Energie van een opgeladen condensator, het gebruik van condensatoren

Metalen zijn uitstekende geleiders van elektriciteit. Ze geleiden elektriciteit omdat ze vrije elektronendragers hebben zonder elektrische lading. En als er aan de uiteinden van bijvoorbeeld een koperdraad een potentiaalverschil ontstaat met behulp van een constante bron van EMF, dan zal er in zo'n draad een elektrische stroom ontstaan ​​- elektronen zullen naar voren komen vanaf de negatieve pool van de EMF bron - naar de positieve pool.

Integendeel, diëlektrica zijn geen geleiders van elektrische stroom, omdat er geen vrije dragers van elektrische lading in zitten. Positieve en negatieve ladingsdragers in diëlektrica zijn met elkaar verbonden en vormen zogenaamde elektrische dipolen, die in een extern elektrisch veld alleen kunnen roteren, maar niet translerend kunnen bewegen onder invloed van een elektrisch veld.

Meer hierover: Verschillen tussen metalen en diëlektrica, En Waarom diëlektrica geen elektriciteit geleiden

Neem bijvoorbeeld een stuk diëlektricum in de vorm van een PVC-buis (polyvinylchloride is een diëlektricum).Bedek de buitenkant van de tube met vershoudfolie en verpak eenvoudig meer verfrommelde folie aan de binnenkant zodat deze de binnenwanden van de tube rondom raakt.

Als we nu de EMF-bron nemen, zeg maar accu van 24 volt en verbind deze met de minpool met de binnenfolie en de pluspool met de buitenfolie, dan krijgen beide delen van de folie een lading met verschillende tekens van de accu en zal een van buitenaf van binnenuit gericht elektrisch veld handelen in het gehele volume van de PVC buiswand.

Daarom zullen in dit elektrische veld de diëlektrische moleculen (PVC) draaien, zich oriënteren volgens het externe elektrische veld — het diëlektricum is gepolariseerd zodat de samenstellende moleculen hun negatieve kanten naar buiten draaien - respectievelijk naar de positieve elektrode (naar de folie die is aangesloten op de batterij plus), met hun positieve kanten - naar binnen, naar de negatieve elektrode. Laten we de batterij verwijderen.

De positieve lading blijft op de buitenste folie, omdat deze nog steeds wordt vastgehouden door de negatief geladen zijden van de PVC-moleculen die naar buiten zijn gericht, en een negatieve lading aan de binnenkant, omdat deze wordt vastgehouden door de positieve zijden van de diëlektrische moleculen, die zijn gedraaid naar binnen. Alles gebeurde in volledige overeenstemming met de wet van de elektrostatica.

Als je nu met een tang het buitenste en binnenste deel van de folie sluit, dan merk je op het moment van sluiten een kleine vonk: de tegengestelde ladingen van de platen trekken elkaar aan en veroorzaken een stroom door de draad (tang) en het diëlektricum keert terug naar zijn oorspronkelijke neutrale staat.

Het is veilig om te zeggen dat in dit apparaat, bestaande uit een diëlektrische buis en twee folieplaten, wanneer er een batterij op wordt aangesloten, een opeenhoping van Elektrische energie.

Apparaten met een vergelijkbare configuratie worden genoemd - een diëlektricum ingesloten tussen geleidende platen geïsoleerd van elkaar elektrische condensatoren.

Het is interessant:Condensatoren en batterijen - wat is het verschil?

Historisch gezien werd het eerste prototype van een condensator, de Leiden Bank, in 1745 in Leiden uitgevonden door de Duitse natuurkundige Ewald Jürgen von Kleist en onafhankelijk door de Nederlandse natuurkundige Peter van Muschenbrück.

De energie van een geladen condensator hangt af van de spanning (potentiaalverschil tussen de platen) waarop deze is geladen, aangezien we het hebben over de potentiële energie van tegengestelde ladingen op de van elkaar gescheiden platen.

Daarom is deze energie gelijk aan het werk dat het elektrische veld van deze ladingen zal doen wanneer ze elkaar aantrekken (of dat de bron deed toen ze werden gescheiden tijdens het opladen van de condensator). De elementaire arbeid van het verplaatsen van een elementair deel van de lading van de ene plaat naar de andere is gelijk aan:

Condensatoren met verschillende configuraties zullen, wanneer ze met dezelfde hoeveelheid lading worden opgeladen, verschillende potentiaalverschillen tussen de platen ervaren. Er kan ook worden gezegd dat voor verschillende condensatoren, verschillende spanningen die op de platen worden toegepast, zullen resulteren in een kwantitatief verschillende lading.

In de praktijk betekent dit dat elke condensator een bepaalde constante waarde heeft, een kenmerk dat die specifieke condensator kenmerkt, gerelateerd aan zijn configuratie, de vorm van de platen, de diëlektrische constante van het diëlektricum, enz. Deze parameter wordt genoemd elektrisch vermogen C. De lading op een condensator q is als volgt gerelateerd aan het potentiaalverschil tussen zijn platen U:

Daarom kan de uitdrukking voor de totale energie van de geladen condensator, eenmaal geïntegreerd, als volgt worden geschreven:

Tegenwoordig worden condensatoren op verschillende gebieden van wetenschap en technologie gebruikt: als opslagapparaten voor elektrische energie, als filters voor het afvlakken van golven in voedingen, tijdens het besturen van RC-circuits van elektronische apparaten, in apparaten voor blindvermogencompensatie, in inductie-installaties en radio-apparaten als onderdeel van een oscillerend circuit, in krachtige pulsgeneratoren, in elektromagnetische versnellers, in luchtvochtigheidsmeters, enz.

Zie hier voor meer informatie:Waarom worden condensatoren gebruikt in elektrische circuits?