Конденсатор.

Конденсатор - два изолированных друг от друга проводника (их называют обкладками),  перекачивая между которыми электроны, можно запасти энергию.

То есть, конденсатор хранит не сами электроны, не избыточное их количество, а разницу - на одной обкладке их сколько-то не хватает, на второй точно такой же излишек. Конденсатор хранит энергию, затраченную на на перенос электронов с одной обкладки на другую.

Зарядить конденсатор можно подключив его к источнику тока (1). При этом от плюса источника к минусу потечет кратковременный зарядный ток (голубая линия показывает путь зарядного тока). По окончании заряда конденсатора (когда напряжение на нем станет равным напряжению источника), ток прекратится. Теперь энергию заряженного конденсатора можно использовать. Переведя переключатель S1 в правое положение (4), мы подключаем конденсатор к лампе, которая кратковременно загорится током разряда конденсатора. Гидро аналоги конденсатора - разряженного (2) и заряженного (3) помогут понять суть. Заряжая гидро конденсатор, мы деформируем его гибкую мембрану. А затем энергия деформации мембраны позволит нам совершить какую-либо работу.

 

Чем больше площадь обкладок, и чем ближе они друг к другу, тем больше емкость конденсатора.

 

В чем измеряется емкость конденсатора?

Единица емкости - фарад.

Чем больше диаметр вертикальной водонапорной трубы, тем на меньшую высоту поднимется вода, закачиваемая в нее. С конденсатором такая же картина - чем больше его емкость (а она зависит от площади пластин), тем до меньшего напряжения он зарядится одинаковым количеством электронов, "перекачанных" с одной обкладки на другую. Если площадь пластин большая,  электроны “растекутся” по ней “тонким слоем”.

Емкость водонапорной трубы - способность накапливать воду. Емкость конденсатора -  способность накапливать заряд.

Если мы перегоним с одной обкладки конденсатора на другую один кулон -   6,25*10^18 электронов, подключим к нему вольтметр и тот покажет разность потенциалов  (напряжение) 1 В (один вольт), значит, емкость этого конденсатора равна 1 Ф - один фарад. Если же вольтметр покажет, допустим, 100 В, это будет означать, что емкость конденсатора 0,01 Ф - одна сотая фарад - узеньким оказался наш сосуд для электронов. И потому их уровень поднялся высоко.

 

Потенциальная энергия воды в вертикальной трубе имеет квадратичную зависимость от ее высоты. В самом деле: если уровень воды в трубе поднялся вдвое, высота центра ее тяжести увеличилась в два раза. Но и объем запасенной воды тоже вырос в два раза! В два раза выше и в два раза больше (тяжелее). Подставим эти двойки в формулу потенциальной энергии:  Ep = 2m*g**2h = 4*m*g*h.

(Ep  -потенциальная энергия, m - масса, g - ускорение свободного падения, примерно 10, h - высота центра тяжести водного столба). Получается, что потенциальная энергия удвоенного столба воды вчетверо больше.

 

В конденсаторе то же самое. Его потенциальная энергия равна произведению емкости и квадрата напряжения, деленному на два: Wp = C*U^2/2. Удвоим напряжение на конденсаторе - запасем вчетверо больше энергии.

 

Чем обусловлена потенциальная энергия конденсатора? Тем, что на единице площади одной его обкладки собирается излишек электронов и тем больший, чем больше напряжение, которым конденсатор заряжают. А так как электроны заряжены одинаково (отрицательно), они отталкиваются друг от друга. На противоположной обкладке напряженная ситуация обусловлена наоборот, дефицитом электронов.

 

Представьте себе две деревни на противоположных берегах реки. В каждой из них - одинаковое количество домов, и в каждом доме живет одна семейная пара - мужчина и женщина. Через реку перекинут мост. И вот в некий момент, часть мужчин из одной деревни перегоняют в другую, дамы же остаются в домах. Это и есть аналог заряда конденсатора. Социальное напряжение, возникающее при таком перераспределении - аналог электрического напряжения. Понятно, что если наш мост не перекрыть, мужчины перетекут обратно. Перекрытый мост - аналог отключенного от сети конденсатора. Если необходимо выполнить какую-нибудь работу, мы открываем мост, не забыв установить на пути потока мужчин-электронов вертушку (подключаем конденсатор к нагрузке), чтобы энергия не пропала зря. Движущих сил здесь две: отталкивание мужчин (одноименных зарядов) друг от друга, и притягательность дам на том берегу (притяжение разноименных зарядов).

 

Кстати, похожая формула описывает потенциальную энергию пружины:

E = K*X^2/2. Энергия пружины равна произведению ее жесткости и квадрата деформации, деленному на два.

 

Как отсчитать этот кулон? Откуда мы узнаем, что именно 6,25*10^18 электронов перешло с одной обкладки на другую? Это несложно. Нам известно, что 1 Кл протекает через проводник за секунду при токе один ампер (1 А). Если наш конденсатор полностью зарядился за одну секунду, и средний ток заряда составлял один ампер, стало быть, заряд его и есть один кулон.

 

Как узнать, что зарядка конденсатора закончилась - на глазок-то не видать?

Есть два способа: можно подключить параллельно конденсатору вольтметр (посмотрите рисунки аналогов). В момент подключения конденсатора к источнику тока (а от чего еще заряжать конденсатор, как не от источника тока?), напряжение на его обкладках будет низким. По мере заряда конденсатора, напряжение будет повышаться до тех пор, пока не сравняется с напряжением источника. Примерно, как уровень воды в ведре, опущенном в реку, повышается до заполнения. Если рост напряжения на конденсаторе прекратился, значит, он заряжен. Или можно последовательно с конденсатором подключить амперметр (см. рисунок аналога). Там будет обратная картина: сначала ток заряда будет максимальным, по мере заполнения, упадет до нуля. Можно выключать наш секундомер. Здесь видео - заряд конденсатора большой емкости через лампу. Вначале лампа раскаляется током, протекающим через нее в конденсатор. Конденсатор зарядился, ток прекратился, лампа погасла. Циферки на табло встроенного в конденсатор вольтметра остановились.

Это видео тоже стоит посмотреть:

 

Оно касается конденсаторов с полярным диэлектриком. Такой диэлектрик состоит из молекул, разные концы которых имеют противоположный заряд. В электрическом поле такие молекулы разворачиваются положительными концами к минусовой обкладке конденсатора, отрицательными - к плюсовой. За счет этого конденсатор может хранить в несколько раз больше энергии, чем точно такой же конденсатор без полярного диэлектрика.

Есть такой термин - диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Она как раз и показывает, во сколько раз конденсатор может хранить больше энергии. Например, диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды равна 81. Если между обкладок конденсатора поместить такую воду, емкость конденсатора возрастет в 81 раз. И он сможет запасать в 81 раз больше энергии.

В гидравлическом аналоге подобное можно сымитировать, увеличив жесткость пружин. Аналог сможет запасать больше энергии во столько раз, во сколько увеличилась жесткость.

 

Для чего нужен конденсатор?

Конденсатор способен сглаживать скачки напряжения. Поясним на гидравлическом аналоге:

 

                                

Слева источник пульсирующего давления - ручной насос. Дергаем его рукоятку вверх - вниз, и, если бы не клапан в поршне, вода бегала бы то по часовой, то против. Но наличие клапана “выпрямляет” поток - направляет его в одну сторону. Когда поршень движется вверх, вода тоже. Когда поршень вниз, клапан в нем открывается, и движения воды нет. Таким образом, мы толчками прогоняем воду по часовой стрелке через нагрузку (правый кружочек). Но! В моменты повышения давления в верхней трубе, смещается вниз поршень в нашем “гидроконденсаторе”. В моменты же покоя, когда поршень насоса идет вниз, давление в верхней части поддерживается возвращающимся (под действием пружин) поршнем конденсатора. И тогда на нагрузке мы получаем сглаженное давление.

Точно так же, электрический конденсатор служит для сглаживания скачков напряжений - “впитывает” электроны про повышении напряжения, и отдает при его понижении.

 

Через конденсатор может течь переменный ток.

Как это? Конденсатор же есть две железки (пластины) разделенные диэлектриком?

Покажем на примере аналога. Соединим те же штуки в ином порядке:

Убран клапан в насосе, ибо нам необходим переменный ток жидкости. Дергаем рукоятку насоса вверх-вниз, точно так же будет смещаться поршень в аналоге конденсатора. И такой же поток будет проходить через нагрузку.  Получается, “гидроконденсатор” не препятствует потоку, движущемуся то туда, то сюда. Понятно, что поток одного направления через него невозможен.

Такая же картина с конденсатором электрическим. При подаче на него переменного напряжения, избыток электронов собирается то на одной обкладке, то на другой. А перебегают они через нагрузку (на рис .10 - через лампу). А это означает, что через нее течет переменный ток. Подробнее.

Чем больше емкость конденсатора, тем меньшее сопротивление он оказывает переменному току. Кроме того, сопротивление конденсатора зависит и от частоты тока - чем чаще меняется направление (выше частота) тока, тем ниже сопротивление конденсатора. Аналог поможет понять почему - смещая поршень чаще, мы перекачиваем больший объем жидкости за единицу времени, почти не деформируя возвратные пружины. А больший объем жидкости соответствует большему току через конденсатор. Больший ток означает меньшее сопротивление. Вот и все.

Формула емкостного сопротивления конденсатора (сопротивления переменному току): Xc=1/2Пи*f*c, где Xc - сопротивление конденсатора, Пи - 3,14, f - частота тока, c - емкость данного конденсатора.

К примеру, сопротивление конденсатора Xc емкостью 1 мкФ (1*10^-6 Ф), подключенного к бытовой сети (частота 50 Гц), равно 1/2*3,14*50*1*10^-6 = примерно 1500 Ом. Такой же конденсатор, подключенный к сети с частотой, допустим, 500 Гц, будет обладать в 10 раз меньшим сопротивлением. Во сколько раз больше частота, во столько раз меньше сопротивление.