منذ بداية دراسة الكهرباء ، فقط في عام 1745 تمكن إيوالد يورجن فون كلايست وبيتر فان موشنبروك من حل مشكلة تراكمها والحفاظ عليها. تم إنشاء الجهاز في مدينة ليدن بهولندا ، مما جعل من الممكن تجميع الطاقة الكهربائية واستخدامها عند الضرورة.
ليدن جرة - نموذج أولي لمكثف. أدى استخدامه في التجارب الفيزيائية إلى تطوير دراسة الكهرباء إلى الأمام بعيدًا ، مما جعل من الممكن إنشاء نموذج أولي للتيار الكهربائي.
ما هو المكثف
لتجميع الشحنة الكهربائية والكهرباء هو الغرض الرئيسي للمكثف. عادة ما يكون هذا نظامًا من موصلين معزولين يقعان في أقرب مكان ممكن من بعضهما البعض. يتم ملء الفراغ بين الموصلات بعازل كهربائي. يتم اختيار الشحنة المتراكمة على الموصلات بشكل مختلف. تساهم خاصية الرسوم المعاكسة التي سيتم جذبها في زيادة تراكمها. يتم تخصيص دور مزدوج للعزل الكهربائي: فكلما زاد ثابت العزل ، زادت السعة الكهربائية ، لا تستطيع الشحنات التغلب على الحاجز وتحييد
السعة الكهربائية هي الكمية المادية الرئيسية التي تميز قدرة المكثف على تجميع الشحنة. تسمى الموصلات صفائح ، ويتركز المجال الكهربائي للمكثف بينهما.
طاقة المكثف المشحون ، على ما يبدو ، يجب أن تعتمد على قدرته.
القدرة الكهربائية
إمكانات الطاقة تجعل من الممكن استخدام المكثفات (سعة كهربائية كبيرة). تستخدم طاقة المكثف المشحون عندما يكون من الضروري تطبيق نبضة تيار قصيرة.
ما هي الكميات التي تعتمد عليها السعة الكهربائية؟ تبدأ عملية شحن المكثف من خلال توصيل لوحاته بأقطاب المصدر الحالي. الشحنة المتراكمة على لوح واحد (التي قيمتها q) تؤخذ على أنها شحنة المكثف. المجال الكهربائي المركز بين الألواح له فرق جهد ش.
السعة الكهربائية (C) تعتمد على كمية الكهرباء المركزة على موصل واحد والجهد الميداني: C=q / U.
تُقاس هذه القيمة بـ F (الفاراد).
سعة الأرض بأكملها لا يمكن مقارنتها بسعة مكثف ، وحجمه يقارب حجم جهاز كمبيوتر محمول. يمكن استخدام الشحنة القوية المتراكمة في المركبات.
ومع ذلك ، لا توجد طريقة لتجميع كمية غير محدودة من الكهرباء على اللوحات. عندما يرتفع الجهد إلى القيمة القصوى ، قد يحدث انهيار للمكثف. لوحاتمحايد ، مما قد يؤدي إلى تلف الجهاز. يتم إنفاق طاقة المكثف المشحون بالكامل على تسخينه.
قيمة الطاقة
يرجع تسخين المكثف إلى تحويل طاقة المجال الكهربائي إلى طاقة داخلية. تشير قدرة المكثف على القيام بعمل لتحريك الشحنة إلى وجود إمداد كافٍ من الكهرباء. لتحديد مدى ارتفاع طاقة المكثف المشحون ، ضع في اعتبارك عملية تفريغه. تحت تأثير المجال الكهربائي للجهد U ، تتدفق شحنة q من لوحة إلى أخرى. بحكم التعريف ، فإن عمل الحقل يساوي حاصل ضرب فرق الجهد ومقدار الشحنة: A=qU. هذه النسبة صالحة فقط لقيمة الجهد الثابت ، ولكن في عملية التفريغ على ألواح المكثف ، تنخفض تدريجياً إلى الصفر. لتجنب عدم الدقة ، نأخذ متوسط قيمته U / 2.
من معادلة السعة الكهربائية لدينا: q=CU.
من هنا ، يمكن تحديد طاقة المكثف المشحون بالصيغة:
W=CU2/ 2.
نرى أن قيمتها أكبر كلما زادت السعة الكهربائية والجهد. للإجابة على سؤال حول ماهية طاقة المكثف المشحون ، دعنا ننتقل إلى أنواعها.
أنواع المكثفات
نظرًا لأن طاقة المجال الكهربائي المركزة داخل المكثف ترتبط ارتباطًا مباشرًا بسعة المكثف ، ويعتمد تشغيل المكثفات على ميزات تصميمها ، يتم استخدام أنواع مختلفة من أجهزة التخزين.
- حسب شكل الألواح: مسطحة ، أسطوانية ، كروية ، إلخ.ه
- بتغيير السعة: ثابت (السعة لا تتغير) ، متغير (بتغيير الخصائص الفيزيائية ، نغير السعة) ، ضبط. يمكن إجراء تغيير السعة عن طريق تغيير درجة الحرارة أو الضغط الميكانيكي أو الكهربائي. تختلف سعة مكثفات أداة التشذيب باختلاف مساحة الألواح.
- حسب النوع العازل: غاز ، سائل ، عازل صلب.
- حسب نوع العازل الكهربائي: الزجاج والورق والميكا والورق المعدني والسيراميك والأفلام الرقيقة ذات التراكيب المختلفة.
اعتمادًا على النوع ، يتم أيضًا تمييز المكثفات الأخرى. تعتمد طاقة المكثف المشحون على خصائص المادة العازلة. الكمية الرئيسية تسمى ثابت العزل. القدرة الكهربائية تتناسب طرديا معها
مكثف لوحة
ضع في اعتبارك أبسط جهاز لتجميع الشحنة الكهربائية - مكثف مسطح. هذا نظام فيزيائي من لوحين متوازيين ، يوجد بينهما طبقة عازلة.
يمكن أن يكون شكل الألواح مستطيلًا ومستديرًا. إذا كانت هناك حاجة للحصول على سعة متغيرة ، فمن المعتاد أن تأخذ اللوحات في شكل أنصاف أقراص. دوران صفيحة واحدة بالنسبة لأخرى يؤدي إلى تغيير في مساحة الألواح
نفترض أن مساحة اللوحة الواحدة تساوي S ، والمسافة بين الألواح تؤخذ مساوية لـ d ، وثابت العزل الكهربائي للحشو هو ε. سعة مثل هذا النظام تعتمد فقط على هندسة المكثف.
C=εε0S / د.
طاقة مكثف مسطح
نرى أن سعة المكثف تتناسب طرديًا مع المساحة الكلية للوحة واحدة وتتناسب عكسًا مع المسافة بينهما. معامل التناسب هو الثابت الكهربائي ε0. ستؤدي زيادة ثابت العزل الكهربائي للعزل الكهربائي إلى زيادة السعة الكهربائية. يتيح لك تقليل مساحة الألواح ضبط المكثفات. تعتمد طاقة المجال الكهربائي للمكثف المشحون على معاملاته الهندسية.
استخدم صيغة الحساب: W=CU2/ 2.
يتم تحديد طاقة المكثف المشحون بالشكل المسطح وفقًا للصيغة:
W=εε0S U2/ (2d).
باستخدام المكثفات
تُستخدم قدرة المكثفات على جمع الشحنة الكهربائية بسلاسة وإخراجها بسرعة كافية في مختلف مجالات التكنولوجيا.
يتيح لك الاتصال مع المحاثات إنشاء دوائر تذبذبية ، ومرشحات حالية ، ودوائر تغذية مرتدة.
ومضات الصور ، مسدسات الصعق ، التي يحدث فيها تفريغ فوري تقريبًا ، استخدم قدرة المكثف لإنشاء نبضة تيار قوية. يتم شحن المكثف من مصدر تيار مباشر. يعمل المكثف نفسه كعنصر يكسر الدائرة. يحدث التفريغ في الاتجاه المعاكس على الفور تقريبًا من خلال مصباح ذو مقاومة أومية منخفضة. في بندقية الصعق هذا العنصر هو جسم الإنسان.
مكثف أو بطارية
القدرة على الاحتفاظ بالرسوم المتراكمة لفترة طويلة تعطي فرصة رائعة لاستخدامها كمخزن للمعلومات أو لتخزين الطاقة. تستخدم هذه الخاصية على نطاق واسع في هندسة الراديو.
استبدل البطارية ، للأسف ، المكثف غير قادر على ذلك ، لأنه يتميز بخصوصية التفريغ. لا تتجاوز الطاقة المتراكمة بضع مئات من الجول. يمكن للبطارية تخزين كمية كبيرة من الكهرباء لفترة طويلة وتقريباً بدون ضياع
