Kondensator - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy elementu elektrycznego. Zapoznaj się również z: urządzenie do zamiany gazów w ciecze.

Kondensatory stałe różnych typów i o różnych pojemnościach

Kondensator o zmiennej pojemności, stosowany w starych odbiornikach radiowych

Kondensator - jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem.

Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Symbolem napięcia jest U. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku. Wyraża to wzór
Prostownik jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.

Opis teoretyczny

Doprowadzenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Po odłączeniu od źródła napięcia, ładunki utrzymują się na okładkach siłami przyciągania elektrostatycznego. Jeżeli kondensator, jako całość, nie jest naelektryzowany to cały ładunek zgromadzony na obu okładkach jest jednakowy co do wartości, ale przeciwnego znaku. Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku:

Sygnał to abstrakcyjny model dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej się w czasie, generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy. Tak jak wszystkie zjawiska może być opisany za pomocą aparatu matematycznego, np. poprzez podanie pewnej funkcji zależnej od czasu. Ponieważ sygnał niesie informację o naturze badanych zjawisk lub systemów, w niektórych dziedzinach nauk jest on traktowany jak nośnik informacji. Sygnał oznacza zatem przepływ strumienia informacji, przy czym przepływ może odbywać się w jednym lub w wielu wymiarach.
Superkondensator lub ultrakondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego, który, z uwagi na sposób konstrukcji, wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów), w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności.

$C = \frac Q U$

gdzie: C – pojemność, w faradach Q – ładunek zgromadzony na jednej okładce, w kulombach U – napięcie elektryczne między okładkami, w woltach.

Pojemność wyrażana jest w faradach. Jeden farad to bardzo duża jednostka, dlatego w praktyce spotyka się kondensatory o pojemnościach piko-, nano-, mikro- i milifaradów. Odwrotnością pojemności elektrycznej jest elastancja wyrażana w darafach (nie jest to jednostka układu SI).

Moc bierna w obwodach prądu sinusoidalnie zmiennego jest wielkością konwencjonalną, w sposób umowny opisującą zjawisko pulsowania energii elektrycznej między elementem indukcyjnym lub pojemnościowym odbiornika, a źródłem energii elektrycznej lub między różnymi odbiornikami. Ta oscylująca energia nie jest zamieniana na użyteczną pracę, niemniej jest ona konieczna do funkcjonowania urządzeń elektrycznych (np. transformatorów, silników). Nieużyteczna energia jest pobierana ze źródła w części okresu przebiegu zmiennego, magazynowana przez odbiornik (w postaci energii pola elektrycznego lub magnetycznego), i oddawana do źródła w innej części okresu, kiedy pole elektryczne lub magnetyczne w odbiorniku zanika.
Elektroliza — w chemii i fizyce - ogólna nazwa na wszelkie zmiany struktury chemicznej substancji, zachodzące pod wpływem przyłożonego do niej zewnętrznego Elektrolizie towarzyszyć może (choć nie musi) szereg dodatkowych zjawisk, takich jak dysocjacja elektrolityczna, transport jonów do elektrod, wtórne przemiany jonów na elektrodach i inne. W sensie technologicznym przez elektrolizę rozumie się wszystkie te procesy łącznie.

Ogólnie, napięcie $U_C$ i prąd $I_C$ kondensatora w chwili t związane są zależnością: $U_C=\frac Q C = {1 \over C} \int_{-\infty}^t I_C(\tau) \mbox{d} \tau$

Pracę dW, jaką trzeba wykonać, by przenieść niewielki ładunek dq z jednej okładki kondensatora, o pojemności C, na drugą, przy założeniu, że jedna z okładek jest naładowana ładunkiem q. $\mbox{d}W=U(q) \mbox{d}q = \frac q C \mbox{d}q$

Energię zmagazynowaną w kondensatorze oblicza się przez scałkowanie powyższego wzoru, uzyskując:

Kondensator zmienny nazywany również nastawnym lub strojeniowym – kondensator, którego pojemność można płynnie zmieniać. W większości przypadków stosowany jest w obwodach strojeniowych odbiorników radiowych i telewizyjnych razem z kondensatorami stałymi. Często do dokładnego zestrojenia wstępnego obwodu stosuje się włączone równolegle z nim małe kondensatory zmienne, zwane trymerami.
Prąd stały (ang. direct current, DC) – w odróżnieniu od prądu zmiennego i przemiennego (ang. alternating current, AC) – prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu.

$W=\int_0^Q {q \over C} \mbox{d}q={1 \over 2} {Q^2 \over C}={1 \over 2} CU_C^2$

przy czym Q jest ładunkiem, do którego naładowano kondensator.

Prąd elektryczny to zmiana ładunku w czasie, co można zapisać: $I_c(t)={{\mbox{d}Q} \over {\mbox{d}t}}= C {{\mbox{d}U_c} \over {\mbox{d}t}}$

Kondensator podłączony do napięcia stałego, po pewnym czasie naładuje się do tego napięcia ${{\mbox{d}U_C} \over {\mbox{d}t}}=0$ Kondensator jest wówczas równoważny przerwie w obwodzie ( $I_c(t)=0$ ). Dla prądu przemiennego przez kondensator płynie prąd określony wzorem: $U_c(t) = U_0 \sin(\omega t) \,$ $I_c= C {{\mbox{d}U_C} \over {\mbox{d}t}}= C U_0 \omega \cos(\omega t)$

Wielkość, wiążąca prąd i napięcie na kondensatorze, nazywa się reaktancją, która jest tym mniejsza, im większa jest pojemność kondensatora i częstotliwość prądu. Kondensator charakteryzuje się tym, że (dla sygnałów sinusoidalnych) napięcie jest opóźnione w fazie względem prądu o kąt $\frac{\pi}{2}$ (inaczej: prąd wyprzedza napięcie o kąt $\frac{\pi}{2}$ ). Z tego względu impedancja kondensatora jest liczbą zespoloną i opisana jest wzorem:

Całka – ogólne określenie wielu różnych, choć powiązanych ze sobą pojęć analizy matematycznej. W artykule rachunek różniczkowy i całkowy podana jest historia ewolucji znaczenia samego słowa całka. Najczęściej przez "całkę" rozumie się całkę oznaczoną lub całkę nieoznaczoną (rozróżnia się je zwykle z kontekstu).
Względna przenikalność elektryczna ośrodka jest to bezwymiarowa wielkość określająca ilokrotnie przenikalność elektryczna danego ośrodka ε jest większa od przenikalności elektrycznej próżni ε0

$Z= \frac{1}{j \omega C} = \frac {-j}{\omega C}= \frac {-j}{2 \pi f C}$

gdzie: ω – częstość, f – częstotliwość w hercach. j − jednostka urojona

Reaktancja pojemnościowa wyraża się wzorem: $X_c = \frac {-1}{\omega C}= \frac {-1}{2 \pi f C}$

przy czym ujemny znak jest kwestią konwencji.

Symbole kondensatorów

Na schematach układów elektrycznych i elektronicznych kondensatory oznacza się następującymi symbolami:

zwykły kondensator niespolaryzowany

Wytrzymałość elektryczna, wytrzymałość dielektryczna – największa wartość natężenia pola elektrycznego, jaka może istnieć w dielektryku (izolatorze) bez wywołania przebicia. Jednostką wytrzymałości elektrycznej jest V/m.
Układ RC (ang. Resistor Capacitor), jest to obwód elektryczny złożony z rezystora i kondensatora zasilany napięciem albo natężeniem prądu elektrycznego.

kondensator spolaryzowany (elektrolityczny)

kondensator zmienny, strojeniowy (trymer)

Łączenie kondensatorów

Podobnie jak rezystory i cewki, także kondensatory można łączyć w celu uzyskania pożądanej pojemności.

Połączenie szeregowe

W połączeniu szeregowym, odwrotnie niż w przypadku oporników, pojemność zastępcza dana jest wzorem: ${1 \over C_z}={1 \over C_1}+{1 \over C_2}+...+{1 \over C_n} = \sum_{i=1}^{n} {1 \over C_i}$

Dla dwóch kondensatorów wzór powyższy upraszcza się do postaci:

Współczynnik mocy (ang. power factor) – cosφ jest miarą wykorzystania energii. Współczynnik mocy obwodu elektrycznego charakteryzuje zdolność tego obwodu do odbioru energii elektrycznej w stosunku do wydolności energetycznej źródła zasilania. Inaczej mówiąc, jeśli odbiornik jest w stanie przyjąć całkowitą moc źródła, to współczynnik mocy takiego obwodu jest równy jedności - jest to możliwe wtedy gdy jest spełnione prawo Ohma. Przyczynami powodującymi, że współczynnik mocy jest mniejszy od jedności, jest występowanie w obwodach zjawisk akumulacji energii oraz odkształcenia przebiegów prądu w stosunku do napięcia zasilania.
Zwarcie (lub potocznie: spięcie) - w elektrotechnice i elektronice oznacza nagłe zmniejszenie rezystancji obwodu elektrycznego do bardzo małej wartości, powstające najczęściej wskutek połączenia się przewodów obwodu lub uszkodzenia izolacji elektrycznej w wyniku jej przebicia. Prąd zwarciowy jest wielokrotnie większy od prądu roboczego i może spowodować zniszczenie przewodów elektrycznych, urządzeń i odbiorników elektrycznych lub pożar. Do ochrony przed skutkami zwarcia służą zabezpieczenia elektryczne.

$C_z={C_{1}C_{2} \over C_{1}+C_{2}}$

Połączenie równoległe

W przypadku połączenia równoległego kondensatorów pojemność zastępcza wyraża się zależnością: $C_{z}=C_{1}+C_{2}+...+C_{n}=\sum_{i=1}^{n}C_{i}$

Taka zależność wynika z faktu, że ładunek elektryczny równoległe połączonych kondensatorów jest sumą ładunków zgromadzonych na kondensatorach.

Folia - materiał wykonany najczęściej z metalu nieżeliwnego lub z tworzywa sztucznego, o grubości od 0,1 mm ( folia aluminiowa, f. cynowa) do 2 mm (do wyrobu np. opakowań).
Częstotliwość określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)