Kondensator elektrik është një pajisje pasive që është në gjendje të grumbullojë dhe ruajë energjinë elektrike. Ai përbëhet nga dy pllaka përçuese të ndara nga një material dielektrik. Zbatimi i potencialeve elektrike të shenjave të ndryshme në pllaka përçuese çon në marrjen e një ngarkese prej tyre, e cila është pozitive në njërën pllakë dhe negative në tjetrën. Në këtë rast, tarifa totale është zero.
Ky artikull diskuton çështjet e historisë dhe përkufizimin e kapacitetit të një kondensatori.
Histori shpikje
Në tetor 1745, shkencëtari gjerman Ewald Georg von Kleist vuri re se një ngarkesë elektrike mund të ruhej nëse një gjenerator elektrostatik dhe një sasi e caktuar uji në një enë qelqi lidheshin me një kabllo. Në këtë eksperiment, dora e von Kleist dhe uji ishin përçues, dhe ena prej qelqi ishte një izolues elektrik. Pasi shkencëtari preku telin metalik me dorë, ndodhi një shkarkesë e fuqishme, e cila ishteshumë më i fortë se shkarkimi i një gjeneratori elektrostatik. Si rezultat, von Kleist arriti në përfundimin se kishte energji elektrike të ruajtur.
Në vitin 1746, fizikani holandez Pieter van Muschenbroek shpiku një kondensator, të cilin ai e quajti shishja Leiden për nder të Universitetit të Leiden ku punonte shkencëtari. Daniel Gralat më pas rriti kapacitetin e kondensatorit duke lidhur disa shishe Leiden.
Në 1749, Benjamin Franklin hetoi kondensatorin Leyden dhe arriti në përfundimin se ngarkesa elektrike nuk ruhet në ujë, siç besohej më parë, por në kufirin e ujit dhe xhamit. Falë zbulimit të Franklinit, shishet Leyden u bënë duke mbuluar me pllaka metalike pjesën e brendshme dhe të jashtme të enëve prej qelqi.
Zhvillimi i Industrisë
Termi "kondensator" u krijua nga Alessandro Volta në 1782. Fillimisht, materiale të tilla si qelqi, porcelani, mika dhe letra e zakonshme u përdorën për të bërë izolues kondensatorë elektrikë. Pra, inxhinieri i radios Guglielmo Marconi përdori kondensatorë prej porcelani për transmetuesit e tij, dhe për marrës - kondensatorë të vegjël me një izolant mikë, të cilët u shpikën në vitin 1909 - para Luftës së Dytë Botërore, ata ishin më të zakonshmit në SHBA.
Kondensatori i parë elektrolitik u shpik në 1896 dhe ishte një elektrolit me elektroda alumini. Zhvillimi i shpejtë i elektronikës filloi vetëm pas shpikjes në vitin 1950 të një kondensatori tantal miniaturë meelektrolit i ngurtë.
Gjatë Luftës së Dytë Botërore, si rezultat i zhvillimit të kimisë së plastikës, filluan të shfaqen kondensatorë, në të cilët roli i një izoluesi iu caktua filmave të hollë polimer.
Më në fund, në vitet 50-60 zhvillohet industria e superkondensatorëve, të cilët kanë disa sipërfaqe përçuese pune, për shkak të të cilave kapaciteti elektrik i kondensatorëve rritet me 3 rend të madhësisë në krahasim me vlerën e tij për kondensatorët konvencional.
Koncepti i kapacitetit të një kondensatori
Ngarkesa elektrike e ruajtur në pllakën e kondensatorit është proporcionale me tensionin e fushës elektrike që ekziston midis pllakave të pajisjes. Në këtë rast, koeficienti i proporcionalitetit quhet kapaciteti elektrik i një kondensatori të sheshtë. Në SI (Sistemi Ndërkombëtar i Njësive), kapaciteti elektrik, si një sasi fizike, matet në farad. Një farad është kapaciteti elektrik i një kondensatori, voltazhi midis pllakave të të cilit është 1 volt me një ngarkesë të ruajtur prej 1 kulomb.
Kapaciteti elektrik prej 1 farad është i madh, dhe në praktikë në inxhinierinë elektrike dhe elektronike, zakonisht përdoren kondensatorë me kapacitete të rendit të pikofaradit, nanofaradit dhe mikrofaradit. Përjashtimet e vetme janë superkondensatorët, të cilët përbëhen nga karboni i aktivizuar, i cili rrit zonën e punës së pajisjes. Ato mund të arrijnë mijëra faradë dhe përdoren për të fuqizuar prototipet e automjeteve elektrike.
Kështu, kapaciteti i kondensatorit është: C=Q1/(V1-V2). Këtu C-kapaciteti elektrik, Q1 - ngarkesa elektrike e ruajtur në një pjatë të kondensatorit, V1-V2- ndryshimi midis potencialeve elektrike të pllakave.
Formula për kapacitetin e një kondensatori të sheshtë është: C=e0eS/d. Këtu e0dhe e është konstanta dielektrike universale dhe konstanta dielektrike e materialit izolues S është sipërfaqja e pllakave, d është distanca midis pllakave. Kjo formulë ju lejon të kuptoni se si do të ndryshojë kapaciteti i një kondensatori nëse ndryshoni materialin e izolatorit, distancën midis pllakave ose zonën e tyre.
Llojet e dielektrikëve të përdorur
Për prodhimin e kondensatorëve, përdoren lloje të ndryshme dielektrike. Më të njohurat janë këto:
- Ajri. Këta kondensatorë janë dy pllaka me material përcjellës, të cilat ndahen nga një shtresë ajri dhe vendosen në një kuti xhami. Kapaciteti elektrik i kondensatorëve të ajrit është i vogël. Ato zakonisht përdoren në inxhinierinë radio.
- Mica. Vetitë e mikës (aftësia për t'u ndarë në fletë të holla dhe për të përballuar temperaturat e larta) janë të përshtatshme për përdorimin e saj si izolues në kondensatorë.
- Letër. Letra e depiluar ose e llakuar përdoret për të mbrojtur kundër lagështimit.
Energji e ruajtur
Ndërsa diferenca potenciale midis pllakave të kondensatorit rritet, pajisja ruan energjinë elektrike për shkak tëprania e një fushe elektrike brenda saj. Nëse diferenca potenciale ndërmjet pllakave zvogëlohet, atëherë kondensatori shkarkohet, duke i dhënë energji qarkut elektrik.
Matematikisht, energjia elektrike që ruhet në një lloj kondensatori arbitrar mund të shprehet me formulën e mëposhtme: E=½C(V2-V 1)2, ku V2 dhe V1 janë përfundimtare dhe fillestare stresi midis pllakave.
Ngarkim dhe shkarkim
Nëse një kondensator është i lidhur me një qark elektrik me një rezistencë dhe një burim rryme elektrike, atëherë rryma do të rrjedhë nëpër qark dhe kondensatori do të fillojë të ngarkohet. Sapo të ngarkohet plotësisht, rryma elektrike në qark do të ndalojë.
Nëse një kondensator i ngarkuar lidhet paralelisht me një rezistencë, atëherë një rrymë do të rrjedhë nga një pllakë në tjetrën përmes rezistencës, e cila do të vazhdojë derisa pajisja të shkarkohet plotësisht. Në këtë rast, drejtimi i rrymës së shkarkimit do të jetë i kundërt me drejtimin e rrjedhës së rrymës elektrike kur pajisja ishte duke u ngarkuar.
Ngarkimi dhe shkarkimi i një kondensatori ndjek një varësi kohore eksponenciale. Për shembull, voltazhi midis pllakave të një kondensatori gjatë shkarkimit të tij ndryshon sipas formulës së mëposhtme: V(t)=Vie-t/(RC) , ku V i - tensioni fillestar në kondensator, R - rezistenca elektrike në qark, t - koha e shkarkimit.
Kombinimi në një qark elektrik
Për të përcaktuar kapacitetin e kondensatorëve që janë të disponueshëm nëqark elektrik, duhet mbajtur mend se ato mund të kombinohen në dy mënyra të ndryshme:
- Lidhja serike: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Lidhja paralele: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - kapaciteti total prej n kondensatorësh. Kapaciteti total elektrik i kondensatorëve përcaktohet nga formula të ngjashme me shprehjet matematikore për rezistencën totale elektrike, vetëm formula për lidhjen serike të pajisjeve është e vlefshme për lidhjen paralele të rezistorëve dhe anasjelltas.
