Energia unui condensator încărcat, utilizarea condensatoarelor
Metalele sunt excelente conductoare de electricitate. Ei conduc electricitatea deoarece au purtători de electroni liberi fără sarcină electrică. Și dacă se creează o diferență de potențial la capete, de exemplu, ale unui fir de cupru cu ajutorul unei surse constante de EMF, atunci va apărea un curent electric într-un astfel de fir - electronii vor veni înainte de la borna negativă a EMF. sursă - la terminalul său pozitiv.
Dielectricii nu sunt conductori de curent electric, deoarece nu există purtători liberi de sarcină electrică în ei. Purtătorii de sarcină pozitivi și negativi din dielectrici sunt interconectați și formează așa-numiții dipoli electrici, care într-un câmp electric extern se pot roti doar, dar nu se pot deplasa translațional sub influența unui câmp electric.
Mai multe despre asta: Diferențele dintre metale și dielectrici, și De ce dielectricii nu conduc electricitatea
Luați, de exemplu, o bucată de dielectric sub formă de țeavă din PVC (policlorura de vinil este un dielectric).Acoperiți suprafața exterioară a tubului cu folie alimentară și pur și simplu împachetați în interior o folie mai mototolită, astfel încât să atingă pereții interiori ai tubului de jur împrejur.
Dacă luăm acum sursa EMF, să zicem baterie de 24 de volți și conectați-l cu polul negativ la folia interioară și polul pozitiv la exterior, apoi ambele părți ale foliei vor primi o încărcare de semne diferite de la baterie și un câmp electric direcționat din exterior din interior va actioneaza in intregul volum al peretelui conductei PVC .
Prin urmare, în acest câmp electric, moleculele dielectrice (PVC) se vor întoarce, se vor orienta în funcție de câmpul electric extern - dielectricul este polarizat astfel încât moleculele sale constitutive își întorc laturile negative spre exterior — respectiv, către electrodul pozitiv (la folia conectată la baterie plus), cu laturile lor pozitive — spre interior, către electrodul negativ. Să scoatem bateria.
Sarcina pozitivă rămâne pe folia exterioară, deoarece este încă ținută de părțile încărcate negativ ale moleculelor PVC orientate spre exterior, iar o sarcină negativă pe interior, deoarece este ținută de părțile pozitive ale moleculelor dielectrice, care s-au întors. spre interior. Totul s-a întâmplat în deplină conformitate cu legea electrostatică.
Dacă acum închideți părțile exterioare și interioare ale foliei cu un clește, atunci în momentul închiderii puteți observa o mică scânteie: sarcinile opuse din plăci se atrag reciproc și provoacă un curent prin sârmă (cleste) și dielectric. revine la starea inițială neutră.
Este sigur să spunem că în acest dispozitiv, constând dintr-un tub dielectric și două plăci de folie, atunci când o baterie este conectată la el, o acumulare de Energie electrica.
Dispozitivele cu o configurație similară sunt numite - un dielectric închis între plăci conductoare izolate unele de altele condensatoare electrice.
Este interesant:Condensatoare și baterii - Care este diferența?
Din punct de vedere istoric, primul condensator prototip, Leiden Bank, a fost inventat în 1745 la Leiden de către fizicianul german Ewald Jürgen von Kleist și independent de fizicianul olandez Peter van Muschenbrück.
Energia unui condensator încărcat depinde de tensiunea (diferența de potențial dintre plăci) la care este încărcat, deoarece vorbim despre energia potențială a sarcinilor opuse de pe plăcile separate una de cealaltă.
Prin urmare, această energie este egală cu munca pe care o va face câmpul electric al acestor sarcini atunci când se atrag între ele (sau pe care a făcut-o sursa când au fost separate în timpul încărcării condensatorului). Lucrul elementar de mutare a unei părți elementare a sarcinii de la o placă la alta este egală cu:
Condensatorii de configurații diferite, atunci când sunt încărcați cu aceeași cantitate de sarcină, vor experimenta diferențe de potențial diferite între plăci. Se mai poate spune că pentru diferiți condensatori, tensiuni diferite aplicate plăcilor vor avea ca rezultat o încărcare diferită cantitativ.
În practică, aceasta înseamnă că fiecare condensator are o anumită valoare constantă, o caracteristică care caracterizează acel condensator anume, raportată la configurația sa, forma plăcilor, constanta dielectrică a dielectricului etc. Acest parametru este numit capacitate electrică C. Sarcina unui condensator q este legată de diferența de potențial dintre plăcile sale U, după cum urmează:
Prin urmare, expresia energiei totale a condensatorului încărcat, odată integrat, poate fi scrisă după cum urmează:
Astăzi, condensatorii sunt utilizați în diverse domenii ale științei și tehnologiei: ca dispozitive de stocare a energiei electrice, ca filtre pentru netezirea undelor în sursele de alimentare, în timpul controlului circuitelor RC ale dispozitivelor electronice, în dispozitive de compensare a puterii reactive, în instalații de inducție și dispozitive radio ca parte. a unui circuit oscilant, în generatoare de impulsuri puternice, în acceleratoare electromagnetice, în contoare de umiditate a aerului etc.
Pentru mai multe detalii vezi aici:De ce sunt folosiți condensatorii în circuitele electrice?