίο αυτών των φορτίων όταν έλκονται μεταξύ τους (ή που έκανε η πηγή όταν διαχωρίστηκαν κατά τη φόρτιση του πυκνωτή). Το στοιχειώδες έργο της μετακίνησης ενός στοιχειώδους μέρους του φορτίου από τη μια πλάκα στην άλλη ισούται με:

Οι πυκνωτές διαφορετικών διαμορφώσεων, όταν φορτίζονται με την ίδια ποσότητα φόρτισης, θα αντιμετωπίσουν διαφορετικές διαφορές δυναμικού μεταξύ των πλακών. Μπορεί επίσης να ειπωθεί ότι για διαφορετικούς πυκνωτές, διαφορετικές τάσεις που εφαρμόζονται στις πλάκες θα έχουν ως αποτέλεσμα ποσοτικά διαφορετικό φορτίο.

Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι κάθε πυκνωτής έχει μια ορισμένη σταθερή τιμή, χαρακτηριστικό που χαρακτηρίζει τον συγκεκριμένο πυκνωτή, που σχετίζεται με τη διαμόρφωσή του, το σχήμα των πλακών, τη διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού κ.λπ. Αυτή η παράμετρος ονομάζεται ηλεκτρική χωρητικότητα Γ. Το φορτίο σε έναν πυκνωτή q σχετίζεται με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών του U ως εξής:

Επομένως, η έκφραση για τη συνολική ενέργεια του φορτισμένου πυκνωτή, αφού ενσωματωθεί, μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Σήμερα, οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας: ως συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, ως φίλτρα για εξομάλυνση κυμάτων σε τροφοδοτικά, κατά τον έλεγχο κυκλωμάτων RC ηλεκτρονικών συσκευών, σε συσκευές αντιστάθμισης άεργου ισχύος, σε εγκαταστάσεις επαγωγής και συσκευές ραδιοφώνου ως μέρος ενός ταλαντευόμενου κυκλώματος, σε ισχυρές γεννήτριες παλμών, σε ηλεκτρομαγνητικούς επιταχυντές, σε μετρητές υγρασίας αέρα κ.λπ.

Για περισσότερες λεπτομέρειες δείτε εδώ:Γιατί χρησιμοποιούνται πυκνωτές στα ηλεκτρικά κυκλώματα;