พลังงานของตัวเก็บประจุที่มีประจุ การใช้ตัวเก็บประจุ

โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม พวกมันนำไฟฟ้าได้เพราะมีตัวพาอิเล็กตรอนอิสระที่ไม่มีประจุไฟฟ้า และหากมีการสร้างความต่างศักย์ที่ปลายเช่นลวดทองแดงด้วยความช่วยเหลือของแหล่งคงที่ของ EMF กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในลวดดังกล่าว - อิเล็กตรอนจะมาจากขั้วลบของ EMF แหล่งที่มา - ไปยังขั้วบวก

ในทางตรงกันข้ามไดอิเล็กตริกไม่ใช่ตัวนำกระแสไฟฟ้าเนื่องจากไม่มีประจุไฟฟ้าอยู่ในตัว พาหะประจุบวกและลบในไดอิเล็กตริกเชื่อมต่อกันและก่อตัวเป็นไดโพลไฟฟ้า ซึ่งในสนามไฟฟ้าภายนอกสามารถหมุนได้เท่านั้น แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่แบบแปลได้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า

เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้: ความแตกต่างระหว่างโลหะและไดอิเล็กตริก และ ทำไมไดอิเล็กตริกจึงไม่นำไฟฟ้า

ยกตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนของอิเล็กทริกในรูปของท่อพีวีซี (โพลิไวนิลคลอไรด์เป็นไดอิเล็กตริก)ปิดผิวด้านนอกของท่อด้วยฟิล์มยึดและห่อด้วยกระดาษฟอยล์ที่ยับยู่ยี่ด้านในเพื่อให้สัมผัสกับผนังด้านในของท่อโดยรอบ

ถ้าตอนนี้เราใช้แหล่ง EMF พูดว่า แบตเตอรี่ 24โวลต์และต่อเข้ากับขั้วลบเข้ากับฟอยล์ด้านในและขั้วบวกออกด้านนอก จากนั้น ทั้งสองส่วนของฟอยล์จะได้รับประจุสัญญาณที่แตกต่างกันจากแบตเตอรี่และสนามไฟฟ้าที่ส่งจากด้านนอกจากด้านในจะ กระทำในผนังท่อพีวีซีทั้งปริมาตร

ดังนั้น ในสนามไฟฟ้านี้ โมเลกุลไดอิเล็กตริก (PVC) จะหมุนตัวและปรับทิศทางตามสนามไฟฟ้าภายนอก — อิเล็กทริกถูกโพลาไรซ์ เพื่อให้โมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของมันหันด้านลบออกไปด้านนอก ตามลำดับ ไปยังขั้วไฟฟ้าบวก มาถอดแบตเตอรี่กันเถอะ

ประจุบวกยังคงอยู่ที่ฟอยล์ด้านนอก เนื่องจากยังคงถูกยึดไว้โดยด้านที่มีประจุลบของโมเลกุล PVC ที่หันออกด้านนอก และประจุลบจะอยู่ด้านใน เนื่องจากถูกยึดไว้โดยด้านบวกของโมเลกุลไดอิเล็กตริก ซึ่งได้หัน ด้านใน ทุกอย่างเกิดขึ้นตามกฎของไฟฟ้าสถิต

หากคุณปิดส่วนด้านนอกและด้านในของฟอยล์ด้วยคีม ในขณะที่ปิด คุณจะสังเกตเห็นประกายไฟเล็กๆ: ประจุตรงข้ามจากแผ่นจะดึงดูดซึ่งกันและกันและทำให้เกิดกระแสผ่านลวด (แหนบ) และอิเล็กทริก กลับคืนสู่สภาพที่เป็นกลางดังเดิม

กล่าวได้อย่างปลอดภัยว่าในอุปกรณ์นี้ประกอบด้วยท่ออิเล็กทริกและแผ่นฟอยล์สองแผ่น เมื่อต่อแบตเตอรี่เข้ากับแบตเตอรี่ จะเกิดการสะสมของ พลังงานไฟฟ้า.

อุปกรณ์ที่มีการกำหนดค่าคล้ายกันเรียกว่า - ไดอิเล็กตริกที่ปิดอยู่ระหว่างแผ่นนำไฟฟ้าที่แยกออกจากกัน ตัวเก็บประจุไฟฟ้า.

มันน่าสนใจ:ตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ - ความแตกต่างคืออะไร?

ในอดีต ตัวเก็บประจุต้นแบบตัวแรกคือ Leiden Bank ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1745 ในเมือง Leiden โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Ewald Jürgen von Kleist และอิสระโดย Peter van Muschenbrück นักฟิสิกส์ชาวดัตช์

พลังงานของตัวเก็บประจุที่มีประจุขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า (ความต่างศักย์ระหว่างเพลต) ซึ่งประจุนั้นถูกประจุ เนื่องจากเรากำลังพูดถึงพลังงานศักย์ของประจุตรงข้ามบนเพลตที่แยกออกจากกัน

ดังนั้นพลังงานนี้จึงเท่ากับงานที่สนามไฟฟ้าของประจุเหล่านี้จะทำเมื่อพวกมันดึงดูดซึ่งกันและกัน (หรือที่แหล่งกำเนิดทำเมื่อพวกมันถูกแยกออกจากกันระหว่างการชาร์จตัวเก็บประจุ) งานเบื้องต้นในการเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้าส่วนมูลฐานจากจานหนึ่งไปอีกจานหนึ่งมีค่าเท่ากับ:

ตัวเก็บประจุที่มีการกำหนดค่าต่างกัน เมื่อชาร์จด้วยประจุเท่ากัน จะพบความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเพลต อาจกล่าวได้ว่าสำหรับตัวเก็บประจุที่แตกต่างกัน แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันที่ใช้กับเพลตจะส่งผลให้มีประจุไฟฟ้าที่แตกต่างกันในเชิงปริมาณ

ในทางปฏิบัติ หมายความว่าตัวเก็บประจุแต่ละตัวมีค่าคงที่ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของตัวเก็บประจุนั้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกำหนดค่า รูปร่างของแผ่น ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของไดอิเล็กตริก เป็นต้น พารามิเตอร์นี้เรียกว่า ความจุไฟฟ้า C. ประจุบนตัวเก็บประจุ q เกี่ยวข้องกับความต่างศักย์ระหว่างเพลต U ดังนี้

ดังนั้น นิพจน์สำหรับพลังงานทั้งหมดของตัวเก็บประจุที่มีประจุ เมื่อรวมเข้าด้วยกันแล้ว สามารถเขียนได้ดังนี้:

ทุกวันนี้ ตัวเก็บประจุถูกนำมาใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ: เป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้า, เป็นตัวกรองสำหรับปรับคลื่นให้เรียบในแหล่งจ่ายไฟ, ระหว่างการควบคุมวงจร RC ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, ในอุปกรณ์ชดเชยพลังงานปฏิกิริยา, ในการติดตั้งแบบเหนี่ยวนำและอุปกรณ์วิทยุเป็นส่วนหนึ่ง ของวงจรสั่น, ในเครื่องกำเนิดพัลส์ทรงพลัง, ในเครื่องเร่งแม่เหล็กไฟฟ้า, ในเครื่องวัดความชื้นในอากาศ ฯลฯ

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมดูที่นี่:ทำไมตัวเก็บประจุถึงใช้ในวงจรไฟฟ้า?