Παρασκευή, 9 Οκτωβρίου 2009

Πυκνωτής (capacitor)


Πυκνωτής (συμβ. C) ονομάζεται ένα σύστημα δύο γειτονικών αγωγών ανάμεσα στους οποίους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Αυτό το μονωτικό υλικό μπορεί να είναι αέρας , πλαστικό, μίκα, κ.α. Οι δύο αγωγοί ονομάζονται οπλισμοί του πυκνωτή, ενώ το παρεμβαλλόμενο υλικό διηλεκτρικό του . Βασικό χαρακτηριστικό κάθε πυκνωτή είναι η ιδιότητά του να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο, επομένως ηλεκτρική ενέργεια. Όταν ένας πυκνωτής είναι φορτισμένος, οι οπλισμοί του έχουν ηλεκτρικά φορτία κατά μέτρο ίσα και αντίθετα. Ονομάζουμε φορτίο του πυκνωτή (Qc) το φορτίο του θετικά φορτισμένου οπλισμού του.

Μεταξύ των οπλισμών ενός φορτισμένου πυκνωτή αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού, την οποία ονομάζουμε τάση του πυκνωτή (Vc). Τάση ονομάζουμε τη θετική διαφορά δυναμικού. To πηλίκο του φορτίου ενός πυκνωτή προς την τάση του ονομάζεται χωρητικότητα (C) του πυκνωτή: C=Q/V

Μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας του πυκνωτή ειναι το 1 Farad (F). Πρόκειται όμως για μεγάλη μονάδα που σπάνια χρησιμοποιείται στην πράξη. Συνήθως χρησιμοποιούνται τα υποπολλαπλάσια του μικροφαράντ (μF), νανοφαράντ (nF) και πικοφαράντ (pF).

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του και από τη φύση του διηλεκτρικού του, είναι όμως ανεξάρτητη από το υλικό των οπλισμών του.

Λίγη Ιστορία …

Η πιο εντυπωσιακή επινόηση του 18ου αιώνα στη μελέτη του ηλεκτρισμού ήταν αυτή του Ewald Georg Kleist (Κλάιστ, 1700-1748), η οποία περιγράφηκε όμως διεξοδικά από τον Pieter van Musschenbroek και γι' αυτό πήρε το όνομα της ολλανδικής πόλης Λούγδουνο (Leyden). Ο Μούσενμπρουκ περιγράφει το έτος 1746 το «φοβερό κτύπημα» που δέχτηκε από μια φιάλη, γεμάτη με νερό, στην οποία είχε μεταφερθεί «ηλεκτρικό πυρ». Προφανώς επρόκειτο για ένα πυκνωτή, ο οποίος αποθήκευε τον ηλεκτρισμό. Δεν άργησε δε πολύ να κατασκευαστούν συστοιχίες λουγδουνικών φιαλών, δηλαδή διατάξεις παράλληλων ή επάλληλων πυκνωτών, οι οποίες ήταν σε θέση να αποθηκεύσουν πολύ σημαντικές ποσότητες ηλεκτρισμού. Με τη λουγδουνική φιάλη ενισχύθηκαν το φορτίο ή η δημιουργούμενη τάση, αλλά παρέμενε ασταθής η παρεχόμενη ισχύς.

Διάφοροι πειραματιστές χρησιμοποιούσαν τη λουγδουνική φιάλη για επιδείξεις, συχνά με τεράστιο κίνδυνο για τους συμμετέχοντες. Ο πειραματιστής και δάσκαλος της Φυσικής Jean Antoine Nollet (Νολέ, 1700-1770) ηλέκτρισε για τη διασκέδαση του βασιλιά Λουδοβίκου XV και των αυλικών, μια φορά 180 χωροφύλακες και μια άλλη φορά 200 μοναχούς και περιγράφει το αποτέλεσμα ως εξής: «Είναι μοναδικό να βλέπεις την ποικιλία των διαφορετικών χειρονομιών και να ακούς τις ξαφνικές κραυγές όσων αιφνιδιάζονταν από το τράνταγμα του ηλεκτρισμού». Ηλεκτροσόκ για την ψυχαγωγία των «αριστοκρατών»!

Το φάσμα των «καλλιεργητών» της νέας επιστήμης του Ηλεκτρισμού ήταν πολύχρωμο και ετερόκλητο. Από σεβαστούς φυσιοδίφες, μέχρι σαρλατάνους ολκής, όπως ο Λονδρέζος James Graham που δημιούργησε ένα Κέντρο Υγείας (Temple of Health) και γιάτρευε πάσαν νόσον, παραπλανώντας τους αφελείς. Ανάμεσα στα δύο αυτά άκρα υπήρχε ένα πλήθος ερασιτεχνών, το οποίο επαναλάμβανε τα γνωστά πειράματα, άλλοτε σε σαλόνια συναναστροφών για επίδειξη και άλλοτε σε εργαστήρια για επιβεβαίωση και μελέτη, συχνά δε δυσφημώντας ταυτόχρονα άλλους ερευνητές που ισχυρίζονταν διαφορετικά πράγματα για τη φύση και τις εφαρμογές του Ηλεκτρισμού (Patricia Fara: An Entertainment for Angels: Electricity in the Enlightenment, Cambridge 2002).

Αυτό που παραξένευε τους ερευνητές της εποχής ήταν ο φορέας του ηλεκτρισμού, ένας «αιθέρας» που πιθανόν να περιέβαλε τα ηλεκτρισμένα σώματα. Ο Φραγκλίνος έκανε πειράματα με καπνό για να εντοπίσει αυτό τον αιθέρα, ο Νολέ χρησιμοποιούσε σκόνη. Η συμπεριφορά του γυαλιού ήταν επίσης ακατανόητη: Πέρναγε η «ηλεκτρική αναθυμίαση» μέσα από το γυαλί ή όχι; Οι πειραματιστές είχαν φτάσει σε απόγνωση, γιατί ενώ η εφαρμογή ηλεκτρικών δυνάμεων ήταν δυνατή μέσα από χοντρό γυαλί, σταματούσε αμέσως μόλις παρεμβαλλόταν ένα λεπτό βρεγμένο ύφασμα

Στην πορεία των πειραματισμών κατασκευάστηκαν κι άλλοι τύποι λουγδουνικής φιάλης από τους Franz Aepinus, Johann Wilke (1762) και Volta (1775). Ειδικότερα ο Allessandro Volta (Βόλτα, 1745-1827) κατασκεύασε ένα αέναο ηλεκτροφόρο (eletroforo perpetuo), που ήταν, με σημερινή ορολογία, ένας πυκνωτής με ρητίνη και κερί ως μονωτικά υλικά. Αυτό το «ηλεκτροφόρο» αποτελούσε μια φαινομενικά διαρκή πηγή ηλεκτρισμού. Επειδή ο ηλεκτρισμός της διάταξης φαινόταν ανεξάντλητος, ο Βόλτα συμπέρανε ότι κανένας αιθέρας και καμιά ατμόσφαιρα δεν υπήρχε, γιατί θα είχαν εξαντληθεί.

Την ίδια εποχή άρχισε η προσπάθεια για μέτρηση των μεγεθών του ηλεκτρισμού, αλλά βεβαίως ήταν άγνωστο τί και πώς θα μετρηθεί. Για να γίνει αυτό δυνατόν ήταν απαραίτητη μια θεωρία που συσχέτιζε τη δύναμη, το ηλεκτρικό πυρ, το μέγεθος της λουγδουνικής φιάλης και την ένταση του τραντάγματος, αλλά τέτοια θεωρία έλειπε. Το ηλεκτροσκόπιο έδειχνε απλώς αν υπάρχει ηλεκτρισμός και η γωνία που σχημάτιζαν μεταξύ τους τα δύο φύλλα χρυσού ήταν ενδεικτική της ποσότητας. Το όργανο δεν λειτουργούσε γραμμικά και στη λειτουργία του έπαιζε ρόλο το βάρος των φύλλων χρυσού. Οι ερευνητές του 18ου αιώνα πίστευαν ότι η λειτουργία της λουγδουνικής φιάλης αντιστοιχούσε περίπου με αυτή ενός κανονιού: Ο πειραματιστής «γέμιζε» και «πυροδοτούσε» μια φιάλη, όπως γινόταν στο πυροβολικό …

Το 1788 διατύπωσε ο Βόλτα την άποψη ότι το φορτίο σε μία λουγδουνική φιάλη είναι ανάλογο προς την ένταση του ηλεκτρισμού (σήμερα λέμε την τάση) και προς την περιεκτικότητα της φιάλης (σήμερα μιλάμε για τη χωρητικότητα του πυκνωτή). Αυτή η σχέση γράφεται σήμερα στη μορφή Q = CV και είναι ουσιαστικά η πρώτη εξίσωση για ποσοτικοποίηση του ηλεκτρισμού. Ο Βόλτα δεν κατάφερε όμως να την επιβεβαιώσει, γιατί δεν είχε κατάλληλα όργανα στη διάθεσή του.

Leyden jar (Λουγδιανική Φιάλη)

Η Λουγδουνική φιάλη ή φιάλη του Λάιντεν αποτελούνταν από ένα γυάλινο βάζο που περιείχε νερό μέχρι τη μέση, ενώ στο εσωτερικό και το εξωτερικό του υπήρχαν φύλλα αλουμινίου ευθυγραμμισμένα στο ίδιο ύψος. Το γυαλί λειτουργούσε ως διηλεκτρικό, παρόλο που στην αρχή πίστευαν ότι το νερό έπαιζε αυτό το ρόλο.

Υπήρχε συνήθως ένα μεταλλικό καλώδιο ή μια αλυσίδα που οδηγούνταν μέσω ενός φελλού στην κορυφή του βάζου.

Η αλυσίδα γαντζώνονταν έπειτα σε κάτι που θα μετέφερε φορτίο, πιθανότατα μια χειροκίνητη μηχανή ηλεκτρίσεως. Το ηλεκτρικό φορτίο "κατέβαινε" μέσω μιας μπρούτζινης αλυσίδας από το καπάκι στην μεταλλική επένδυση. Εκεί συσσωρεύονταν αφού δεν μπορούσε να διαρρεύσει, μια και το γυαλί είναι μονωτής.

Μόλις μεταφέρονταν το φορτίο , το βάζο κρατούσε δύο ίσα αλλά αντίθετα ηλεκτρικά φορτία σε ισορροπία έως ότου συνδέονταν με σύρμα οπότε δημιουργούνταν ένας σπινθήρας.

Ο Benjamin Franklin εργάστηκε με τη φιάλη του Λάιντεν στα πειράματά του με την ηλεκτρική ενέργεια και σύντομα διαπίστωσε ότι ένα επίπεδο κομμάτι γυαλιού λειτουργούσε όπως και το πρότυπο βάζων, πράγμα που τον προέτρεψε να αναπτύξει τον επίπεδο πυκνωτή, ή το “Franklin square”. Έτη αργότερα, ο Άγγλος Michael Faraday θα καινοτομούσε τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές για τον πυκνωτή στην προσπάθεια του να αποθηκευτούν τα αχρησιμοποίητα ηλεκτρόνια από τα πειράματά του. Αυτό οδήγησε στον πρώτο χρησιμοποιήσιμο πυκνωτή, που έγινε από τα μεγάλα βαρέλια πετρελαίου. Η πρόοδος του Faraday με τους πυκνωτές είναι αυτό που επέτρεψε τελικά σε μας να μεταφέρουμε την ηλεκτρική δύναμη- ενέργεια σε μεγάλες αποστάσεις. Ως αποτέλεσμα των επιτευγμάτων του Faraday στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας, η μονάδα της μέτρησης για τη χωρητικότητα, ονομάστηκε farad.

Πηγές:
1. http://sfrang.com/historia/selida419.htm
2.http://electronics.howstuffworks.com/capacitor3.htm
3. wikipedia

Μερικά video
1. Δείτε σε λειτουργία τη φόρτιση και την εκφόρτιση



2. Κατασκευάστε μια "φιάλη του Leyden"


3. Ας "χαλάσουμε " ένα πυκνωτή για να δούμε από τι αποτελείται.
Και μια πολύ αναλυτική περιγραφή κατασκευής φιάλης του Leyden με το πλαστικό κουτάκι των φιλμ.




Δεν υπάρχουν σχόλια: