В некотором смысле конденсатор немного похож на аккумулятор. Хотя они работают совершенно по-разному, конденсаторы и батареи хранят электрическую энергию. Если вы читали «Как работают батареи», то знаете, что у батареи две клеммы. Внутри батареи химические реакции производят электроны на одном выводе, а другой вывод поглощает их, когда вы создаете цепь. Конденсатор намного проще батареи, так как он не может производить новые электроны, а только накапливает их. Конденсатор так называется, потому что он обладает «емкостью» для хранения энергии.
В этой статье мы узнаем, что такое конденсатор, для чего он нужен и как используется в электронике. Мы также посмотрим на историю конденсатора и на то, как несколько человек помогли в его развитии.
Конденсаторы могут быть изготовлены для любых целей, от самого маленького пластикового конденсатора в вашем калькуляторе до сверхконденсатора, который может питать пригородный автобус. Вот некоторые из различных типов конденсаторов и способы их использования.
- Air: Часто используется в схемах настройки радио
- Майлар: чаще всего используется для схем таймеров, таких как часы, будильники и счетчики
- Стекло: подходит для высоковольтных приложений
- Керамика: используется для высокочастотных целей, таких как антенны, рентгеновские аппараты и аппараты МРТ
- Суперконденсатор: питает электрические и гибридные автомобили
Внутри конденсатора клеммы соединяются с двумя металлическими пластинами, разделенными непроводящим веществом илидиэлектриком Вы можете легко сделать конденсатор из двух кусков алюминиевой фольги и лист бумаги (и несколько электрических зажимов). Это не будет особенно хорошим конденсатором с точки зрения его емкости, но он будет работать.
Теоретически диэлектриком может быть любое непроводящее вещество. Однако для практических применений используются специальные материалы, которые лучше всего подходят для функции конденсатора. Слюда, керамика, целлюлоза, фарфор, майлар, тефлон и даже воздух - вот некоторые из используемых непроводящих материалов. Диэлектрик диктует, какой это конденсатор и для чего он лучше всего подходит. В зависимости от размера и типа диэлектрика одни конденсаторы лучше подходят для высокочастотных применений, а другие - для высоковольтных приложений.
Конденсаторная схема
При подключении конденсатора к аккумулятору происходит следующее:
- Пластина на конденсаторе, которая крепится к отрицательной клемме батареи, принимает электроны, которые производит батарея.
- Пластина на конденсаторе, которая крепится к положительной клемме батареи, отдает электроны батарее.
После зарядки конденсатор имеет то же напряжение, что и батарея (1.5 вольт на аккумуляторе означает 1,5 вольта на конденсаторе). Для маленького конденсатора емкость невелика. Но большие конденсаторы могут держать довольно большой заряд. Вы можете найти конденсаторы размером с банку из-под газировки, которые держат достаточно заряда, чтобы зажечь фонарик на минуту или больше.
Даже природа показывает работу конденсатора в виде молнии. Одна пластина - это облако, другая пластина - это земля, а молния - это заряд, высвобождающийся между этими двумя «пластинами». Очевидно, такой большой конденсатор может удерживать огромный заряд!
Допустим, вы подключаете конденсатор следующим образом:
Вот вам батарейка, лампочка и конденсатор. Если конденсатор довольно большой, вы заметите, что когда вы подключаете аккумулятор, лампочка загорается, когда ток течет от аккумулятора к конденсатору, чтобы зарядить его. Лампа будет постепенно гаснуть и, наконец, погаснет, как только конденсатор достигнет своей емкости. Если затем вынуть батарею и заменить ее проводом, ток будет течь от одной пластины конденсатора к другой. Лампочка сначала загорится, а затем погаснет по мере разрядки конденсатора, пока полностью не погаснет.
В следующем разделе мы узнаем больше о емкости и подробно рассмотрим различные способы использования конденсаторов.
Как водонапорная башня
Один из способов визуализировать действие конденсатора - представить его в виде водонапорной башни, прикрепленной к трубе. Водонапорная башня «сохраняет» давление воды - когда насосы системы водоснабжения производят больше воды, чем нужно городу, излишки накапливаются в водонапорной башне. Затем, во время повышенного спроса, избыточная вода вытекает из градирни для поддержания высокого давления. Конденсатор таким же образом накапливает электроны и может высвободить их позже.
Фарад
Накопительный потенциал конденсатора, илиемкость, измеряется в единицах, называемыхфарадамиКонденсатор емкостью 1 фарад может хранить один кулон (кулон) заряда при напряжении 1 вольт. Кулон - это 6,25e18 (6,2510^18, или 6,25 миллиарда миллиардов) электронов. Одинампер представляет скорость потока электронов в 1 кулон электронов в секунду, поэтому конденсатор емкостью 1 фарад может удерживать 1 ампер-секунду электронов при 1 вольте.
Конденсатор емкостью 1 фарад обычно довольно большой. Он может быть размером с банку тунца или литровую бутылку газировки, в зависимости от напряжения, которое он может выдержать. По этой причине конденсаторы обычно измеряются в микрофарадах (миллионных долях фарад).
Чтобы получить некоторое представление о том, насколько велик фарад, подумайте об этом:
- Стандартная щелочная батарея типа АА имеет емкость около 2,8 ампер-часов.
- Это означает, что батарея AA может производить 2,8 ампера в течение часа при 1,5 вольта (около 4,2 ватт-часа - батарея AA может зажечь 4-ваттную лампу накаливания чуть больше часа).
- Давайте назовем это 1 вольтом, чтобы упростить вычисления. Чтобы сохранить энергию одной батарейки АА в конденсаторе, вам потребуется 3 6002,8=10 080 фарад, потому что ампер-час равен 3 600 ампер-секундам.
Если требуется что-то размером с банку тунца, чтобы вместить фарад, то 10 080 фарад займут НАМНОГО больше места, чем одна батарейка АА! Нецелесообразно использовать конденсаторы для хранения значительного количества энергии, если вы не делаете это при высоком напряжении.
Приложения
Разница между конденсатором и батареей заключается в том, что конденсатор может сбрасывать весь свой заряд за крошечную долю секунды, в то время как батарее требуется несколько минут, чтобы полностью разрядиться. Вот почему в электронной вспышке камеры используется конденсатор - батарея заряжает конденсатор вспышки в течение нескольких секунд, а затем конденсатор почти мгновенно сбрасывает полный заряд во вспышку. Это может сделать большой заряженный конденсатор чрезвычайно опасным - по этой причине на вспышках и телевизорах есть предупреждения об их вскрытии. Они содержат большие конденсаторы, которые потенциально могут убить вас своим зарядом.
Конденсаторы используются в электронных схемах по-разному:
- Иногда конденсаторы используются для накопления заряда для высокоскоростного использования. Вот что делает вспышка. Большие лазеры также используют эту технику для получения очень ярких мгновенных вспышек.
- Конденсаторы также могут устранять электрические пульсации. Если в линии постоянного напряжения есть пульсации или всплески, большой конденсатор может выровнять напряжение, поглощая пики и заполняя провалы.
- Конденсатор может блокировать постоянное напряжение. Если вы подключите небольшой конденсатор к батарее, то после зарядки конденсатора между полюсами батареи не будет протекать ток. Однако любой сигнал переменного тока (AC) беспрепятственно проходит через конденсатор. Это потому, что конденсатор будет заряжаться и разряжаться при колебаниях переменного тока, создавая впечатление, что переменный ток течет.
В следующем разделе мы рассмотрим историю конденсатора и то, какой вклад в его развитие внесли самые блестящие умы.
История конденсатора
Изобретение конденсатора зависит от того, кого вы спросите. Есть записи, указывающие на то, что немецкий ученый по имени Эвальд Георг фон Клейст изобрел конденсатор в ноябре 1745 года. Несколько месяцев спустя Питер ван Мусшенбрук, голландский профессор Лейденского университета, придумал очень похожее устройство в виде знака. Лейденская банка, которая обычно считается первым конденсатором. Поскольку у Клейста не было ни подробных записей и заметок, ни дурной славы его голландского коллеги, его часто упускают из виду как участника эволюции конденсатора. Однако с годами оба получили одинаковое признание, поскольку было установлено, что их исследования были независимыми друг от друга и являлись просто научным совпадением.
Лейденская банка была очень простым устройством. Он представлял собой стеклянную банку, наполовину наполненную водой и выстланную изнутри и снаружи металлической фольгой. Стекло выступало в роли диэлектрика, хотя какое-то время считалось, что ключевой компонент - вода. Обычно через пробку в верхней части кувшина вставляли металлическую проволоку или цепь. Затем цепь была прикреплена к чему-то, что должно было подавать заряд, скорее всего, к генератору статического электричества с ручным приводом. После доставки банка будет удерживать два одинаковых, но противоположных заряда в равновесии, пока они не будут соединены проводом, производя небольшую искру или электрический разряд.
Бенджамин Франклин работал с лейденской банкой в своих экспериментах с электричеством и вскоре обнаружил, что плоский кусок стекла работает так же хорошо, как и модель банки, что побудило его разработатьплоский конденсатор, или площадь Франклина. Спустя годы английский химик Майкл Фарадей впервые применил конденсатор на практике, пытаясь сохранить неиспользованные электроны из своих экспериментов. Это привело к созданию первого пригодного для использования конденсатора, сделанного из больших нефтяных бочек. Прогресс Фарадея в области конденсаторов - это то, что в конечном итоге позволило нам передавать электроэнергию на большие расстояния. В результате достижений Фарадея в области электричества единица измерения конденсаторов, илиемкость, стала называться фарад.
Часто задаваемые вопросы о конденсаторах
Что делает конденсатор?
Конденсатор позволяет очень быстро высвобождать электрическую энергию, чего не может сделать батарея. Например, в электронной вспышке фотоаппарата используется конденсатор.
Может ли вас убить конденсатор?
Большие заряженные конденсаторы, такие как те, что находятся во вспышках и телевизорах, могут быть чрезвычайно опасными и потенциально могут убить вас содержащимся в них зарядом.
Является ли конденсатор батареей?
Конденсатор немного похож на аккумулятор в том, что оба хранят электрическую энергию. Но то, как они работают, совершенно другое. Конденсатор также намного проще батареи, так как он может только накапливать электроны, а не производить их.
Что такое конденсатор?
Конденсатор - это электрический компонент, который получает энергию от батареи и сохраняет ее. Внутри клеммы соединяются с двумя металлическими пластинами, разделенными непроводящим веществом. При активации конденсатор быстро высвобождает электричество за доли секунды.