Τι είναι ένας πυκνωτής;

Ένας πυκνωτής είναι ένα ηλεκτρικό εξάρτημα που αποθηκεύει φορτίο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή είναι η ποσότητα φόρτισης που μπορεί να αποθηκευτεί ανά μονάδα τάσης. Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε έναν πυκνωτή είναι ανάλογη με την χωρητικότητα και την τάση.

Όταν πρόκειται για ηλεκτρονικά, τα σημαντικά εξαρτήματα που χρησιμεύουν ως πυλώνες σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι οι αντιστάσεις, οι επαγωγείς και οι πυκνωτές. Ο πρωταρχικός ρόλος ενός πυκνωτή είναι να αποθηκεύει μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου στη θέση του. Το αστείο με τους πυκνωτές είναι ότι μπορείτε πραγματικά να τους δείτε να επιπλέουν στον ουρανό! Ναι, αυτό είναι σωστό… η μορφή των πυκνωτών της φύσης είναι σύννεφα. Αποθηκεύουν ενέργεια ακριβώς όπως ένας πιο παραδοσιακός πυκνωτής και την εκφορτίζουν κατά τη διάρκεια καταιγίδων όταν έχουν συλλέξει αρκετό ηλεκτρικό φορτίο. Τούτου λεχθέντος, ας στρέψουμε την προσοχή μας στους μικρούς τεχνητούς πυκνωτές και ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε ακριβώς πώς λειτουργούν.

(Πίστωση εικόνας:Pixabay)

Θεωρία Λειτουργίας

(Φωτογραφία:Papa November/Wikimedia Commons)

Ένας πυκνωτής είναι μια συσκευή που αποτελείται από δύο αγωγούς που χωρίζονται από μια μη αγώγιμη περιοχή. Ο τεχνικός όρος για αυτή τη μη αγώγιμη περιοχή είναι γνωστός ως διηλεκτρικό . Το διηλεκτρικό μπορεί να είναι οποιοδήποτε μη αγώγιμο στοιχείο, συμπεριλαμβανομένου του κενού, του αέρα, του χαρτιού, του πλαστικού, του κεραμικού ή ακόμα και ενός ημιαγωγού. Τώρα ας δούμε πώς αναπτύσσεται η φόρτιση μέσα στον πυκνωτή.

Ας προσπαθήσουμε πρώτα να κατανοήσουμε έναν θεμελιώδη νόμο γνωστό ως Νόμος του Coulomb, που δηλώνει ότι τα όμοια φορτία απωθούνται και τα αντίθετα φορτία έλκονται, με δύναμη ανάλογη με το γινόμενο των ηλεκτρικών φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της μεταξύ τους απόστασης. Τώρα, χρησιμοποιώντας αυτόν τον νόμο, μπορούμε να εξηγήσουμε ότι τα φορτία που συσσωρεύονται σε μια πλάκα του πυκνωτή ασκούν δύναμη στα φορτία μιας άλλης πλάκας του αγωγού. Τα παρόμοια φορτία θα έλκονται το ένα το άλλο, ενώ τα αντίθετα θα απωθούν το ένα το άλλο. Αυτό αναγκάζει την επιφάνεια των αγωγών να αναπτύσσεται και να διατηρεί ίσα και αντίθετα φορτία. Το διηλεκτρικό που υπάρχει μεταξύ των δύο αγωγών αναπτύσσει ένα ηλεκτρικό πεδίο που διέρχεται από αυτό.

Αν κάποιος προσπαθούσε να οπτικοποιήσει πώς θα λειτουργούσε ένας πυκνωτής με λιγότερο αυστηρό τρόπο, μπορούμε πάντα να χρησιμοποιήσουμε μια υδραυλική αναλογία για να διευκολύνουμε την απεικόνιση. Ας φανταστούμε ότι υπάρχει μια ελαστική μεμβράνη σε έναν σωλήνα με νερό που ρέει μέσα. Τώρα η μεμβράνη, σε αυτή την περίπτωση, είναι το ανάλογο ισοδύναμο με έναν πυκνωτή. Το νερό δεν μπορεί να κινηθεί μέσα από τη μεμβράνη, αλλά μερικά μπορούν αν η μεμβράνη τεντωθεί στη μέγιστη έκτασή της. Αυτή η αναλογία μας ξεκαθαρίζει μερικά πράγματα:

• Το ρεύμα αλλάζει το φορτίο του πυκνωτή, όπως ακριβώς το νερό τεντώνει τη μεμβράνη. Αυτό αγγίζει το γεγονός ότι η μία πλάκα του πυκνωτή έχει περισσότερο φορτίο και η άλλη πλάκα παρατηρείται να έχει μείωση φόρτισης λόγω του νόμου Coulombs. Αυτό είναι και πάλι παρόμοιο με την ελαστική μεμβράνη, καθώς η ποσότητα νερού στη μία πλευρά αυξάνεται συγκριτικά με την ποσότητα νερού στην άλλη πλευρά.
• Όσο περισσότερο φορτίζεται ένας πυκνωτής, τόσο μεγαλύτερη είναι η πτώση τάσης που θα έχει ο πυκνωτής. Αυτό είναι ανάλογο με το γεγονός ότι η ελαστική μεμβράνη σπρώχνει προς τα πίσω το νερό ανάλογα με το πόσο τεντώνεται.
• Συμβαίνει ένα αστείο φαινόμενο, δηλαδή ότι το φορτίο μπορεί ακόμα να ρέει μέσα από τον πυκνωτή, ακόμα κι αν κανένα ηλεκτρόνιο δεν περνά φυσικά στην άλλη πλευρά. Αυτό είναι ανάλογο με το νερό που ρέει μέσω του σωλήνα. Παρόλο που κανένα μόριο νερού δεν μπορεί να ρέει μέσα από τη μεμβράνη, η ροή δεν μπορεί να συνεχιστεί προς την ίδια κατεύθυνση για πάντα. Η ελαστική μεμβράνη θα πρέπει να σπάσει και να αφήσει το νερό να περάσει σε κάποιο σημείο κατωφλίου, το οποίο είναι ανάλογο με τη διηλεκτρική βλάβη σε έναν πυκνωτή.

Χωρητικότητα, τάση, ισχύς και ενέργεια

Σε ποσοτικούς όρους, η χωρητικότητα είναι το φορτίο ανά μονάδα τάσης που μπορεί να αποθηκευτεί από ένα στοιχείο. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή μπορεί να φανταστεί ως τον όγκο ενός μπουκαλιού νερού. Όσο μεγαλύτερο είναι το μπουκάλι, τόσο περισσότερο νερό μπορεί να αποθηκεύσει. Ομοίως, όσο μεγαλύτερος είναι ο πυκνωτής, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η τιμή χωρητικότητάς του. Ο τύπος για την χωρητικότητα ενός πυκνωτή είναι:

C=Q/V

Η μονάδα χωρητικότητας είναι Farad (F). Η χωρητικότητα λέγεται ότι είναι ένα Farad εάν ένα κουλόμπ φορτίου μπορεί να αποθηκευτεί με ένα θησαυροφυλάκιο στα δύο άκρα μιας πλάκας πυκνωτή. Στην παραπάνω εξίσωση, το Q σημαίνει την ποσότητα φόρτισης που αποθηκεύεται και το V είναι η τάση ή η διαφορά δυναμικού που αντιμετωπίζει ο πυκνωτής.

Τώρα, ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς αποθηκεύεται η ενέργεια σε έναν πυκνωτή, ο οποίος απαιτεί λίγη μαθηματική αυστηρότητα. Το ρεύμα που διαρρέει οποιαδήποτε συσκευή μπορεί να υπολογιστεί ως η ποσότητα φόρτισης που ρέει σε μια μονάδα χρόνου.

I=dQ/dt

Με την αναδιάταξη της τιμής της χωρητικότητας ενός πυκνωτή, η οποία είναι η εξής:

C*dV=dQ

Τώρα, συνδέοντας τον τύπο που έχει αναδιαταχθεί ξανά στον τρέχοντα τύπο (I=dQ/dt), λαμβάνουμε τον ακόλουθο τύπο:

I=C*dV/dt

Πολλαπλασιάζοντας και λαμβάνοντας συγκεκριμένα ολοκληρώματα και στις δύο πλευρές, λαμβάνοντας τα όρια πριν φορτιστεί στο σημείο όπου φορτιστεί πλήρως, έχουμε τον ακόλουθο τύπο:

Ο παραπάνω τύπος δίνει την τάση και το ρεύμα του πυκνωτή μετά από μια κατάλληλη περίοδο φόρτισης T. Η ισχύς ενός πυκνωτή μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας τον τυπικό τύπο ηλεκτρικής ισχύος, ο οποίος είναι ο εξής:

P=VI

Στην παραπάνω εξίσωση, το P αντιπροσωπεύει την ισχύ που απορροφάται από τον πυκνωτή. Το V και το I αντιπροσωπεύουν την τάση και το ρεύμα του πυκνωτή, αντίστοιχα. Τώρα, συνδέοντας τον τρέχοντα τύπο (I=C*dV/dt) ενός πυκνωτή, έχουμε τον ακόλουθο τύπο:

P=V*C*(dV/dt)

Η ενέργεια που καταναλώνεται από έναν καταναλωτή μπορεί να ληφθεί λαμβάνοντας το ολοκλήρωμα της παραπάνω ισχύος και μπορεί να πραγματοποιηθεί ένας μικρός υπολογισμός μιας γραμμής για να καταλήξουμε σε μια κομψή λύση:

Με αυτό, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ο πυκνωτής είναι πραγματικά μια μονάδα παραγωγής ενέργειας για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας ως ηλεκτρικό δυναμικό. Έχοντας αυτό κατά νου, κατά τη διάρκεια της επόμενης καταιγίδας, μπορείτε να απευθυνθείτε στους φοβισμένους φίλους σας και να τους ενημερώσετε ότι ο κεραυνός στην πραγματικότητα δημιουργείται από τους μεγαλύτερους πυκνωτές στον πλανήτη!