Elektrický kondenzátor je pasivní zařízení, které je schopno akumulovat a ukládat elektrickou energii. Skládá se ze dvou vodivých desek oddělených dielektrickým materiálem. Aplikace elektrických potenciálů různých znaků na vodivé desky vede k jejich získání náboje, který je na jedné desce kladný a na druhé záporný. V tomto případě je celkový poplatek nula.
Tento článek pojednává o problémech historie a definici kapacity kondenzátoru.
Příběh vynálezu
V říjnu 1745 si německý vědec Ewald Georg von Kleist všiml, že elektrický náboj lze akumulovat, pokud se elektrostatický generátor a určité množství vody ve skleněné nádobě propojí kabelem. V tomto experimentu byly von Kleistova ruka a voda vodiče a skleněná nádoba byla elektrickým izolantem. Poté, co se vědec dotkl rukou kovového drátu, došlo k silnému výboji, což bylomnohem silnější než výboj elektrostatického generátoru. V důsledku toho von Kleist dospěl k závěru, že je zde uložena elektrická energie.
V roce 1746 vynalezl holandský fyzik Pieter van Muschenbroek kondenzátor, který nazval Leidenská láhev na počest Leidenské univerzity, kde vědec pracoval. Daniel Gralat poté zvýšil kapacitu kondenzátoru připojením několika leidenských lahví.
V roce 1749 zkoumal Benjamin Franklin Leydenský kondenzátor a dospěl k závěru, že elektrický náboj není uložen ve vodě, jak se dříve věřilo, ale na hranici vody a skla. Díky Franklinovu objevu byly Leydenské lahve vyrobeny tak, že vnitřní a vnější strana skleněných nádob byla pokryta kovovými deskami.
Vývoj průmyslu
Pojem „kondenzátor“zavedl Alessandro Volta v roce 1782. Zpočátku se k výrobě elektrických kondenzátorových izolátorů používaly materiály jako sklo, porcelán, slída a obyčejný papír. Rádiový inženýr Guglielmo Marconi tedy používal porcelánové kondenzátory pro své vysílače a pro přijímače - malé kondenzátory se slídovým izolátorem, které byly vynalezeny v roce 1909 - před druhou světovou válkou, byly nejběžnější v USA.
První elektrolytický kondenzátor byl vynalezen v roce 1896 a byl to elektrolyt s hliníkovými elektrodami. Rychlý vývoj elektroniky začal až po vynálezu v roce 1950 miniaturního tantalového kondenzátoru spevný elektrolyt.
V průběhu druhé světové války se v důsledku rozvoje chemie plastů začaly objevovat kondenzátory, ve kterých byla role izolantu přiřazena tenkým polymerovým fóliím.
Konečně se v 50.-60. letech rozvíjí průmysl superkondenzátorů, které mají několik pracovních vodivých ploch, díky nimž se elektrická kapacita kondenzátorů zvyšuje o 3 řády ve srovnání s její hodnotou u konvenčních kondenzátorů.
Koncept kapacity kondenzátoru
Elektrický náboj uložený v desce kondenzátoru je úměrný napětí elektrického pole, které existuje mezi deskami zařízení. V tomto případě se koeficient úměrnosti nazývá elektrická kapacita plochého kondenzátoru. V SI (International System of Units) se elektrická kapacita jako fyzikální veličina měří ve faradech. Jeden farad je elektrická kapacita kondenzátoru, jehož napětí mezi deskami je 1 volt s uloženým nábojem 1 coulomb.
Elektrická kapacita 1 farad je obrovská a v praxi v elektrotechnice a elektronice se běžně používají kondenzátory s kapacitami řádově pikofarad, nanofarad a mikrofarad. Jedinou výjimkou jsou superkondenzátory, které se skládají z aktivního uhlí, což zvyšuje pracovní plochu zařízení. Mohou dosáhnout tisíců farad a používají se k pohonu prototypů elektrických vozidel.
Kapacita kondenzátoru je tedy: C=Q1/(V1-V2). Tady C-elektrická kapacita, Q1 - elektrický náboj uložený v jedné desce kondenzátoru, V1-V2- rozdíl mezi elektrickými potenciály desek.
Vzorec pro kapacitu plochého kondenzátoru je: C=e0eS/d. Zde e0a e je univerzální dielektrická konstanta a dielektrická konstanta izolačního materiálu S je plocha desek, d je vzdálenost mezi deskami. Tento vzorec vám umožňuje pochopit, jak se změní kapacita kondenzátoru, pokud změníte materiál izolátoru, vzdálenost mezi deskami nebo jejich plochu.
Typy použitých dielektrik
Pro výrobu kondenzátorů se používají různé typy dielektrik. Nejoblíbenější jsou následující:
- Vzduch. Tyto kondenzátory jsou dvě desky z vodivého materiálu, které jsou odděleny vrstvou vzduchu a umístěny ve skleněné vitríně. Elektrická kapacita vzduchových kondenzátorů je malá. Obvykle se používají v radiotechnice.
- Slída. Vlastnosti slídy (schopnost rozdělit se na tenké pláty a odolávat vysokým teplotám) jsou vhodné pro její použití jako izolantů v kondenzátorech.
- Papír. Voskovaný nebo lakovaný papír se používá k ochraně před navlhnutím.
Uložená energie
Jak se potenciální rozdíl mezi deskami kondenzátoru zvyšuje, zařízení ukládá elektrickou energiipřítomnost elektrického pole uvnitř něj. Pokud se potenciálový rozdíl mezi deskami sníží, kondenzátor se vybije a dodá energii elektrickému obvodu.
Matematicky lze elektrickou energii, která je uložena v libovolném typu kondenzátoru, vyjádřit následujícím vzorcem: E=½C(V2-V 1)2, kde V2 a V1 jsou konečná a počáteční napětí mezi deskami.
Nabíjení a vybíjení
Pokud je kondenzátor připojen k elektrickému obvodu s odporem a nějakým zdrojem elektrického proudu, pak obvodem poteče proud a kondenzátor se začne nabíjet. Jakmile se plně nabije, elektrický proud v obvodu se zastaví.
Pokud je nabitý kondenzátor zapojen paralelně s rezistorem, pak bude proud téct z jedné desky na druhou přes rezistor, který bude pokračovat, dokud nebude zařízení zcela vybito. V tomto případě bude směr vybíjecího proudu opačný než směr toku elektrického proudu, když se zařízení nabíjelo.
Nabíjení a vybíjení kondenzátoru probíhá v exponenciální časové závislosti. Například napětí mezi deskami kondenzátoru během jeho vybíjení se mění podle následujícího vzorce: V(t)=Vie-t/(RC) , kde V i - počáteční napětí na kondenzátoru, R - elektrický odpor v obvodu, t - doba vybíjení.
Spojení v elektrickém obvodu
K určení kapacity kondenzátorů, které jsou k dispozici velektrický obvod, je třeba mít na paměti, že je lze kombinovat dvěma různými způsoby:
- Sériové připojení: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Paralelní připojení: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - celková kapacita n kondenzátorů. Celková elektrická kapacita kondenzátorů je určena vzorci podobnými matematickým výrazům pro celkový elektrický odpor, pouze vzorec pro sériové zapojení zařízení platí pro paralelní zapojení rezistorů a naopak.
