Συστήματα δύο αγωγών, που ονομάζονται πυκνωτές, έχουν υψηλή ηλεκτρική χωρητικότητα. Ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο αγωγούς που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό στρώμα, το πάχος του οποίου είναι μικρό σε σύγκριση με το μέγεθος των αγωγών. Οι αγωγοί σε αυτή την περίπτωση ονομάζονται πλάκες πυκνωτών.

Ο απλούστερος επίπεδος πυκνωτής αποτελείται από δύο όμοιες παράλληλες πλάκες που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους (Εικ. 134). Εάν τα φορτία των πλακών είναι πανομοιότυπα σε μέγεθος και αντίθετα σε πρόσημο, τότε οι γραμμές πεδίου ηλεκτρικό πεδίοξεκινούν από τη θετικά φορτισμένη πλάκα του πυκνωτή και τελειώνουν στην αρνητικά φορτισμένη. Επομένως σχεδόν τα πάντα ηλεκτρικό πεδίοσυγκεντρώνεται στο εσωτερικό του πυκνωτή.

Για έναν σφαιρικό πυκνωτή, που αποτελείται από δύο ομόκεντρες σφαίρες, ολόκληρο το πεδίο συγκεντρώνεται μεταξύ τους.

Για να φορτίσετε έναν πυκνωτή, πρέπει να συνδέσετε τις πλάκες του στους πόλους μιας πηγής τάσης, για παράδειγμα, στους πόλους μιας μπαταρίας. Μπορείτε επίσης να συνδέσετε μια πλάκα στον πόλο μιας μπαταρίας, ο άλλος πόλος της οποίας είναι γειωμένος, και γειώστε το δεύτερο. Τότε ένα φορτίο θα παραμείνει στη γειωμένη πλάκα, αντίθετο σε πρόσημο και ίσο σε μέγεθος με το φορτίο της άλλης πλάκας. Ένα φορτίο του ίδιου συντελεστή θα μπει στο έδαφος.

Το φορτίο ενός πυκνωτή νοείται ως η απόλυτη τιμή του φορτίου σε μία από τις πλάκες.

Η ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή προσδιορίζεται από τον τύπο (8.29).

Τα ηλεκτρικά πεδία των γύρω σωμάτων σχεδόν δεν διεισδύουν στο εσωτερικό του πυκνωτή και δεν επηρεάζουν τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών του. Επομένως, η ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή πρακτικά δεν εξαρτάται από την παρουσία οποιωνδήποτε σωμάτων κοντά του.

Ο πρώτος πυκνωτής, που ονομάζεται βάζο Leyden, δημιουργήθηκε στα μέσα του 18ου αιώνα. Ανακαλύφθηκε ότι το καρφί εισήχθη σε γυάλινο βαζάκιμε τον υδράργυρο, συσσωρεύει μεγάλο ηλεκτρικό φορτίο. Σε έναν τέτοιο πυκνωτή, ο υδράργυρος χρησίμευε ως ένα πιάτο και οι παλάμες του πειραματιστή που κρατούσε το βάζο χρησίμευαν ως το άλλο. Στη συνέχεια, και οι δύο πλάκες άρχισαν να κατασκευάζονται από λεπτό ορείχαλκο ή στανιόλη.

Ηλεκτρική χωρητικότητα επίπεδος πυκνωτής. Ας υπολογίσουμε την χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή. Ας υποδηλώσουμε το εμβαδόν καθεμιάς από τις πλάκες της και την απόσταση μεταξύ των πλακών. Για τον υπολογισμό της χωρητικότητας χρησιμοποιώντας τον τύπο (8.29), είναι απαραίτητο να εκφράσουμε τη διαφορά δυναμικού ως προς το φορτίο. Αυτή η διαφορά δυναμικού καθορίζεται από το ένταση πεδίου Ε, η οποία εξαρτάται από τα φορτία των πλακών πυκνωτών.

Η ένταση πεδίου που δημιουργείται από μία από τις πλάκες υπολογίζεται με τον τύπο (8.16). Οι εντάσεις πεδίου θετικά και αρνητικά φορτισμένων πλακών είναι ίσες σε μέγεθος και κατευθύνονται εντός του πυκνωτή προς την ίδια κατεύθυνση. Επομένως, ο συντελεστής Ε της προκύπτουσας έντασης είναι ίσος με το άθροισμα των συντελεστών ισχύος των πεδίων των δύο πλακών:

Ο τύπος χωρητικότητας θα γραφεί πιο συμπαγής αν αντί για τον συντελεστή χρησιμοποιήσουμε την έκφρασή του με τη μορφή (8.6): Στη συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψη ότι η επιφανειακή πυκνότητα φορτίου

Παίρνουμε:

Ως εκ τούτου,

Αντικαθιστώντας αυτήν την έκφραση στην (8.29) και μειώνοντας κατά, λαμβάνουμε τον τύπο για την ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή επίπεδης πλάκας:

Βλέπουμε ότι η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από γεωμετρικούς παράγοντες: την περιοχή των πλακών και την απόσταση μεταξύ τους, καθώς και από τις ηλεκτρικές ιδιότητες του μέσου. Δεν εξαρτάται από το υλικό των αγωγών: οι πλάκες πυκνωτών μπορεί να είναι σίδηρος, χαλκός, αλουμίνιο κ.λπ.

Ας δοκιμάσουμε τον τύπο (8.30) που ελήφθη θεωρητικά πειραματικά. Για να το κάνετε αυτό, πάρτε έναν πυκνωτή, η απόσταση μεταξύ των πλακών του οποίου μπορεί να αλλάξει και ένα ηλεκτρόμετρο με γειωμένο σώμα (Εικ. 135). Ας συνδέσουμε το σώμα και τη ράβδο του ηλεκτρομέτρου στις πλάκες πυκνωτών με αγωγούς και ας φορτίσουμε τον πυκνωτή. Για να γίνει αυτό, πρέπει να αγγίξετε την πλάκα πυκνωτή που είναι συνδεδεμένη στη ράβδο με ένα ηλεκτρισμένο ραβδί. Το ηλεκτρόμετρο θα δείξει τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών.

Απομακρύνοντας τις πλάκες, θα βρούμε μια αύξηση στη διαφορά δυναμικού. Σύμφωνα με τον ορισμό της ηλεκτρικής χωρητικότητας (8.29), αυτό δείχνει τη μείωση της. Σύμφωνα με τον τύπο (8.30), η ηλεκτρική χωρητικότητα θα πρέπει πράγματι να μειώνεται με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των πλακών.

Εισάγοντας μια διηλεκτρική πλάκα, όπως οργανικό γυαλί, ανάμεσα στις πλάκες του πυκνωτή, θα βρούμε μείωση της διαφοράς δυναμικού. Κατά συνέπεια, η ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή αυξάνεται.

Η απόσταση μεταξύ των πλακών μπορεί να είναι πολύ μικρή και η περιοχή και η διηλεκτρική σταθερά μπορεί να είναι αρκετά μεγάλες. μικρά μεγέθηΟ πυκνωτής μπορεί να έχει μεγάλη ηλεκτρική χωρητικότητα. Ωστόσο, ένας επίπεδος πυκνωτής με ηλεκτρική χωρητικότητα 1 F θα πρέπει να έχει μια επιφάνεια πλάκας με απόσταση μεταξύ των πλακών mm.

Μέτρηση διηλεκτρικής σταθεράς.Εθισμός

Η χωρητικότητα του πυκνωτή από τις ηλεκτρικές ιδιότητες της ουσίας μεταξύ των πλακών της χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της διηλεκτρικής σταθεράς της ουσίας. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί πειραματικά η αναλογία των χωρητικοτήτων ενός πυκνωτή με και χωρίς διηλεκτρική πλάκα μεταξύ των πλακών. Όπως προκύπτει από τον τύπο (8.30), η διηλεκτρική σταθερά

Διάφοροι τύποι πυκνωτών.Ανάλογα με τον σκοπό τους, οι πυκνωτές έχουν διαφορετικό σχεδιασμό. Ένας τυπικός τεχνικός πυκνωτής χαρτιού αποτελείται από δύο λωρίδες αλουμινόχαρτο, απομονωμένα μεταξύ τους και από μεταλλική θήκηχαρτοταινίες εμποτισμένες με παραφίνη. Οι λωρίδες και οι κορδέλες τυλίγονται σφιχτά σε μια μικρή συσκευασία.

Στη ραδιομηχανική, χρησιμοποιούνται ευρέως πυκνωτές μεταβλητής ηλεκτρικής χωρητικότητας (Εικ. 136) Ένας τέτοιος πυκνωτής αποτελείται από δύο συστήματα μεταλλικών πλακών, τα οποία μπορούν να χωρέσουν το ένα στο άλλο όταν περιστρέφεται η λαβή. Σε αυτή την περίπτωση, η περιοχή του επικαλυπτόμενου τμήματος των πλακών και, κατά συνέπεια, η ηλεκτρική τους χωρητικότητα αλλάζει. Το διηλεκτρικό σε τέτοιους πυκνωτές είναι ο αέρας.

Σημαντική αύξηση της ηλεκτρικής χωρητικότητας με τη μείωση της απόστασης μεταξύ των πλακών επιτυγχάνεται στο λεγόμενο ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές(Εικ. 137) Το διηλεκτρικό σε αυτά είναι πολύ λεπτή μεμβράνηοξείδια που καλύπτουν μία από τις πλάκες (λωρίδα φύλλου). Το δεύτερο κάλυμμα είναι χαρτί εμποτισμένο σε διάλυμα ειδικής ουσίας (ηλεκτρολύτη).

2. Πυκνωτές. Ηλεκτρική χωρητικότητα πυκνωτών. Εφαρμογή πυκνωτών.

Ηλεκτρική χωρητικότηταδύο αγωγοί λέγεται ο λόγος του φορτίου ενός από τους αγωγούς προς τη διαφορά δυναμικού μεταξύ αυτού του αγωγού και του γειτονικού.

Η ηλεκτρική χωρητικότητα συμβολίζεται με το γράμμα και υπολογίζεται με τον τύπο: όπου

Μονάδα μέτρησης ηλεκτρικής χωρητικότητας: Farad (F).

Πυκνωτήςαποτελείται από δύο αγωγούς που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό στρώμα, το πάχος του οποίου είναι μικρό σε σύγκριση με το μέγεθος των αγωγών.

Η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή προσδιορίζεται από τον τύπο:.

Υπάρχουν πυκνωτές ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ: χαρτί, μαρμαρυγία, αέρας κ.λπ. ανάλογα με τον τύπο του διηλεκτρικού που χρησιμοποιείται.

Υπάρχουν επίσης πυκνωτές με σταθερή και μεταβλητή ηλεκτρική χωρητικότητα.

Η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από τον τύπο του διηλεκτρικού, την απόσταση μεταξύ των πλακών και την περιοχή των πλακών: , όπου

Το ηλεκτρικό πεδίο συγκεντρώνεται μέσα στον πυκνωτή. Η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή υπολογίζεται με τον τύπο:.

Η κύρια χρήση των πυκνωτών είναι στη ραδιομηχανική. Χρησιμοποιούνται επίσης σε λαμπτήρες φλας και λαμπτήρες εκκένωσης αερίου.

3.Εργασία για την εφαρμογή του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα.

Αριθμός εισιτηρίου 15

1.Σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου. Ισότοπα. Ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα ενός ατόμου. Πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση και συνθήκες εμφάνισής της. Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις.

ΠυρήναςΈνα άτομο οποιουδήποτε χημικού στοιχείου αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια (p) και αφόρτιστα νετρόνια (n).

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι δύο καταστάσεις φορτίου ενός σωματιδίου που ονομάζεται πρωτόνιο στον πυρήνα του ατόμου.

Ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων μπορεί να προσδιοριστεί από τον περιοδικό πίνακα.

Ο ατομικός αριθμός είναι ο αριθμός των πρωτονίων. Για να μάθετε τον αριθμό των νετρονίων, πρέπει να αφαιρέσετε τον αριθμό των πρωτονίων από την ατομική μάζα.

Για παράδειγμα, στον πυρήνα ενός ατόμου οξυγόνου υπάρχουν 8 πρωτόνια και 8 νετρόνια.

Κάθε άτομο έχει ισότοπα- πρόκειται για πυρήνες με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικά ποσάνετρόνια. Για παράδειγμα, το υδρογόνο έχει τρία ισότοπα: πρωτίου, δευτέριο και τρίτιο.

Η ενέργεια που απαιτείται για τον πλήρη διαχωρισμό ενός πυρήνα σε μεμονωμένα νουκλεόνια ονομάζεται δεσμευτική ενέργεια.

Πυρηνικές αντιδράσειςείναι αλλαγές στους ατομικούς πυρήνες που προκαλούνται από την αλληλεπίδρασή τους με στοιχειώδη σωματίδια ή μεταξύ τους.

Το 1938, οι Γερμανοί φυσικοί Hahn και Strassmann ανακάλυψαν τη σχάση του ουρανίου υπό την επίδραση των νετρονίων: ο πυρήνας του ουρανίου χωρίζεται σε δύο πυρήνες παρόμοιας μάζας.

Αυτή η αντίδραση έχει δύο σημαντικά χαρακτηριστικά που κατέστησαν δυνατή την πρακτική εφαρμογή της:

1. Όταν κάθε πυρήνας ουρανίου διασπάται, απελευθερώνεται σημαντική ενέργεια.

2. Η σχάση κάθε πυρήνα συνοδεύεται από την απελευθέρωση 2-3 νετρονίων, που μπορεί να προκαλέσουν τη διάσπαση των επόμενων πυρήνων, δηλ. κάνει μια αντίδραση αλυσίδα.

Να εφαρμόσει αλυσιδωτή αντίδρασηχρησιμοποιούν πυρήνες ισοτόπων ουρανίου με μαζικό αριθμό 235, δηλ. . Διασχίζουν καλά υπό την επίδραση τόσο γρήγορων όσο και αργών νετρονίων.

Πυρήνες του ισοτόπου ουρανίου με μαζικό αριθμό 238 () χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πλουτωνίου, το οποίο χρησιμοποιείται επίσης για μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση.

Για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση, είναι απαραίτητο ο μέσος αριθμός των νετρονίων που απελευθερώνονται σε μια δεδομένη μάζα να μην μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση πραγματοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, τα οποία είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε ο συντελεστής πολλαπλασιασμού κ τα νετρόνια ήταν ίσα με την ενότητα. Αν ο αριθμός των νετρονίων αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου και κ >1, τότε θα συμβεί έκρηξη.

Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις- πρόκειται για αντιδράσεις σύντηξης ελαφρών πυρήνων σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 107 Kelvin και άνω).

Ο ευκολότερος τρόπος για να πραγματοποιηθεί μια αντίδραση σύντηξης είναι μεταξύ των βαρέων ισοτόπων υδρογόνου - δευτέριου και τριτίου. Σε αυτή την περίπτωση, ο πυρήνας νετρονίων ηλίου που προκύπτει απελευθερώνει τεράστια ενέργεια.

Οι εργασίες για τη δημιουργία μιας ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής αντίδρασης βρίσκονται ακόμη σε εξέλιξη.

Μέχρι στιγμής, ήταν δυνατό να πραγματοποιηθεί μια ανεξέλεγκτη θερμοπυρηνική αντίδραση σε μια βόμβα υδρογόνου.

Χωρητικότητα του πυκνωτή - φυσική ποσότητα, που χαρακτηρίζει τη διαδικασία φόρτισης αγωγών που χωρίζονται από διηλεκτρικό στρώμα. Χρησιμοποιείται σε πολλούς μαθηματικούς υπολογισμούς και επισημαίνεται στο σώμα του προϊόντος.

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΙ τυποι

Η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή συνήθως εκφράζεται ως το αποθηκευμένο φορτίο q σε μια εφαρμοζόμενη τάση U ως εξής:

Όσο για την προέλευση της φόρμουλας, υπάρχει ένα μυστήριο. Γνωρίζουμε μόνο: από το θεώρημα του Gauss, χρησιμοποιώντας την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, θα βρούμε την ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή. Δεν αναφέρεται πουθενά ποιος έκανε τον υπολογισμό. Η φυσική ποσότητα farad απουσίαζε αρχικά από το σύστημα GHS· το 1861 εισήχθη από μια ειδική επιτροπή που σχηματίστηκε από φυσικούς.

Σύμφωνα με ορισμένες πληροφορίες, ήταν για πρώτη φορά που η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή προσδιορίστηκε από αυτόν που εισήγαγε τους όρους σε χρήση. Εννοούμε τον Αλεσάντρο Βόλτα. Στα τέλη της δεκαετίας του '70 (XVIII αιώνες), ο επιστήμονας αφιέρωσε πολλή έρευνα στο θέμα και διαπίστωσε: η ηλεκτρική χωρητικότητα μπορεί να εκφραστεί ως προς το συσσωρευμένο φορτίο και την τάση που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια.

Επιπλέον, μπορείτε συχνά να βρείτε τον τύπο για την ηλεκτρική χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή:

Οι συγγραφείς αποφεύγουν να κρίνουν ποιος συμμετείχε στους υπολογισμούς της έκφρασης. Λογικά μιλώντας, σχεδόν κανείς δεν ενδιαφερόταν για την ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή επίπεδης πλάκας πριν γεννηθεί η εφεύρεση του Polak. Τα βάζα Leyden κατανέμουν τη χρέωση διαφορετικά. Ο συλλογισμός οδηγεί στις αρχές του 20ού αιώνα. Ίσως ο Tesla και ο Hertz να ασχολήθηκαν με το θέμα. Λιγότερο πιθανό - Ποπόφ.

Τα επώνυμα ονομάζονται βάσει κριτηρίων ενδιαφέροντος εναλλασσόμενο ρεύμα. Ο Tesla μελέτησε την ασφάλεια της ηλεκτρικής ενέργειας, τη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις και σχεδίασε κινητήρες. Οι Hertz και Popov μελέτησαν κεραίες που είναι προφανώς συντονισμένες σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, το οποίο είναι ευκολότερο να αποκτηθεί χρησιμοποιώντας ένα ταλαντευόμενο κύκλωμα. Κατά συνέπεια, οι επιστήμονες πρέπει να έχουν μια ιδέα για την ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή και των επαγωγέων.

Ο Τζέιμς Μάξγουελ, ο Λόρδος Κέλβιν, ο Βίλχελμ Βέμπερ έδωσαν μεγάλη σημασία στη βελτίωση ενοποιημένα συστήματαμετρήσεις φυσικών μεγεθών Υπάρχει κάποια πιθανότητα ότι κάποιος θα μπορούσε να είχε κάποιο χέρι στη μελέτη των πυκνωτών. Ένα πράγμα είναι ξεκάθαρο - στην παγκόσμια ιστορία των φυσικών επιστημών υπάρχουν πολλά λευκά σημεία όταν πρόκειται για πηγές ρωσικής γλώσσας. Η πύλη VashTekhnik θα είναι από τις πρώτες που θα δημοσιεύσει την τελευταία έρευνα στον τομέα της σωστής κατανόησης των γεγονότων που έλαβαν χώρα.

Ιστορία

Για τους ανυπόμονους αναγνώστες, αναφέρουμε αμέσως: ο Alessandro Volta εισήγαγε ουσιαστικά τον όρο χωρητικότητα. Δεν είναι γνωστό ακριβώς αν κάποιος το είχε χρησιμοποιήσει στο παρελθόν, αλλά στη δουλειά του ο Ιταλός επιστήμονας, αποκαλώντας τον ηλεκτροφόρο πυκνωτή, χρησιμοποιεί ταυτόχρονα τον όρο χωρητικότητα σε αυτό. Σαν ένα σκάφος στο οποίο μπορείτε να "χύσετε" ένα φορτίο από ένα δοχείο. Ονομάζεται πυκνωτής επειδή η διαδικασία είναι παρόμοια με την εναπόθεση ατμών: θα πάρουμε σταδιακά μια αυθαίρετη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Και από σε μεγάλο βαθμόΕίναι σωστό.

Ο όρος πυκνωτής

Ιστορικά, το βάζο Leyden πρέπει να θεωρείται ο πρώτος πυκνωτής. Μέχρι σήμερα, υπάρχει συζήτηση για το ποιος ανακάλυψε τη συσκευή, καθώς και οι δύο επιστήμονες, παρασυρμένοι από τα γεγονότα, απέφευγαν να κρατούν τακτοποιημένα αρχεία· ένα πράγμα είναι αδιαμφισβήτητο - η ηλεκτρική χωρητικότητα της συσκευής δεν μπορούσε να μετρηθεί, δεν υπήρχε αντίστοιχη έννοια " ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή».

Στιγμιότυπο οθόνης μιας έντυπης έκδοσης της πραγματείας του Βόλτα, 1782

Το άτομο που επινόησε τον όρο ήταν ανίσχυρο να προφέρει τη λέξη νωρίτερα από τον Alessandro Volta το 1782, αναφέροντας στη Βασιλική Επιστημονική Εταιρεία για την έρευνα στον τομέα της ηλεκτροστατικής. Για να καταλάβουμε από πού προέρχεται ο ηλεκτρισμός. Είναι γνωστό ότι τα επόμενα πέντε χρόνια, ο Luigi Galvani θα ανακάλυπτε τον «ζωικό ηλεκτρισμό», που οδήγησε τη Volta κατευθείαν στη δημιουργία της πρώτης μπαταρίας. Αναφέροντας στην κοινωνία, ο νεαρός επιστήμονας στερείται τις αναφερόμενες γνώσεις, ο φωτιστής προσπαθεί να καταλάβει από πού προέρχεται η χρέωση. Ο ίδιος αιτιολογεί κάπως έτσι: «Μέχρι σήμερα υπάρχουν πολλά στοιχεία για την ύπαρξη ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός. Οι άνθρωποι είναι αδύναμοι να βρουν ίχνη παρουσίας. Μπορεί να σημαίνει: τα υπάρχοντα ηλεκτροσκόπια είναι πολύ αδύναμα, δεν μπορούν να ανιχνεύσουν τέτοια λεπτή ύλη. Επομένως, πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να αφαιρέσουμε τα υγρά από τον αέρα».

Πραγματοποιώντας πρακτικά όσα έχουν ειπωθεί, ο Alessandro Volta προτείνει μια συσκευή που ονομάζεται ηλεκτροφόρος (δεν πρέπει να συγχέεται με). Η συσκευή συλλαμβάνει υγρά από έναν ατμοσφαιρικό αγωγό (αέρα). Η αρχή της εξυπηρέτησης του Volta μοιάζει με τη διαδικασία της συμπύκνωσης: συλλέγει ηλεκτρική ενέργεια.

Ηλεκτροφόρος

Η Δύση αποκαλεί τον ηλεκτροφόρο γεννήτρια χωρητικού τύπου. Τα παραπάνω υποδηλώνουν ότι ένας τέτοιος ορισμός υιοθετήθηκε χάρη στο Volta, που γράφτηκε από την Αγγλική Βασιλική Εταιρεία. Η συσκευή εφευρέθηκε από ένα άλλο άτομο - τον Σουηδό φυσικό John Clark Wilke. Συνέβη δύο δεκαετίες νωρίτερα - 1762.

Σήμερα πιστεύεται ότι ο Volta έδωσε στη συσκευή δημοτικότητα, αποκαλώντας την αγαπημένη του αιώνια γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό είναι επίσης ουσιαστικά σωστό· μπορείτε να τρίβετε καουτσούκ για χιλιάδες χρόνια. Ο "πυκνωτής" μοιάζει περισσότερο με (βλέπε εικόνα) μια βαριά σφράγιση. Στην κορυφή, εκτός από την κύρια κεντρική λαβή, υπάρχει μια πλευρική - για την αφαίρεση αρνητικού δυναμικού. Βλέπουμε τρία στρώματα:

1. Το υπόστρωμα είναι προαιρετικό· πάνω του είναι κολλημένο καουτσούκ.
2. Ένα λεπτό στρώμα από καουτσούκ χρησιμεύει ως σώμα ηλεκτρισμού με τριβή.
3. Στην κορυφή είναι ένα λεπτό φύλλο μετάλλου εξοπλισμένο με δύο λαβές, η μία (κεντρική) είναι μονωμένη.

Εμφάνιση ηλεκτροφόρου

Αφού ξεκινήσετε την εργασία, πρέπει να αφαιρέσετε τη "σφράγιση" και να τρίψετε το καουτσούκ με μαλλί. Στη συνέχεια, ο λείος δίσκος επανατοποθετείται. Η περιοχή επαφής με το καουτσούκ είναι μικρή λόγω της τραχύτητας που υπάρχει, το θετικό φορτίο δεν αποκτάται γρήγορα. Πρέπει να περιμένουμε. Ο χειριστής γειώνει το καπάκι για λίγο με την πλευρική λαβή, αφαιρώντας το αρνητικό φορτίο, αφήνοντας ένα θετικό φορτίο στο κάτω μέρος. Όταν αγγίζετε το μέταλλο με το ένα χέρι, μπορείτε να ακούσετε έναν καθαρά ηχητικό ήχο τριξίματος. Μετά την ανύψωση του καπακιού, το καουτσούκ μεταφέρει μια περίσσεια ηλεκτρονίων, επιτρέποντας στο πείραμα να επαναληφθεί πολλές φορές (δύσκολο να το πιστέψει κανείς, μερικές πηγές λένε εκατοντάδες επαναλήψεις).

Διαχωρίζοντας τα σώματα τραβώντας τη μονωτική λαβή με απότομη κίνηση, ο χειριστής λαμβάνει στατικό ηλεκτρισμό. Η εφεύρεση, αρκετά επαναστατική, είναι αξιοσημείωτο ότι εμφανίστηκε σε λίγα χρόνια μετά την κατάργηση του νόμου για το κυνήγι μαγισσών. Σύμφωνα με τον Volta, ο κύκλος του καουτσούκ πρέπει να είναι όσο το δυνατόν λεπτότερος, περίπου 50ο της ίντσας. Καταφέρνει να έχει το καλύτερο αποτέλεσμα. Ένα φύλλο μετάλλου είναι στην πραγματικότητα επίσης ένα πιάτο. Διαφορετικά, πρέπει να περιμένετε πολύ για να γεμίσει ο όγκος του αγωγού. Στην κοινή γλώσσα, ένας "πυκνωτής" ονομάζεται λαστιχένια πίτα. Μια πίτα καλυμμένη με μεταλλική γέμιση.

Είναι όντως ο ηλεκτροφόρος μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας; ΣΕ ιδανικές συνθήκες, αν και είναι δύσκολο να το πιστέψει κανείς. Το αρνητικό φορτίο του καουτσούκ πολώνεται μεταλλικό πιάτο, δημιουργώντας κάποιες δυνατότητες. Αναγκάστηκε να βγει εξωτερική επιφάνειαΤα ηλεκτρόνια αφαιρούνται αγγίζοντας το ηλεκτρόδιο γείωσης. Μένει να διαχωριστούν τα συστατικά του ηλεκτροφόρου. Έχοντας καταστρέψει το θετικό φορτίο με το άγγιγμα και ακούσατε τον ήχο μιας σπίθας, μπορείτε να ξεκινήσετε ξανά το πείραμα.

Ο ηλεκτροφόρος μοιάζει πραγματικά με πυκνωτή. Αφού αφαιρέσετε το υπερβολικό αρνητικό φορτίο, μετατρέπεται πραγματικά στην αναφερόμενη συσκευή. Ο πυκνωτής δεν μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, καθώς τα ηλεκτρόνια από το καουτσούκ θα ρέουν σταδιακά στο μέταλλο. Η συσκευή θα αποφορτιστεί. Στην πραγματικότητα, το καουτσούκ και το μέταλλο διαχωρίζονται μεταξύ τους με αέρα, ο οποίος χρησιμεύει ως διηλεκτρικό. Αντί για καουτσούκ χρησιμοποιούμε διάφορα πολυμερή, για παράδειγμα τεφλόν.

Μένει να σημειωθεί: την εποχή του Βόλτα, δεν γνώριζαν μεθόδους για να απαλλάξουν το καουτσούκ από το στατικό φορτίο. Η «επένδυση» του πυκνωτή θα μπορούσε για πολύ καιρόαποθηκεύουν ένα φορτίο ηλεκτρονίων. Η Volta προτείνει να τοποθετηθεί το δείγμα από κάτω ακτίνες ηλίου, ή μετακινήστε ένα αναμμένο κερί κοντά. Μέσω της ιονισμένης φλόγας, τα ηλεκτρόνια φεύγουν από τον πυκνωτή. Σήμερα είναι ξεκάθαρο ότι αρκεί να πλύνουμε το λάστιχο για να μην μείνουν ίχνη στατικής καταπόνησης. Για να λειτουργήσει θα χρειαστεί να το στεγνώσετε ξανά.

Βάζο Leyden

Πιστεύεται ότι ήταν ο Felix Savary που ανακάλυψε τις ταλαντώσεις του κυκλώματος συντονισμού. Ενώ έβγαζα ένα βάζο Leyden μέσα από μια στριμμένη χάλκινη κλωστή, παρατήρησα την ακανόνιστη κίνηση της βελόνας της πυξίδας. 1826, όταν η Αγγλία, η Γαλλία, η Γερμανία και εν μέρει η Ιταλία εξερεύνησαν πυρετωδώς ένα νέο φαινόμενο που έφερε στον επιστημονικό κόσμο ο Oersted.

Η ιστορία της δημιουργίας μπορείτε να διαβάσετε στην αντίστοιχη κριτική. Πρέπει να πούμε ότι κανείς δεν προσπάθησε πραγματικά να καταλάβει ποια είναι η ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή. Δεν είναι απαραίτητο για προφανείς λόγους: το βάζο Leyden χρησιμοποιήθηκε κυρίως από την επιστημονική κοινότητα, λύνοντας συγκεκριμένα προβλήματα. Η εμπειρία του Felix Savary έμεινε για πολύ καιρό απαρατήρητη...

Το 1842, ο παλιός μας φίλος, ο Sir Joseph Henry, ένας εφευρέτης και λάτρης του τηλεγράφου, ανέλαβε το κύκλωμα ταλάντωσης και την ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή. Γράψτε το γραπτώς αφού δοκιμάσετε τις σημειώσεις του Savary στην πράξη:

«Μια ανωμαλία που παραμένει ανεξήγητη για τόσο καιρό, η οποία με την πρώτη ματιά φαίνεται να υπάρχει σε αντίθεση με τη θεωρία μας για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, μετά από προσεκτική μελέτη την έχω ταξινομήσει ως ένα άγνωστο μέχρι τώρα φαινόμενο. Η εκκένωση εμφανίζεται παράξενα (σε αντίθεση με τη θεωρία του Φράνκλιν), η αίσθηση ότι, με την έξοδο από το βάζο, το υγρό αρχίζει να περιφέρεται πέρα ​​δώθε. Αυτό που είδαμε μας αναγκάζει να παραδεχτούμε: η διαδικασία ξεκινά με κανονικό τρόπο, στη συνέχεια συμβαίνουν αρκετές αλλαγές στην κατεύθυνση, κάθε φορά που το πλάτος γίνεται μικρότερο, έως ότου οι κινήσεις εξαφανιστούν εντελώς. Προφανώς, το φαινόμενο δεν μπορεί να εξηγηθεί σήμερα· οι φυσικοί συναντήθηκαν μαζί του (Savary), αλλά ήταν ανίσχυροι».

Προφανώς, ο επιστήμονας δεν ενδιαφέρεται καθόλου για την ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή - οι σκέψεις του απορροφώνται από την ανωμαλία που θα ήθελε να εξερευνήσει. Πέντε χρόνια αργότερα, ο φυσικός Helmholtz, ο οποίος διάβασε την έκθεση του Henry σε μια συνάντηση της Φυσικής Εταιρείας του Βερολίνου, είπε:

«Κατά την ηλεκτρόλυση, παρατήρησα ασυνήθιστες διακυμάνσεις. Αυτή η αίσθηση, η διαδικασία της ταλάντωσης συνεχίζεται, έως ότου το ίδιο το vis viva εξαφανιστεί για πάντα, απορροφημένο από τη συνολική αντίσταση του κυκλώματος. Έχει κανείς την εντύπωση ότι δύο ρεύματα αντίθετων κατευθύνσεων ρέουν κατά μήκος του κυκλώματος, πρώτα το ένα και μετά αναλαμβάνει το άλλο».

Τη διαμάχη έβαλε τέλος ο διάσημος Γουίλιαμ Τόμσον, ονόματι Λόρδος Κέλβιν. Έχοντας μελετήσει τη διαδικασία μαθηματικά, δήλωσε: στο κύκλωμα, προφανώς, υπάρχουν πράγματα όπως η ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή και η επαγωγή του διπλωμένου χάλκινο σύρμα. Στα μεταβατικά ηλεκτρικά ρεύματα έχει γίνει κλασικό. Αν και ο Λόρδος Thomson αποκαλεί την επαγωγή ηλεκτροδυναμική χωρητικότητα, η έννοια του τύπου είναι σαφής. Ο επιστήμονας ήταν ο πρώτος που είπε: η ενέργεια μεταφέρεται μεταξύ ενός πυκνωτή και ενός επαγωγέα, εξασθενώντας σταδιακά από ενεργητική αντίστασηαλυσίδες.

Ο τύπος που φαίνεται στο σχήμα δίνεται σε σύγχρονες τιμές, οι σημειώσεις είναι τυπικές. C είναι η ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή, L είναι η αυτεπαγωγή του πηνίου, q είναι η ποσότητα φορτίου, I είναι το ρεύμα του κυκλώματος. Άλλα σύμβολα αναφέρονται σε λειτουργίες διαφοροποίησης. Ο όρος επαγωγή εισήχθη πολύ αργότερα - το 1886 από τον Oliver Heaviside. Τύπος συχνότητα συντονισμού, η οποία εξαρτάται από την ηλεκτρική χωρητικότητα του πυκνωτή και την αυτεπαγωγή του πηνίου, προήλθε από τον James Maxwell το 1868.

θα εξετάσουμε μοναχικός οδηγός, δηλαδή ένας αγωγός που απομακρύνεται σημαντικά από άλλους αγωγούς, σώματα και φορτία. Το δυναμικό του, όπως είναι γνωστό, είναι ευθέως ανάλογο με το φορτίο του αγωγού. Είναι γνωστό από την εμπειρία ότι διαφορετικοί αγωγοί, αν και ίσα φορτισμένοι, έχουν διαφορετικά δυναμικά. Επομένως, για έναν μοναχικό αγωγό μπορούμε να γράψουμε Η ποσότητα (1) ονομάζεται ηλεκτρική χωρητικότητα(ή απλά χωρητικότητα) μοναχικός μαέστρος. Η χωρητικότητα ενός απομονωμένου αγωγού καθορίζεται από το φορτίο, η επικοινωνία του οποίου στον αγωγό αλλάζει το δυναμικό του κατά ένα. Η χωρητικότητα ενός μεμονωμένου αγωγού εξαρτάται από το μέγεθος και το σχήμα του, αλλά δεν εξαρτάται από το υλικό, το σχήμα και το μέγεθος των κοιλοτήτων μέσα στον αγωγό, καθώς και από την κατάσταση συσσώρευσής του. Ο λόγος για αυτό είναι ότι τα υπερβολικά φορτία κατανέμονται στην εξωτερική επιφάνεια του αγωγού. Η χωρητικότητα επίσης δεν εξαρτάται από το φορτίο του αγωγού ή το δυναμικό του. Μονάδα ηλεκτρικής χωρητικότητας - ηλεκτρική μονάδα(F): 1 F είναι η χωρητικότητα ενός τέτοιου απομονωμένου αγωγού, του οποίου το δυναμικό αλλάζει κατά 1 V όταν του μεταδίδεται φορτίο 1 C. Σύμφωνα με τον τύπο για το δυναμικό ενός σημειακού φορτίου, το δυναμικό μιας μεμονωμένης μπάλας ακτίνας R, η οποία βρίσκεται σε ένα ομοιογενές μέσο με διηλεκτρική σταθεράε ισούται με Εφαρμόζοντας τον τύπο (1), παίρνουμε ότι η χωρητικότητα της μπάλας (2) Από αυτό προκύπτει ότι μια μοναχική μπάλα που βρίσκεται στο κενό και έχει ακτίνα R=C/(4πε 0)≈9 10 6 km θα είχε χωρητικότητα 1 F, που είναι περίπου 1400 φορές η ακτίνα της Γης (ηλεκτρική χωρητικότητα της Γης C≈0,7 mF). Κατά συνέπεια, ένα farad είναι μια μάλλον μεγάλη τιμή, επομένως στην πράξη χρησιμοποιούνται υποπολλαπλές μονάδες - millifarad (mF), microfarad (μF), nanofarad (nF), picofarad (pF). Από τον τύπο (2) προκύπτει επίσης ότι η μονάδα της ηλεκτρικής σταθεράς ε 0 είναι farad ανά μέτρο (F/m) (βλ. (78.3)).

37. Πυκνωτές. Ηλεκτρική χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή (τερματικό). Σύνδεση πυκνωτών.

Όπως γνωρίζουμε από τον τύπο για την χωρητικότητα ενός μεμονωμένου αγωγού, για να έχει ένας αγωγός μεγάλη χωρητικότητα, πρέπει να έχει αρκετά μεγάλες διαστάσεις. Στην πράξη χρειάζονται συσκευές που έχουν τη δυνατότητα, με μικρά μεγέθη και μικρές δυνατότητες σε σχέση με τα γύρω σώματα, να συσσωρεύουν μεγάλα φορτία, δηλαδή να έχουν μεγάλη χωρητικότητα. Αυτές οι συσκευές ονομάζονται πυκνωτές. Εάν άλλα σώματα μετακινηθούν προς έναν φορτισμένο αγωγό, τότε εμφανίζονται επαγόμενα (στον αγωγό) ή συνδεδεμένα (στο διηλεκτρικό) φορτία, ενώ τα φορτία του αντίθετου πρόσημου θα είναι πιο κοντά στο επαγόμενο φορτίο Q. Αυτά τα φορτία προφανώς αποδυναμώνουν το πεδίο που δημιουργείται από το φορτίο Q, δηλαδή μειώνουν το δυναμικό του αγωγού, γεγονός που οδηγεί, από τον τύπο για την εξάρτηση της χωρητικότητας από το δυναμικό C = Q/φ, σε αύξηση της ηλεκτρικής του χωρητικότητας. . Ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο αγωγούς (πλάκες) που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό. Η χωρητικότητα του πυκνωτή δεν πρέπει να επηρεάζεται από τα περιβάλλοντα σώματα, επομένως οι αγωγοί είναι διαμορφωμένοι με τέτοιο τρόπο ώστε το πεδίο που δημιουργείται από τα συσσωρευμένα φορτία να συγκεντρώνεται σε ένα στενό κενό μεταξύ των πλακών του πυκνωτή. Αυτή η προϋπόθεση ικανοποιείται από: 1) δύο επίπεδες πλάκες. 2) δύο ομόκεντρες σφαίρες. 3) δύο ομοαξονικοί κύλινδροι. Επομένως, ανάλογα με το σχήμα των πλακών, οι πυκνωτές χωρίζονται σε επίπεδη, σφαιρική και κυλινδρική. Δεδομένου ότι το πεδίο είναι συγκεντρωμένο μέσα στον πυκνωτή, οι γραμμές έντασης ξεκινούν από τη μία πλάκα και τελειώνουν στην άλλη, επομένως τα ελεύθερα φορτία που προκύπτουν σε διαφορετικές πλάκες είναι ίσα σε μέγεθος και αντίθετα σε πρόσημο. Κάτω από χωρητικότηταΟ πυκνωτής νοείται ως ένα φυσικό μέγεθος ίσο με τον λόγο του φορτίου Q που συσσωρεύεται στον πυκνωτή προς τη διαφορά δυναμικού (φ 1 - φ 2) μεταξύ των πλακών του: (1) Ας βρούμε την χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή, ο οποίος αποτελείται από δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες εμβαδού S η καθεμία, που βρίσκονται σε απόσταση d η μία από την άλλη και έχουν φορτία +Q και –Q. Εάν υποθέσουμε ότι η απόσταση μεταξύ των πλακών είναι μικρή σε σύγκριση με τις γραμμικές τους διαστάσεις, τότε οι επιδράσεις των ακμών στις πλάκες μπορούν να αγνοηθούν και το πεδίο μεταξύ των πλακών μπορεί να θεωρηθεί ομοιόμορφο. Μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο για το δυναμικό πεδίου δύο άπειρων παράλληλων αντίθετα φορτισμένων επιπέδων φ 1 -φ 2 =σd/ε 0. Λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία ενός διηλεκτρικού μεταξύ των πλακών: (2) όπου ε είναι η διηλεκτρική σταθερά. Στη συνέχεια από τον τύπο (1), αντικαθιστώντας το Q=σS, λαμβάνοντας υπόψη το (2), βρίσκουμε μια έκφραση για την χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή: (3) Για να προσδιορίσουμε την χωρητικότητα ενός κυλινδρικού πυκνωτή, ο οποίος αποτελείται από δύο κοίλους ομοαξονικούς κυλίνδρους με ακτίνες r 1 και r 2 (r 2 > r 1), η μία εισάγεται στην άλλη, παραβλέποντας πάλι τα φαινόμενα ακμών, θεωρούμε ότι το πεδίο είναι ακτινικά συμμετρικό και ενεργεί μόνο μεταξύ των κυλινδρικών πλακών. Υπολογίζουμε τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών χρησιμοποιώντας τον τύπο για τη διαφορά δυναμικού στο πεδίο ενός ομοιόμορφα φορτισμένου άπειρου κυλίνδρου με γραμμική πυκνότητα τ =Q/ μεγάλο (μεγάλο- μήκος των επενδύσεων). Εάν υπάρχει διηλεκτρικό μεταξύ των πλακών, η διαφορά δυναμικού είναι (4) Αντικαθιστώντας το (4) στο (1), βρίσκουμε μια έκφραση για την χωρητικότητα ενός κυλινδρικού πυκνωτή: (5) Για να βρούμε τη χωρητικότητα ενός σφαιρικού πυκνωτή, η οποία αποτελείται από δύο ομόκεντρες πλάκες που χωρίζονται από ένα σφαιρικό στρώμα διηλεκτρικού, χρησιμοποιούμε τον τύπο για τη διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων που βρίσκονται σε αποστάσεις r 1 και r 2 (r 2 > r 1) από το κέντρο της φορτισμένης σφαιρικής επιφάνειας. Εάν υπάρχει διηλεκτρικό μεταξύ των πλακών, η διαφορά δυναμικού (6) Αντικαθιστώντας το (6) σε (1), παίρνουμε Αν d=r 2 -r 1<τάση διάσπασης- η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών του πυκνωτή, στην οποία συμβαίνει η διάσπαση - μια ηλεκτρική εκκένωση μέσω του διηλεκτρικού στρώματος στον πυκνωτή. Η τάση διάσπασης εξαρτάται επίσης από το σχήμα των πλακών, τις ιδιότητες του διηλεκτρικού και το πάχος του. Για την αύξηση της χωρητικότητας και την αλλαγή των πιθανών τιμών της, οι πυκνωτές συνδέονται σε μπαταρίες και χρησιμοποιούνται οι παράλληλες και σειριακές συνδέσεις τους. 1. Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών(Εικ. 1). Για τους παράλληλα συνδεδεμένους πυκνωτές, η διαφορά δυναμικού στις πλάκες πυκνωτών είναι η ίδια και ίση με φ A – φ B. Εάν οι χωρητικότητες των μεμονωμένων πυκνωτών είναι C 1, C 2, ..., C n, τότε, όπως φαίνεται από το (1), τα φορτία τους είναι ............... και το φορτίο της συστοιχίας πυκνωτών είναι η συνολική χωρητικότητα της μπαταρίας, δηλαδή, όταν οι πυκνωτές συνδέονται παράλληλα, η συνολική χωρητικότητα είναι ίση με το άθροισμα των χωρητικοτήτων των μεμονωμένων πυκνωτών.

Εικ.1

2. Σύνδεση σε σειρά πυκνωτών(Εικ. 2). Για πυκνωτές που συνδέονται σε σειρά, τα φορτία όλων των πλακών είναι ίσα σε μέγεθος και η διαφορά δυναμικού στους ακροδέκτες της μπαταρίας όπου για οποιονδήποτε από τους εξεταζόμενους πυκνωτές Δφ i = Q/С i. Στην άλλη πλευρά, από όπου, δηλαδή, όταν οι πυκνωτές συνδέονται σε σειρά, αθροίζονται οι ποσότητες που είναι οι αντίστροφες των χωρητικοτήτων. Αυτό σημαίνει ότι όταν οι πυκνωτές συνδέονται σε σειρά, η προκύπτουσα χωρητικότητα C είναι πάντα μικρότερη από τη μικρότερη χωρητικότητα που χρησιμοποιείται στην μπαταρία.