นับตั้งแต่เริ่มต้นการศึกษาไฟฟ้า เฉพาะในปี 1745 ที่ Ewald Jurgen von Kleist และ Pieter van Muschenbroek สามารถแก้ปัญหาการสะสมและการเก็บรักษาได้ สร้างขึ้นในเมืองไลเดน ฮอลแลนด์ อุปกรณ์ดังกล่าวทำให้สามารถสะสมพลังงานไฟฟ้าและใช้งานเมื่อจำเป็นได้
ขวดเลย์เดน - ต้นแบบของตัวเก็บประจุ การใช้ในการทดลองทางกายภาพทำให้การศึกษาไฟฟ้าก้าวหน้าไปไกล ทำให้สามารถสร้างต้นแบบของกระแสไฟฟ้าได้
ตัวเก็บประจุคืออะไร
การเก็บประจุไฟฟ้าและไฟฟ้าเป็นจุดประสงค์หลักของตัวเก็บประจุ โดยปกตินี่คือระบบของตัวนำหุ้มฉนวนสองตัวที่อยู่ใกล้กันมากที่สุด ช่องว่างระหว่างตัวนำนั้นเต็มไปด้วยอิเล็กทริก ประจุที่สะสมบนตัวนำจะถูกเลือกต่างกัน คุณสมบัติของประจุตรงข้ามที่จะถูกดึงดูดมีส่วนทำให้เกิดการสะสมมากขึ้น ไดอิเล็กตริกได้รับมอบหมายสองบทบาท: ยิ่งค่าคงที่ไดอิเล็กตริกยิ่งสูงความจุทางไฟฟ้ามากขึ้น ประจุไม่สามารถเอาชนะสิ่งกีดขวางและทำให้เป็นกลาง
ความจุไฟฟ้าเป็นปริมาณทางกายภาพหลักที่กำหนดความสามารถของตัวเก็บประจุในการสะสมประจุ ตัวนำไฟฟ้าเรียกว่าเพลต สนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุมีความเข้มข้นระหว่างกัน
พลังงานของตัวเก็บประจุควรขึ้นอยู่กับความจุของมัน
ความจุไฟฟ้า
พลังงานศักย์ทำให้สามารถใช้คาปาซิเตอร์ (ความจุไฟฟ้าขนาดใหญ่) ได้ พลังงานของตัวเก็บประจุที่มีประจุจะถูกใช้เมื่อจำเป็นต้องใช้พัลส์กระแสไฟสั้น
ความจุไฟฟ้าขึ้นกับปริมาณเท่าใด กระบวนการชาร์จตัวเก็บประจุเริ่มต้นด้วยการเชื่อมต่อเพลตกับขั้วของแหล่งจ่ายกระแส ประจุที่สะสมอยู่บนจานเดียว (ค่าที่เป็น q) จะถูกนำมาเป็นประจุของตัวเก็บประจุ สนามไฟฟ้าที่กระจุกตัวระหว่างเพลตมีความต่างศักย์ U.
ความจุไฟฟ้า (C) ขึ้นอยู่กับปริมาณไฟฟ้าที่เข้มข้นบนตัวนำไฟฟ้าตัวเดียวและแรงดันสนาม: C=q/U
ค่านี้วัดเป็น F (farads).
ความจุของโลกทั้งใบไม่สามารถเทียบได้กับความจุของตัวเก็บประจุซึ่งมีขนาดประมาณโน้ตบุ๊ค ค่าพลังสะสมสามารถใช้กับยานพาหนะได้
อย่างไรก็ตาม ไม่มีทางที่จะสะสมไฟฟ้าบนจานได้ไม่จำกัดจำนวน เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นถึงค่าสูงสุด ตัวเก็บประจุอาจสลายได้ จานทำให้เป็นกลางซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ พลังงานของตัวเก็บประจุที่มีประจุนั้นถูกใช้ไปจนหมดเพื่อให้ความร้อน
ค่าพลังงาน
ความร้อนของตัวเก็บประจุเกิดจากการเปลี่ยนพลังงานของสนามไฟฟ้าเป็นพลังงานภายใน ความสามารถของตัวเก็บประจุในการทำงานเพื่อเคลื่อนย้ายประจุบ่งชี้ว่ามีไฟฟ้าเพียงพอ ในการพิจารณาว่าตัวเก็บประจุมีพลังงานสูงเพียงใด ให้พิจารณากระบวนการคายประจุ ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าแรงดัน U ประจุ q จะไหลจากจานหนึ่งไปยังอีกแผ่นหนึ่ง ตามคำจำกัดความ ผลงานภาคสนามจะเท่ากับผลคูณของความต่างศักย์และปริมาณประจุ: A=qU อัตราส่วนนี้ใช้ได้เฉพาะกับค่าแรงดันคงที่เท่านั้น แต่ในกระบวนการคายประจุบนเพลตตัวเก็บประจุ จะค่อยๆ ลดลงจนเหลือศูนย์ เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่ถูกต้อง เราใช้ค่าเฉลี่ยของ U/2
จากสูตรความจุไฟฟ้า เรามี: q=CU.
จากนี้ไป พลังงานของตัวเก็บประจุที่มีประจุสามารถกำหนดได้โดยสูตร:
W=CU2/2.
เราเห็นว่าค่าของมันยิ่งมาก ความจุไฟฟ้าและแรงดันไฟก็จะสูงขึ้น เพื่อตอบคำถามเกี่ยวกับพลังงานของตัวเก็บประจุแบบมีประจุ ลองมาดูที่ความหลากหลายกัน
ประเภทของตัวเก็บประจุ
เนื่องจากพลังงานของสนามไฟฟ้าที่กระจุกตัวอยู่ภายในตัวเก็บประจุนั้นสัมพันธ์โดยตรงกับความจุของมัน และการทำงานของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการออกแบบ จึงมีการใช้อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลประเภทต่างๆ
- ตามรูปร่างของจาน: แบน ทรงกระบอก ทรงกลม ฯลฯ.จ.
- โดยการเปลี่ยนความจุ: ค่าคงที่ (ความจุไม่เปลี่ยนแปลง) ตัวแปร (โดยการเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพ เราเปลี่ยนความจุ) การปรับแต่ง การเปลี่ยนความจุสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนอุณหภูมิ ความเค้นทางกลหรือทางไฟฟ้า ความจุของตัวเก็บประจุทริมเมอร์แตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนพื้นที่ของเพลต
- ตามประเภทไดอิเล็กตริก: แก๊ส ของเหลว ไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็ง
- ตามประเภทของอิเล็กทริก: แก้ว กระดาษ ไมกา กระดาษโลหะ เซรามิก ฟิล์มบาง ๆ ขององค์ประกอบต่างๆ
ตัวเก็บประจุอื่นๆ ก็มีความโดดเด่นเช่นกัน พลังงานของตัวเก็บประจุที่มีประจุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของอิเล็กทริก ปริมาณหลักเรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ความจุไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมัน
ตัวเก็บประจุแบบเพลท
พิจารณาอุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดในการรวบรวมประจุไฟฟ้า - ตัวเก็บประจุแบบแบน นี่คือระบบทางกายภาพของแผ่นเพลตขนานสองแผ่นซึ่งมีชั้นไดอิเล็กตริกอยู่ด้วย
จานสามารถเป็นได้ทั้งสี่เหลี่ยมและกลม หากจำเป็นต้องได้รับความจุแบบแปรผันก็เป็นเรื่องปกติที่จะนำเพลตมาทำเป็นครึ่งดิสก์ การหมุนของจานหนึ่งเทียบกับอีกจานหนึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่ของจาน
เราคิดว่าพื้นที่ของจานหนึ่งเท่ากับ S ระยะห่างระหว่างเพลตเท่ากับ d ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสารตัวเติมคือ ε ความจุของระบบดังกล่าวขึ้นอยู่กับรูปทรงของตัวเก็บประจุเท่านั้น
C=εε0S/d.
พลังงานของตัวเก็บประจุแบบแบน
เราเห็นว่าความจุของตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ทั้งหมดของจานเดียวและแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างกัน สัมประสิทธิ์ของสัดส่วนคือค่าคงที่ทางไฟฟ้า ε0 การเพิ่มค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของไดอิเล็กตริกจะเพิ่มความจุไฟฟ้า การลดพื้นที่ของเพลตช่วยให้คุณสามารถปรับตัวเก็บประจุได้ พลังงานของสนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุที่มีประจุขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต
ใช้สูตรการคำนวณ: W=CU2/2.
การหาพลังงานของตัวเก็บประจุรูปทรงแบนที่มีประจุนั้นดำเนินการตามสูตร:
W=εε0S U2/(2d).
การใช้ตัวเก็บประจุ
ความสามารถของตัวเก็บประจุในการเก็บประจุไฟฟ้าอย่างราบรื่นและจ่ายออกไปอย่างรวดเร็วเพียงพอนั้นถูกใช้ในด้านเทคโนโลยีต่างๆ
การเชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำช่วยให้คุณสร้างวงจรออสซิลเลเตอร์ ฟิลเตอร์ปัจจุบัน วงจรป้อนกลับ
ภาพกะพริบ ปืนช็อตซึ่งมีการคายประจุแทบจะในทันที ใช้ความสามารถของตัวเก็บประจุเพื่อสร้างพัลส์กระแสที่ทรงพลัง ตัวเก็บประจุถูกชาร์จจากแหล่งกระแสตรง ตัวเก็บประจุเองทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่ทำลายวงจร การคายประจุในทิศทางตรงกันข้ามเกิดขึ้นผ่านหลอดที่มีความต้านทานโอห์มมิกต่ำเกือบจะในทันที ในเครื่องช็อตไฟฟ้า ส่วนประกอบนี้คือร่างกายมนุษย์
ตัวเก็บประจุหรือแบตเตอรี่
ความสามารถในการเก็บประจุที่สะสมไว้เป็นเวลานานทำให้มีโอกาสที่ยอดเยี่ยมในการใช้เป็นที่เก็บข้อมูลหรือเก็บพลังงาน คุณสมบัตินี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรมวิทยุ
เปลี่ยนแบตเตอรี่ ขออภัย ตัวเก็บประจุไม่สามารถทำได้ เพราะมันมีลักษณะพิเศษของการคายประจุ พลังงานสะสมไม่เกินสองสามร้อยจูล แบตเตอรี่สามารถเก็บไฟได้ปริมาณมากเป็นเวลานานและแทบไม่สูญเสีย