Kapangyarihan ng kuryente ng isang capacitor: mga formula at kasaysayan

2024 May -akda: Aaron Duncan | [email protected]. Huling binago: 2024-01-01 20:19

Ang Electric capacitor ay isang passive device na may kakayahang mag-ipon at mag-imbak ng elektrikal na enerhiya. Binubuo ito ng dalawang conductive plate na pinaghihiwalay ng isang dielectric na materyal. Ang paggamit ng mga potensyal na elektrikal ng iba't ibang mga palatandaan sa mga conductive plate ay humahantong sa pagkuha ng isang singil sa kanila, na positibo sa isang plato at negatibo sa isa pa. Sa kasong ito, ang kabuuang singil ay zero.

Tinatalakay ng artikulong ito ang mga isyu ng kasaysayan at ang kahulugan ng capacitance ng isang capacitor.

Kuwento ng Imbensyon

Noong Oktubre 1745, napansin ng German scientist na si Ewald Georg von Kleist na maaaring mag-imbak ng electric charge kung ang isang electrostatic generator at isang tiyak na dami ng tubig sa isang glass vessel ay konektado sa isang cable. Sa eksperimentong ito, ang kamay at tubig ni von Kleist ay mga conductor, at ang glass vessel ay isang electrical insulator. Matapos hawakan ng siyentipiko ang metal wire gamit ang kanyang kamay, isang malakas na paglabas ang naganap, namas malakas kaysa sa paglabas ng isang electrostatic generator. Bilang resulta, napagpasyahan ni von Kleist na mayroong nakaimbak na enerhiyang elektrikal.

Noong 1746, ang Dutch physicist na si Pieter van Muschenbroek ay nag-imbento ng capacitor, na tinawag niyang Leiden bottle bilang parangal sa Leiden University kung saan nagtrabaho ang scientist. Pagkatapos ay tinaasan ni Daniel Gralat ang capacitance ng capacitor sa pamamagitan ng pagkonekta ng ilang bote ng Leiden.

Noong 1749, inimbestigahan ni Benjamin Franklin ang Leyden capacitor at napagpasyahan na ang singil ng kuryente ay hindi nakaimbak sa tubig, gaya ng pinaniniwalaan noon, ngunit sa hangganan ng tubig at salamin. Dahil sa pagtuklas ni Franklin, ginawa ang mga bote ng Leyden sa pamamagitan ng pagtakip sa loob at labas ng mga sisidlang salamin gamit ang mga metal plate.

Pagpapaunlad ng Industriya

Ang terminong "capacitor" ay likha ni Alessandro Volta noong 1782. Sa una, ang mga materyales tulad ng salamin, porselana, mika at payak na papel ay ginamit upang gumawa ng mga insulator ng electrical capacitor. Kaya, ang radio engineer na si Guglielmo Marconi ay gumamit ng mga porcelain capacitor para sa kanyang mga transmitters, at para sa mga receiver - maliliit na capacitor na may mica insulator, na naimbento noong 1909 - bago ang World War II, sila ang pinakakaraniwan sa USA.

Ang unang electrolytic capacitor ay naimbento noong 1896 at isang electrolyte na may aluminum electrodes. Ang mabilis na pag-unlad ng electronics ay nagsimula lamang pagkatapos ng pag-imbento noong 1950 ng isang miniature tantalum capacitor na maysolid electrolyte.

Noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig, bilang resulta ng pag-unlad ng kimika ng plastik, nagsimulang lumitaw ang mga capacitor, kung saan ang papel ng isang insulator ay itinalaga sa mga manipis na polymer film.

Sa wakas, sa 50-60s, umuunlad ang industriya ng mga supercapacitor, na mayroong ilang gumaganang conductive surface, dahil sa kung saan ang kapasidad ng kuryente ng mga capacitor ay tumataas ng 3 order ng magnitude kumpara sa halaga nito para sa mga conventional capacitor.

Ang konsepto ng capacitance ng isang capacitor

Ang electric charge na nakaimbak sa capacitor plate ay proporsyonal sa boltahe ng electric field na nasa pagitan ng mga plate ng device. Sa kasong ito, ang coefficient ng proportionality ay tinatawag na electric capacitance ng flat capacitor. Sa SI (International System of Units), ang kapasidad ng kuryente, bilang pisikal na dami, ay sinusukat sa farads. Ang isang farad ay ang electric capacitance ng isang capacitor, ang boltahe sa pagitan ng mga plate na kung saan ay 1 volt na may nakaimbak na singil na 1 coulomb.

Ang electric capacitance na 1 farad ay napakalaki, at sa pagsasagawa sa electrical engineering at electronics, ang mga capacitor na may mga kapasidad ng pagkakasunud-sunod ng picofarad, nanofarad at microfarad ay karaniwang ginagamit. Ang tanging mga pagbubukod ay mga supercapacitor, na binubuo ng activated carbon, na nagpapataas sa lugar ng pagtatrabaho ng device. Maaabot ng mga ito ang libu-libong farad at ginagamit sa pagpapagana ng mga prototype na de-kuryenteng sasakyan.

Kaya, ang capacitance ng capacitor ay: C=Q₁/(V₁-V_{2). Dito C-kapasidad ng kuryente, Q}1 _{- electric charge na nakaimbak sa isang plate ng capacitor, V}1_-V2_{- ang pagkakaiba sa pagitan ng mga potensyal na kuryente ng mga plato.}

Ang formula para sa capacitance ng flat capacitor ay: C=e₀eS/d. Narito ang e_{0at ang e ay ang unibersal na dielectric constant at ang dielectric constant ng insulator material na S ay ang lugar ng mga plate, d ang distansya sa pagitan ng mga plate. Binibigyang-daan ka ng formula na ito na maunawaan kung paano magbabago ang capacitance ng isang capacitor kung babaguhin mo ang materyal ng insulator, ang distansya sa pagitan ng mga plate o kanilang lugar.}

Mga uri ng ginamit na dielectric

Para sa paggawa ng mga capacitor, iba't ibang uri ng dielectrics ang ginagamit. Ang pinakasikat ay ang mga sumusunod:

1. Hin. Ang mga capacitor na ito ay dalawang plates ng conductive material, na pinaghihiwalay ng isang layer ng hangin at inilagay sa isang glass case. Ang mga de-koryenteng kapasidad ng mga air capacitor ay maliit. Karaniwang ginagamit ang mga ito sa radio engineering.
2. Mica. Ang mga katangian ng mika (ang kakayahang maghiwalay sa manipis na mga sheet at makatiis sa mataas na temperatura) ay angkop para sa paggamit nito bilang mga insulator sa mga capacitor.
3. Papel. Ginagamit ang waxed o varnished na papel para protektahan laban sa pagkabasa.

Naka-imbak na Enerhiya

Habang tumataas ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga plate ng capacitor, nag-iimbak ang device ng elektrikal na enerhiya dahil saang pagkakaroon ng isang electric field sa loob nito. Kung ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga plate ay bumababa, pagkatapos ay ang capacitor ay madidischarge, na nagbibigay ng enerhiya sa electrical circuit.

Sa matematika, ang enerhiyang elektrikal na nakaimbak sa isang arbitrary na uri ng capacitor ay maaaring ipahayag sa pamamagitan ng sumusunod na formula: E=½C(V₂-V ₁)², kung saan ang V₂ at V_{1 ang pinal at inisyal diin sa pagitan ng mga plato.}

Sisingilin at i-discharge

Kung ang isang kapasitor ay konektado sa isang de-koryenteng circuit na may isang risistor at ilang pinagmumulan ng electric current, pagkatapos ay ang kasalukuyang daloy sa circuit at ang kapasitor ay magsisimulang mag-charge. Sa sandaling ganap itong na-charge, hihinto ang electric current sa circuit.

Kung ang isang naka-charge na kapasitor ay konektado sa parallel sa isang risistor, pagkatapos ay ang isang kasalukuyang ay dadaloy mula sa isang plate patungo sa isa pa sa pamamagitan ng risistor, na kung saan ay magpapatuloy hanggang sa ang aparato ay ganap na discharged. Sa kasong ito, ang direksyon ng discharge current ay magiging kabaligtaran sa direksyon ng daloy ng kuryente kapag sinisingil ang device.

Ang pag-charge at pagdiskarga ng capacitor ay sumusunod sa isang exponential time dependence. Halimbawa, ang boltahe sa pagitan ng mga plate ng isang kapasitor sa panahon ng paglabas nito ay nagbabago ayon sa sumusunod na formula: V(t)=V_ie^-t/(RC) , kung saan V _{i - paunang boltahe sa capacitor, R - electrical resistance sa circuit, t - discharge time.}

Pagsasama-sama sa isang de-koryenteng circuit

Para matukoy ang capacitance ng mga capacitor na available saelectrical circuit, dapat tandaan na maaari silang pagsamahin sa dalawang magkaibang paraan:

1. Serial na koneksyon: 1/C_s =1/C₁+1/C₂+ …+1/C_.
2. Parallel connection: C_s =C₁+C₂+…+C_.

C_{s - kabuuang kapasidad ng n capacitor. Ang kabuuang electrical capacitance ng mga capacitor ay tinutukoy ng mga formula na katulad ng mathematical expression para sa kabuuang electrical resistance, tanging ang formula para sa serye na koneksyon ng mga device ang valid para sa parallel connection ng mga resistors at vice versa.}