Capacitor ya umeme ni kifaa tulivu ambacho kinaweza kukusanya na kuhifadhi nishati ya umeme. Inajumuisha sahani mbili za conductive zinazotenganishwa na nyenzo za dielectric. Utumiaji wa uwezo wa umeme wa ishara tofauti kwa sahani za conductive husababisha kupatikana kwa malipo kwao, ambayo ni chanya kwenye sahani moja na hasi kwa nyingine. Katika hali hii, jumla ya malipo ni sifuri.
Makala haya yanajadili masuala ya historia na ufafanuzi wa uwezo wa capacitor.
Hadithi ya Uvumbuzi
Mnamo Oktoba 1745, mwanasayansi Mjerumani Ewald Georg von Kleist aligundua kuwa chaji ya umeme inaweza kuhifadhiwa ikiwa jenereta ya kielektroniki na kiasi fulani cha maji kwenye chombo cha glasi kiliunganishwa kwa kebo. Katika jaribio hili, mkono na maji ya von Kleist vilikuwa kondakta, na chombo cha kioo kilikuwa kizio cha umeme. Baada ya mwanasayansi kugusa waya wa chuma kwa mkono wake, kutokwa kwa nguvu kulitokea, ambayo ilikuwanguvu zaidi kuliko kutokwa kwa jenereta ya kielektroniki. Kama matokeo, von Kleist alihitimisha kuwa kulikuwa na nishati ya umeme iliyohifadhiwa.
Mnamo 1746, mwanafizikia wa Uholanzi Pieter van Muschenbroek alivumbua capacitor, ambayo aliiita chupa ya Leiden kwa heshima ya Chuo Kikuu cha Leiden ambako mwanasayansi huyo alifanya kazi. Daniel Gralat kisha aliongeza uwezo wa capacitor kwa kuunganisha chupa kadhaa za Leiden.
Mnamo 1749, Benjamin Franklin alichunguza capacitor ya Leyden na akafikia hitimisho kwamba chaji ya umeme haihifadhiwa ndani ya maji, kama ilivyoaminika hapo awali, lakini kwenye mpaka wa maji na glasi. Shukrani kwa ugunduzi wa Franklin, chupa za Leyden zilitengenezwa kwa kufunika ndani na nje ya vyombo vya kioo kwa sahani za chuma.
Maendeleo ya Viwanda
Neno "capacitor" lilianzishwa na Alessandro Volta mnamo 1782. Hapo awali, vifaa kama glasi, porcelaini, mica na karatasi wazi vilitumiwa kutengeneza vihami vya umeme vya capacitor. Kwa hivyo, mhandisi wa redio Guglielmo Marconi alitumia capacitors za porcelain kwa transmita zake, na kwa wapokeaji - capacitors ndogo na insulator ya mica, ambayo iligunduliwa mwaka wa 1909 - kabla ya Vita vya Kidunia vya pili, zilikuwa za kawaida zaidi nchini Marekani.
Capacitor ya kwanza ya elektroliti ilivumbuliwa mwaka wa 1896 na ilikuwa elektroliti yenye elektrodi za alumini. Ukuaji wa haraka wa vifaa vya elektroniki ulianza tu baada ya uvumbuzi mnamo 1950 wa miniature tantalum capacitor naelektroliti imara.
Wakati wa Vita vya Pili vya Dunia, kama matokeo ya maendeleo ya kemia ya plastiki, capacitors ilianza kuonekana, ambapo jukumu la insulator lilitolewa kwa filamu nyembamba za polima.
Mwishowe, katika miaka ya 50-60, sekta ya supercapacitors inakua, ambayo ina nyuso kadhaa za uendeshaji, kutokana na ambayo uwezo wa umeme wa capacitors huongezeka kwa amri 3 za ukubwa ikilinganishwa na thamani yake kwa capacitors ya kawaida.
Dhana ya uwezo wa capacitor
Chaji ya umeme iliyohifadhiwa kwenye bati ya capacitor inalingana na voltage ya sehemu ya umeme iliyopo kati ya sahani za kifaa. Katika kesi hiyo, mgawo wa uwiano huitwa capacitance ya umeme ya capacitor gorofa. Katika SI (Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo), uwezo wa umeme, kama kiasi cha kimwili, hupimwa kwa farads. Faradi moja ni uwezo wa umeme wa capacitor, voltage kati ya sahani ambayo ni volti 1 na chaji iliyohifadhiwa ya coulomb 1.
Uwezo wa umeme wa farad 1 ni mkubwa, na katika mazoezi katika uhandisi wa umeme na umeme, capacitors na capacitances ya utaratibu wa picofarad, nanofarad na microfarad hutumiwa kwa kawaida. Isipokuwa tu ni supercapacitors, ambayo inajumuisha kaboni iliyoamilishwa, ambayo huongeza eneo la kazi la kifaa. Zinaweza kufikia maelfu ya faradi na hutumiwa kuwasha mfano wa magari ya umeme.
Kwa hivyo, uwezo wa capacitor ni: C=Q1/(V1-V2). Hapa C-uwezo wa umeme, Q1 - chaji ya umeme iliyohifadhiwa kwenye sahani moja ya capacitor, V1-V2- tofauti kati ya uwezo wa umeme wa sahani.
Mchanganyiko wa uwezo wa kapacitor bapa ni: C=e0eS/d. Hapa e0na e ni mzunguko wa dielectric wa ulimwengu wote na mara kwa mara ya dielectric ya nyenzo ya insulator S ni eneo la sahani, d ni umbali kati ya sahani. Fomula hii inakuwezesha kuelewa jinsi uwezo wa capacitor utabadilika ikiwa utabadilisha nyenzo za insulator, umbali kati ya sahani au eneo lao.
Aina za dielectri zilizotumika
Kwa utengenezaji wa capacitor, aina mbalimbali za dielectrics hutumiwa. Maarufu zaidi ni haya yafuatayo:
- Hewa. Capacitors hizi ni sahani mbili za nyenzo za conductive, ambazo zinatenganishwa na safu ya hewa na kuwekwa kwenye kesi ya kioo. Uwezo wa umeme wa capacitors hewa ni ndogo. Kwa kawaida hutumika katika uhandisi wa redio.
- Mika. Sifa za mica (uwezo wa kujitenga katika karatasi nyembamba na kustahimili halijoto ya juu) zinafaa kwa matumizi yake kama vihami kwenye capacitors.
- Karatasi. Karatasi iliyopakwa nta au varnish hutumika kulinda dhidi ya kulowana.
Nishati Zilizohifadhiwa
Kadiri tofauti inayoweza kutokea kati ya vibao vya kapacitor inavyoongezeka, kifaa huhifadhi nishati ya umeme kutokana nauwepo wa uwanja wa umeme ndani yake. Ikiwa tofauti inayowezekana kati ya sahani itapungua, basi capacitor hutolewa, ikitoa nishati kwa mzunguko wa umeme.
Kihisabati, nishati ya umeme inayohifadhiwa katika aina kiholela ya capacitor inaweza kuonyeshwa kwa fomula ifuatayo: E=½C(V2-V 1)2, ambapo V2 na V1 ni za mwisho na za mwanzo. mkazo kati ya sahani.
Chaji na ondoa
Iwapo capacitor imeunganishwa kwenye saketi ya umeme yenye kipingamizi na chanzo fulani cha mkondo wa umeme, basi mkondo wa umeme utapita kwenye saketi na capacitor itaanza kuchaji. Mara tu inapochajiwa kikamilifu, mkondo wa umeme katika saketi utakoma.
Ikiwa capacitor ya chaji imeunganishwa kwa sambamba na kinzani, basi mkondo wa mkondo utatiririka kutoka bati moja hadi nyingine kupitia kinzani, ambacho kitaendelea hadi kifaa kizime kabisa. Katika hali hii, mwelekeo wa mkondo wa kutokeza utakuwa kinyume na mwelekeo wa mtiririko wa sasa wa umeme wakati kifaa kilikuwa kikichajiwa.
Kuchaji na kutoa capacitor hufuata utegemezi mkubwa wa muda. Kwa mfano, voltage kati ya sahani za capacitor wakati wa kutokwa hubadilika kulingana na formula ifuatayo: V (t)=Vie-t/(RC) , ambapo V i - voltage ya awali kwenye capacitor, R - upinzani wa umeme katika saketi, t - wakati wa kutokwa.
Kuchanganya katika saketi ya umeme
Ili kubainisha uwezo wa vidhibiti vinavyopatikana ndanimzunguko wa umeme, ikumbukwe kwamba wanaweza kuunganishwa kwa njia mbili tofauti:
- Muunganisho wa mfululizo: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Muunganisho sambamba: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - jumla ya uwezo wa n capacitors. Jumla ya uwezo wa umeme wa capacitors imedhamiriwa na fomula zinazofanana na misemo ya hisabati kwa upinzani wa jumla wa umeme, fomula tu ya unganisho la mfululizo wa vifaa ndio halali kwa unganisho sambamba wa vipingamizi na kinyume chake.
