מאז תחילת חקר החשמל, רק בשנת 1745 הצליחו אוולד יורגן פון קלייסט ופיטר ואן מושנברוק לפתור את בעיית הצטברותו ושימורו. המכשיר נוצר בליידן, הולנד, ואיפשר לצבור אנרגיה חשמלית ולהשתמש בה בעת הצורך.
צנצנת ליידן - אב טיפוס של קבל. השימוש בו בניסויים פיזיקליים קידם את חקר החשמל הרחק קדימה, איפשר ליצור אב טיפוס של זרם חשמלי.
מהו קבל
איסוף מטען חשמלי וחשמל היא המטרה העיקרית של קבל. בדרך כלל מדובר במערכת של שני מוליכים מבודדים הממוקמים קרוב ככל האפשר אחד לשני. החלל בין המוליכים מלא בדיאלקטרי. המטען שנצבר על המוליכים נבחר בצורה שונה. המאפיין של מטענים מנוגדים שיימשכו תורם להצטברות רבה יותר שלו. לדיאלקטרי מוקצה תפקיד כפול: ככל שהקבוע הדיאלקטרי גדול יותר, הקיבולת החשמלית גדולה יותר, המטענים אינם יכולים להתגבר על המחסום.לנטרל.
קיבולת חשמלית היא הכמות הפיזיקלית העיקרית המאפיינת את יכולתו של קבל לצבור מטען. המוליכים נקראים לוחות, השדה החשמלי של הקבל מרוכז ביניהם.
האנרגיה של קבל טעון, ככל הנראה, צריכה להיות תלויה בקיבולת שלו.
קיבולת חשמלית
פוטנציאל האנרגיה מאפשר להשתמש בקבלים (קיבולת חשמלית גדולה). האנרגיה של קבל טעון משמשת כאשר יש צורך להפעיל דופק זרם קצר.
באילו כמויות תלויה הקיבולת החשמלית? תהליך טעינת הקבל מתחיל בחיבור הלוחות שלו לקטבים של מקור זרם. המטען שנצבר על צלחת אחת (שערכה הוא q) נלקח כמטען של הקבל. לשדה החשמלי המרוכז בין הלוחות יש הבדל פוטנציאל U.
קיבולת החשמל (C) תלויה בכמות החשמל המרוכזת במוליך אחד ובמתח השדה: C=q/U.
ערך זה נמדד ב-F (פאראדים).
הקיבולת של כדור הארץ כולו אינה דומה לקיבולת של קבל, שגודלו בערך בגודל של מחברת. ניתן להשתמש במטען רב עוצמה שנצבר בכלי רכב.
עם זאת, אין דרך לצבור כמות בלתי מוגבלת של חשמל על הצלחות. כאשר המתח עולה לערך המרבי, עלול להתרחש התמוטטות של הקבל. צלחותמנוטרל, מה שעלול לגרום נזק למכשיר. האנרגיה של קבל טעון מושקעת לחלוטין בחימום שלו.
ערך אנרגטי
החימום של הקבל נובע מהפיכת האנרגיה של השדה החשמלי לתוך פנימי. היכולת של הקבל לבצע עבודה כדי להזיז את המטען מעידה על נוכחות של אספקת חשמל מספקת. כדי לקבוע כמה גבוהה האנרגיה של קבל טעון, שקול את תהליך פריקתו. תחת פעולת שדה חשמלי של מתח U, מטען של q זורם מלוח אחד לאחר. בהגדרה, עבודת השדה שווה למכפלת הפרש הפוטנציאל וכמות המטען: A=qU. יחס זה תקף רק עבור ערך מתח קבוע, אך בתהליך הפריקה על לוחות הקבלים, הוא יורד בהדרגה לאפס. כדי למנוע אי דיוקים, אנו לוקחים את הערך הממוצע שלו U/2.
מנוסחת הקיבולת החשמלית יש לנו: q=CU.
מכאן, ניתן לקבוע את האנרגיה של קבל טעון על ידי הנוסחה:
W=CU2/2.
אנו רואים שהערך שלו גדול ככל שהקיבולת והמתח החשמליים גבוהים יותר. כדי לענות על השאלה מהי האנרגיה של קבל טעון, הבה נפנה לזנים שלהם.
סוגי קבלים
מאחר והאנרגיה של השדה החשמלי המרוכז בתוך הקבל קשורה ישירות לקיבול שלו, ופעולת הקבלים תלויה בתכונות העיצוב שלהם, נעשה שימוש בסוגים שונים של התקני אחסון.
- לפי צורת הלוחות: שטוחים, גליליים, כדוריים וכו'.ה.
- על ידי שינוי הקיבול: קבוע (הקיבול אינו משתנה), משתנה (על ידי שינוי המאפיינים הפיזיקליים, אנו משנים את הקיבול), כוונון. שינוי הקיבול יכול להתבצע על ידי שינוי הטמפרטורה, הלחץ המכני או החשמלי. הקיבול של קבלי גוזם משתנה על ידי שינוי השטח של הלוחות.
- לפי סוג דיאלקטרי: גז, נוזל, דיאלקטרי מוצק.
- לפי סוג הדיאלקטרי: זכוכית, נייר, נציץ, נייר מתכת, קרמיקה, סרטים בשכבה דקה בהרכבים שונים.
בהתאם לסוג, נבדלים גם קבלים אחרים. האנרגיה של קבל טעון תלויה בתכונות הדיאלקטרי. הכמות העיקרית נקראת הקבוע הדיאלקטרי. הקיבולת החשמלית עומדת ביחס ישר אליה.
קבל צלחת
שקול את המכשיר הפשוט ביותר לאיסוף מטען חשמלי - קבל שטוח. זוהי מערכת פיזיקלית של שני לוחות מקבילים, שביניהם ישנה שכבה דיאלקטרית.
צורת הצלחות יכולה להיות גם מלבנית וגם עגולה. אם יש צורך להשיג קיבולת משתנה, אז נהוג לקחת את הצלחות בצורה של חצאי דיסקים. סיבוב של צלחת אחת ביחס לאחרת מוביל לשינוי בשטח של הלוחות.
אנו מניחים שהשטח של צלחת אחת שווה ל-S, המרחק בין הלוחות נלקח שווה ל-d, הקבוע הדיאלקטרי של חומר המילוי הוא ε. הקיבול של מערכת כזו תלוי רק בגיאומטריה של הקבל.
C=εε0S/d.
אנרגיה של קבל שטוח
אנו רואים שהקיבול של הקבל הוא פרופורציונלי ישיר לשטח הכולל של צלחת אחת וביחס הפוך למרחק ביניהם. מקדם המידתיות הוא הקבוע החשמלי ε0. הגדלת הקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי תגדיל את הקיבולת החשמלית. צמצום השטח של הלוחות מאפשר לך לקבל קבלי כוונון. האנרגיה של השדה החשמלי של קבל טעון תלויה בפרמטרים הגיאומטריים שלו.
השתמש בנוסחת החישוב: W=CU2/2.
קביעת האנרגיה של קבל טעון בצורת שטוח מתבצעת לפי הנוסחה:
W=εε0S U2/(2d).
Using Capacitors
היכולת של קבלים לאסוף בצורה חלקה מטען חשמלי ולתת אותו במהירות מספקת משמשת בתחומי טכנולוגיה שונים.
חיבור עם משרנים מאפשר ליצור מעגלים מתנודדים, מסנני זרם, מעגלי משוב.
הבזקי תמונה, רובי הלם, שבהם מתרחשת פריקה כמעט מיידית, משתמשים ביכולת של קבל ליצור דופק זרם חזק. הקבל נטען ממקור זרם ישר. הקבל עצמו פועל כאלמנט שובר את המעגל. הפריקה בכיוון ההפוך מתרחשת דרך מנורה בעלת התנגדות אומהית נמוכה כמעט באופן מיידי. באקדח הלם, האלמנט הזה הוא גוף האדם.
קבל או סוללה
היכולת לשמור על המטען המצטבר לאורך זמן נותנת הזדמנות נפלאה להשתמש בו כאחסון מידע או אחסון אנרגיה. נכס זה נמצא בשימוש נרחב בהנדסת רדיו.
החלף את הסוללה, למרבה הצער, הקבל לא מסוגל, כי יש לו את המוזרות להיות פרוק. האנרגיה המצטברת אינה עולה על כמה מאות ג'אול. הסוללה יכולה לאחסן כמות גדולה של חשמל לאורך זמן וכמעט ללא אובדן.
