Bir kapasitörün elektrik kapasitesi: formüller ve tarihçe

2024 Yazar: Aaron Duncan | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-01 20:19

Elektrik kondansatörü, elektrik enerjisini biriktirip depolayabilen pasif bir cihazdır. Bir dielektrik malzeme ile ayrılmış iki iletken plakadan oluşur. Farklı işaretlerin elektrik potansiyellerinin iletken plakalara uygulanması, onlar tarafından bir plakada pozitif ve diğerinde negatif olan bir yükün alınmasına yol açar. Bu durumda toplam yük sıfırdır.

Bu makale, tarihin konularını ve bir kapasitörün kapasitansının tanımını tartışıyor.

İcat Hikayesi

Ekim 1745'te Alman bilim adamı Ewald Georg von Kleist, bir elektrostatik jeneratör ve bir cam kaptaki belirli bir miktar su bir kablo ile bağlanırsa bir elektrik yükünün depolanabileceğini fark etti. Bu deneyde, von Kleist'in eli ve suyu iletkendi ve cam kap bir elektrik yalıtkanıydı. Bilim adamı eliyle metal tele dokunduktan sonra, güçlü bir deşarj meydana geldi ve bubir elektrostatik jeneratörün deşarjından çok daha güçlü. Sonuç olarak, von Kleist depolanmış elektrik enerjisi olduğu sonucuna vardı.

1746'da Hollandalı fizikçi Pieter van Muschenbroek, bilim adamının çalıştığı Leiden Üniversitesi'nin onuruna Leiden şişesi adını verdiği bir kapasitör icat etti. Daniel Gralat daha sonra birkaç Leiden şişesini bağlayarak kapasitörün kapasitesini artırdı.

1749'da Benjamin Franklin, Leyden kapasitörünü araştırdı ve elektrik yükünün daha önce inanıldığı gibi suda değil, su ve cam sınırında depolandığı sonucuna vardı. Franklin'in keşfi sayesinde, cam kapların içi ve dışı metal plakalarla kaplanarak Leyden şişeleri yapılmıştır.

Endüstri Geliştirme

"Kapasitör" terimi, 1782'de Alessandro Volta tarafından icat edildi. Başlangıçta, elektrik kapasitör izolatörleri yapmak için cam, porselen, mika ve düz kağıt gibi malzemeler kullanıldı. Bu nedenle, radyo mühendisi Guglielmo Marconi, vericileri için porselen kapasitörler kullandı ve alıcılar için - 1909'da icat edilen mika yalıtkanlı küçük kapasitörler - II. Dünya Savaşı'ndan önce, ABD'de en yaygın olanlardı.

İlk elektrolitik kapasitör 1896'da icat edildi ve alüminyum elektrotlu bir elektrolitti. Elektroniğin hızlı gelişimi, ancak 1950'de minyatür bir tantal kondansatörün icadından sonra başladı.katı elektrolit.

İkinci Dünya Savaşı sırasında, plastik kimyasının gelişmesinin bir sonucu olarak, ince polimer filmlere bir yalıtkan rolünün verildiği kapasitörler ortaya çıkmaya başladı.

Son olarak, 50-60'larda, kondansatörlerin elektrik kapasitesinin geleneksel kapasitörlerin değerine kıyasla 3 kat arttığından dolayı birkaç çalışma iletken yüzeye sahip süper kapasitör endüstrisi gelişir.

Bir kapasitörün kapasitansı kavramı

Kondansatör plakasında depolanan elektrik yükü, cihazın plakaları arasında var olan elektrik alanının voltajıyla orantılıdır. Bu durumda, orantı katsayısına düz bir kapasitörün elektrik kapasitansı denir. SI'de (Uluslararası Birimler Sistemi), fiziksel bir miktar olarak elektrik kapasitesi farad cinsinden ölçülür. Bir farad, plakaları arasındaki voltaj 1 volt ve depolanmış 1 coulomb olan bir kapasitörün elektrik kapasitansıdır.

1 faradın elektrik kapasitansı çok büyüktür ve pratikte elektrik mühendisliği ve elektronikte, kapasitansları pikofarad, nanofarad ve mikrofarad düzeyinde olan kapasitörler yaygın olarak kullanılır. Tek istisna, cihazın çalışma alanını artıran aktif karbondan oluşan süper kapasitörlerdir. Binlerce farada ulaşabilirler ve prototip elektrikli araçlara güç sağlamak için kullanılırlar.

Böylece, kapasitörün kapasitansı: C=Q₁/(V₁-V_{2). Burada C-elektrik kapasitesi, Q}1 _{- kapasitörün bir plakasında depolanan elektrik yükü, V}1_-V2_{- plakaların elektrik potansiyelleri arasındaki fark.}

Düz bir kapasitörün kapasitansı formülü: C=e₀eS/d. Burada e_{0ve e evrensel dielektrik sabitidir ve yalıtkan malzemenin dielektrik sabiti S plakaların alanıdır, d plakalar arasındaki mesafedir. Bu formül, yalıtkanın malzemesini, plakalar arasındaki mesafeyi veya bunların alanını değiştirirseniz kapasitörün kapasitansının nasıl değişeceğini anlamanızı sağlar.}

Kullanılan dielektrik türleri

Kapasitör üretimi için çeşitli dielektrik türleri kullanılır. En popüler olanları şunlardır:

1. Hava. Bu kapasitörler, bir hava tabakasıyla ayrılmış ve bir cam kasaya yerleştirilmiş iki iletken malzeme levhasıdır. Hava kapasitörlerinin elektrik kapasitesi küçüktür. Genellikle radyo mühendisliğinde kullanılırlar.
2. Mika. Mikanın özellikleri (ince tabakalara ayrılma ve yüksek sıcaklıklara dayanma yeteneği) kapasitörlerde yalıtkan olarak kullanılması için uygundur.
3. Kağıt. Islanmaya karşı korumak için mumlu veya vernikli kağıt kullanılır.

Depolanmış Enerji

Kondansatörün plakaları arasındaki potansiyel farkı arttıkça, cihaz elektrik enerjisi depolar.içinde bir elektrik alanının varlığı. Plakalar arasındaki potansiyel farkı azalırsa kondansatör boşalır ve elektrik devresine enerji verilir.

Matematiksel olarak, rastgele tipte bir kapasitörde depolanan elektrik enerjisi aşağıdaki formülle ifade edilebilir: E=½C(V₂-V ₁)², burada V₂ ve V_{1 son ve başlangıçtır plakalar arasındaki stres.}

Şarj ve deşarj

Bir elektrik devresine bir direnç ve bir miktar elektrik akımı kaynağı olan bir kondansatör bağlanırsa, devreden akım geçer ve kondansatör şarj olmaya başlar. Tamamen şarj olur olmaz devredeki elektrik akımı duracaktır.

Yüklü bir kapasitör bir dirence paralel olarak bağlanırsa, direnç üzerinden bir plakadan diğerine bir akım akacak ve bu akım cihaz tamamen boşalana kadar devam edecektir. Bu durumda deşarj akımının yönü, cihaz şarj olurken elektrik akımının akış yönünün tersi olacaktır.

Bir kapasitörün şarj edilmesi ve boş altılması, üstel bir zaman bağımlılığını takip eder. Örneğin, bir kondansatörün deşarjı sırasında plakaları arasındaki voltaj aşağıdaki formüle göre değişir: V(t)=V_ie^-t/(RC) , burada V _{i - kapasitördeki ilk voltaj, R - devredeki elektrik direnci, t - deşarj süresi.}

Bir elektrik devresinde birleştirme

İçinde mevcut olan kapasitörlerin kapasitansını belirlemek içinelektrik devresi, iki farklı şekilde birleştirilebileceği unutulmamalıdır:

1. Seri bağlantı: 1/C_s =1/C₁+1/C₂+ …+1/C_.
2. Paralel bağlantı: C_s =C₁+C₂+…+C_.

C_{s - n kapasitörün toplam kapasitansı. Kondansatörlerin toplam elektrik kapasitansı, toplam elektrik direnci için matematiksel ifadelere benzer formüllerle belirlenir, dirençlerin paralel bağlanması için sadece cihazların seri bağlanması için formül geçerlidir ve bunun tersi de geçerlidir.}