Des de l'inici de l'estudi de l'electricitat, va ser només l'any 1745 que Ewald Jurgen von Kleist i Pieter van Muschenbroek van aconseguir resoldre el problema de la seva acumulació i conservació. Creat a Leiden, Holanda, el dispositiu va permetre acumular energia elèctrica i utilitzar-la quan fos necessari.
Leyden jar: un prototip de condensador. El seu ús en experiments físics va avançar l'estudi de l'electricitat i va permetre crear un prototip de corrent elèctric.
Què és un condensador
Recollir càrrega elèctrica i electricitat és l'objectiu principal d'un condensador. Normalment es tracta d'un sistema de dos conductors aïllats situats el més a prop possible l'un de l' altre. L'espai entre els conductors s'omple amb un dielèctric. La càrrega acumulada en els conductors es tria de manera diferent. La propietat de les càrregues oposades a ser atretes contribueix a la seva major acumulació. Al dielèctric se li assigna una doble funció: com més gran sigui la constant dielèctrica, més gran és la capacitat elèctrica, les càrregues no poden superar la barrera ineutralitzar.
La capacitat elèctrica és la principal magnitud física que caracteritza la capacitat d'un condensador per acumular càrrega. Els conductors s'anomenen plaques, el camp elèctric del condensador es concentra entre ells.
L'energia d'un condensador carregat, aparentment, hauria de dependre de la seva capacitat.
Capacitat elèctrica
El potencial energètic permet utilitzar condensadors (gran capacitat elèctrica). L'energia d'un condensador carregat s'utilitza quan cal aplicar un pols de corrent curt.
De quines quantitats depèn la capacitat elèctrica? El procés de càrrega d'un condensador comença connectant les seves plaques als pols d'una font de corrent. La càrrega acumulada en una placa (el valor de la qual és q) es pren com a càrrega del condensador. El camp elèctric concentrat entre les plaques té una diferència de potencial U.
La capacitat elèctrica (C) depèn de la quantitat d'electricitat concentrada en un conductor i de la tensió de camp: C=q/U.
Aquest valor es mesura en F (farads).
La capacitat de tota la Terra no és comparable a la capacitat d'un condensador, la mida del qual és aproximadament la mida d'un quadern. La càrrega potent acumulada es pot utilitzar en vehicles.
No obstant això, no hi ha manera d'acumular una quantitat il·limitada d'electricitat a les plaques. Quan la tensió puja al valor màxim, es pot produir una ruptura del condensador. plaquesneutralitzat, que pot danyar el dispositiu. L'energia d'un condensador carregat es gasta completament en escalfar-lo.
Valor energètic
L'escalfament del condensador es deu a la transformació de l'energia del camp elèctric en interna. La capacitat del condensador per fer treball per moure la càrrega indica la presència d'un subministrament d'electricitat suficient. Per determinar quina és l'energia d'un condensador carregat, considereu el procés de descàrrega. Sota l'acció d'un camp elèctric de tensió U, una càrrega de q flueix d'una placa a una altra. Per definició, el treball del camp és igual al producte de la diferència de potencial per la quantitat de càrrega: A=qU. Aquesta relació només és vàlida per a un valor de tensió constant, però en el procés de descàrrega a les plaques del condensador, disminueix gradualment fins a zero. Per evitar imprecisions, prenem el seu valor mitjà U/2.
A partir de la fórmula de la capacitat elèctrica tenim: q=CU.
A partir d'aquí, l'energia d'un condensador carregat es pot determinar amb la fórmula:
W=CU2/2.
Veiem que el seu valor és com més gran, més gran és la capacitat elèctrica i la tensió. Per respondre a la pregunta de quina és l'energia d'un condensador carregat, passem a les seves varietats.
Tipus de condensadors
Com que l'energia del camp elèctric concentrat dins del condensador està directament relacionada amb la seva capacitat i el funcionament dels condensadors depèn de les seves característiques de disseny, s'utilitzen diversos tipus de dispositius d'emmagatzematge.
- Segons la forma de les plaques: planes, cilíndriques, esfèriques, etc.e.
- Canviant la capacitat: constant (la capacitat no canvia), variable (canviant les propietats físiques, canviem la capacitat), afinació. El canvi de la capacitat es pot dur a terme canviant la temperatura, la tensió mecànica o elèctrica. La capacitat dels condensadors de retallador varia canviant l'àrea de les plaques.
- Per tipus de dielèctric: gas, líquid i sòlid.
- Per tipus de dielèctric: vidre, paper, mica, paper metàl·lic, ceràmica, pel·lícules de capa fina de diverses composicions.
Segons el tipus, també es distingeixen altres condensadors. L'energia d'un condensador carregat depèn de les propietats del dielèctric. La magnitud principal s'anomena constant dielèctrica. La capacitat elèctrica és directament proporcional a ella.
Condensador de placa
Penseu en el dispositiu més senzill per recollir càrrega elèctrica: un condensador pla. Aquest és un sistema físic de dues plaques paral·leles, entre les quals hi ha una capa dielèctrica.
La forma dels plats pot ser tant rectangular com rodona. Si cal obtenir una capacitat variable, s'acostuma a prendre les plaques en forma de semidiscos. La rotació d'una placa respecte a una altra comporta un canvi en l'àrea de les plaques.
Suposem que l'àrea d'una placa és igual a S, la distància entre les plaques es pren igual a d, la constant dielèctrica del farciment és ε. La capacitat d'aquest sistema depèn només de la geometria del condensador.
C=εε0S/d.
Energia d'un condensador pla
Veiem que la capacitat del condensador és directament proporcional a l'àrea total d'una placa i inversament proporcional a la distància entre elles. El coeficient de proporcionalitat és la constant elèctrica ε0. Augmentar la constant dielèctrica del dielèctric augmentarà la capacitat elèctrica. Reduir l'àrea de les plaques permet obtenir condensadors d'afinació. L'energia del camp elèctric d'un condensador carregat depèn dels seus paràmetres geomètrics.
Utilitzeu la fórmula de càlcul: W=CU2/2.
La determinació de l'energia d'un condensador de forma plana carregada es realitza segons la fórmula:
W=εε0S U2/(2d).
Utilització de condensadors
La capacitat dels condensadors per recollir sense problemes una càrrega elèctrica i donar-la prou ràpidament s'utilitza en diversos camps de la tecnologia.
La connexió amb inductors us permet crear circuits oscil·latoris, filtres de corrent i circuits de retroalimentació.
Flaixos fotogràfics, pistoles aturdidores, en què es produeix una descàrrega gairebé instantània, utilitzen la capacitat d'un condensador per crear un pols de corrent potent. El condensador es carrega des d'una font de corrent continu. El propi condensador actua com un element que trenca el circuit. La descàrrega en sentit contrari es produeix a través d'una làmpada de baixa resistència ohmica gairebé a l'instant. En una pistola parador, aquest element és el cos humà.
Condensador o bateria
La capacitat de mantenir la càrrega acumulada durant molt de temps ofereix una meravellosa oportunitat per utilitzar-la com a emmagatzematge d'informació o emmagatzematge d'energia. Aquesta propietat s'utilitza àmpliament en enginyeria de ràdio.
Canviar la bateria, malauradament, el condensador no és capaç, perquè té la particularitat d'estar descarregat. L'energia acumulada no supera els pocs centenars de joules. La bateria pot emmagatzemar una gran quantitat d'electricitat durant molt de temps i gairebé sense pèrdua.
