Elektriese kapasitor is 'n passiewe toestel wat in staat is om elektriese energie op te bou en te stoor. Dit bestaan uit twee geleidende plate geskei deur 'n diëlektriese materiaal. Die toepassing van elektriese potensiale van verskillende tekens op geleidende plate lei tot die verkryging van 'n lading deur hulle, wat positief is op een plaat en negatief op die ander. In hierdie geval is die totale heffing nul.
Hierdie artikel bespreek die kwessies van geskiedenis en die definisie van die kapasitansie van 'n kapasitor.
Uitvindingsverhaal
In Oktober 1745 het die Duitse wetenskaplike Ewald Georg von Kleist opgemerk dat 'n elektriese lading gestoor kan word as 'n elektrostatiese kragopwekker en 'n sekere hoeveelheid water in 'n glashouer met 'n kabel verbind word. In hierdie eksperiment was von Kleist se hand en water geleiers, en die glashouer was 'n elektriese isolator. Nadat die wetenskaplike aan die metaaldraad met sy hand geraak het, het 'n kragtige ontlading plaasgevind, wat wasbaie sterker as die ontlading van 'n elektrostatiese kragopwekker. Gevolglik het von Kleist tot die gevolgtrekking gekom dat daar elektriese energie gestoor is.
In 1746 het die Nederlandse fisikus Pieter van Muschenbroek 'n kapasitor uitgevind, wat hy die Leiden-bottel genoem het ter ere van die Leidse Universiteit waar die wetenskaplike gewerk het. Daniel Gralat het toe die kapasitansie van die kapasitor verhoog deur verskeie Leiden-bottels te koppel.
In 1749 het Benjamin Franklin die Leyden-kapasitor ondersoek en tot die gevolgtrekking gekom dat die elektriese lading nie in water gestoor word soos voorheen geglo is nie, maar op die grens van water en glas. Danksy Franklin se ontdekking is Leyden-bottels gemaak deur die binne- en buitekant van glashouers met metaalplate te bedek.
Bedryfsontwikkeling
Die term "kapasitor" is in 1782 deur Alessandro Volta geskep. Aanvanklik is materiale soos glas, porselein, mika en gewone papier gebruik om elektriese kapasitor-isolators te maak. Die radio-ingenieur Guglielmo Marconi het dus porseleinkapasitors vir sy senders en vir ontvangers gebruik - klein kapasitors met 'n mika-isolator, wat in 1909 uitgevind is - voor die Tweede Wêreldoorlog was hulle die algemeenste in die VSA.
Die eerste elektrolitiese kapasitor is in 1896 uitgevind en was 'n elektroliet met aluminiumelektrodes. Die vinnige ontwikkeling van elektronika het eers begin na die uitvinding in 1950 van 'n miniatuur tantaal kapasitor metsoliede elektroliet.
Gedurende die Tweede Wêreldoorlog, as gevolg van die ontwikkeling van plastiekchemie, het kapasitors begin verskyn, waarin die rol van 'n isolator aan dun polimeerfilms toegeken is.
Uiteindelik, in die 50-60's, ontwikkel die industrie van superkapasitors, wat verskeie werkende geleidende oppervlaktes het, waardeur die elektriese kapasiteit van kapasitors met 3 ordes toeneem in vergelyking met die waarde daarvan vir konvensionele kapasitors.
Die konsep van die kapasitansie van 'n kapasitor
Die elektriese lading wat in die kapasitorplaat gestoor is, is eweredig aan die spanning van die elektriese veld wat tussen die plate van die toestel bestaan. In hierdie geval word die koëffisiënt van proporsionaliteit die elektriese kapasitansie van 'n plat kapasitor genoem. In SI (International System of Units) word elektriese kapasiteit, as 'n fisiese grootheid, in farad gemeet. Een farad is die elektriese kapasitansie van 'n kapasitor, waarvan die spanning tussen die plate 1 volt is met 'n gestoorde lading van 1 coulomb.
Elektriese kapasitansie van 1 farad is groot, en in die praktyk in elektriese ingenieurswese en elektronika word kapasitors met kapasitansies van die orde van picofarad, nanofarad en mikrofarad algemeen gebruik. Die enigste uitsonderings is superkapasitors, wat uit geaktiveerde koolstof bestaan, wat die werkarea van die toestel vergroot. Hulle kan duisende farads bereik en word gebruik om prototipe elektriese voertuie aan te dryf.
Dus, die kapasitansie van die kapasitor is: C=Q1/(V1-V2). Hier C-elektriese kapasiteit, Q1 - elektriese lading gestoor in een plaat van die kapasitor, V1-V2- die verskil tussen die elektriese potensiale van die plate.
Die formule vir die kapasitansie van 'n plat kapasitor is: C=e0eS/d. Hier is e0en e die universele diëlektriese konstante en die diëlektriese konstante van die isolatormateriaal S is die oppervlakte van die plate, d is die afstand tussen die plate. Hierdie formule laat jou toe om te verstaan hoe die kapasitansie van 'n kapasitor sal verander as jy die materiaal van die isolator, die afstand tussen die plate of hul area verander.
Tipes gebruikte diëlektrika
Vir die vervaardiging van kapasitors word verskeie tipes diëlektrika gebruik. Die gewildste is die volgende:
- Lug. Hierdie kapasitors is twee plate van geleidende materiaal, wat geskei word deur 'n laag lug en in 'n glaskas geplaas word. Die elektriese kapasiteit van lugkapasitors is klein. Hulle word gewoonlik in radio-ingenieurswese gebruik.
- Mica. Die eienskappe van mika (die vermoë om in dun velle te skei en hoë temperature te weerstaan) is geskik vir die gebruik daarvan as isolators in kapasitors.
- Papier. Was- of vernispapier word gebruik om te beskerm teen nat word.
gestoorde energie
Soos die potensiaalverskil tussen die plate van die kapasitor toeneem, stoor die toestel elektriese energie a.g.v.die teenwoordigheid van 'n elektriese veld daarin. As die potensiaalverskil tussen die plate afneem, dan word die kapasitor ontlaai, wat energie aan die elektriese stroombaan gee.
Wiskundig kan die elektriese energie wat in 'n arbitrêre tipe kapasitor gestoor word deur die volgende formule uitgedruk word: E=½C(V2-V 1)2, waar V2 en V1 die finale en aanvanklike spanning tussen die plate.
Laai en ontlaai
As 'n kapasitor aan 'n elektriese stroombaan gekoppel is met 'n weerstand en een of ander bron van elektriese stroom, dan sal stroom deur die stroombaan vloei en die kapasitor sal begin laai. Sodra dit ten volle gelaai is, sal die elektriese stroom in die stroombaan stop.
As 'n gelaaide kapasitor in parallel met 'n resistor gekoppel is, sal 'n stroom van een plaat na 'n ander deur die resistor vloei, wat sal aanhou totdat die toestel heeltemal ontlaai is. In hierdie geval sal die rigting van die ontladingsstroom teenoorgesteld wees aan die rigting van elektriese stroomvloei toe die toestel gelaai is.
Die laai en ontlaai van 'n kapasitor volg 'n eksponensiële tydafhanklikheid. Byvoorbeeld, die spanning tussen die plate van 'n kapasitor tydens sy ontlading verander volgens die volgende formule: V(t)=Vie-t/(RC) , waar V i - beginspanning op die kapasitor, R - elektriese weerstand in die stroombaan, t - ontladingstyd.
Kombinering in 'n elektriese stroombaan
Om die kapasitansie te bepaal van die kapasitors wat beskikbaar is inelektriese stroombaan, moet onthou word dat hulle op twee verskillende maniere gekombineer kan word:
- Seriële verbinding: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Parallelle verbinding: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - totale kapasitansie van n kapasitors. Die totale elektriese kapasitansie van kapasitors word bepaal deur formules soortgelyk aan wiskundige uitdrukkings vir die totale elektriese weerstand, slegs die formule vir serieverbinding van toestelle is geldig vir parallelle verbinding van resistors en omgekeerd.
