Site Loader

Содержание

Энергия конденсатора, теория и примеры

Определение и общие сведения о энергии конденсатора

В том случае, если обкладки заряженного конденсатора замыкают при помощи проводника, то в проводнике появляется электрический ток, и через некоторое время конденсатор разряжается. При прохождении тока по проводнику выделяется некоторое количество теплоты, следовательно, конденсатор, обладающий зарядом, имеет энергию.

Определим энергию заряженного конденсатора. Будем считать, что конденсатор заряжают и этот процесс происходит очень медленно. Мгновенное значение напряжения между его обкладками обозначим как u. Так как процесс зарядки считаем квазистатическим, между обкладками увеличивается бесконечно медленно. Тогда потенциал каждой обкладки в каждый момент времени можно считать одинаковым в любом месте обкладки. При увеличении заряда обкладки на величину dq, совершается внешняя работа (работа источника) равная :

   

Используем формулу, которая связывает заряд, емкость и напряжение, получим:

   

В том случае, если емкость не зависит от напряжения электрического поля, то работа идет на увеличение энергии конденсатора (dW).

Проинтегрируем выражение (2), учитывая, что напряжение изменяется от 0 до величины U, имеем:

   

Применяя формулу:

   

выражение для энергии поля конденсатора можно преобразовать к виду:

   

Именно благодаря своей способности запасать энергию, конденсаторы имеют большое значение в радиотехнике и электронике.

Энергия поля плоского конденсатора

Напряжение между обкладками плоского конденсатора может быть найдено как:

   

где d — расстояние между пластинами конденсатора. Учитывая, что для плоского конденсатора емкость определена выражением:

   

имеем:

   

где – объем конденсатора; E – напряженность электрического поля в конденсаторе. Объемная плотность энергии (w) может быть найдена как:

   

Примеры решения задач

Конденсатора энергия — Справочник химика 21

    Свободная энергия, связанная с размещением зарядов на поверхности, будет положительным вкладом в свободную энергию двойного слоя, подобно свободной энергии заряженного конденсатора (энергии, требующейся для его зарядки).[c.18]

    В идеальном конденсаторе энергия не рассеивается, ток емкостный и угол сдвига фаз между напряжением и током ф составляет 90°. При наличии потерь угол сдвига между напряжением и током уменьшается на величину угла диэлектрических потерь б, который представляет собой угол сдвига фаз между векторами тока и его емкостной составляющей в находящемся нод переменным напряжением диэлектрике 

[c.56]


    Одним из первых высокочастотных источников была катушка Тесла с механическим вибратором, с выхода которой снимается высокочастотное напряжение около 50 кВ. Разрядник включает в себя индуктивность, намотанную на стеклянную или кварцевую трубку, внутри которой находится газообразный образец. После возникновения разряда эта индуктивность играет ту же роль, что и в обычной цепи с искровым разрядом, возникающим при разрядке конденсатора. Энергию, выделяющуюся в разряде, можно контролировать, изменяя длину разрядного промежутка.
С увеличением мощности, потребляемой разрядом, испускаемый спектр изменяется от молекулярного, имеющего вид полос, до [c.93]

    Запасенная в конденсаторе энергия определяется из выражения (166). Для ведения исследований используется набор воздушных [c.113]

    Двойной электрический слой, как было показано ранее,, является конденсатором. Энергия конденсатора определяется уравнением 

[c.59]

    Запасенная в конденсаторе энергия определяется пз выражения (3-8). Для ведения исследований используется набор воздушных или фторопластовых конденсаторов различной емкости 0,025, 0,01 0,002 0,0008 0,0004 0,0002 0,0001 0,00005. л К5(5, которые рассчитаны на рабочее напряжение не менее 8—10 ке- [c.102]

    Простейший способ определения pH со стеклянным электродом, обладающим очень высоким сопротивлением, основан на разряде конденсатора через баллистический гальванометр . Конденсатор предварительно заряжают от стеклянного электрода.

Количество запасенной конденсатором энергии будет определяться его емкостью и потенциалом, до которого он заряжен. Если емкость остается постоянной, то по количеству запасенной в конденсаторе энергии можно судить о напряжении источника, от которого был заряжен конденсатор, т. е. о напряжении между стеклянным электродом и электродом сравнения. Это напряжение и характеризует pH раствора. Однако такой метод определения pH не нашел широкого применения из-за большой постоянной времени зарядки конденсатора от источника токае высоким сопротивлением (стеклянный электрод) и из-за сравнительно небольшой точности, что объясняется несовершенством сопротивления изоляции конденсатора, т. е. существованием тока утечки. [c.303]

    Известно, что при замыкании обкладок заряженного конденсатора энергия конденсатора расходуется на нагрев сопротивления. В величину сопротивления входит внешнее, на которое замкнут конденсатор, и его внутреннее активное сопротивление (обкладки, выводы, потери в диэлектрике). В момент пробоя, проходящий по обкладкам ток короткого замыкания, плотность которого возрастает по мере приближения к точке короткого замыкания, выделяет в местах наибольшей плотности тока достаточное количество тепла для расплавления и частичного испарения тонкого слоя металла на некоторой площади вокруг пробоя. [c.163]


    Как показала обработка спектрограмм излучения безэлектродных ламп, в условиях разряда, приведенных под № 18 таблицы, нз запасенной в конденсаторе энергии 1225 дж в энергию излучения в области Я=2504-550 нм переходит 117 дж. [c.88]

    Молекулы газа в объеме конденсатора, энергия которых меньше энергии окружающих их остальных молекул парогазовой смеси, назовем активными молекулами. Согласно принципу Кеезома молекула с большей энергией поляризует молекулу с меньшей энергией при этом положительный конец индуцированного диполя молекулы с меньшей энергией всегда находится у молекулы с большей энергией.

Поэтому далее будем называть молекулу с недостающей энергией — положительно активной, а молекулу с избыточной энергией — отрицательно активной. [c.109]

    Емкость конденсатора Сс в схеме на рис. 25,г должна быть не больше 60 пф. Чрезмерное увеличение ее приводит к паразитной генерации. Процесс самовозбуждения происходит следующим образом. Конденсатор Сс через резистор Яс и выходное сопротивление источника запускающих импульсов, присоединенного к входным зажимам, заряжается от источника питания о- При значительной емкости конденсатора Сс (после достижения на нем иапряжения иа.е), запасенной конденсатором энергия, может оказаться достаточно, чтобы развить в промежутке сетка — катод пусковой ток, зажигающий анодный промежуток. Тиратрон при этом зажжется, конденсатор Сс разрядится и процесс повторится снова. 

[c.48]

    При зарядке конденсатора повышается напряжение на дополнительном разрядном промежутке — разряднике. Когда наступит его пробой и короткое замыкание разрядом, то все напряжение сос )( доточится на аналитическом промежутке, так как сопротивление или индуктивность не пропустят токи большой силы и частоты. Аналитический и разрядный промежутки выбирают такими, чтобы пробивное напряжение для аналитического промежутка было меньше, чем на разрядном. Поэтому разряд практически происходит на обоих промежутках одновременно. Когда запасенная конденсатором энергия израсходуется, разряд прекращается, конденсатор снова заряжается и весь процесс повторяется снова. 

[c.660]

    Создание высокотемпературного сверхпроводящего материала на основе висмут-оксидной керамики представляется весьма актуальным для создания компьютерных томофафов, новых типов кардиофафов, малых циклотронов, малогабаритных электрических устройств, различных электрических устройств на переменном токе, конденсаторов энергии, компьютеров нового поколения, ускорителей, транспорта на воздушной подушке, электропроводящих линий и др. Одно это перечисление стимулирует многих исследователей продолжать усилия в разработке эффективных ВьВТСП. 

[c.243]

    В толще образца взрывалась металлическая проволочка (или полоска) путем подклкчения ее к мощной батарее электрических конденсаторов. Энергия взрыва составляла 0,5-0,8 КП.Ж. [c.121]


Энергия заряженного конденсатора | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

В заряженном конденсаторе обкладки име­ют разноименные заряды и взаимодейст­вуют между собой благодаря электричес­кому полю, которое сосредоточено в прост­ранстве между обкладками. О телах, между которыми существует взаимодействие, гово­рят, что они имеют потенциальную энер­гию. Следовательно, можно говорить и об

энергии заряженного конденсатора.

Обкладки заряженного конден­сатора взаимодействуют между собой.

Наличие энергии у заряженного конден­сатора можно подтвердить опытами.

Возьмем конденсатор достаточно боль­шой емкости, источник тока, лампочку на­кала и составим электрическую цепь, схема которой изображена на рис. 4.82. Переведем переключатель S в положение 1 и зарядим конденсатор до определенной разности по­тенциалов от источника GB. Если после этого перевести переключатель в положение 2, то можно наблюдать кратковременную вспышку света вследствие накала нити лам­почки. Наблюдаемое явление можно объяс­нить тем, что заряженный конденсатор имел энергию, за счет которой была выполнена работа по накалу спирали лампочки.

Рис. 4.82. Схема опыта, который пока­зывает наличие энергии в заряженном конденсаторе
Рис. 4.83. Изменение заряда конденса­тора при его зарядке

В соответствии с законом сохранения энер­гии работа, выполненная при разрядке кон­денсатора, равняется работе, выполненной при его зарядке. Расчет этой работы и, соответственно, потенциальной энергии кон­денсатора осложнен особенностями процес­са зарядки конденсатора. Пластины его за­ряжаются и разряжаются постепенно. Зави­симость заряда Q конденсатора от времени при зарядке показана на графике (рис. 4.83). Заряд не только увеличивается постепенно, но и скорость его изменения не остается постоянной. Итак, вести расчеты на осно­вании формулы A = qEd нельзя, поскольку напряженность электрического поля не остается постоянной. Разность потенциалов также изменяется от нуля до максимально­го значения. На рис. 4.84 показано, что разность потенциалов изменяется про­порционально заряду конденсатора. Такая зависимость характерна для силы упругос­ти, которая зависит от удлинения пружины (рис. 4.85).

Воспользовавшись таким подобием, мож­но сделать вывод, что энергия заряженного конденсатора будет равна

W = QΔφ / 2. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 4.84. К вычислению работы элект­рического поля
Рис. 4.85. К вычислению работы силы упругости

Эта энергия равна работе по зарядке конденсатора, которая численно равна пло­щади заштрихованного треугольника на гра­фике рис. 4.84.

Учитывая, что Q = CΔφ, получим

W = C(Δφ)2 / 2.

А если учесть связь разности потенциалов с зарядом Δφ = Q / C, то потенциальная энер­гия конденсатора может быть вычислена по формуле

W = (Q / 2) • (Q / C) = Q2 / 2C.

На этой странице материал по темам:
  • Энергия заряженного конденсатора шпора

  • Энергия заряженного конденсатора краткий конспект

  • Каково происхождение тнергии заояжееного конженсатора

  • Какие физические величины определяют энергию конденсатора

  • Вывод формулы энергии заряженного конденсатора q2/2c

Вопросы по этому материалу:
  • Почему заряженный конденсатор имеет энергию?

  • Каково происхождение энергии конденсатора?

  • Какова особенность процесса зарядки конденсатора?

  • Как определить энергию конденсатора с помощью графика?

  • Какие физические величины определяют энергию конденсатора?

Энергия заряженного конденсатора.

Применение конденсаторов

Любая система заряженных тел (в частности конденсатор) обладает определенной энергией. В одном из прошлых уроков мы рассматривали пример, в котором конденсатор сначала накопил заряд, заряжаясь от источника тока, а потом — разрядился, когда к нему подключили лампочку. Поскольку лампочка излучала тепло и свет, конденсатор обладал некоторой энергией. Давайте вычислим энергию конденсатора.

 Как мы помним, одна из пластин конденсатора заряжена отрицательно, а другая — положительно. Это значит, что напряженности, создаваемые обеими пластинами сонаправлены. По принципу суперпозиции, напряженность поля внутри конденсатора складывается из напряженностей, создаваемых каждой пластиной:

Поскольку модули зарядов равны, напряженность, созданная любой пластиной, равна половине напряженности поля внутри конденсатора:

Применим теперь формулу, по которой вычисляется потенциальная энергия заряженного тела в однородном поле:

Как мы знаем, произведение напряженности и расстояния между пластинами равно напряжению между пластинами конденсатора. По закону сохранения энергии, именно эта энергия была затрачена на разделение положительных и отрицательных зарядов в процессе зарядки конденсатора. Заметим, что мы можем выразить энергию конденсатора через его электроемкость. Вместо заряда мы можем подставить произведение напряжения и электроемкости:

Аналогично, мы можем вместо напряжения подставить отношение заряда к электроемкости:

Данные формулы справедливы для любого конденсатора.

Как мы уже говорили ранее, конденсаторы широко используются в радиотехнике. Конденсатор с переменной электроемкостью имеет подвижную часть (то есть ротор).

Вращая ротор можно изменять площадь перекрытия пластин конденсатора, а это приводит к изменению электроемкости. Таким образом, с помощью конденсаторов с переменной емкостью, можно настраиваться на определенные частоты радиоволн. Еще один пример использования конденсаторов с переменной емкостью — это клавиатура. Пластины конденсатора располагаются на тыльной стороне клавиши и на плате.

Таким образом, при нажатии на клавишу, меняется расстояние между пластинами. Это приводит к изменению электроемкости конденсатора, на которое реагирует микросхема клавиатуры. Далее, микросхема преобразует сигнал в соответствующий код, который передается компьютеру.

Надо сказать, что энергия конденсатора довольно мала, да и сохраняется она не очень хорошо из-за утечки заряда. Поэтому, конечно, конденсаторы не могут заменить аккумуляторы. Тем не менее, и у конденсаторов с постоянной емкостью есть одно очень полезное свойство: они могут долго накапливать энергию, но отдают ее практически мгновенно. Лампа-вспышка, которая используется в некоторых типах фотоаппаратов, питается энергией конденсатора. Часто используется ксеноновая лампа-вспышка, которая представляет собой запаянную трубку из кварцевого стекла.

В каждый конец лампы впаяны два электрода, подключенные к электролитическому конденсатору большой емкости. Также в лампе есть еще один электрод, который называется поджигающим. Он может представлять собой проволоку, намотанную вокруг трубки лампы или металлизированную дорожку вдоль стенки лампы. На этот электрод подается импульс высокого напряжения, который приводит к ионизации газа внутри газоразрядной трубки.

В результате, конденсатор быстро разряжается, то есть его электрическая энергия преобразуется в световую. В свою очередь, газоразрядная трубка возбуждает лазеры, которые и осуществляют фотосъемку. Конечно, нужно понимать, что это весьма упрощенное объяснение работы фотоаппарата.

Пример решения задачи.

Задача. Изначально напряжение между обкладками конденсатора с емкостью 100 нФ составляет 300 В. Если к нему подключить лампочку, рассчитанную на ток в 30 мА, то она прогорит 2 с. Каково сопротивление данной лампочки? Потерями энергии в цепи можно пренебречь.

§ 2.

Энергия конденсатора. Силы, действующие на заряженные проводники

Рассмотрим теперь энергию, требуемую на то, чтоб зарядить конденсатор. Если заряд Q был снят с одной обкладки конденсатора и перенесен на другую, то между обкладками возникает разность потенциалов, равная

(8.8)

где С — емкость конденсатора. Сколько работы затрачено на зарядку конденсатора? Поступая точно так же, как мы поступали с шаром, вообразим, что конденсатор уже заряжен переносом заряда с одной обкладки на другую маленькими порциями dQ. Работа, требуемая для переноса заряда dQ, равна

Взяв V из (8.8), напишем

Или, интегрируя от Q=0 до конечного заряда Q, получаем

(8.9)

Эту энергию можно также записать в виде

(8.10)

Вспоминая, что емкость проводящей сферы (по отношению к бесконечности) равна

мы немедленно получим из уравнения (8.9) энергию заряженной сферы

(8. 11)

Это выражение, конечно, относится также и к энергии тонкого сферического слоя с полным зарядом Q; получается 5/6 энергии однородно заряженного шара [уравнение (8.7)].

Посмотрим, как применяется понятие электростатической энергии. Рассмотрим два вопроса. Какова сила, действующая между обкладками конденсатора? Какой вращательный (крутящий) момент вокруг некоторой оси испытывает заряженный проводник в присутствии другого проводника с противоположным зарядом? На такие вопросы легко ответить, пользуясь нашим выражением (8.9) для электростатической энергии конденсатора и принципом виртуальной работы (см. вып. 1, гл. 4, 13 и 14).

Применим этот метод для определения силы, действующей между двумя обкладками плоского конденсатора. Если мы представим, что промежуток между пластинами расширился на небольшую величину ?z, то тогда механическая работа, производимая извне для того, чтобы раздвинуть обкладки, была бы равна

(8. 12)

где F — сила, действующая между обкладками. Эта работа обязана быть равной изменению электростатической энергии конденсатора, если только заряд конденсатора не изменился.

Согласно уравнению (8.9), энергия конденсатора первоначально была равна

Изменение в энергии (если мы не допускаем изменения величины заряда) тогда равно

(8.13)

Приравнивая (8.12) и (8.13), получаем

(8.14)

что может также быть записано в виде

(8.15)

Ясно, эта сила здесь возникает от притяжения зарядов на обкладках; мы видим, однако, что заботиться о том, как там они распределены, нам нечего; единственное, что нам нужно, — это учесть емкость С.

Легко понять, как обобщить эту идею на проводники произвольной формы и на прочие составляющие силы. Заменим в уравнении (8.14) F той составляющей, которая нас интересует, а ?z — малым смещением в соответствующем направлении. Или если у нас есть электрод, насаженный на какую-то ось, и мы хотим знать вращательный момент ?, то запишем виртуальную работу в виде

где ?? — небольшой угловой поворот. Конечно, теперь ?(1/C) должно быть изменением 1/С, отвечающим повороту на ??. Таким способом мы можем определить вращательный момент, действующий на подвижные пластины переменного конденсатора, показанного на фиг. 8.3.

Фиг. 8.3. Чему равен вращательный момент, действующий на переменный конденсатор?

Вернемся к частному случаю плоского конденсатора; мы можем взять формулу для емкости, выведенную в гл. 6:

(8.16)

где А—площадь каждой обкладки. Если промежуток увеличится на ?z, то

Из (8.14) тогда следует, что сила притяжения между двумя обкладками равна

(8.17)

Взглянем на уравнение (8.17) повнимательнее и подумаем, нельзя ли сказать, как возникает эта сила. Если заряд на одной из обкладок мы запишем в виде

то (8.17) можно будет переписать так:

Или поскольку поле между пластинами равно

то

(8.18)

Можно было сразу догадаться, что сила, действующая на одну из пластин, будет равна заряду Q этой пластины, умноженному на поле, действующее на заряд. Но что удивляет, так это множитель 1/2. Дело в том, что Е0 —это не то поле, которое действует на заряды. Если вообразить, что заряд на поверхности пластины занимает какой-то тонкий слой (фиг. 8.4), то поле будет меняться от нуля на внутренней границе слоя до Е0 в пространстве снаружи пластин. Среднее поле, действующее на поверхностные заряды, равно Е0/2. Вот отчего в (8.18) стоит множитель 1/2.

Фиг. 8.4. Поле у поверхности проводника меняется от нуля до E0=?/?0, когда пересечен слой поверхностного заряда. 1 — проводящая пластина; 2 — слой поверхностного заряда.

Вы должны обратить внимание на то, что, рассчитывая виртуальную работу, мы предположили, что заряд конденсатора постоянен, что конденсатор не был электрически связан с другими предметами и полный заряд не мог изменяться.

А теперь пусть мы предположили, что при виртуальных перемещениях конденсатор поддерживается при постоянной разности потенциалов. Тогда мы должны были бы взять

и вместо (8.15) мы бы имели

что приводит к силе, равной по величине той, что была получена в уравнении (8.15) (так как V=Q/C), но с противоположным знаком!

Конечно, сила, действующая между пластинами конденсатора, не меняет свой знак, когда мы отсоединяем конденсатор от источника электричества. Кроме того, мы знаем, что две пластины с разноименными электрическими зарядами должны притягиваться. Принцип виртуальной работы во втором случае был применен неправильно, мы не приняли во внимание виртуальную работу, производимую источником, заряжающим конденсатор. Это значит, что для того, чтобы удержать потенциал при постоянном значении V, когда меняется емкость, источник электричества должен снабдить конденсатор зарядом V?C. Но этот заряд поступает при потенциале V, так что работа, выполняемая электрической системой, удерживающей заряд постоянным, равна V2?C. Механическая работа F?z плюс эта электрическая работа V2?C вместе приводят к изменению полной энергии конденсатора на 1/2V2?C. Поэтому на механическую работу, как и прежде, приходится F?z=-1/2 V2?C.

Энергия конденсатора и его емкость

Если два заряда сообщить двум изолированным проводникам, то между ними возникнет так называемая разность потенциалов, которая зависит от величины этих зарядов и от геометрии проводников. В том случае, если заряды одинаковы по величине, но противоположны по своему знаку, можно ввести определение электрической емкости, из которой потом можно получить такое понятие, как энергия конденсатора. Электрическая емкость системы, состоящей из двух проводников, это отношение одного из зарядов к разности потенциалов между данными проводниками.

Энергия конденсатора напрямую зависит от емкости. Можно определить с помощью расчетов это соотношение. Энергия конденсатора (формула) будет представлена цепочкой:

W= (C*U*U)/2 = (q*q)/(2*C) = q*U/2 , где W- энергия конденсатора, С- емкость, U- разность потенциалов между двумя пластинками (напряжение), q- значение величины заряда.

Значение величины электрической емкости зависит от размеров и формы данного проводника и от диэлектрика, который разделяет эти проводники. Систему, при которой электрическое поле сосредоточено (локализировано) только в некоторой области, называют конденсатором. Проводники, которые составляют это устройство, носят название обкладок. Это простейшая конструкция так называемого плоского конденсатора.

Самый простое устройство – это две плоские пластины, обладающие способностью проводить электрический ток. Данные обкладки расположены параллельно на некотором (сравнительно маленьком) расстоянии друг от друга и разделены слоем определенного диэлектрика. Энергия поля конденсатора в таком случае будет локализирована в основном между пластинами. Однако возле краев обкладок и в некотором окружающем пространстве все же возникнет достаточно слабое излучение. Его называют в литературе полем рассеяния. В большинстве случаев принято пренебрегать им и полагать, что вся энергия конденсатора расположена полностью между обкладками. Но в некоторых случаях его все же учитывают (в основном это случаи использования микроемкостей или, наоборот, сверхъемкостей).

Электрическая емкость (следовательно, энергия конденсатора) напрямую зависит от пластин. Если посмотреть на формулу C= E0*S/d, где C- ёмкость, E0- величина значения такого параметра, как диэлектрическая проницаемость (в данном случае вакуума) и d- значение расстояния между пластинами, то можно сделать определенный вывод, что емкость такого плоского конденсатора будет обратно пропорциональна величине значения расстояния между этими пластинами и прямо пропорциональна их площади. Если же пространство между обкладками заполнить каким-то определенным диэлектриком, то энергия конденсатора и его емкость увеличатся в E раз (E в данном случае — диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, теперь можно выразить и формулу потенциальной энергии, которая накапливается между двумя обкладками (пластинами) конденсатора: W=q*E*d. Однако гораздо проще выражать понятие «энергия конденсатора» через емкость: W=(C*U*U)/2.

Формулы параллельного и последовательного соединения остаются верными при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

Задача В21. Чему равна энергия конденсатора емкостью 10 мкФ

Задача В21. Чему равна энергия конденсатора емкостью 10 мкФ (рис. 237)? ЭДС источника тока 4 В, внутреннее сопротивление 1 Ом, сопротивления резисторов 10 Ом.

Обозначим С емкость конденсатора, — ЭДС источника тока, r — внутреннее сопротивление, R — внешнее сопротивление, W — энергию конденсатора, U — напряжение на конденсаторе.

Решение:

Если мы сумеем найти напряжение U на конденсаторе, то его энергию определим по формуле

Напряжение на конденсаторе такое же, как и на резисторе, к которому он подключен параллельно. Но напряжение на этом резисторе U = IR, где по закону Ома для всей цепи

С учетом этого .

Подставив правую часть этого выражения в первую формулу, получим:

Ответ: мкДж.

Эта задача взята со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:

Задачи по физике с решением

Возможно вам будут полезны эти задачи:

Задача В19. Сопротивление медного проводника 0,2 Ом, его масса 0,2 кг, плотность меди 8900 кг/м3. Определить площадь поперечного сечения проводника.
Задача В20. Длина медного проводника 300 м, напряжение на его концах 36 В, концентрация электронов проводимости в проводнике . Определить среднюю скорость упорядоченного движения электронов в этом проводнике.
Задача В22. На рис. 238 изображена схема электрической цепи. Когда ключ К разомкнут, вольтметр показывает 4 В, а когда ключ К замкнут, вольтметр показывает 3,8 В. Сопротивление резистора 2 Ом. Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?
Задача В23. Электрическая цепь состоит из источника тока и лампы с последовательно подключенным к ней амперметром и параллельно вольтметром (рис. 239). Вольтметр показывает напряжение 4 В, а амперметр силу тока 2 А. ЭДС источника тока 5 В. Найти внутреннее сопротивление источника тока. Обозначим U напряжение на лампе, I — силу тока в ней, — ЭДС источника тока, i— внутреннее сопротивление источника тока, R — сопротивление лампы.

Энергия конденсатора — AP Physics 2

Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже. Если университетские наставники примут меры в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как так как ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылку на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

 

Энергия, запасенная в конденсаторе

Пример 6.4: Энергия, запасенная в конденсаторе
Следующая: Электрический ток Вверх: Емкость Предыдущий: Пример 6. 3: Эквивалентная емкость Вопрос: Плоский конденсатор с воздушным наполнением имеет емкость пФ. потенциал Напряжение 100 В подается на пластины, находящиеся на расстоянии см друг от друга, с помощью аккумуляторная батарея. Какая энергия запасена в конденсаторе? Предположим, что аккумулятор отключается, а пластины перемещаются до см отдельно. Какая теперь энергия запасена в конденсаторе? Предположим вместо этого, что батарея остается подключенной, а пластины снова перемещаются до тех пор, пока они не см друг от друга.Какая энергия запасается в конденсаторе в этом случае?

Ответ: Начальная энергия, запасенная в конденсатор


При увеличении расстояния между пластинами в два раза емкость конденсатора уменьшается вдвое до пФ. Если аккумулятор отключен, то этот процесс происходит при постоянном заряде. Таким образом, следует из формула


что энергия, запасенная в конденсаторе, удваивается.Итак новая энергия J. Кстати, повышенная энергия конденсатора приходится на работу, совершаемую при вытягивании пластины конденсатора врозь (поскольку эти пластины заряжены противоположно, они притягиваются друг к другу).

Если аккумулятор оставить подключенным, то емкость по-прежнему уменьшается вдвое, но теперь процесс протекает при постоянном напряжении. Это следует из формула


что энергия, запасенная в конденсаторе, уменьшается вдвое. Итак, новая энергия Дж.Кстати, энергия потеряна конденсатором отдается аккумулятору (фактически идет на подзарядку батарея). Аналогично, работа, совершаемая при разъединении пластин, равна также отдано аккумулятору.

Следующая: Электрический ток Вверх: Емкость Предыдущий: Пример 6.3: Эквивалентная емкость
Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Энергия, запасенная в конденсаторе

В предварительном чтении, конденсаторе, мы описали конденсатор как «способ хранения электрической энергии как разделение заряда.E_{хранится} \propto Q\Delta V.$$

Нам нужно только вычислить константу пропорциональности.

Если мы подумаем о перемещении зарядов с одной стороны пары пластин на другую, мы начнем с пары незаряженных пластин, как показано на рисунке внизу слева, и закончим парой противоположно заряженных пластин, как показано на рисунке ниже. правильно.

         

Когда мы начинаем заряжать пластины, это выглядит как на рисунке слева. Если мы возьмем небольшой кусочек положительного заряда $dq$ с серой (незаряженной) пластины справа и переместим его на серую (незаряженную) пластину слева, левый слайд будет слегка положительно заряжен (на величину $dq$), в то время как богатая сторона теперь будет слегка отрицательно заряжена (на сумму $-dq$).Разность потенциалов между двумя пластинами была равна 0, поэтому нам не нужно было совершать никакой работы.

Когда мы почти закончим, тарелки будут выглядеть так, как показано на рисунке справа. Левая пластина будет заряжена положительно (синяя), а правая пластина будет заряжена отрицательно (красная). Между пластинами, направленными вправо, будет электрическое поле, как показано на рисунке. Если мы возьмем наш последний небольшой кусочек положительного заряда $dq$ с правой пластины и переместим его влево, нам придется столкнуться с полем E, перемещая наш заряд вверх по потенциальному холму, который теперь имеет значение почти $\Дельта V$.2$$.

Вам будет предложено найти коэффициент явным вычислением в связанной задаче, ссылка на которую приведена внизу страницы.

Джо Редиш и Вольфганг Лосерт 20.02.12, 22.02.13, 30.04.19

Гибридный ионно-натриевый конденсатор из скорлупы арахиса с экстремальной энергией и мощностью, конкурирующей с ионно-литиевыми конденсаторами

Это первый отчет о гибридном натрий-ионном конденсаторе (NIC), в котором активные материалы как в аноде, так и в катоде полностью получены из одного прекурсора: скорлупы арахиса, которые представляют собой экологически чистые и высокоэкономичные отходы, образующиеся во всем мире при температуре более 6 миллионов тонн в год.Электроды расширяют границы производительности, обеспечивая одно из самых многообещающих сочетаний емкости натрия, скорости способности и удерживания циклов, о которых сообщалось в литературе для каждого класса материалов. Следовательно, получившийся NIC также предлагает современную циклически стабильную комбинацию энергии и мощности не только по сравнению с предыдущими, но и по сравнению с ионно-литиевыми конденсаторами (LIC). Ионно-адсорбционный катод на основе нанолистового углерода из арахисовой скорлупы (PSNC) имеет иерархическую пористую архитектуру, листовую морфологию толщиной до 15 нм, площадь поверхности на уровне графеновых материалов (до 2396 м 2 г −1 ) и высоким уровнем легирования кислородом (до 13.51 мас.%). Отсканированные от 1.5-4.2 V против Na / Na Na / Na

2 + PSNC доставляет определенную мощность 161 мА HG -1 на 0,1 A G -1 и 73 мА HG — 1 при 25,6 А g −1 . Упорядоченный углерод из скорлупы арахиса (PSOC) с малой площадью поверхности используется в качестве анода интеркаляции ионов. PSOC обеспечивает общую емкость 315 мА ч г −1 с плоским плато 181 мА ч г −1 , возникающим ниже 0.1 В (проверено при 0,1 А г -1 ) и стабильно при 10 000 циклов (протестировано при 3,2 А г -1 ). Собранный НИК работает в широком диапазоне температур (0–65 °С), выдавая при комнатной температуре (по активной массе) 201, 76 и 50 Вт ч кг −1 при 285, 8500 и 16 500 Вт кг −1 соответственно. При напряжении 1,5–3,5 В гибридное устройство достигло сохранения емкости на 72% после 10 000 циклов, испытанных при 6,4 А g −1 , и на 88% после 100 000 циклов при 51.2 А г −1 .

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Конденсатор — обзор | ScienceDirect Topics

2.2.2 Ультра- или суперконденсаторы

Конденсаторы представляют собой устройства накопления энергии, использующие заряд в качестве механизма накопления.Обычный конденсатор с зарядом + Q на одной пластине, − Q на другой и напряжением V между ними имеет запасенную энергию, равную 1/2 QV . Почти во всех конденсаторах между пластинами используется диэлектрический материал, который оптимизирует распределение заряда. Диэлектрические конденсаторы могут обеспечивать удельную мощность, во много раз превышающую 1 кВт/кг, и иметь очень длительный срок службы, в то время как батареи обеспечивают менее 0,2 кВт/кг и имеют меньшее количество циклов (обычно 100–1000).Однако диэлектрические конденсаторы имеют плотность энергии менее 1 Втч/кг, тогда как батареи могут обеспечить более 100 Втч/кг. Таким образом, применение диэлектрических конденсаторов явно ограничено конкретными задачами, требующими большой мощности при высоких напряжениях в течение очень коротких периодов времени (например, для лазеров). Сверхпроводящие индуктивные системы имеют аналогичные ограничения.

Суперконденсаторы (капсы) или электрохимические конденсаторы (ЭК), емкость которых в 500 000 раз больше, чем у обычных конденсаторов, могут обеспечивать выходную мощность более 1 кВт/кг в сочетании с удельной энергией более 5 Втч/кг и высокой цикличностью в тысячи циклы перезарядки.Scaps, также известные как ультраконденсаторы или электрохимические двухслойные конденсаторы, состоят из углерода или других материалов с большой площадью поверхности в качестве проводника и электролита. Применения включают мощность ускорения для электрических и гибридных транспортных средств, электрическое рекуперативное торможение, силовые передачи, пусковую мощность для топливных элементов, импульсную мощность для мобильных и беспроводных телекоммуникаций, а также потребительские и промышленные электронные устройства.

В отличие от аккумуляторов, скетчи должны быть связаны с системой электропитания.Их можно использовать в качестве буферов энергии, чтобы свести к минимуму ограничения энергоснабжения. В сочетании с батареями они могут снизить пиковую потребляемую мощность, продлить срок службы батареи и уменьшить энергопотребление (или размер) батареи. Аккумуляторы обеспечивают энергию, а аккумуляторы обеспечивают необходимую мгновенную мощность. В зависимости от конфигурации скэп-системы могут использоваться как в качестве источника энергии, так и в качестве буфера, либо применяться в качестве выравнивателя нагрузки для лифтов. Scaps работают в фотоэлектрических системах или стационарных промышленных энергетических установках; в качестве малообслуживаемой твердотельной альтернативы батареям для краткосрочного шунтирования в системах ИБП; или для буферизации пиковой нагрузки для повышения эффективности и уменьшения размера и стоимости стационарных систем.Ожидается, что по мере снижения материальных затрат недорогие блоки станут стандартным вариантом систем накопления энергии для рынков бытовой электроники, промышленности и транспорта.

СЕРИЯ C — Высоковольтные конденсаторы для накопления энергии

  • Фольгированные конденсаторы увеличенной емкости в сварных металлических банках
  • Стандартные номиналы до 100 кВ
  • Низкая индуктивность, высокий пиковый ток
  • Низкопрофильные втулки

Если вы не видите конденсатор, который ищете, свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши конкретные требования.

Номер детали Крышка
(мкФ)
Максимальное напряжение
(кВ)
Энергия
(кДж)
Напряжение, число оборотов, % Пиковый ток
(кА)
Расчетный срок службы Прибл.Индуктивность
(нГн)
Размеры корпуса
В х Ш х Д
Приблизительный вес
33838 120,0 10 6 80 100 1 х 10 5 35 8.0 х 14,0 х 24,1 дюйма
(204 х 356 х 613 мм)
165 фунтов
(74,8 кг)
33715 200,0 10 10 10 100 2 х 10 5 35 7.25 х 14 х 24,1 дюйма
(185 х 356 х 613 мм)
145 фунтов
(65,8 кг)
32259 500,0 10 25 10 100 4 х 10 4 40 11 х 14 х 26.5 дюймов
(280 х 356 х 674 мм)
250 фунтов
(113,4 кг)
33464 30,0 20 6 80 50 1 х 10 5 45 8.38 х 14 х 24,1 дюйма
(213 х 356 х 613 мм)
165 фунтов
(74,8 кг)
33593 50,0 20 10 10 50 2 х 10 5 60 7.25 х 14,0 х 24,6 дюйма
(185 х 356 х 625 мм)
145 фунтов
(65,8 кг)
32235 125,0 20 25 10 50 4 х 10 4 50 11.0 х 14,0 х 26,5 дюйма
(280 х 356 х 674 мм)
250 фунтов
(113,4 кг)
32276 12,5 40 10 60 180 2,5 х 10 4 40 11.0 x 14,0 x 27,0 дюймов
(280 х 356 х 686 мм)
265 фунтов
(120,2 кг)
32169 32,0 40 25 10 50 4 х 10 4 75 11.0 x 14,0 x 27,0 дюймов
(280 х 356 х 686 мм)
255 фунтов
(115,7 кг)
32184 6,0 60* 10,8 60 250 1 x 10 4 40 11.0 x 14,0 x 27,0 дюймов
(280 х 356 х 686 мм)
265 фунтов
(120,2 кг)
32389 8,4 60* 15 40 200 1 x 10 4 40 11.0 х 14,0 х 28,0 дюймов
(280 х 356 х 711 мм)
275 фунтов
(124,7 кг)
32170 11,0 60 20 10 50 5 х 10 4 100 11.0 x 14,0 x 27,0 дюймов
(280 х 356 х 686 мм)
255 фунтов
(115,7 кг)
32116 1,3 100** 6,5 30 150 3,5 x 10 4 40 11.0 x 14,0 x 25,0 дюймов
(280 х 356 х 635 мм)
230 фунтов
(104,3 кг)
32424 3,0 100** 15 20 260 1 x 10 4 40 11.0 x 14,0 x 25,0 дюймов
(280 х 356 х 635 мм)
235 фунтов
(106,6 кг)

*Сциллак модифицированный — до 45 кВ в лабораторном воздухе на уровне моря, до 60 кВ под маслом.
**Full Scyllac — до 60 кВ в лабораторном воздухе на уровне моря, до 100 кВ под маслом.

Технические характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления.

Путь к конденсатору сверхвысокой плотности энергии

Для изготовления нового материала тонкая пленка сначала осаждается с помощью процесса осаждения импульсным лазером в этой камере. Яркий «шлейф», который вы видите, — это попадание лазера в цель и осаждение материала. (Изображение предоставлено Лейном Мартином)

Конденсаторы, которые быстро накапливают и выделяют электроэнергию, являются ключевыми компонентами современной электроники и систем питания. Однако наиболее часто используемые из них имеют низкую плотность энергии по сравнению с другими системами хранения, такими как аккумуляторы или топливные элементы, которые, в свою очередь, не могут быстро разряжаться и перезаряжаться без повреждения.

Теперь, как сообщается в журнале Science, исследователи нашли лучшее из обоих миров. Путем внесения изолированных дефектов в имеющийся в продаже тип тонкой пленки на простом этапе постобработки группа исследователей под руководством исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики (DOE) (Berkeley Lab) продемонстрировала, что обычный материал может быть обработан. в высокопроизводительный материал для хранения энергии.

Исследование проводится при поддержке Materials Project, онлайн-базы данных с открытым доступом, которая фактически предоставляет самую большую коллекцию свойств материалов ученым по всему миру.Сегодня проект «Материалы» сочетает в себе как вычислительные, так и экспериментальные усилия, направленные, среди прочего, на ускорение разработки новых функциональных материалов. Это включает в себя понимание способов манипулирования известными материалами таким образом, чтобы улучшить их характеристики.

Растущие требования к снижению стоимости и миниатюризации устройств привели к развитию конденсаторов с высокой плотностью энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания электропитания во время зарядки аккумулятора.Новый материал, разработанный в лаборатории Беркли, может в конечном итоге сочетать эффективность, надежность и прочность конденсаторов с возможностями накопления энергии более крупных батарей. Приложения включают персональные электронные устройства, носимые устройства и автомобильные аудиосистемы.

Материал основан на так называемом «релаксорном сегнетоэлектрике», представляющем собой керамический материал, который подвергается быстрой механической или электронной реакции на внешнее электрическое поле и обычно используется в качестве конденсатора в таких приложениях, как ультразвук, датчики давления и напряжения. генераторы.

Приложенное поле вызывает изменения в ориентации электронов в материале. В то же время поле вызывает изменение энергии, хранящейся в материалах, что делает их хорошими кандидатами для использования помимо небольшого конденсатора. Проблема, которую необходимо решить, состоит в том, как оптимизировать сегнетоэлектрик, чтобы его можно было заряжать до высоких напряжений и очень быстро разряжать — миллиарды раз и более — без повреждений, которые сделали бы его непригодным для длительного использования в таких приложениях, как компьютеры и транспортные средства. .

Лейн Мартин (слева) и Джиён Ким продемонстрировали, что обычный материал может быть переработан в высокоэффективный материал для хранения энергии. (Фотографии предоставлены Мартином и Ким)

Исследователи из лаборатории Лейна Мартина, научного сотрудника отдела материаловедения (MSD) в лаборатории Беркли и профессора материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, добились этого, внедрив локальные дефекты, которые позволили ему выдерживать более высокие напряжения.

«Возможно, вы пробовали релаксорные сегнетоэлектрики на газовом гриле.Кнопка, которая зажигает гриль, приводит в действие подпружиненный молоток, который ударяет по пьезоэлектрическому кристаллу, являющемуся своего рода релаксором, и создает напряжение, которое воспламеняет газ», — объяснил Мартин. «Мы продемонстрировали, что они также могут быть превращены в одни из лучших материалов для хранения энергии».

Помещение ферроэлектрического материала между двумя электродами и усиление электрического поля вызывает накопление заряда. Во время разряда количество доступной энергии зависит от того, насколько сильно электроны материала ориентируются или поляризуются в ответ на электрическое поле.Однако большинство таких материалов, как правило, не могут выдержать сильное электрическое поле до того, как материал выйдет из строя. Таким образом, основная задача состоит в том, чтобы найти способ увеличить максимально возможное электрическое поле без ущерба для поляризации.

Исследователи обратились к подходу, который они ранее разработали, чтобы «отключить» проводимость в материале. Бомбардируя тонкую пленку высокоэнергетическими заряженными частицами, известными как ионы, они смогли ввести изолированные дефекты. Дефекты захватывают электроны материала, препятствуя их движению и снижая проводимость пленки на порядки.

«В сегнетоэлектриках, которые должны быть изоляторами, утечка заряда через них является серьезной проблемой. Мы знали, что, бомбардируя сегнетоэлектрики пучками высокоэнергетических ионов, мы можем сделать их лучшими изоляторами», — сказал Джиюн Ким, докторант группы Мартина и ведущий автор статьи. «Затем мы спросили, можем ли мы использовать тот же подход, чтобы заставить релаксорный сегнетоэлектрик выдерживать большие напряжения и электрические поля, прежде чем он катастрофически выйдет из строя?»

Ответ оказался «да.Ким первым изготовил тонкие пленки прототипа релаксорного сегнетоэлектрика, названного свинцово-магниевым ниобитом и титанатом свинца. Затем он нацелился на пленки с высокоэнергетическими ионами гелия в Центре анализа ионно-лучевого анализа, находящемся в ведении Отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) в лаборатории Беркли. Ионы гелия выбивали ионы-мишени с их позиций, создавая точечные дефекты. Измерения показали, что пленка с ионной бомбардировкой имеет более чем в два раза большую плотность накопления энергии по сравнению с предыдущими значениями и на 50% более высокую эффективность.

«Изначально мы ожидали, что эффекты будут в основном связаны с уменьшением утечки с изолированными точечными дефектами. Однако мы поняли, что изменение соотношения поляризации и электрического поля из-за некоторых из этих дефектов не менее важно», — сказал Мартин. «Этот сдвиг означает, что для создания максимального изменения поляризации требуются все большие и большие приложенные напряжения». Результат предполагает, что ионная бомбардировка может помочь преодолеть компромисс между высокой поляризуемостью и легкостью разрушения.

Тот же подход с использованием ионного пучка может также улучшить другие диэлектрические материалы для улучшения накопления энергии и предоставить исследователям инструмент для устранения проблем в уже синтезированных материалах. «Было бы здорово увидеть, как люди используют эти ионно-лучевые подходы для «лечения» материалов в устройствах постфактум, если их процесс синтеза или производства не прошел идеально», — сказал Ким.

Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США и грантами Национального научного фонда.

# # #

Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, основанная в 1931 году на убеждении, что самые большие научные проблемы лучше всего решаются командами, и ее ученые были отмечены 13 Нобелевскими премиями. Сегодня исследователи из лаборатории Беркли разрабатывают устойчивые энергетические и экологические решения, создают новые полезные материалы, расширяют границы вычислительной техники и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на оборудование лаборатории для своих собственных научных открытий.Лаборатория Беркли — это многопрофильная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт energy.gov/science.

Контакты для СМИ:

Лорел Келлнер: [электронная почта защищена], 510-486-5375

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.