Električni kondenzator je pasivni uređaj koji je u stanju da akumulira i skladišti električnu energiju. Sastoji se od dvije provodljive ploče razdvojene dielektričnim materijalom. Primjena električnih potencijala različitih predznaka na vodljive ploče dovodi do toga da one stječu naboj, koji je na jednoj ploči pozitivan, a na drugoj negativan. U ovom slučaju, ukupna naplata je nula.
Ovaj članak govori o pitanjima istorije i definiciji kapacitivnosti kondenzatora.
Priča o invenciji
U oktobru 1745. godine, nemački naučnik Ewald Georg von Kleist primetio je da se električni naboj može uskladištiti ako se elektrostatički generator i određena količina vode u staklenoj posudi povežu kablom. U ovom eksperimentu, von Kleistova ruka i voda bili su provodnici, a staklena posuda je bila električni izolator. Nakon što je naučnik rukom dodirnuo metalnu žicu, došlo je do snažnog pražnjenja, koje je i bilomnogo jače od pražnjenja elektrostatičkog generatora. Kao rezultat toga, von Kleist je zaključio da postoji pohranjena električna energija.
Godine 1746., holandski fizičar Pieter van Muschenbroek izumio je kondenzator, koji je nazvao Leiden boca u čast Univerziteta u Leidenu na kojem je naučnik radio. Daniel Gralat je zatim povećao kapacitivnost kondenzatora spajanjem nekoliko Leiden boca.
Godine 1749. Benjamin Franklin je istraživao Leyden kondenzator i došao do zaključka da se električni naboj ne skladišti u vodi, kako se prije vjerovalo, već na granici vode i stakla. Zahvaljujući Franklinovom otkriću, Leydenske boce su napravljene tako što su staklene posude iznutra i izvana bile pokrivene metalnim pločama.
Razvoj industrije
Izraz "kondenzator" skovao je Alessandro Volta 1782. U početku su se za izradu električnih kondenzatorskih izolatora koristili materijali poput stakla, porculana, liskuna i običnog papira. Tako je radio-inženjer Guglielmo Marconi za svoje predajnike koristio porculanske kondenzatore, a za prijemnike - male kondenzatore sa izolatorom liskuna, koji su izumljeni 1909. godine - prije Drugog svjetskog rata, bili su najčešći u SAD-u.
Prvi elektrolitički kondenzator izumljen je 1896. godine i bio je elektrolit sa aluminijskim elektrodama. Brzi razvoj elektronike započeo je tek nakon izuma 1950. minijaturnog tantalnog kondenzatora sačvrsti elektrolit.
Tokom Drugog svjetskog rata, kao rezultat razvoja kemije plastike, počeli su se pojavljivati kondenzatori, u kojima je uloga izolatora dodijeljena tankim polimernim filmovima.
Konačno, 50-60-ih godina razvija se industrija superkondenzatora, koji imaju nekoliko radnih vodljivih površina, zbog čega se električni kapacitet kondenzatora povećava za 3 reda veličine u odnosu na njegovu vrijednost za konvencionalne kondenzatore.
Koncept kapacitivnosti kondenzatora
Električni naboj pohranjen u ploči kondenzatora proporcionalan je naponu električnog polja koje postoji između ploča uređaja. U ovom slučaju, koeficijent proporcionalnosti naziva se električni kapacitet ravnog kondenzatora. U SI (Međunarodnom sistemu jedinica), električni kapacitet se, kao fizička veličina, mjeri u faradima. Jedan farad je električna kapacitivnost kondenzatora, čiji je napon između ploča 1 volt sa pohranjenim nabojem od 1 kulona.
Električni kapacitet od 1 farada je ogroman, a u praksi u elektrotehnici i elektronici najčešće se koriste kondenzatori sa kapacitetima reda pikofarada, nanofarada i mikrofarada. Jedini izuzetak su superkondenzatori koji se sastoje od aktivnog uglja, koji povećava radnu površinu uređaja. Mogu doseći hiljade farada i koriste se za pogon prototipa električnih vozila.
Dakle, kapacitivnost kondenzatora je: C=Q1/(V1-V2). Ovdje C-električni kapacitet, Q1 - električni naboj pohranjen u jednoj ploči kondenzatora, V1-V2- razlika između električnih potencijala ploča.
Formula za kapacitivnost ravnog kondenzatora je: C=e0eS/d. Ovdje je e0i e je univerzalna dielektrična konstanta, a dielektrična konstanta izolacijskog materijala S je površina ploča, d je udaljenost između ploča. Ova formula vam omogućava da shvatite kako će se kapacitivnost kondenzatora promijeniti ako promijenite materijal izolatora, udaljenost između ploča ili njihovu površinu.
Vrste korišćenih dielektrika
Za proizvodnju kondenzatora koriste se razne vrste dielektrika. Najpopularnije su sljedeće:
- Air. Ovi kondenzatori su dvije ploče od provodljivog materijala, koje su odvojene slojem zraka i smještene u staklenu vitrinu. Električni kapacitet zračnih kondenzatora je mali. Obično se koriste u radiotehnici.
- Mica. Svojstva liskuna (sposobnost odvajanja u tanke listove i otpornosti na visoke temperature) su pogodna za njegovu upotrebu kao izolatora u kondenzatorima.
- Papir. Za zaštitu od vlaženja koristi se voštani ili lakirani papir.
Pohranjena energija
Kako se razlika potencijala između ploča kondenzatora povećava, uređaj skladišti električnu energiju zbogprisustvo električnog polja unutar njega. Ako se razlika potencijala između ploča smanji, tada se kondenzator prazni, dajući energiju električnom kolu.
Matematički, električna energija koja je pohranjena u proizvoljnom tipu kondenzatora može se izraziti sljedećom formulom: E=½C(V2-V 1)2, pri čemu su V2 i V1 konačni i početni naprezanje između ploča.
Punjenje i pražnjenje
Ako je kondenzator spojen na električni krug sa otpornikom i nekim izvorom električne struje, struja će teći kroz kolo i kondenzator će se početi puniti. Čim se potpuno napuni, električna struja u kolu će prestati.
Ako je napunjeni kondenzator spojen paralelno sa otpornikom, tada će struja teći s jedne ploče na drugu kroz otpornik, što će se nastaviti sve dok se uređaj potpuno ne isprazni. U ovom slučaju, smjer struje pražnjenja će biti suprotan smjeru toka električne struje kada se uređaj punio.
Punjenje i pražnjenje kondenzatora prati eksponencijalnu vremensku zavisnost. Na primjer, napon između ploča kondenzatora tokom njegovog pražnjenja mijenja se prema sljedećoj formuli: V(t)=Vie-t/(RC) , gdje je V i - početni napon na kondenzatoru, R - električni otpor u kolu, t - vrijeme pražnjenja.
Kombinacija u električnom kolu
Za određivanje kapaciteta kondenzatora koji su dostupnielektričnog kola, treba imati na umu da se mogu kombinovati na dva različita načina:
- Serijska veza: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Paralelna veza: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - ukupni kapacitet n kondenzatora. Ukupna električna kapacitivnost kondenzatora određena je formulama sličnim matematičkim izrazima za ukupan električni otpor, samo formula za serijsko povezivanje uređaja vrijedi za paralelno povezivanje otpornika i obrnuto.
