Кондензатор

Електрични кондензатор (, према : збити, згуснути) део је (елемент) електричног струјног кола којем је основно својство способност складиштења енергије у облику електричнога набоја раздвојеног прикључењем електричнога напона између две проводне површине (електроде), међусобно одвојене непроводним слојем (електрични изолатор или диелектрик). Та се способност назива електрични капацитет. Кондензатор је електротехнички елемент, који може да сачува енергију у облику електричног поља између две електроде раздвојене изолатором (диелектриком).

Електрични капацитет кондензатора сразмеран је диелектричној пермитивности ε изолатора и то је већи што је већа површина електрода, те што је мањи размак међу њима. Тако на пример капацитет плочастог електричног кондензатора -{C}-:

где је: ε0 - диелектрична константа вакуума , εr - релативна диелектрична пермитивност, то јест релативна диелектрична константа која зависно од својствава материјала одређује колико ће пута капацитет кондензатора с неким диелектриком између плоча бити већи од капацитета кондензатора код којег се између плоча налази вакуум, ε - диелектрична пермитивност (или само пермитивности) материје, -{S}- - површина две једнако велике металне плоче и -{d}- - удаљеност између металних плоча.

Електрични кондензатори се разликују према врсти електричног изолатора (на пример ваздух, лискун, уље, папир, пластика, стакло, керамика), те по облику и изведби електрода. У неким се изведбама електроде могу помицати, чиме се мења електрични капацитет (променљиви кондензатори). Врло су великих електричних капацитета кондензатори с проводљивим раствором (електролитом), на граници које се уз електроду хемијски ствара врло танак изолацијски слој. На том се начелу темеље и електрохемијски кондензатори врло великих капацитета – суперкондензатори. Кондензатори се увелико користе у електричним струјним колима: од енергетских кола, преко осцилаторних кола за бежични пренос сигнала, до интегрисаних кола, где електрични кондензатор чини микрометарски танак непроводни слој између два проводна слоја полупроводника. Први описани електрични кондензатор, назван Лајденска боца (1745), својом способношћу складиштења електричне енергије подстакао је развој експеримената с електрицитетом, док је снажна искра настала његовим избијањем дала индикацију потенцијала тада новог облика енергије.Електрични кондензатор, "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.enciklopedija.hr, 2017.

Електрични кондензатор (у електротехници само кондензатор) спремник је статичког електрицитета и енергије електричног поља које настаје у простору између два електрично проводна тела због раздвајања електричног набоја. Карактеристична величина кондензатора је електрични капацитет -{C}- који се изражава у фарадима (-{F}-). Како је капацитет од 1 фарада врло велик, кондензатори који се сусрећу у пракси имају много мање капацитете, реда величине 1 -{pF}- – 10 -{mF}-. У електротехници и електроници (где је кондензатор пасивна компонента) постоји потреба за великим распоном капацитета и других радних својстава (пробојни напон, фактор губитака, толеранција, димензије, температурна стабилност), па се производе технолошки различите врсте кондензатора, на пример с фолијама од различитих полимера, керамички, електролитски и тако даље. За потребе подешавања осцилаторних кола, израђују се кондензатори промењивог капацитета, јер се уз непромењив индуктивитет променом капацитета мења резонантна фреквенција осцилаторног кола. Ови кондензатори могу бити намењени учесталом подешавању капацитета (на пример, за промену пријемне фреквенције у радиопријемнику), или за једнократно подешавање резонантне фреквенције осцилаторног кола – тада се називају полупроменљиви или тример-кондензатори. Електрични кондензатор чине два метална тела наелектрисана разноименим набојима истог износа.

У октобру 1745, Евалд Георг фон Флајст из Помераније, Немачка, открио је да се наелектрисање може ускладиштити повезујући високонапонски електростатички генератор жицом са водом у стакленој чаши. Фон Клајстова рука и вода су деловали као проводници, чаша као диелектрик (мада су детаљи механизма били некоректно идентификовани у то време). Фон Клајст је утврдио да је додиривање жице доводило од јаких варница, много јачих од оних које су добијене електростатичком машином. Наредне године, холандски физичар Питер ван Мушенбрук је изумео сличан кондензатор, који је он назвао Лајденском боцом, по Лајденском универзитету где је он радио. Он је исто тако био импресиониран снагом шока који је примио, пишући, „Ја не бих поднео други шок за краљевство Француске”.

Данијел Гралат је први паралелно комбиновао неколико боца ради повећања капацитета складиштења. Бенџамин Френклин је истраживао Лајденску боцу и дошао до закључка да је наелектрисање било ускладиштено на стаклу, не у води како су то други претпостављали. Он је исто тако користио термин „батерија”, (у смислу повећања моћи са редом сличних јединица као у батерији топова), што је накнадно примењено на кластере електрохемијских ћелија. Лајденске боце су касније прављене облагањем унутрашњости и спољашњости боце металном фолијом, изостављајући простор при врху да би се спречио настанак електричних лукова између фолија. Најранија јединица капацитивности је био џар, еквивалентан са око 1,11 нанофарада.

Лајденове боце или моћнији уређаји у којима се користе равне стаклене плоче наизменично са фолијским проводницима су ексклузивно кориштене до 1900-их, кад је изум бежичне телефоније (радија) створио потребу за стандардним кондензаторима, и стални помак ка вишим фреквенцијама је стварао потребу за кондензаторима са нижом индуктанцом. Дошло је до примене компактнијих метода конструкције, као што су флексибилне диелектричне плоче (попут науљеног папира) између плоча металне фолије, увијене или савијене у мали пакет.

Рани кондензатори су били познати као кондензери, термин који се повремено још увек користи у данашње време, посебно у високонапонским применама, као што су аутомобилски системи. Термин је први пут користио за ту сврху Алесандро Волта 1782. године, у смислу способности овог уређаја да складишти већу густину електричног наелектрисања него што је то могуће у изолованом проводнику. Термин има донекле двосмислено значење, ако се има у виду намена парног кондензатора.. C. Lockwood & son,

Од почетка изучавања електрицитета изолациони материјали попут стакла, порцелана, папира и лискуна, кориштени су као изолатори. Ти материјали су деценијама касније исто тако били веома подесни за даљу употребу као диелектрици за прве кондензаторе. Папирни кондензатори направљени у виду сендвича трака импрегнираног папира између трака од метала, и умотани у цилиндре су били у широкој употреби у касном 19. веку; њихова производња је почела 1876, и они су кориштени од раног 20. века као раздвајајући кондензатори у телекомуникацијама (телефонији).

Порцелан је кориштен у првим керамичким кондензаторима. У раним годинама Марконијевог бежичног трансмисионог апарата порцелански кондензатори су кориштени за високо-напонске и високо-фреквенционе сврхе у трансмиторима. На пријемничкој страни мањи лискунски кондензатори су кориштени за резонантна кола. Те диелектричне кондензаторе је измео Вилијам Дубилијер 1909. године. Пре Другог светског рата, лискун је био најзаступљенији диелектрик за кондензаторе у Сједињеним Државама.

Чарлс Полак (рођен Карол Полак), изумитељ је првих електролитичких кондензатора. Он је установио да су слојеви оксида на алуминијумској аноди остајали стабилни у неутралном или алкалном електролиту, чак и кад се напон искључи. Године 1896, њему је издат САД патент бр. 672,913 за „Електрични течни кондензатор са алуминијумским електродама”. Танталске кондензаторе са чврстим електролитом су изумеле Белове лабораторије почетком 1950-их као минијатурне и поузданије ниско-волтне кондензаторе који су били подесни за уклапање у кола са њиховим новоизумљеним транзисторима.

Са развојем пластичних материјала током Другог светског рата, индустрија кондензатора је почела да замењује папир са тањим полимерним филмовима. Један веома рани развој у области филмских кондензатора је описан у британском патенту 587,953 из 1944. године.

Последњи, али не мање важни, изумљени су електрични двослојни кондензатори (сад суперкондензатори). Године 1957 Х. Бекер је развио „нисконапонски електролитички кондензатор са порозним угљеничним електродама”.A brief history of supercapacitors AUTUMN 2007 Batteries & Energy Storage Technology Он је сматрао да је енергија била ускладиштена као наелектрисање у угљеничним порама коришћеним у његовом кондензатору, као у порама угравираних фолија електролитичких кондензатора. Пошто механизам двоструког слоја није био познат у то време, он је написао у патенту: „Није познато тачно шта се дешава у компоненти ако се користи за складиштење енергије, али доводи до изузетно великог капацитета”.

Енергија електричног поља наелектрисаног кондензатора

Кад се неком електричном проводнику доводе мали електрични набоји -{dQ}-, са сваким набојем расте количина електрицитета, а тиме и електрични потенцијал -{V}-. Тиме се енергија електричног поља наелектрисаног проводника може добити:

Како је електрични капацитет плочастог кондензатора:

онда је енергија плочастог кондензатора односно електричног поља:Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.

Идеални кондензатор

Напон на идеалном кондензатору, са капацитивношћу -{C}-, кроз који тече електрична струја -{i(t)}-, је:

Минус бесконачно у доњој граници интеграла значи, да је кондензатор нека врста једноставне меморије и да је његов напон зависан такође и од догађања пре тренутка почетка посматрања t=0. Инверзна једначина је:

Када се кондензатор прикључи на наизменични напон , према претходној једначини, кроз њега тече наизменична струја

Може се запажити да струја претходи напону за четвртину периода осцилације, тј. за .

Еквивалентна капацитивност неколико паралелно везаних идеалних кондензатора, једнака је збиру капацитивности тих кондензатора:

Код серијској везаних идеалних кондензатора, реципрочна вредност еквивалентне капацитивности једнака је збиру реципрочних вредности капацитивности појединих кондензатора:

Спајање кондензатора Електрични кондензатори се могу спајати у серију и паралелно. При паралелном спајању споје се међусобно све плус облоге појединих кондензатора и све минус облоге. Укупни електрични набој овакве комбинације једнак је збиру појединих кондензатора, па је:

Како је:

(; i tako dalje)

добија се:

Из тога следи ако се цела једначина подели са -{U}-:

При паралелном споју електричних кондензатора укупни електрични капацитет комбинације једнак је збиру капацитета појединих кондензатора.

При серијском спајању споји се минус пол једног кондензатора с плус полом другог кондензатора. Електрични напони који ће владати између крајева појединих кондензатора одређени су капацитетом кондензатора и величином набоја. Збир тих појединих падова напона мора бити једнак укупном електричном напону -{U}- извора струје, то јест:

како је:

( и тако даље)

то је:

и одатле излази:

Кондензатор

Źródło i licencja