Πυκνωτής με και χωρίς διηλεκτρικό μέσο

Ο πυκνωτής είναι μια συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελείται από δύο αγωγούς σε κοντινή απόσταση. Και οι δύο αγωγοί είναι απομονωμένοι μεταξύ τους. Το απλούστερο παράδειγμα που μπορεί να δοθεί εδώ είναι ο πυκνωτής παράλληλης πλάκας. Ένας πυκνωτής έχει πολλές ζωτικές εφαρμογές. Χρησιμοποιείται σε ψηφιακά κυκλώματα για να αποτρέψει την απώλεια πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες σε μεγάλες μνήμες υπολογιστή. Σε περίπτωση προσωρινής απώλειας ισχύος, αυτοί οι πυκνωτές διατηρούν τις πληροφορίες. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται επίσης ως φίλτρα για την εκτροπή ψευδών ηλεκτρικών σημάτων, αποτρέποντας τη ζημιά που προκαλείται από μια ηλεκτρική υπέρταση.

Τι είναι το Διηλεκτρικό;

Ένα διηλεκτρικό είναι ένα μονωτικό υλικό. Εναλλακτικά, μπορεί να οριστεί ως ένας πολύ φτωχός αγωγός ενός ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν τοποθετούνται σε ηλεκτρικά πεδία, σχεδόν δεν ρέει ρεύμα σε αυτά. Ο λόγος είναι ότι δεν έχουν χαλαρά δεσμευμένα ή ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν να παρασύρονται μέσα από το υλικό. Η ηλεκτρική πόλωση είναι αυτό που συμβαίνει εδώ.

Η ηλεκτρική πόλωση υποδηλώνει τα θετικά φορτία μέσα στο διηλεκτρικό που μετατοπίζονται ελάχιστα προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Τα αρνητικά φορτία μετατοπίζονται ελάχιστα προς την αντίθετη κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου.

Ο ρόλος του διηλεκτρικού σε έναν πυκνωτή

Ένα διηλεκτρικό εκτελεί τρεις κύριες λειτουργίες σε έναν πυκνωτή:

1. Αποτρέπει την επαφή των αγώγιμων πλακών. Αυτό επιτρέπει μικρότερο διαχωρισμό πλακών, που οδηγεί σε υψηλότερες χωρητικότητες.

2. Μειώνει την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της ενεργού χωρητικότητας. Αυτό σημαίνει ότι έχουμε την ίδια φόρτιση αλλά σε χαμηλότερη τάση.

3. Μειώνει επίσης την πιθανότητα βραχυκυκλώματος λόγω σπινθήρα κατά τη λειτουργία του σε υψηλή τάση. Ο επίσημος όρος για τον σπινθήρα είναι διηλεκτρική βλάβη.

Πυκνωτής με διηλεκτρικό μέσο

Ένα διηλεκτρικό στρώμα τοποθετείται ανάμεσα σε δύο παράλληλες φορτισμένες μεταλλικές πλάκες. Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρικό πεδίο πρέπει να δείχνει από δεξιά προς τα αριστερά. Οι θετικοί πυρήνες του διηλεκτρικού θα μετακινηθούν τότε με το πεδίο προς τα δεξιά. Τα αρνητικά ηλεκτρόνια κινούνται ενάντια στο πεδίο προς τα αριστερά. Δεδομένου ότι οι γραμμές πεδίου ξεκινούν με θετικά φορτία και τελειώνουν με αρνητικά φορτία, το ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε κάθε τονισμένο άτομο του διηλεκτρικού θα δείχνει από αριστερά προς τα δεξιά. Αυτό θα είναι απέναντι από το εξωτερικό πεδίο των δύο μεταλλικών πλακών. Εδώ, το ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα διανυσματικό μέγεθος. Και όταν δύο διανύσματα δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις, για να πάρετε το αποτέλεσμα, αφαιρείτε τα μεγέθη τους. Το συνολικό αποτέλεσμα θα είναι ένα ασθενέστερο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των δύο πλακών, καθώς τα δύο πεδία δεν ακυρώνονται σε ένα διηλεκτρικό όπως στο μέταλλο.

Πυκνωτής παράλληλης πλάκας 

Ένας πυκνωτής παράλληλης πλάκας έχει ηλεκτρόδια και μονωτικό υλικό διατεταγμένα σε παράλληλα σχέδια. Οι δύο αγώγιμες πλάκες είναι τα ηλεκτρόδια. Το διηλεκτρικό τοποθετείται ανάμεσά τους. Αυτό χρησιμεύει ως διαχωριστικό για τα πιάτα. Οι δύο πλάκες του πυκνωτή έχουν παρόμοια μεγέθη. Οι πλάκες συνδέονται στην πηγή ρεύματος. Συνδεδεμένη με τον θετικό πόλο της μπαταρίας, η πλάκα λαμβάνει θετικό φορτίο. Η πλάκα, η οποία συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας, δέχεται αρνητικό φορτίο. Τα φορτία παγιδεύονται μέσα στις πλάκες πυκνωτών ως αποτέλεσμα αυτής της έλξης.

Χωρητικότητα

Τα ποσά φόρτισης για την ίδια εφαρμοζόμενη τάση διαφέρουν σε διαφορετικούς πυκνωτές. Η χωρητικότητά τους C ορίζεται ότι είναι τέτοια ώστε το φορτίο Q που είναι αποθηκευμένο σε έναν πυκνωτή να είναι ανάλογο του C. Το φορτίο που είναι αποθηκευμένο σε έναν πυκνωτή δίνεται από το Q=CV.

Αναδιάταξη της εξίσωσης, είναι προφανές ότι η χωρητικότητα C είναι η ποσότητα φορτίου που αποθηκεύεται ανά volt ή C =QV.

Το Farad ή το F είναι η μονάδα για την χωρητικότητα και ονομάστηκε για τον Michael Faraday. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή παράλληλης πλάκας χωρίς διηλεκτρικό μέσο δίνεται ως C=ϵ₀Ad.

Πώς το διηλεκτρικό αυξάνει την χωρητικότητα

Το διηλεκτρικό αυξάνει την χωρητικότητα λόγω της πόλωσης του μονωτή. Όσο μεγαλύτερη είναι η ευκολία της πόλωσης, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η διηλεκτρική σταθερά του, Κ. Για παράδειγμα, το νερό. Το νερό είναι ένα πολικό μόριο επειδή το ένα άκρο του μορίου έχει ελαφρώς θετικό φορτίο και το άλλο άκρο έχει ελαφρώς αρνητικό φορτίο. Η πολικότητα του νερού το κάνει να έχει μια σχετικά μεγάλη διηλεκτρική σταθερά 80.

Ο τύπος για την χωρητικότητα του πυκνωτή παράλληλης πλάκας με το διηλεκτρικό μέσο είναι

C=κϵ₀Διαφήμιση

Όπου το k δηλώνει τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού.

Συμπέρασμα

Οι πυκνωτές είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ηλεκτρικών φορτίων. Οι πυκνωτές που αποτελούνται από δύο ίδιες, παράλληλες αγώγιμες πλάκες που χωρίζονται από απόσταση ονομάζονται πυκνωτές παράλληλων πλακών. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούν διηλεκτρικό για τη μόνωση των δύο μεταλλικών πλακών του πυκνωτή. Η χρήση διηλεκτρικού αυξάνει την χωρητικότητα του πυκνωτή και τον κάνει πιο αποτελεσματικό. Οι πυκνωτές παράλληλης πλάκας έχουν ηλεκτρόδια και μονωτικό υλικό που είναι διατεταγμένα σε παράλληλα σχέδια και το διηλεκτρικό τοποθετείται ανάμεσά τους. Αν και ένας ιδανικός πυκνωτής δεν χρειάζεται διηλεκτρικό, θα πρέπει να έχει κενό μεταξύ των πλακών. Αλλά επειδή είναι δύσκολο να τοποθετηθούν πυκνωτές με κενό στη σύγχρονη εποχή, χρησιμοποιούνται διηλεκτρικά μεταξύ των πλακών. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή παράλληλης πλάκας χωρίς διηλεκτρικό μέσο είναι μικρότερη από τη χωρητικότητα ενός πυκνωτή παράλληλης πλάκας με ένα διηλεκτρικό μέσο.