Nabíjení na deskách kondenzátoru: fyzika procesů a výpočetní vzorec

Kondenzátor je základní elektronická součástka (spolu s rezistorem a induktorem) pro ukládání elektrické energie. Nejlepší analogií pro jeho fungování by bylo srovnání s dobíjecí baterií. Zařízení druhého jmenovaného je však založeno na reverzibilních chemických reakcích a akumulace náboje na deskách kondenzátoru je výhradně elektrické povahy.

Zařízení a princip činnosti

Ve své nejjednodušší podobě konstrukce se skládá ze dvou elektrod ve formě vodivých desek (nazývané desky), oddělené dielektrikem, jehož tloušťka je v porovnání s rozměry desek zanedbatelná. Prakticky používané elektronické součástky obsahují mnoho vrstev dielektrika a elektrod. Jako označení pro kondenzátor ve schématu jsou použity dva paralelní segmenty s mezerou mezi nimi. Symbolizují kovové desky desek fyzického zařízení, elektricky oddělené od sebe.

Michael Faraday je mnohými považován za vynálezce vynálezu, ale ve skutečnosti tomu tak není. To hlavní ale udělal – ve svých pokusech předvedl první praktické příklady a způsoby využití tohoto zařízení pro ukládání elektrického náboje. Díky Faradayovi dostalo lidstvo způsob, jak měřit schopnost akumulovat náboj. Tato veličina se nazývá kapacita a měří se ve Faradech.

Činnost kondenzátoru lze ilustrovat na příkladu dějů, které probíhají v záblesku digitálního fotoaparátu v časovém intervalu mezi stisknutím tlačítka a okamžikem zhasnutí blesku. Elektronický obvod tohoto osvětlovacího zařízení je založen na kondenzátoru, ve kterém se stane následující:

• Nabíječka. Po stisknutí tlačítka proud elektronů vstoupí do kondenzátoru a na jedné z jeho desek se vlivem dielektrika zastaví. Tento tok se nazývá nabíjecí proud.
• Nashromáždění. Vzhledem k tomu, že působením elektromotorické síly bude do desky vstupovat stále více a více elektronů, které se po ní rozkládají, záporný náboj desky může růst, dokud akumulovaný potenciál neodrazí příchozí přebytečný tok elektrony. Druhá deska, kvůli nedostatku elektronů, získává kladný náboj, který se rovná velikosti záporného náboje na první. Nabíjecí proud poteče, dokud se napětí na obou deskách nevyrovná přiloženému. Síla nebo rychlost nabíjecího proudu bude na maximální úrovni, když desky zcela vybitý, a bude se blížit nule v okamžiku, kdy bude napětí na deskách a zdroji jsou si rovni.
• Zachování. Vzhledem k tomu, že desky jsou opačně nabité, ionty a elektrony se budou navzájem přitahovat, ale nebudou se moci spojit kvůli dielektrické vrstvě, čímž vznikne elektrostatické pole. Díky tomuto poli kondenzátor drží a ukládá náboj.
• Vybít. Pokud je možné, aby elektrony proudily v obvodu jiným způsobem, pak se napětí akumulovalo mezi kladným a záporné náboje desek, se okamžitě přemění na elektrický proud, jehož pulz se v zábleskové lampě přemění na světelná energie.

Blesk tedy realizuje schopnost kondenzátoru ukládat energii z baterie pro impuls. Baterie fotoaparátu je také úložné zařízení, ale kvůli chemické povaze skladování generuje a uvolňuje energii pomalu.

Kapacita, náboj a napětí

Vlastnost kondenzátoru udržet náboj na deskách ve formě elektrostatického pole se nazývá kapacita. Čím větší je plocha desek a čím menší je vzdálenost mezi nimi, tím více náboje jsou schopny akumulovat, a proto mají větší kapacitu. Když je na kondenzátor přivedeno napětí, poměr náboje Q k napětí V dá hodnotu kapacity C. Vzorec nabíjení kondenzátoru bude vypadat takto:

Q = C * V.

Měřítkem elektrické kapacity je farad (F). Tato jednotka je vždy kladná a nemá žádné záporné hodnoty. 1 F se rovná kapacitě kondenzátoru, který je schopen uložit náboj 1 coulomb na desky s napětím 1 volt.

Farad je velmi velká měrná jednotka pro snadné použití aplikujte především jeho dílčí míry:

• Mikrofarad (μF): 1μF = 1 / 1 000 000 F.
• Nanofarad (nF): 1nF = 1 / 1 000 000 000 F.
• Picofarad (pF): 1pF = 1/000000000000 F.

Dielektrická hodnota

Kromě celkové velikosti desek a vzdálenosti mezi nimi je zde ještě jeden parametr, který ovlivňuje kapacitu – typ použitého izolantu. Faktor, kterým se určuje schopnost dielektrika zvýšit kapacitu kondenzátoru ve srovnání s vakuem, se nazývá dielektrická konstanta a je popsána pro různé materiály konstantní hodnotou od 1 do nekonečna (teoreticky):

• vakuum: 1,0000;
• vzduch: 1,0006;
• papír: 2,5-3,5;
• sklo: 3-10;
• oxidy kovů 6-20;
• elektrická keramika: až 80.

Kromě pevných dielektrických kondenzátorů (keramické, papírové, filmové) existují i ​​elektrolytické. Posledně jmenované používají hliníkové nebo tantalové desky s oxidovou izolační vrstvou jako jednou elektrodou a roztokem elektrolytu jako druhou.

Hlavní rysy této konstrukce jsou, že umožňuje akumulaci poměrně působivého náboje v malé velikosti a je polárním elektrickým úložištěm. To znamená, že je součástí elektrického obvodu s ohledem na polaritu.

Energie, kterou je většina kondenzátorů schopna uložit, je obvykle malá – ne více než stovky joulů. Navíc nevydrží dlouho kvůli nevyhnutelnému úniku náboje. Kondenzátory tedy nemohou nahradit například baterie jako zdroj energie. A přestože jsou schopny efektivně vykonávat pouze jednu práci (konzervace náboje), jejich uplatnění je v elektrických obvodech velmi rozmanité. Kondenzátory se používají jako filtry, pro vyhlazování síťového napětí, jako synchronizační zařízení a pro jiné účely.