دریافت صدمات الکتریکی ناشی از شارژ باقیمانده آزمایش با خازن شارژ خازن با جریان پالسی

ما اخیراً به آن پرداختیم، حالا بیایید به آن بپردازیم خازن ها.

خازن- وسیله ای برای ذخیره بار و انرژی میدان الکتریکی است. از نظر ساختاری، یک "ساندویچ" از دو هادی و یک دی الکتریک است که می تواند خلاء، گاز، مایع، جامد آلی یا معدنی باشد. اولین خازن های داخلی (کوزه های شیشه ای با گلوله، پوشیده شده با فویل) در سال 1752 توسط M. Lomonosov و G. Richman ساخته شد.

چه چیزی در مورد خازن می تواند جالب باشد؟ هنگام شروع به کار بر روی این مقاله، فکر کردم که می توانم همه چیز را در مورد این بخش ابتدایی جمع آوری و به طور خلاصه ارائه دهم. اما وقتی خازن را شناختم، با تعجب متوجه شدم که حتی یک صدم از تمام اسرار و شگفتی های نهفته در آن را نمی توانم بگویم...

خازن در حال حاضر بیش از 250 سال قدمت دارد، اما حتی فکر هم نمی کند که منسوخ شود. علاوه بر این، 1 کیلوگرم "خازن معمولی معمولی" انرژی کمتری نسبت به یک کیلوگرم باتری یا سلول سوختی ذخیره می کند، اما می تواند آن را آزاد کند. سریعتر از آنها، در حالی که در حال توسعه قدرت بیشتر است. - هنگامی که یک خازن به سرعت تخلیه می شود، می توان یک پالس با قدرت بالا را به دست آورد، به عنوان مثال، در فلاش های نوری، لیزرهای پالسی با پمپ نوری و برخورد دهنده ها. تقریباً در هر دستگاهی خازن وجود دارد، بنابراین اگر خازن جدیدی ندارید، می توانید آنها را برای آزمایش از آنجا خارج کنید.

شارژ خازنقدر مطلق بار یکی از صفحات آن است. بر حسب کولن اندازه گیری می شود و متناسب با تعداد الکترون های اضافی (-) یا گمشده (+) است. برای جمع آوری بار 1 کولن به 6241509647120420000 الکترون نیاز دارید. تقریباً به همین تعداد در حباب هیدروژنی به اندازه سر کبریت وجود دارد.

از آنجایی که توانایی انباشتن بارها در الکترود با دافعه متقابل آنها محدود است، انتقال آنها به الکترود نمی تواند بی پایان باشد. مانند هر وسیله ذخیره سازی، یک خازن ظرفیت بسیار خاصی دارد. اسمش همینه - ظرفیت الکتریکی. بر حسب فاراد و برای خازن تخت با صفحات مساحت اندازه گیری می شود اس(هر کدام)، واقع در فاصله د، ظرفیت استاسε 0 ε / د (دراس >> د), جایی که ε - ثابت دی الکتریک نسبی، وε 0 =8,85418781762039 * 10 -12 .

ظرفیت خازن نیز برابر است q/U، جایی که q- بار صفحه مثبت، U- کشش بین صفحات ظرفیت خازن به هندسه خازن و ثابت دی الکتریک دی الکتریک بستگی دارد و به بار صفحات بستگی ندارد.


در یک هادی باردار، بارها سعی می کنند تا حد امکان از یکدیگر پراکنده شوند و بنابراین در ضخامت خازن نیستند، بلکه در لایه سطحی فلز هستند، مانند یک فیلم بنزین روی سطح آب. اگر دو هادی یک خازن را تشکیل دهند، این بارهای اضافی در مقابل یکدیگر جمع می شوند. بنابراین، تقریباً تمام میدان الکتریکی خازن بین صفحات آن متمرکز است.

در هر بشقاب، هزینه ها به گونه ای توزیع می شود که از همسایگان دور باشد. و آنها کاملاً جادار قرار دارند: در یک خازن هوا با فاصله بین صفحات 1 میلی متر، تا 120 ولت شارژ می شود، فاصله متوسط ​​بین الکترون ها بیش از 400 نانومتر است که هزاران بار بیشتر از فاصله بین اتم ها است. 0.1-0.3 نانومتر) و این بدان معنی است که برای میلیون ها اتم سطحی تنها یک الکترون اضافی (یا گمشده) وجود دارد.

اگر فاصله را کم کنبین صفحات، نیروهای جاذبه افزایش می یابد و در همان ولتاژ بارهای روی صفحات می توانند از نزدیک "همراه شوند". ظرفیت افزایش خواهد یافتخازن این همان کاری است که ون ماشنبروک، استاد ناآگاه دانشگاه لیدن انجام داد. او بطری دیواره ضخیم اولین کندانسور جهان (که توسط کشیش آلمانی فون کلایست در سال 1745 ایجاد شد) را با یک ظرف شیشه ای نازک جایگزین کرد. آن را شارژ کرد و لمس کرد و دو روز بعد که از خواب بیدار شد، گفت که حاضر نیست آزمایش را تکرار کند، حتی اگر به پادشاهی فرانسه برای آن قول بدهند.

اگر یک دی الکتریک بین صفحات قرار دهید، آن را قطبی می کنند، یعنی بارهای مخالفی را که از آن تشکیل شده است، جذب می کنند. این همان اثری را خواهد داشت که اگر بشقاب ها نزدیکتر شوند. دی الکتریک با ثابت دی الکتریک نسبی بالا را می توان به عنوان یک انتقال دهنده خوب میدان الکتریکی در نظر گرفت. اما هیچ نوار نقاله ای کامل نیست، بنابراین مهم نیست که چه دی الکتریک فوق العاده ای را روی نوار موجود اضافه کنیم، ظرفیت خازن فقط کاهش می یابد. تنها در صورت اضافه کردن یک دی الکتریک (یا بهتر از آن، یک هادی) می توانید ظرفیت خازن را افزایش دهید. بجایدر حال حاضر موجود است اما دارای ε کوچکتر است.

تقریباً هیچ هزینه رایگانی در دی الکتریک وجود ندارد. همه آنها یا در یک شبکه کریستالی یا در مولکول ها ثابت می شوند - قطبی (نماینده دوقطبی ها) یا خیر. اگر میدان خارجی وجود نداشته باشد، دی الکتریک غیرقطبی است، دوقطبی ها و بارهای آزاد به طور آشفته پراکنده می شوند و دی الکتریک میدانی از خود ندارد. در یک میدان الکتریکی قطبی شده است: دوقطبی ها در امتداد میدان قرار دارند. از آنجایی که دوقطبی های مولکولی زیادی وجود دارد، هنگامی که آنها جهت گیری می کنند، مزایا و معایب دوقطبی های همسایه در داخل دی الکتریک یکدیگر را جبران می کنند. فقط بارهای سطحی بدون جبران باقی می مانند - در یک سطح - یکی، در دیگری - دیگری. هزینه های رایگان در زمینه خارجی نیز رانش و جدا می شوند.

در این مورد، فرآیندهای قطبش متفاوتی رخ می دهد در سرعت های مختلف. یک چیز جابجایی پوسته های الکترونی است که تقریباً فوراً اتفاق می افتد، یک چیز دیگر چرخش مولکول ها به ویژه مولکول های بزرگ است و سوم مهاجرت بارهای آزاد است. دو فرآیند آخر بدیهی است که به دما بستگی دارند و در مایعات بسیار سریعتر از جامدات رخ می دهند. اگر دی الکتریک گرم شود، چرخش دوقطبی و مهاجرت بار تسریع می شود. اگر میدان خاموش شود، دپلاریزاسیون دی الکتریک نیز فوراً رخ نمی دهد. تا زمانی که حرکت حرارتی مولکول ها را به حالت آشفته اولیه پراکنده کند، برای مدتی قطبی می ماند. بنابراین، برای خازن هایی که قطبیت در فرکانس های بالا تغییر می کند، فقط دی الکتریک های غیر قطبی مناسب هستند: فلوروپلاستیک، پلی پروپیلن.

اگر یک خازن شارژ شده را جدا کنید و سپس آن را دوباره جمع کنید (با موچین های پلاستیکی)، انرژی به جایی نمی رسد و LED می تواند چشمک بزند. حتی اگر آن را به یک خازن در حالت جدا شده وصل کنید چشمک می زند. این قابل درک است - در حین جداسازی ، شارژ از صفحات ناپدید نشد و ولتاژ حتی افزایش یافت ، زیرا ظرفیت کاهش یافت و اکنون صفحات به معنای واقعی کلمه در حال ترکیدن هستند. صبر کن این تنش چطور زیاد شد چون اونوقت انرژی هم زیاد میشه؟ درست است، ما انرژی مکانیکی را به سیستم منتقل کردیم و بر جاذبه کولن صفحات غلبه کردیم. در واقع، این ترفند الکتریکی شدن توسط اصطکاک است - قلاب کردن الکترون ها در فاصله ای به اندازه اتم ها و کشیدن آنها به فاصله ماکروسکوپی و در نتیجه افزایش ولتاژ از چندین ولت (و این ولتاژ در پیوندهای شیمیایی است) به ده ها و صدها هزار ولت. اکنون واضح است که چرا یک ژاکت مصنوعی هنگام پوشیدن، شوک الکتریکی ایجاد نمی کند، بلکه فقط زمانی که آن را در می آورید؟ صبر کنید، چرا میلیاردها نه؟ یک دسی متر یک میلیارد برابر بزرگتر از آنگستروم است که ما از آن الکترون ها را ربودیم؟ بله، چون کار حرکت یک بار در میدان الکتریکی با انتگرال معادله بر d برابر است و همین E با فاصله به صورت درجه دوم ضعیف می شود. و اگر در کل دسی متر بین ژاکت و دماغه همان میدان داخل مولکول ها وجود داشته باشد، یک میلیارد ولت روی دماغه کلیک می کند.

بیایید این پدیده - افزایش ولتاژ هنگام کشش خازن - را به صورت تجربی بررسی کنیم. من یک برنامه ساده نوشتمدیداری پایه ای برای دریافت داده ها از کنترلر PMK018 ماو نمایش آنها بر روی صفحه نمایش به طور کلی، دو صفحه 200x150 میلی متری از تکستولیت را می گیریم که از یک طرف با فویل پوشانده شده است و سیم هایی را که به ماژول اندازه گیری می روند لحیم می کنیم. سپس روی یکی از آنها یک دی الکتریک - یک ورق کاغذ - می گذاریم و روی آن را با صفحه دوم می پوشانیم. صفحات محکم به هم نمی‌چسبند، بنابراین آنها را با بدنه خودکار در بالا فشار می‌دهیم (اگر با دست فشار دهید، می‌توانید تداخل ایجاد کنید).

مدار اندازه گیری ساده است: پتانسیومترآر1 ولتاژ اعمال شده به خازن (در مورد ما 3 ولت) و دکمه را تنظیم می کنداس1 برای تامین آن به خازن یا عدم تامین آن خدمت می کند.

بنابراین، دکمه را فشار داده و رها کنید - نمودار نشان داده شده در سمت چپ را مشاهده خواهیم کرد. خازن به سرعت از طریق ورودی اسیلوسکوپ تخلیه می شود. حالا بیایید سعی کنیم فشار روی صفحات را در هنگام تخلیه کاهش دهیم - یک اوج ولتاژ را در نمودار (سمت راست) خواهیم دید. این دقیقاً اثر مورد نظر است. در همان زمان، فاصله بین صفحات خازن افزایش می یابد، ظرفیت خازن کاهش می یابد و بنابراین خازن حتی سریعتر شروع به تخلیه می کند.

اینجا به طور جدی فکر کردم ... به نظر می رسد که ما در آستانه یک اختراع بزرگ هستیم ... از این گذشته ، اگر هنگام جدا کردن صفحات از هم ، ولتاژ روی آنها افزایش یابد ، اما شارژ ثابت بماند ، می توانید دو عدد بگیرید. در خازن ها، در یکی، صفحات را روی آنها از هم جدا می کنید و در نقطه حداکثر انبساط، بار را به یک خازن ثابت منتقل می کنید. سپس صفحات را به جای خود برگردانید و همین کار را برعکس تکرار کنید و خازن دیگر را از هم جدا کنید. در تئوری، ولتاژ هر دو خازن با هر سیکل به تعداد معینی افزایش می یابد. ایده عالی برای یک ژنراتور برق! ایجاد طرح های جدید برای آسیاب های بادی، توربین ها و همه اینها امکان پذیر خواهد بود! پس عالیه... برای راحتی می توانید همه اینها را روی دو دیسک که در جهت مخالف می چرخند قرار دهید.... آه، این چیست... اوه، این یک ماشین برقی مدرسه است! :(

این به عنوان یک ژنراتور ریشه نگرفت، زیرا مقابله با چنین ولتاژهایی ناخوشایند است. اما در مقیاس نانو، همه چیز می تواند تغییر کند. پدیده‌های مغناطیسی در نانوساختارها چندین برابر ضعیف‌تر از نمونه‌های الکتریکی هستند و میدان‌های الکتریکی در آنجا، همانطور که قبلاً دیدیم، بسیار زیاد است، بنابراین یک ماشین الکتروفوریک مولکولی می‌تواند بسیار محبوب شود.

خازن به عنوان ذخیره انرژی

اطمینان از ذخیره انرژی در کوچکترین خازن بسیار آسان است. برای انجام این کار، به یک LED قرمز شفاف و یک منبع جریان ثابت نیاز داریم (باتری 9 ولتی این کار را انجام می دهد، اما اگر ولتاژ نامی خازن اجازه می دهد، بهتر است یک بزرگتر بگیرید). این آزمایش شامل شارژ یک خازن، و سپس اتصال یک LED به آن (در مورد قطبیت را فراموش نکنید)، و تماشای چشمک زدن آن است. که در اتاق تاریکفلاش حتی از خازن های ده ها پیکوفاراد قابل مشاهده است. حدود صد میلیون الکترون صد میلیون فوتون ساطع می کنند. با این حال، این محدودیت نیست، زیرا چشم انسان می تواند نور بسیار ضعیف تری را مشاهده کند. من فقط خازن های خازنی کمتری پیدا نکردم. اگر شمارش به هزاران میکروفاراد رسید، از ال ای دی صرفه جویی کنید، و در عوض خازن را به یک جسم فلزی کوتاه کنید تا جرقه را ببینید - شواهد واضحی از وجود انرژی در خازن.

انرژی یک خازن باردار به طرق مختلف مانند انرژی مکانیکی بالقوه رفتار می کند - انرژی یک فنر فشرده، وزنی که به ارتفاع بالا می رود یا یک مخزن آب (و انرژی یک سلف، برعکس، شبیه انرژی جنبشی است. ). توانایی خازن برای ذخیره انرژی مدت هاست که برای اطمینان از عملکرد مداوم دستگاه ها در طول افت کوتاه مدت ولتاژ تغذیه - از ساعت تا تراموا استفاده می شود.

این خازن همچنین برای ذخیره انرژی "تقریبا ابدی" تولید شده توسط لرزش، لرزش، صدا، تشخیص امواج رادیویی یا تشعشعات شبکه برق استفاده می شود. کم کم، انرژی انباشته شده از چنین منابع ضعیفی در طول زمان به حسگرهای بی سیم و سایر دستگاه های الکترونیکی اجازه می دهد تا برای مدتی کار کنند. این اصل اساس یک باتری ابدی "نوع انگشتی" برای دستگاه هایی با مصرف برق متوسط ​​(مانند کنترل از راه دور تلویزیون) است. بدنه آن حاوی یک خازن با ظرفیت 500 میلی فاراد و یک ژنراتور است که با نوسانات فرکانس 4-8 هرتز با توان آزاد 10 تا 180 میلی وات آن را تغذیه می کند. ژنراتورهای مبتنی بر نانوسیم های پیزوالکتریک در حال توسعه هستند که می توانند انرژی ارتعاشات ضعیفی مانند ضربان قلب، برخورد کف کفش با زمین و ارتعاشات تجهیزات فنی را به داخل خازن هدایت کنند.

منبع دیگر انرژی آزاد مهار است. معمولاً وقتی وسیله نقلیه ترمز می کند، انرژی به گرما تبدیل می شود، اما می توان آن را ذخیره کرد و سپس در هنگام شتاب گیری از آن استفاده کرد. این مشکل مخصوصاً برای حمل و نقل عمومی حاد است که در هر توقف سرعت و شتاب آن کاهش می یابد که منجر به مصرف سوخت قابل توجه و آلودگی هوا از انتشار گازهای گلخانه ای می شود. در منطقه ساراتوف در سال 2010، شرکت التون Ecobus را ایجاد کرد - یک مینی بوس آزمایشی با موتورهای الکتریکی غیر معمول چرخ موتور و ابرخازن ها - دستگاه های ذخیره انرژی ترمز کننده، مصرف انرژی را تا 40٪ کاهش داد. از مواد توسعه یافته در پروژه Energia-Buran، به ویژه فویل کربن استفاده می کند. به طور کلی، به لطف مدرسه علمی ایجاد شده در اتحاد جماهیر شوروی، روسیه یکی از رهبران جهانی در توسعه و تولید خازن های الکتروشیمیایی است. به عنوان مثال محصولات التون از سال 1998 به خارج از کشور صادر می شود و اخیراً تولید این محصولات در آمریکا با مجوز یک شرکت روسی آغاز شده است.

ظرفیت یک خازن مدرن (2 فاراد، عکس سمت چپ) هزاران بار بیشتر از ظرفیت کل کره زمین است. آنها قادر به ذخیره سازی هستند شارژ الکتریکیدر 40 آویز!

آنها معمولاً در سیستم های صوتی اتومبیل برای کاهش اوج بار روی سیم کشی الکتریکی اتومبیل (در لحظات ضربه های باس قدرتمند) استفاده می شوند و به دلیل ظرفیت عظیم خازن، تمام تداخل فرکانس بالا را در دستگاه خاموش می کنند. -شبکه برد

اما این "سینه پدربزرگ" اتحاد جماهیر شوروی برای الکترون ها (عکس سمت راست) چندان جادار نیست، اما می تواند ولتاژ 40000 ولت را تحمل کند (به فنجان های چینی توجه کنید که همه این ولت ها را از خراب شدن بدنه خازن محافظت می کند). این برای یک "بمب الکترومغناطیسی" بسیار راحت است، که در آن یک خازن بر روی یک لوله مسی تخلیه می شود، که در همان لحظه از بیرون توسط یک انفجار فشرده می شود. معلوم می شود بسیار قدرتمند است پالس الکترومغناطیسی، غیرفعال کردن تجهیزات رادیویی به هر حال، در طی یک انفجار هسته ای، بر خلاف یک انفجار معمولی، یک پالس الکترومغناطیسی نیز آزاد می شود که یک بار دیگر بر شباهت هسته اورانیوم به خازن تأکید می کند. به هر حال، چنین خازنی را می توان به طور مستقیم با الکتریسیته ساکن از یک شانه شارژ کرد، اما البته زمان زیادی طول خواهد کشید تا تا ولتاژ کامل شارژ شود. اما تکرار تجربه غم انگیز ون ماشنبروک در یک نسخه بسیار تشدید شده امکان پذیر خواهد بود.

اگر به سادگی یک خودکار (شانه، بادکنک، لباس زیر مصنوعی و غیره) را روی موهای خود بمالید، LED روشن نمی شود. این به این دلیل است که الکترون های اضافی (گرفته شده از مو) اسیر هستند، هر کدام در نقطه خاص خود در سطح پلاستیک. بنابراین، حتی اگر مقداری الکترون را با خروجی ال ای دی بزنیم، بقیه نمی توانند به دنبال آن عجله کنند و جریان لازم برای درخشش محسوس LED را با چشم غیر مسلح ایجاد کنند. اگر شارژها را از قلم به خازن منتقل کنید موضوع دیگری است. برای این کار خازن را یک ترمینال بگیرید و قلم را به نوبه خود ابتدا روی موهای خود و سپس روی ترمینال آزاد خازن بمالید. چرا مالیدن؟ برای به حداکثر رساندن برداشت الکترون از کل سطح قلم! بیایید این چرخه را چندین بار تکرار کنیم و یک LED را به خازن وصل کنیم. چشمک می زند و فقط در صورتی که قطبیت رعایت شود. بنابراین خازن تبدیل به پلی بین دنیای الکتریسیته "استاتیک" و "معمولی" شد :)

من برای این آزمایش یک خازن ولتاژ بالا گرفتم، از ترس خراب شدن خازن ولتاژ پایین، اما معلوم شد که این یک اقدام احتیاطی غیر ضروری است. هنگامی که منبع شارژ محدود است، ولتاژ در خازن می تواند بسیار کمتر از ولتاژ منبع تغذیه باشد. یک خازن می تواند ولتاژ بالا را به ولتاژ پایین تبدیل کند. به عنوان مثال، الکتریسیته ولتاژ بالا ساکن - به برق معمولی. در واقع، آیا تفاوتی وجود دارد: شارژ یک خازن با یک میکرو کولن از منبعی با ولتاژ 1 ولت یا 1000 ولت؟ اگر این خازن آنقدر جادار باشد که شارژ 1 μC روی آن، ولتاژ بالاتر از ولتاژ منبع تغذیه یک ولتی را افزایش ندهد (یعنی ظرفیت آن بالاتر از 1 µF باشد)، در این صورت تفاوتی وجود ندارد. فقط این است که اگر به زور آویزها را محدود نکنید، تعداد بیشتری از آنها می خواهند از منبعی با اراده بالا بیایند. و توان حرارتی آزاد شده در پایانه های خازن بیشتر خواهد بود (و مقدار گرما یکسان است ، فقط سریعتر آزاد می شود ، به همین دلیل قدرت بیشتر است).

به طور کلی، ظاهراً هر خازن با ظرفیت بیش از 100 نانوفتر برای این آزمایش مناسب است. شما می توانید کارهای بیشتری انجام دهید، اما برای دریافت ولتاژ کافی برای LED باید آن را برای مدت طولانی شارژ کنید. اما اگر جریان های نشتی در خازن کم باشد، LED بیشتر می سوزد. ممکن است به فکر ایجاد یک دستگاه شارژ بر اساس این اصل باشید. تلفن همراهاز مالیدن آن به موهایتان در حین مکالمه :)

عالی خازن ولتاژ بالایک پیچ گوشتی است در این مورد، دسته آن به عنوان دی الکتریک عمل می کند و میله فلزی و دست انسان به عنوان صفحه عمل می کنند. می دانیم که قلمی که روی مو مالیده شود، تکه های کاغذ را جذب می کند. اگر پیچ گوشتی را روی موهای خود بمالید، چیزی از آن در نمی آید - فلز توانایی حذف الکترون از پروتئین ها را ندارد - تکه های کاغذ را جذب نکرده و این کار را نکرد. اما اگر مانند آزمایش قبلی، آن را با یک خودکار شارژ شده مالش دهید، پیچ گوشتی به دلیل ظرفیت کم، به سرعت با ولتاژ بالا شارژ می شود و تکه های کاغذ شروع به جذب به سمت آن می کند.

LED نیز از پیچ گوشتی روشن می شود. ثبت یک لحظه کوتاه از فلاش او در یک عکس غیرممکن است. اما - بیایید ویژگی های نمایی را به یاد بیاوریم - خاموش شدن فلاش مدت زیادی طول می کشد (با استانداردهای شاتر دوربین). و بنابراین ما شاهد یک پدیده منحصر به فرد زبانی-نوری-ریاضی بودیم: غرفه دار در حال افشای ماتریس دوربین بود!

با این حال، چرا چنین مشکلاتی - ضبط ویدئو وجود دارد. نشان می دهد که LED کاملاً روشن چشمک می زند:

هنگامی که خازن ها شارژ می شوند ولتاژ بالا، افکت لبه شروع به ایفای نقش خود می کند که شامل موارد زیر است. اگر یک دی الکتریک در هوا بین صفحات قرار داده شود و ولتاژ تدریجی افزایشی به آنها اعمال شود، در یک مقدار ولتاژ مشخص، تخلیه آرام در لبه صفحه رخ می دهد که با نویز مشخص و درخشش در تاریکی قابل تشخیص است. مقدار ولتاژ بحرانی بستگی به ضخامت صفحه، تیزی لبه، نوع و ضخامت دی الکتریک و غیره دارد. به عنوان مثال، هرچه ثابت دی الکتریک یک دی الکتریک بیشتر باشد، کمتر است. برای کاهش اثر لبه، لبه های صفحه در یک دی الکتریک با استحکام الکتریکی بالا تعبیه می شود، واشر دی الکتریک در لبه ها ضخیم می شود، لبه های صفحات گرد می شوند و منطقه ای با ولتاژ کاهش تدریجی ایجاد می شود. لبه صفحات با ساختن لبه صفحات از ماده ای با مقاومت بالا، کاهش ولتاژ در هر خازن با تقسیم آن به چندین خازن متصل به سری.

به همین دلیل است که بنیانگذاران الکترواستاتیک دوست داشتند که در انتهای الکترودها توپ داشته باشند. به نظر می رسد که این یک ویژگی طراحی نیست، بلکه راهی برای به حداقل رساندن جریان شارژ در هوا است. جای دیگری برای رفتن وجود ندارد. اگر انحنای ناحیه ای روی سطح توپ بیشتر کاهش یابد، انحنای نواحی مجاور به ناچار افزایش می یابد. و در اینجا ظاهراً در امور الکترواستاتیکی ما نه میانگین بلکه حداکثر انحنای سطح مهم است که البته برای یک توپ حداقل است.

هوم.. اما اگر ظرفیت یک جسم توانایی جمع آوری بار باشد، احتمالاً برای بارهای مثبت و منفی بسیار متفاوت است. بیایید یک خازن کروی را در خلاء تصور کنیم... بیایید آن را از قلب منفی شارژ کنیم، بدون اینکه از نیروگاه ها و گیگاوات ساعت صرفه جویی کنیم (این همان چیزی است که در مورد یک آزمایش فکری خوب است!) ... اما در یک مقطع زمانی این مقدار زیاد خواهد شد. الکترون های روی این توپ که آنها به سادگی شروع به پراکندگی در کل خلاء می کنند، فقط برای اینکه در چنین تنگی الکترونگاتیوی قرار نگیرند. اما این اتفاق با بار مثبت نمی افتد - الکترون ها، هر چقدر هم که تعداد کمی از آنها باقی بمانند، در هیچ کجا یافت نمی شوند. شبکه کریستالیخازن ها دور نمی شوند.

چه اتفاقی می افتد، ظرفیت مثبت آشکارا بسیار بزرگتر از ظرفیت منفی است؟ نه! از آنجا که الکترون‌ها در واقع نه برای نوازش ما، بلکه برای اتصال اتم‌ها، و بدون هیچ سهم قابل توجهی از آنها وجود داشتند، دفع کولن یون‌های مثبت شبکه بلوری فوراً زره‌دارترین خازن را به غبار می‌کوبید:)

در واقع، بدون صفحه ثانویه، ظرفیت "نیمه های منفرد" خازن بسیار کوچک است: ظرفیت الکتریکی یک قطعه سیم جدا شده با قطر 2 میلی متر و طول 1 متر تقریباً 10 pF است. کل کره زمین 700 μF است.

می توان با محاسبه ظرفیت آن با استفاده از فرمول های فیزیکی بر اساس اندازه گیری های دقیق ابعاد صفحات، یک استاندارد مطلق ظرفیت ساخت. دقیق ترین خازن های کشورمان که در دو جا قرار گرفته اند به این صورت ساخته می شوند. استاندارد دولتی GET 107-77 در FSUE SNIIM قرار دارد و متشکل از 4 خازن استوانه ای کواکسیال بدون پشتیبانی است که ظرفیت خازن با دقت بالایی با استفاده از سرعت نور و واحدهای طول و فرکانس محاسبه می شود و همچنین یک مقایسه کننده خازنی با فرکانس بالا که به شما امکان می دهد ظرفیت خازن ها را مقایسه کنید. برای تأیید با یک استاندارد (10 pf) با خطای کمتر از 0.01٪ در محدوده فرکانس 1-100 مگاهرتز آورده شده است (عکس در سمت چپ).

در مهندسی برق قدرت، اولین کسی که در جهان از خازن استفاده کرد پاول نیکولاویچ یابلوچکوف در سال 1877 بود. او خازن های لومونوسوف را ساده و در عین حال بهبود داد، شات و فویل را با مایع جایگزین کرد و بانک ها را به صورت موازی به هم وصل کرد. او نه تنها مسئول اختراع نوآورانه است لامپ های قوسی، که اروپا را فتح کرد، بلکه تعدادی از پتنت های مربوط به خازن ها را نیز فتح کرد. بیایید سعی کنیم یک خازن Yablochkov را با استفاده از آب نمک به عنوان مایع رسانا و یک شیشه شیشه ای سبزیجات به عنوان یک شیشه جمع کنیم. ظرفیت حاصل 0.442 نانوفتر بود. اگر شیشه را با یک کیسه پلاستیکی که مساحت بزرگتر و چند برابر ضخامت کمتری دارد جایگزین کنیم، ظرفیت آن به 85.7 نانوفتر افزایش می یابد. (ابتدا، کیسه را با آب پر کنید و جریان های نشتی را بررسی کنید!) خازن کار می کند - حتی به شما اجازه می دهد LED را چشمک بزنید! همچنین عملکردهای خود را با موفقیت انجام می دهد مدارهای الکترونیکی

صفحات فلزی باید تا حد امکان محکم به دی الکتریک منطبق شوند و لازم است از چسباندن بین صفحه و دی الکتریک که باعث تلفات اضافی می شود خودداری شود. جریان متناوب. بنابراین، اکنون عمدتاً از فلز به عنوان آبکاری استفاده می شود که به صورت شیمیایی یا مکانیکی بر روی دی الکتریک (شیشه) قرار می گیرد یا به طور محکم به آن فشرده می شود (میکا).

به جای میکا، می توانید از یک دسته دی الکتریک های مختلف، هر چه دوست دارید، استفاده کنید. اندازه‌گیری‌ها (برای دی‌الکتریک‌هایی با ضخامت برابر) نشان داد که هواε کوچکترین، برای فلوروپلاستیک بزرگتر است، برای سیلیکون حتی بزرگتر است، و برای میکا حتی بزرگتر است، و در تیتانات زیرکونات سرب به سادگی بزرگ است. طبق علم دقیقاً باید چنین باشد - بالاخره در فلوروپلاستیک، می توان گفت که الکترون ها به زنجیره های فلوئوروکربنی محکم زنجیر شده اند و فقط می توانند اندکی منحرف شوند - جایی برای پرش الکترون از اتمی به اتم دیگر وجود ندارد.

65 نانومتر هدف بعدی کارخانه Zelenograd Angstrem-T است که 300 تا 350 میلیون یورو هزینه خواهد داشت. ودوموستی این هفته با اشاره به لئونید ریمان، رئیس هیئت مدیره کارخانه، گزارش داد که این شرکت قبلاً درخواستی برای وام ترجیحی برای نوسازی فناوری های تولید به Vnesheconombank (VEB) ارائه کرده است. اکنون Angstrem-T در حال آماده شدن برای راه اندازی یک خط تولید برای ریز مدارها با توپولوژی 90 نانومتری است. پرداخت وام قبلی VEB، که برای آن خریداری شده بود، از اواسط سال 2017 آغاز می شود.

سقوط پکن وال استریت

شاخص های کلیدی آمریکا اولین روزهای سال جدید میلادی را با افت رکوردی ثبت کردند؛ جورج سوروس میلیاردر پیش از این هشدار داده بود که جهان با تکرار بحران سال 2008 مواجه است.

اولین پردازنده مصرفی روسی Baikal-T1 با قیمت 60 دلار به تولید انبوه می رسد

شرکت Baikal Electronics وعده داده است که پردازنده روسی Baikal-T1 را با قیمت حدود 60 دلار در ابتدای سال 2016 وارد تولید صنعتی کند. فعالان بازار می گویند اگر دولت این تقاضا را ایجاد کند، این دستگاه ها تقاضا خواهند شد.

MTS و اریکسون به طور مشترک 5G را در روسیه توسعه و پیاده سازی خواهند کرد

Mobile TeleSystems PJSC و Ericsson قراردادهای همکاری در توسعه و اجرای فناوری 5G در روسیه منعقد کردند. در پروژه های آزمایشی، از جمله در طول جام جهانی 2018، MTS قصد دارد پیشرفت های فروشنده سوئدی را آزمایش کند. در آغاز سال آینده، اپراتور گفت و گو با وزارت مخابرات و ارتباطات جمعی را در مورد شکل گیری آغاز خواهد کرد. الزامات فنیبه نسل پنجم ارتباطات سیار.

سرگئی چمزوف: Rostec در حال حاضر یکی از ده شرکت بزرگ مهندسی در جهان است

رئیس Rostec، سرگئی چمزوف، در مصاحبه با RBC، به سوالات فوری پاسخ داد: در مورد سیستم پلاتون، مشکلات و چشم اندازهای AVTOVAZ، منافع شرکت دولتی در تجارت داروسازی، در مورد همکاری بین المللی در زمینه تحریم ها صحبت کرد. فشار، جایگزینی واردات، سازماندهی مجدد، استراتژی توسعه و فرصت های جدید در شرایط سخت.

Rostec در حال "حصارکشی" و تجاوز به افتخارات سامسونگ و جنرال الکتریک است

هیئت نظارت Rostec "استراتژی توسعه تا سال 2025" را تصویب کرد. اهداف اصلی افزایش سهم محصولات غیرنظامی با فناوری پیشرفته و عقب افتادن جنرال الکتریک و سامسونگ در شاخص های مالی کلیدی است.



جریان شارژ در 100J و ~1 ثانیه. هنگام راه اندازی خازن های سرد (اولین روشن شدن) تا 10 آمپر در اوج، در حین کار تا 6 آمپر و در لحظه روشن شدن کاملاً وحشتناک است - 100 آمپر. اگر با موفقیت به اوج ولتاژ رسیدید 310 ولت / 3 اهم = 103 آمپر.

بنابراین، حتی بر اساس 6A دریافت می کنیم بار ضربه ایدر شبکه معادل 1-1.5kW - 6A * 220V = 1320W !!

و این 100 جی است و اگر چند فلاش بود اگر مسلسل بودم از چنین ضربه ای آزرده می شدم و بعد از اولین فلاش خوب دیگر جریانی نمی دادم.
اگر مداری را با منبع تغذیه بدون دوبلور بگیریم، افزایش جریان اولیه حتی بیشتر است و عدم تقارن واضحی وجود دارد - فقط از یک نیم چرخه استفاده می شود.

از طرف دیگر - 100J هنگام شارژ برای 1 ثانیه. معادل 100 وات، خوب، 130 با انواع تلفات - اصلاً قدرت وحشتناکی نیست.اگر خازن را از طریق چیزی مانند تصحیح کننده ضریب توان - مبدل ولتاژ تقویت کننده بدون خازن در ورودی شارژ کنید؟

شکل جریان چیزی شبیه به این خواهد بود:

معلوم می شود یک پروفایل ولتاژ شبکه، پر از پالس های جریان با فرکانس بالا.اگر مدار کنترل در حالت محدود کردن جریان خروجی کار کند و با رسیدن به ولتاژ مشخص شده شارژ را قطع کند، آنگاه خواهیم داشت شارژ سریع- برای مثال در 350W - 300J/sec. و کنترل قدرت صاف
و دستگاه خوشحال است و مدارهای شارژ نسبتاً جریان کمی دارند و مقاومت های گرم بزرگی وجود ندارد و می توان آن را با ولتاژ ثابت تغذیه کرد و نظارت انرژی خوشحال است - ضریب قدرت مانند سماور است. ...

فقط یک اما وجود دارد!داشتم فلش میزدم تقریبابا توجه به نمودار بالا توسط Waldemar Szymanski.این نموداری است که من استفاده کردم.


اگر وارد جزئیات نشوید، فقط مقاومت خاموش کننده روی 5.1 اهم تنظیم شده است و خازن های دوبلر 22 میلی فارنهایت هستند، بنابراین اگر مدار به درستی کار کند، فیوز 1A همیشه به خوبی زندگی می کند. و اگر نه، پس همین فیوز برای خاموش شدن اضطراری وجود دارد.بنابراین، یا چیزی در محاسبات اشتباه بوده است، یا تئوری و عمل بر هم منطبق نیستند.

گرفتن یک ریز مدار و طراحی از یک دیتاشیت کار نخواهد کرد - باید آن را تطبیق دهید و سؤالات عجیب شروع می شود -به عنوان مثال، مدار چگونه رفتار خواهد کرد که واقعاً خازن بزرگ? - گرم می شود تا 310 ولت شارژ شود و فقط بعد از آن شروع به کار می کند ...


همه چیز در محاسبات خوب است - اولا، من یک خازن شارژ 100uF و یک مقاومت 3 اهم را فرض کردم، ثانیا فیوزدستگاه کاملاً اینرسی است و به راحتی می تواند یک پالس کوتاه چندین برابر بزرگتر از مقدار اسمی را تحمل کند و دستگاهی که ذکر کردم نیز به اضافه بار پالسی 5 تا 15 برابر بزرگتر از مقدار اسمی (بسته به کلاس) پاسخ می دهد.
در شرایط واقعی، با چنین ضربه ای در شبکه، نور فقط اندکی چشمک می زند. به عنوان مثال، من به وضوح می بینم که یک کتری برقی کیلوواتی در آشپزخانه چگونه روشن می شود.در اینجا شما ترجیح می دهید یک راه حل زیبا بدون بار اضافی و گرمایش دریافت کنید.

همه چیز مانند خازن است، در بخش.فقط بخش در هر بار شارژ جمع می شود و میدان مغناطیسی در سیم پیچ است.

بدون محدودیت فعلی در مواقع اضطراری...
تنها اشکال راه حل، بر خلاف خازن، این است که اندوکتانس خود نمی تواند جریان را پس از جمع آوری انرژی الکترومغناطیسی محدود کند و جریان می تواند بیهوده جریان یابد.
و خازن بیش از آنچه در آن جا می شود نمی گیرد.و در نهایت جریان متوقف می شود.و سیم پیچ نیز باید خاموش شود... این خطرناک و غیر قابل اعتماد است...

اگر بدون ضریب، پس موافقم - حتی اگر سوئیچ خراب شود، خازن زنده می ماند، اما در جریان های معقول شارژ آن خیلی طول می کشد، اما با ضریب - اگر به موقع آن را خاموش نکنید، بنگ خواهد زد.منابع تغذیه سوئیچینگ کاملاً خوب طراحی شده اند ، اما هنگام شارژ خازن ، واحد در یک اتصال کوتاه کار می کند - باید به نحوی این را در نظر بگیرید.

بنابراین، آنچه من تا کنون دریافته ام این است که مدار فلای بک مناسب ترین است

او دارد ولتاژ خروجیبه ورودی بستگی ندارد و همچنین کمی به نسبت پیچ ها بستگی دارد و می توانید به راحتی خازن را به هر ولتاژی شارژ کنید. به نظر می رسد که نیازی به نصب خازن پس از یکسو کننده نیست و خازن اصلی نه تنها توسط پیک های موج سینوسی، بلکه تقریباً در کل دوره شارژ می شود.
ما عایق گالوانیکی کامل از شبکه، ضریب توان خوب (اگر بدون خازن ورودی) دریافت می کنیم. یک ترانزیستور قدرت برای جریان نسبتاً کم - 100 ژول بر ثانیه، حدود 3 آمپر (IRF830-IRF840) مورد نیاز است.از نظر تئوری، می توانید آن را بدون تغییر روی 12 ولت کار کنید.

از معایب، محاسبه مدار (و نمی توانید آن را با چشم انجام دهید) و راه اندازی آن به وضوح دشوارتر از مدارهای تریستوری است. شما به یک ترانزیستور نسبتاً ولتاژ بالا نیاز دارید - طبق کتاب ها - دو برابر دامنه ولتاژ اصلی + ذخیره - حدود 800-900 ولت یا بیشتر مدار پیچیدهبا 2 ترانزیستور در 400 ولت، اما هنوز هم ارزان تر از یک IGBT قدرتمند و قابل مقایسه با یک تریستور است.
شما باید ترانسفورماتور را باد کنید
اگر قصد جداسازی از شبکه را ندارید، مبدل باک زیبا به نظر می رسد،
اما گام به گام پایین است و سؤال هنوز برای من مشخص نیست - چه چیزی راحت تر است: 300 ولت و ظرفیت بزرگتر یا به عنوان مثال 400 ولت-500 ولت با اتصال سری خازن ها؟


این واحد بسته به وضعیت باتری ها، 1300 uF تا 310 ولت را در 2.5-4 ثانیه شارژ می کند! خازن های فلاش از ولتاژ اضافی، آستانه محافظت می شوند محافظت از ضربهترانزیستور قدرت برای جریان و چیزهای دیگر ...

کیت وظیفه اینگونه شد. بله، قابلیت شارژ از شبکه 220 ولت حفظ می شود. اما وقتی از دستگاه تغذیه می شود، انرژی فلاش تقریبا یک و نیم برابر بیشتر می شود...

ایده در مورد بازگشت به شبکه خوب است، اگر نه برای:

1) IRF840، ولتاژ کم خواهد بود. نیاز به 1200 ولت

2) دیود، اگر ولتاژ روی خازن ها دیود 600--1200 ولت باشد.ممکن است کافی نباشد

3) فوق سریع در چنین ولتاژهایی 2-3 ولت افت خواهند داشت. راندمان 80-85 نمی تواند بالاتر باشد.

4) برای اینکه خود را عذاب ندهید، می توانید تقریباً همه ایدئولوژی ها را ارزیابی کنید http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html#Aww

5) در مورد شارژ خازن از شبکه تا 300 ولت، این یک چنگال روی آب است، فرض کنید بالای موج سینوسی با 25-30 ولت قطع شده است. و تستر چینی 220 ولت را در شبکه نشان می دهد، اما می توانید شیشه را تا 300 ولت شارژ کنید.

6) انرژی به صورت مجذور ولتاژ در هر ظرفیت محاسبه می شود؛ افزایش ولتاژ همیشه سودآورتر است.

7) قابل اعتماد بلوک پالسپیچیده تر و گران تر از شارژر تریستوری. استفاده از آن فقط در چند مورد منطقی است:

شارژ از باتری
--- سرعت بالاشارژ با ابعاد کوچک (یعنی سرعت 600-1000 ژول بر ثانیه)
--- جداسازی گالوانیکی از شبکه (معمولاً توسط طرح های شایسته حل می شود)


شما با خرسندی سورپرایز خواهید شد! چوک با همین اندازه یک و نیم برابر قدرتمندتر است و ولتاژ دیود دو برابر نمی شود! اما بدون انزوا گالوانیکی شما به نوعی زنده خواهید ماند! ما بدون او زندگی کردیم ...شما در محدوده 240-410 ولت کار می کنید (پس از یکسو کننده برق و صاف کردن. برای ولتاژ خروجی 410 ولت حتی نیازی به سیم پیچ تقویت کننده ندارید.

در پل مایل یک دیود و یک چوک خروجی را فراموش کردند؛ بدون چوک برای کلیدها بسیار دشوار است.

از نظر سادگی، البته فلای بک بهتر است، حداقل قطعات وجود دارد، از اتصال کوتاه نمی ترسد و غیره.

ما در مورد چه چیزی صحبت می کنیم؟ این و مدار 2 کلیدی فلای بک وجود دارد.

اما مزیت اصلی flyback (سادگی) از بین می رود؛ شما باید یک درایور سمت بالا یا یک درایور ترانسفورماتور نصب کنید.

بنابراین:فقط یک مدار فلایبک برای شارژ خازن فلاش مناسب است، زیرا این یک منبع جریان است (همه درایوهای فوروارد منابع ولتاژ هستند - و ما در حال حاضر یک منبع ولتاژ داریم - یک شبکه 220 ولت).

بیایید به یک نظریه نگاه کنیم. من نمودار را ارائه نمی دهم، همه آن را به خوبی می دانند.

حداکثر ولتاژ روی ترانزیستور با مجموع ولتاژ تغذیه اصلاح شده و ولتاژ معکوسبر سیم پیچ اولیه. همه چیز با منبع روشن است، 310 ولت (بعلاوه، منفی) است. ولتاژ معکوس در سیم پیچ اولیه فقط به چرخه کاری پالس یا چرخه وظیفه بستگی دارد! اجازه دهید توضیح دهم - در حالت کارکرد ثابت، انرژی ذخیره شده در حرکت رو به جلو باید به طور کامل به بار در معکوس منتقل شود (اگر همه آن انتقال داده نشود، پس از آن شروع به جمع شدن در هسته می کند، به حد فعلی می رسیم. سیم پیچ اولیه (و احتمالاً اشباع) و کنترل کننده PWM مدت زمان پالس را کاهش می دهد. بیایید فرمول را به خاطر بسپاریم:

U = L(dI/dt)

آن ها اگر T حرکت معکوس دو برابر بزرگتر از حرکت رو به جلو باشد، U حرکت معکوس دو برابر کمتر خواهد بود. در بارهدر اینجا در D = 33٪ ما یک ولتاژ معکوس 155 ولت دریافت می کنیم. همه. این ارزش محاسبه شده ما است، ما به آن تکیه می کنیم. تیبنابراین، بدون احتساب افزایش ناشی از اندوکتانس نشتی، تنها 310 + 155 = 465 ولت روی سوئیچ وجود خواهد داشت! در ولتاژ خروجی _any_ (ولتاژ خروجی به صورت N2*155/N1 محاسبه می شود، که در آن N1 و N2 به ترتیب تعداد دورهای سیم پیچ اولیه و ثانویه هستند). N1 بر اساس حرکت T فوروارد و انرژی که باید در یک پالس منتقل شود انتخاب می شود. N2 برای دستیابی به حداکثر ولتاژ خروجی مشخص شده انتخاب می شود. در بارهبه دلیل اندوکتانس نشتی مشکلی از نشتی وجود داشت. دامنه آن با هیچ چیز محدود نمی شود و قدرت به جریان عبوری از سیم پیچ اولیه و در واقع اندوکتانس نشتی بستگی دارد. می توانید مسیر استاندارد را دنبال کنید و یک اسنابر نصب کنید، سپس تمام این انرژی روی مقاومت آن (یا دیود زنر) آزاد می شود. شما نیازی به نصب اسنابر ندارید، سپس انرژی روی سوئیچ آزاد می شود (موسفت ها در برابر فرآیندهای بهمن کاملاً مقاوم هستند و به شما امکان می دهند قدرت انتشار نسبتاً زیادی را بدون خرابی یا بدتر شدن پارامترها از بین ببرید ، که در مورد دوقطبی ها نمی توان گفت. ).
اما در مورد ما نیازی به جدا کردن فلاش از شبکه نیست، بنابراین می توانیم یک ترانسفورماتور پالسی به صورت اتوترانسفورماتور (یا چوک با شیر) و ... بسازیم و در این صورت اندوکتانس نشتی نخواهیم داشت. اصلا! در این حالت ولتاژ روی کلید همیشه 465 ولت خواهد بود! اچدر مورد ولتاژ معکوس در دیود خروجی، بله، بزرگ خواهد بود و ممکن است از یک کیلوولت بیشتر شود (یعنی ولتاژی که اکثر دیودهای مدرن برای آن طراحی شده اند). اما در اینجا می توانیم دو دیود را به صورت سری وصل کنیم و یک رکتیفایر 2 کیلوولتی بگیریم.

بنابراین، مدار را برای حداکثر ولتاژ خروجی محاسبه کرده ایم. اگر بخواهیم شارژ خازن را با ولتاژ دو (مثلا) کمتر از آن متوقف کنیم، چه اتفاقی می افتد؟ اما هیچ چیز بدی نیست دامنه ولتاژ روی کلید حتی به 465 ولت نمی رسد - 310 + 155/2 ولت خواهد بود.

مشکل اصلی در این مدار ساخت ترانسفورماتور خواهد بود - باید مقدار کافی انرژی را در هر پالس ذخیره کند تا خازن خروجی را با سرعت مورد نیاز شارژ کند. می توان آن را روی یک هسته نسبتاً بزرگ W شکل با شکاف یا روی حلقه دریچه گاز با نفوذپذیری کم ساخت. پارامترها را می توان با پیچاندن یک سیم پیچ، عبور جریان از آن و مشاهده لحظه اشباع، محاسبه و/یا به صورت تجربی انتخاب کرد. محداکثر جریان از طریق سوئیچ بیش از حد متوسط ​​خواهد بود - 4-6 آمپر، بسته به حالت مدار (جریان های ناپیوسته یا پیوسته) و قدرت (من حدود 300-320 وات محاسبه کردم).


من یک طرح از طرح ارائه می کنم. مدار مبتنی بر UC3842 (یا 3844) است - یک کنترل کننده PWM ارزان (در اصل، مدار را می توان برای هر مدار دیگری تطبیق داد).

من به طور خلاصه به شما می گویم که چگونه همه چیز کار می کند.

وقتی برق را وصل می کنید (فیلتر ورودی، یکسو کننده و خازن را به انتخاب خود می سپارم) از طریق مقاومت R7، خازن C3 تا ولتاژ 16.5 ولت شارژ می شود که آستانه راه اندازی کنترلر PWM است. پس از این، برق از سیم پیچ III ترانسفورماتور از طریق یکسو کننده و فیلتر R9، VD4، C8 گرفته می شود. دیود VD1 ضروری است تا فقط خازن C3 و نه C8 از طریق مقاومت R7 شارژ شود. لازم به ذکر است که سیم پیچ III به گونه ای متصل می شود که ولتاژ روی آن در حرکت رو به جلو گرفته می شود و نه معکوس و بنابراین به ولتاژ خروجی واحد بستگی ندارد بلکه فقط به ولتاژ تغذیه بستگی دارد. سیم پیچ IV با استفاده از همان اصل متصل می شود که برق را به مدار بازخورد می دهد. از آنجایی که جریان در این مدارها کوچک است (محدود شده توسط مقاومت های R8 و R9)، گنجاندن آنها عملاً هیچ تأثیری بر عملکرد مدار ندارد.

فرکانس و حداکثر چرخه وظیفه ژنراتور PWM توسط خازن C1 و مقاومت R1 تنظیم می شود. من داده های تقریبی را در نمودار ارائه می دهم؛ این عناصر ممکن است باید انتخاب شوند (فرکانس 100 کیلوهرتز را برنامه ریزی کردم). اصل کلی عملکرد یک ژنراتور PWM به شرح زیر است: در ابتدا خازن C1 از طریق مقاومت R1 از ولتاژ مرجع میکرو مدار (5 ولت) شارژ می شود، سپس از طریق منبع جریان داخلی تخلیه می شود. در عین حال، در طول فرآیند تخلیه خازن، ولتاژ خروجی میکرو مدار همیشه کم است (یعنی زمان مرده).

مقاومت R2 ولتاژی متناسب با جریان عبوری از کلید تولید می کند. وقتی به 4 آمپر می رسد (ولتاژ 1 ولت در ورودی CS)، PWM ترانزیستور را می بندد. فیلتر R3C6 برای سرکوب نویز مرتبط با سوئیچینگ ترانزیستور طراحی شده است. مقاومت R1 و دیود VD2 طوری طراحی شده اند که کلید را نسبتاً آهسته باز کرده و در سریع ترین زمان ممکن ببندند.

بنابراین، اکنون بیایید به دریافت ولتاژ خروجی نگاه کنیم. در حالی که کلید باز است، جریان از سیم پیچ I ترانسفورماتور عبور می کند. در همان زمان، ولتاژ دیودهای VD5-VD6 معکوس شده و آنها بسته می شوند. هنگامی که سوئیچ بسته می شود، ولتاژ سیم پیچ I و II به شدت تغییر می کند، دیودها باز می شوند و شروع به شارژ خازن با جریان خطی کاهش می کنند. با توجه به اینکه در این حالت ولتاژ از سیم پیچ اولیه نیز گرفته می شود، اصلاً اندوکتانس نشتی نداریم و نیازی به نصب اسنابر نیست. تنها ایراد این مدار این است که ولتاژ خروجی سیم "مشترک" متفاوتی دارد و به صورت گالوانیکی به شبکه متصل است. اما برای روشن کردن فلاش ها این مهم نیست.

TL431A و اپتوکوپلر 817C دارای تثبیت کننده ولتاژ خروجی هستند که توسط مقاومت R16 از حدود 150 تا 350 ولت تنظیم می شود. مقاومت R13 مورد نیاز است تا خازن دائماً کمی تخلیه شود و کنترل کننده PWM با رسیدن به ولتاژ مشخص خاموش نشود (از آنجایی که خود و مدار بازخورد را تغذیه می کند). اگرچه ، من کاملاً مطمئن نیستم که چنین منبع تغذیه ای قابل اعتماد کار کند - باید مونتاژ و آزمایش شود. از طرف دیگر، می توانید کنترلر را روشن کنید و بازخورداز یک منبع تغذیه جداگانه روی یک ترانسفورماتور، اما این باعث افزایش ابعاد سازه می شود.

همانطور که قبلاً گفتم، داده های تقریبی ترانسفورماتور - سیم پیچ های I و II هر کدام 500 μH هستند، سیم پیچ های III و IV - به گونه ای است که ولتاژهای مورد نیاز در هنگام کار به جلو بر روی آنها تولید می شود (به ترتیب حدود 16 ولت و 12 ولت). ترانسفورماتور باید جریان 4 آمپر را در سیم پیچ اولیه بدون اشباع تحمل کند. در اصل، جریان می تواند متفاوت باشد - این فقط قدرت واحد و نرخ شارژ خازن را تغییر می دهد (فقط R2 باید برای حداکثر جریان سیم پیچ مجاز انتخاب شود).

از نظر ساختاری، یک "ساندویچ" از دو هادی و یک دی الکتریک است که می تواند خلاء، گاز، مایع، جامد آلی یا معدنی باشد. اولین خازن های داخلی (کوزه های شیشه ای با گلوله، پوشیده شده با فویل) در سال 1752 توسط M. Lomonosov و G. Richter ساخته شد.

چه چیزی در مورد خازن می تواند جالب باشد؟ هنگام شروع به کار بر روی این مقاله، فکر کردم که می توانم همه چیز را در مورد این بخش ابتدایی جمع آوری و به طور خلاصه ارائه دهم. اما وقتی خازن را شناختم، با تعجب متوجه شدم که حتی یک صدم از تمام اسرار و شگفتی های نهفته در آن را نمی توانم بگویم...

خازن در حال حاضر بیش از 250 سال قدمت دارد، اما حتی فکر هم نمی کند که منسوخ شود. علاوه بر این، 1 کیلوگرم "خازن معمولی معمولی" انرژی کمتری نسبت به یک کیلوگرم باتری یا سلول سوختی ذخیره می کند، اما می تواند آن را آزاد کند. سریعتر از آنها، در حالی که در حال توسعه قدرت بیشتر است. - هنگامی که یک خازن به سرعت تخلیه می شود، می توان یک پالس پرقدرت به دست آورد، به عنوان مثال، در فلاش های نوری، لیزرهای پالسی با پمپ نوری و برخورد دهنده ها. تقریباً در هر دستگاهی خازن وجود دارد، بنابراین اگر خازن جدیدی ندارید، می توانید آنها را برای آزمایش از آنجا خارج کنید.

شارژ خازنقدر مطلق بار یکی از صفحات آن است. بر حسب کولن اندازه گیری می شود و متناسب با تعداد الکترون های اضافی (-) یا گمشده (+) است. برای جمع آوری بار 1 کولن به 6241509647120420000 الکترون نیاز دارید. تقریباً به همین تعداد در حباب هیدروژنی به اندازه سر کبریت وجود دارد.

از آنجایی که توانایی انباشتن بارها در الکترود با دافعه متقابل آنها محدود است، انتقال آنها به الکترود نمی تواند بی پایان باشد. مانند هر وسیله ذخیره سازی، یک خازن ظرفیت بسیار خاصی دارد. اسمش همینه - ظرفیت الکتریکی. بر حسب فاراد و برای خازن تخت با صفحات مساحت اندازه گیری می شود اس(هر کدام)، واقع در فاصله د، ظرفیت است SE 0 ε/d(در اس>> د)، جایی که ε - ثابت دی الکتریک نسبی، و ε 0 =8,85418781762039 * 10 -12 .

ظرفیت خازن نیز برابر است q/U، جایی که q- بار صفحه مثبت، U- کشش بین صفحات ظرفیت خازن به هندسه خازن و ثابت دی الکتریک دی الکتریک بستگی دارد و به بار صفحات بستگی ندارد.

در یک هادی باردار، بارها سعی می کنند تا حد امکان از یکدیگر پراکنده شوند و بنابراین در ضخامت خازن نیستند، بلکه در لایه سطحی فلز هستند، مانند یک فیلم بنزین روی سطح آب. اگر دو هادی یک خازن را تشکیل دهند، این بارهای اضافی در مقابل یکدیگر جمع می شوند. بنابراین، تقریباً تمام میدان الکتریکی خازن بین صفحات آن متمرکز است.

در هر بشقاب، هزینه ها به گونه ای توزیع می شود که از همسایگان دور باشد. و آنها کاملاً جادار قرار دارند: در یک خازن هوا با فاصله بین صفحات 1 میلی متر، تا 120 ولت شارژ می شود، فاصله متوسط ​​بین الکترون ها بیش از 400 نانومتر است که هزاران بار بیشتر از فاصله بین اتم ها است. 0.1-0.3 نانومتر) و این بدان معنی است که برای میلیون ها اتم سطحی تنها یک الکترون اضافی (یا گمشده) وجود دارد.

اگر فاصله را کم کنبین صفحات، نیروهای جاذبه افزایش می یابد و در همان ولتاژ بارهای روی صفحات می توانند از نزدیک "همراه شوند". ظرفیت افزایش خواهد یافتخازن این همان کاری است که ون ماشنبروک، استاد ناآگاه دانشگاه لیدن انجام داد. او بطری دیواره ضخیم اولین کندانسور جهان (که توسط کشیش آلمانی فون کلایست در سال 1745 ایجاد شد) را با یک ظرف شیشه ای نازک جایگزین کرد. آن را شارژ کرد و لمس کرد و دو روز بعد که از خواب بیدار شد، گفت که حاضر نیست آزمایش را تکرار کند، حتی اگر به پادشاهی فرانسه برای آن قول بدهند.

اگر یک دی الکتریک بین صفحات قرار دهید، آن را قطبی می کنند، یعنی بارهای مخالفی را که از آن تشکیل شده است، جذب می کنند. این همان اثری را خواهد داشت که اگر بشقاب ها نزدیکتر شوند. دی الکتریک با ثابت دی الکتریک نسبی بالا را می توان به عنوان یک انتقال دهنده خوب میدان الکتریکی در نظر گرفت. اما هیچ نوار نقاله ای کامل نیست، بنابراین مهم نیست که چه دی الکتریک فوق العاده ای را روی نوار موجود اضافه کنیم، ظرفیت خازن فقط کاهش می یابد. تنها در صورت اضافه کردن یک دی الکتریک (یا بهتر از آن، یک هادی) می توانید ظرفیت خازن را افزایش دهید. بجایدر حال حاضر موجود است اما دارای ε کوچکتر است.

تقریباً هیچ هزینه رایگانی در دی الکتریک وجود ندارد. همه آنها یا در یک شبکه کریستالی یا در مولکول ها ثابت می شوند - قطبی (نماینده دوقطبی ها) یا خیر. اگر میدان خارجی وجود نداشته باشد، دی الکتریک غیرقطبی است، دوقطبی ها و بارهای آزاد به طور آشفته پراکنده می شوند و دی الکتریک میدانی از خود ندارد. در یک میدان الکتریکی قطبی شده است: دوقطبی ها در امتداد میدان قرار دارند. از آنجایی که دوقطبی های مولکولی زیادی وجود دارد، هنگامی که آنها جهت گیری می کنند، مزایا و معایب دوقطبی های همسایه در داخل دی الکتریک یکدیگر را جبران می کنند. فقط بارهای سطحی بدون جبران باقی می مانند - در یک سطح - یکی، در دیگری - دیگری. هزینه های رایگان در زمینه خارجی نیز رانش و جدا می شوند.

در این حالت، فرآیندهای پلاریزاسیون مختلف با سرعت های متفاوت رخ می دهد. یک چیز جابجایی پوسته های الکترونی است که تقریباً فوراً اتفاق می افتد، یک چیز دیگر چرخش مولکول ها به ویژه مولکول های بزرگ است و سوم مهاجرت بارهای آزاد است. دو فرآیند آخر بدیهی است که به دما بستگی دارند و در مایعات بسیار سریعتر از جامدات رخ می دهند. اگر دی الکتریک گرم شود، چرخش دوقطبی و مهاجرت بار تسریع می شود. اگر میدان خاموش شود، دپلاریزاسیون دی الکتریک نیز فوراً رخ نمی دهد. تا زمانی که حرکت حرارتی مولکول ها را به حالت آشفته اولیه پراکنده کند، برای مدتی قطبی می ماند. بنابراین، برای خازن هایی که قطبیت در فرکانس های بالا تغییر می کند، فقط دی الکتریک های غیر قطبی مناسب هستند: فلوروپلاستیک، پلی پروپیلن.

اگر یک خازن شارژ شده را جدا کنید و سپس آن را دوباره جمع کنید (با موچین های پلاستیکی)، انرژی به جایی نمی رسد و LED می تواند چشمک بزند. حتی اگر آن را به یک خازن در حالت جدا شده وصل کنید چشمک می زند. این قابل درک است - در حین جداسازی ، شارژ از صفحات ناپدید نشد و ولتاژ حتی افزایش یافت ، زیرا ظرفیت کاهش یافت و اکنون صفحات به معنای واقعی کلمه در حال ترکیدن هستند. صبر کن این تنش چطور زیاد شد چون اونوقت انرژی هم زیاد میشه؟ درست است، ما انرژی مکانیکی را به سیستم منتقل کردیم و بر جاذبه کولن صفحات غلبه کردیم. در واقع، این ترفند الکتریکی شدن توسط اصطکاک است - قلاب کردن الکترون ها در فاصله ای به اندازه اتم ها و کشیدن آنها به فاصله ماکروسکوپی و در نتیجه افزایش ولتاژ از چندین ولت (و این ولتاژ در پیوندهای شیمیایی است) به ده ها و صدها هزار ولت. اکنون واضح است که چرا یک ژاکت مصنوعی هنگام پوشیدن، شوک الکتریکی ایجاد نمی کند، بلکه فقط زمانی که آن را در می آورید؟ صبر کنید، چرا میلیاردها نه؟ یک دسی متر یک میلیارد برابر بزرگتر از آنگستروم است که ما از آن الکترون ها را ربودیم؟ بله، چون کار حرکت یک بار در میدان الکتریکی با انتگرال معادله بر d برابر است و همین E با فاصله به صورت درجه دوم ضعیف می شود. و اگر در کل دسی متر بین ژاکت و دماغه همان میدان داخل مولکول ها وجود داشته باشد، یک میلیارد ولت روی دماغه کلیک می کند.

بیایید این پدیده - افزایش ولتاژ هنگام کشش خازن - را به صورت تجربی بررسی کنیم. من یک برنامه ساده در ویژوال بیسیک نوشتم تا داده ها را از کنترلر PMK018 خود دریافت کرده و روی صفحه نمایش دهد. به طور کلی، دو صفحه 200x150 میلی متری از تکستولیت را می گیریم که از یک طرف با فویل پوشانده شده است و سیم هایی را که به ماژول اندازه گیری می روند لحیم می کنیم. سپس روی یکی از آنها یک دی الکتریک - یک ورق کاغذ - می گذاریم و روی آن را با صفحه دوم می پوشانیم. صفحات محکم به هم نمی‌چسبند، بنابراین آنها را با بدنه خودکار در بالا فشار می‌دهیم (اگر با دست فشار دهید، می‌توانید تداخل ایجاد کنید).

مدار اندازه گیری ساده است: پتانسیومتر R1 ولتاژی را که به خازن عرضه می شود (در مورد ما 3 ولت است) تنظیم می کند و دکمه S1 برای تامین یا عدم تامین آن به خازن عمل می کند.

بنابراین، دکمه را فشار داده و رها کنید - نمودار نشان داده شده در سمت چپ را مشاهده خواهیم کرد. خازن به سرعت از طریق ورودی اسیلوسکوپ تخلیه می شود. حالا بیایید سعی کنیم فشار روی صفحات را در هنگام تخلیه کاهش دهیم - یک اوج ولتاژ را در نمودار (سمت راست) خواهیم دید. این دقیقاً اثر مورد نظر است. در همان زمان، فاصله بین صفحات خازن افزایش می یابد، ظرفیت خازن کاهش می یابد و بنابراین خازن حتی سریعتر شروع به تخلیه می کند.

اینجا به طور جدی فکر کردم ... به نظر می رسد که ما در آستانه یک اختراع بزرگ هستیم ... از این گذشته ، اگر هنگام جدا کردن صفحات از هم ، ولتاژ روی آنها افزایش یابد ، اما شارژ ثابت بماند ، می توانید دو عدد بگیرید. در خازن ها، در یکی، صفحات را روی آنها از هم جدا می کنید و در نقطه حداکثر انبساط، بار را به یک خازن ثابت منتقل می کنید. سپس صفحات را به جای خود برگردانید و همین کار را برعکس تکرار کنید و خازن دیگر را از هم جدا کنید. در تئوری، ولتاژ هر دو خازن با هر سیکل به تعداد معینی افزایش می یابد. ایده عالی برای یک ژنراتور برق! ایجاد طرح های جدید برای آسیاب های بادی، توربین ها و همه اینها امکان پذیر خواهد بود! پس عالیه... برای راحتی می توانید همه اینها را روی دو دیسک که در جهت مخالف می چرخند قرار دهید.... آه، این چیست... اوه، این یک ماشین برقی مدرسه است! 🙁

این به عنوان یک ژنراتور ریشه نگرفت، زیرا مقابله با چنین ولتاژهایی ناخوشایند است. اما در مقیاس نانو، همه چیز می تواند تغییر کند. پدیده‌های مغناطیسی در نانوساختارها چندین برابر ضعیف‌تر از نمونه‌های الکتریکی هستند و میدان‌های الکتریکی در آنجا، همانطور که قبلاً دیدیم، بسیار زیاد است، بنابراین یک ماشین الکتروفوریک مولکولی می‌تواند بسیار محبوب شود.

خازن به عنوان ذخیره انرژی

اطمینان از ذخیره انرژی در کوچکترین خازن بسیار آسان است. برای انجام این کار، به یک LED قرمز شفاف و یک منبع جریان ثابت نیاز داریم (باتری 9 ولتی این کار را انجام می دهد، اما اگر ولتاژ نامی خازن اجازه می دهد، بهتر است یک بزرگتر بگیرید). این آزمایش شامل شارژ یک خازن، و سپس اتصال یک LED به آن (در مورد قطبیت را فراموش نکنید)، و تماشای چشمک زدن آن است. در یک اتاق تاریک، فلاش حتی از خازن های ده ها پیکوفاراد قابل مشاهده است. حدود صد میلیون الکترون صد میلیون فوتون ساطع می کنند. با این حال، این محدودیت نیست، زیرا چشم انسان می تواند نور بسیار ضعیف تری را مشاهده کند. من فقط خازن های خازنی کمتری پیدا نکردم. اگر شمارش به هزاران میکروفاراد رسید، از LED صرفه‌جویی کنید، و در عوض خازن را به یک جسم فلزی کوتاه کنید تا جرقه‌ای را ببینید - نشانه‌ای آشکار از وجود انرژی در خازن.

انرژی یک خازن باردار به طرق مختلف مانند انرژی مکانیکی بالقوه رفتار می کند - انرژی یک فنر فشرده، وزنی که به ارتفاع بالا می رود یا یک مخزن آب (و انرژی یک سلف، برعکس، شبیه انرژی جنبشی است. ). توانایی خازن برای ذخیره انرژی مدت هاست که برای اطمینان از عملکرد مداوم دستگاه ها در طول افت کوتاه مدت ولتاژ تغذیه - از ساعت تا تراموا استفاده می شود.

این خازن همچنین برای ذخیره انرژی "تقریبا ابدی" تولید شده توسط لرزش، لرزش، صدا، تشخیص امواج رادیویی یا تشعشعات شبکه برق استفاده می شود. کم کم، انرژی انباشته شده از چنین منابع ضعیفی در طول زمان به حسگرهای بی سیم و سایر دستگاه های الکترونیکی اجازه می دهد تا برای مدتی کار کنند. این اصل اساس یک باتری ابدی "نوع انگشتی" برای دستگاه هایی با مصرف برق متوسط ​​(مانند کنترل از راه دور تلویزیون) است. بدنه آن حاوی یک خازن با ظرفیت 500 میلی فاراد و یک ژنراتور است که با نوسانات در فرکانس 4-8 هرتز با توان آزاد 10 تا 180 میلی وات آن را تغذیه می کند. ژنراتورهای مبتنی بر نانوسیم های پیزوالکتریک در حال توسعه هستند که می توانند انرژی ارتعاشات ضعیفی مانند ضربان قلب، برخورد کف کفش با زمین و ارتعاشات تجهیزات فنی را به داخل خازن هدایت کنند.

منبع دیگر انرژی آزاد مهار است. معمولاً وقتی وسیله نقلیه ترمز می کند، انرژی به گرما تبدیل می شود، اما می توان آن را ذخیره کرد و سپس در هنگام شتاب گیری از آن استفاده کرد. این مشکل مخصوصاً برای حمل و نقل عمومی حاد است که در هر توقف سرعت و شتاب آن کاهش می یابد که منجر به مصرف سوخت قابل توجه و آلودگی هوا از انتشار گازهای گلخانه ای می شود. در منطقه ساراتوف در سال 2010، شرکت التون Ecobus را ایجاد کرد - یک مینی بوس آزمایشی با موتورهای الکتریکی غیر معمول چرخ موتور و ابرخازن ها - دستگاه های ذخیره انرژی ترمز کننده که مصرف انرژی را تا 40٪ کاهش می دهد. از مواد توسعه یافته در پروژه Energia-Buran، به ویژه فویل کربن استفاده می کند. به طور کلی، به لطف مدرسه علمی ایجاد شده در اتحاد جماهیر شوروی، روسیه یکی از رهبران جهانی در توسعه و تولید خازن های الکتروشیمیایی است. به عنوان مثال محصولات التون از سال 1998 به خارج از کشور صادر می شود و اخیراً تولید این محصولات در آمریکا با مجوز یک شرکت روسی آغاز شده است.

ظرفیت یک خازن مدرن (2 فاراد، عکس سمت چپ) هزاران بار بیشتر از ظرفیت کل کره زمین است. آنها قادر به ذخیره بار الکتریکی 40 کولن هستند!

آنها معمولاً در سیستم های صوتی اتومبیل برای کاهش اوج بار روی سیم کشی الکتریکی اتومبیل (در لحظات ضربه های باس قدرتمند) استفاده می شوند و به دلیل ظرفیت عظیم خازن، تمام تداخل فرکانس بالا را در دستگاه خاموش می کنند. -شبکه برد

اما این "سینه پدربزرگ" اتحاد جماهیر شوروی برای الکترون ها (عکس سمت راست) چندان جادار نیست، اما می تواند ولتاژ 40000 ولت را تحمل کند (به فنجان های چینی توجه کنید که همه این ولت ها را از خراب شدن بدنه خازن محافظت می کند). این برای یک "بمب الکترومغناطیسی" بسیار راحت است، که در آن یک خازن بر روی یک لوله مسی تخلیه می شود، که در همان لحظه از بیرون توسط یک انفجار فشرده می شود. نتیجه یک پالس الکترومغناطیسی بسیار قدرتمند است که تجهیزات رادیویی را غیرفعال می کند. به هر حال، در طی یک انفجار هسته ای، بر خلاف یک انفجار معمولی، یک پالس الکترومغناطیسی نیز آزاد می شود که یک بار دیگر بر شباهت هسته اورانیوم به خازن تأکید می کند. به هر حال، چنین خازنی را می توان به طور مستقیم با الکتریسیته ساکن از یک شانه شارژ کرد، اما البته زمان زیادی طول خواهد کشید تا تا ولتاژ کامل شارژ شود. اما تکرار تجربه غم انگیز ون ماشنبروک در یک نسخه بسیار تشدید شده امکان پذیر خواهد بود.

اگر به سادگی یک خودکار (شانه، بادکنک، لباس زیر مصنوعی و غیره) را روی موهای خود بمالید، LED روشن نمی شود. این به این دلیل است که الکترون های اضافی (گرفته شده از مو) اسیر هستند، هر کدام در نقطه خاص خود در سطح پلاستیک. بنابراین، حتی اگر مقداری الکترون را با خروجی ال ای دی بزنیم، بقیه نمی توانند به دنبال آن عجله کنند و جریان لازم برای درخشش محسوس LED را با چشم غیر مسلح ایجاد کنند. اگر شارژها را از قلم به خازن منتقل کنید موضوع دیگری است. برای این کار خازن را یک ترمینال بگیرید و قلم را به نوبه خود ابتدا روی موهای خود و سپس روی ترمینال آزاد خازن بمالید. چرا مالیدن؟ برای به حداکثر رساندن برداشت الکترون از کل سطح قلم! بیایید این چرخه را چندین بار تکرار کنیم و یک LED را به خازن وصل کنیم. چشمک می زند و فقط در صورتی که قطبیت رعایت شود. بنابراین خازن تبدیل به پلی بین دنیای الکتریسیته "استاتیک" و "معمولی" شد :)

من برای این آزمایش یک خازن ولتاژ بالا گرفتم، از ترس خراب شدن خازن ولتاژ پایین، اما معلوم شد که این یک اقدام احتیاطی غیر ضروری است. هنگامی که منبع شارژ محدود است، ولتاژ در خازن می تواند بسیار کمتر از ولتاژ منبع تغذیه باشد. یک خازن می تواند ولتاژ بالا را به ولتاژ پایین تبدیل کند. به عنوان مثال، الکتریسیته ولتاژ بالا ساکن - به برق معمولی. در واقع، آیا تفاوتی وجود دارد: شارژ یک خازن با یک میکرو کولن از منبعی با ولتاژ 1 ولت یا 1000 ولت؟ اگر این خازن آنقدر جادار باشد که شارژ 1 μC روی آن، ولتاژ بالاتر از ولتاژ منبع تغذیه یک ولتی را افزایش ندهد (یعنی ظرفیت آن بالاتر از 1 µF باشد)، در این صورت تفاوتی وجود ندارد. فقط این است که اگر به زور آویزها را محدود نکنید، تعداد بیشتری از آنها می خواهند از منبعی با اراده بالا بیایند. و توان حرارتی آزاد شده در پایانه های خازن بیشتر خواهد بود (و مقدار گرما یکسان است ، فقط سریعتر آزاد می شود ، به همین دلیل قدرت بیشتر است).

به طور کلی، ظاهراً هر خازن با ظرفیت بیش از 100 نانوفتر برای این آزمایش مناسب است. شما می توانید کارهای بیشتری انجام دهید، اما برای دریافت ولتاژ کافی برای LED باید آن را برای مدت طولانی شارژ کنید. اما اگر جریان های نشتی در خازن کم باشد، LED بیشتر می سوزد. ممکن است به این فکر کنید که از این اصل برای ایجاد دستگاهی برای شارژ مجدد تلفن همراه با مالیدن آن به موهای خود در طول مکالمه استفاده کنید :)

یک خازن ولتاژ بالا عالی یک پیچ گوشتی است. در این مورد، دسته آن به عنوان دی الکتریک عمل می کند و میله فلزی و دست انسان به عنوان صفحه عمل می کنند. می دانیم که قلمی که روی مو مالیده شود، تکه های کاغذ را جذب می کند. اگر پیچ گوشتی را روی موهای خود بمالید، چیزی از آن در نمی آید - فلز توانایی جدا کردن الکترون ها از پروتئین ها را ندارد - تکه های کاغذ را جذب نکرده و این کار را نکرد. اما اگر مانند آزمایش قبلی، آن را با یک خودکار شارژ شده مالش دهید، پیچ گوشتی به دلیل ظرفیت کم، به سرعت با ولتاژ بالا شارژ می شود و تکه های کاغذ شروع به جذب به سمت آن می کند.

LED نیز از پیچ گوشتی روشن می شود. ثبت یک لحظه کوتاه از فلاش او در یک عکس غیرممکن است. اما - بیایید ویژگی های نمایی را به یاد بیاوریم - خاموش شدن فلاش مدت زیادی طول می کشد (با استانداردهای شاتر دوربین). و بنابراین ما شاهد یک پدیده منحصر به فرد زبانی-نوری-ریاضی بودیم: غرفه دار در حال افشای ماتریس دوربین بود!

با این حال، چرا چنین مشکلاتی - ضبط ویدئو وجود دارد. نشان می دهد که LED کاملاً روشن چشمک می زند:

هنگامی که خازن ها با ولتاژ بالا شارژ می شوند، اثر لبه شروع به ایفای نقش می کند که شامل موارد زیر است. اگر یک دی الکتریک در هوا بین صفحات قرار داده شود و ولتاژ تدریجی افزایشی به آنها اعمال شود، در یک مقدار ولتاژ مشخص، تخلیه آرام در لبه صفحه رخ می دهد که با نویز مشخص و درخشش در تاریکی قابل تشخیص است. مقدار ولتاژ بحرانی بستگی به ضخامت صفحه، تیزی لبه، نوع و ضخامت دی الکتریک و غیره دارد. به عنوان مثال، هرچه ثابت دی الکتریک یک دی الکتریک بیشتر باشد، کمتر است. برای کاهش اثر لبه، لبه های صفحه در یک دی الکتریک با استحکام الکتریکی بالا تعبیه می شود، واشر دی الکتریک در لبه ها ضخیم می شود، لبه های صفحات گرد می شوند و منطقه ای با ولتاژ کاهش تدریجی ایجاد می شود. لبه صفحات با ساختن لبه صفحات از ماده ای با مقاومت بالا، کاهش ولتاژ در هر خازن با تقسیم آن به چندین خازن متصل به سری.

به همین دلیل است که بنیانگذاران الکترواستاتیک دوست داشتند که در انتهای الکترودها توپ داشته باشند. به نظر می رسد که این یک ویژگی طراحی نیست، بلکه راهی برای به حداقل رساندن جریان شارژ در هوا است. جای دیگری برای رفتن وجود ندارد. اگر انحنای ناحیه ای روی سطح توپ بیشتر کاهش یابد، انحنای نواحی مجاور به ناچار افزایش می یابد. و در اینجا ظاهراً در امور الکترواستاتیکی ما نه میانگین بلکه حداکثر انحنای سطح مهم است که البته برای یک توپ حداقل است.

هوم.. اما اگر ظرفیت یک جسم توانایی جمع آوری بار باشد، احتمالاً برای بارهای مثبت و منفی بسیار متفاوت است. بیایید یک خازن کروی را در خلاء تصور کنیم... بیایید آن را از قلب منفی شارژ کنیم، بدون اینکه از نیروگاه ها و گیگاوات ساعت صرفه جویی کنیم (این همان چیزی است که در مورد یک آزمایش فکری خوب است!) ... اما در یک مقطع زمانی این مقدار زیاد خواهد شد. الکترون های روی این توپ که آنها به سادگی شروع به پراکندگی در کل خلاء می کنند، فقط برای اینکه در چنین تنگی الکترونگاتیوی قرار نگیرند. اما این با یک بار مثبت اتفاق نمی افتد - الکترون ها، مهم نیست که چقدر از آنها باقی می مانند، از شبکه کریستالی خازن دور نمی شوند.
چه اتفاقی می افتد، ظرفیت مثبت آشکارا بسیار بزرگتر از ظرفیت منفی است؟ نه! از آنجا که الکترون‌ها در واقع نه برای نوازش ما، بلکه برای اتصال اتم‌ها، و بدون هیچ سهم قابل توجهی از آنها وجود داشتند، دفع کولن یون‌های مثبت شبکه بلوری فوراً زره‌دارترین خازن را به غبار می‌کوبید:)

در واقع، بدون صفحه ثانویه، ظرفیت "نیمه های منفرد" خازن بسیار کوچک است: ظرفیت الکتریکی یک تکه سیم با قطر 2 میلی متر و طول 1 متر تقریباً 10 pF است. کل کره زمین 700 μF است.

می توان با محاسبه ظرفیت آن با استفاده از فرمول های فیزیکی بر اساس اندازه گیری های دقیق ابعاد صفحات، یک استاندارد مطلق ظرفیت ساخت. دقیق ترین خازن های کشورمان که در دو جا قرار گرفته اند به این صورت ساخته می شوند. استاندارد ایالتی GET 107-77 در SNIIM Enterprise Unitary State فدرال قرار دارد و از 4 خازن استوانه ای کواکسیال پشتیبانی نشده تشکیل شده است که ظرفیت آنها با دقت بالایی با استفاده از سرعت نور و واحدهای طول و فرکانس و همچنین محاسبه می شود. یک مقایسه کننده خازنی با فرکانس بالا، که به شما امکان می دهد ظرفیت خازن هایی را که برای تأیید آورده شده اند با یک استاندارد (10 pf) با خطای کمتر از 0.01٪ در محدوده فرکانس 1-100 مگاهرتز مقایسه کنید (عکس در سمت چپ).

استاندارد GET 25-79 (عکس در سمت راست)، واقع در شرکت فدرال واحد ایالتی VNIIM به نام. DI. مندلیف شامل یک خازن محاسباتی و یک تداخل سنج در یک بلوک خلاء، یک پل ترانسفورماتور خازنی کامل با اندازه گیری های خازنی و یک ترموستات، و منابع تشعشعی با طول موج تثبیت شده است. این استاندارد مبتنی بر روشی برای تعیین افزایش ظرفیت یک سیستم الکترودهای متقاطع خازن طراحی است که طول الکترودها با تعداد مشخصی از طول موج های تابش نور بسیار پایدار تغییر می کند. این تضمین می کند که یک مقدار ظرفیت خازنی دقیق 0.2 pF با دقتی بهتر از 0.00005٪ حفظ می شود.

اما در بازار رادیو در میتینو، پیدا کردن خازن با دقت بالاتر از 5٪ مشکل بود 🙁 خب، بیایید سعی کنیم ظرفیت خازن را با استفاده از فرمول های مبتنی بر اندازه گیری ولتاژ و زمان از طریق PMK018 مورد علاقه خود محاسبه کنیم. ظرفیت را به دو صورت محاسبه می کنیم. روش اول بر اساس خواص نمایی و نسبت ولتاژ روی خازن است که در لحظه های مختلف تخلیه اندازه گیری می شود. مورد دوم با اندازه‌گیری باری است که خازن در حین تخلیه تخلیه می‌کند و با ادغام جریان در طول زمان به دست می‌آید. مساحت محدود شده توسط نمودار فعلی و محورهای مختصات از نظر عددی برابر با بار داده شده توسط خازن است. برای این محاسبات، باید دقیقاً مقاومت مداری را که خازن از طریق آن تخلیه می شود، بدانید. من این مقاومت را با یک مقاومت دقیق 10 کیلو اهم از یک کیت الکترونیکی تنظیم کردم.

و در اینجا نتایج آزمایش آمده است. توجه داشته باشید که غرفه دار چقدر زیبا و صاف ظاهر شد. از نظر ریاضی توسط رایانه محاسبه نمی شود، بلکه مستقیماً از خود طبیعت اندازه گیری می شود. به لطف شبکه مختصات روی صفحه، واضح است که خاصیت نمایی دقیقاً مشاهده می شود - در فواصل زمانی مساوی به تعداد مساوی کاهش می یابد (من حتی آن را با یک خط کش روی صفحه اندازه گرفتم :) بنابراین، ما می بینیم که فرمول های فیزیکی کاملاً واقعیت اطراف ما را منعکس می کنند.

همانطور که می بینید، ظرفیت اندازه گیری و محاسبه شده تقریباً با مقدار اسمی (و با قرائت مولتی مترهای چینی) مطابقت دارد، اما دقیقاً نه. حیف که هیچ استانداردی برای تعیین اینکه کدام یک از آنها درست است وجود ندارد! اگر کسی ظرف استانداردی را می شناسد که ارزان یا در خانه موجود است، حتماً در مورد آن اینجا در نظرات بنویسید.

در مهندسی برق قدرت، اولین کسی که در جهان از خازن استفاده کرد پاول نیکولاویچ یابلوچکوف در سال 1877 بود. او خازن های لومونوسوف را ساده و در عین حال بهبود داد، شات و فویل را با مایع جایگزین کرد و بانک ها را به صورت موازی به هم وصل کرد. او نه تنها اختراع لامپ های قوس ابتکاری که اروپا را تسخیر کرد، بلکه تعدادی حق ثبت اختراع مربوط به خازن ها را نیز در اختیار دارد. بیایید سعی کنیم یک خازن Yablochkov را با استفاده از آب نمک به عنوان مایع رسانا و یک شیشه شیشه ای سبزیجات به عنوان یک شیشه جمع کنیم. ظرفیت حاصل 0.442 نانوفتر بود. اگر شیشه را با یک کیسه پلاستیکی که مساحت بزرگتر و چند برابر ضخامت کمتری دارد جایگزین کنیم، ظرفیت آن به 85.7 نانوفتر افزایش می یابد. (ابتدا، کیسه را با آب پر کنید و جریان های نشتی را بررسی کنید!) خازن کار می کند - حتی به شما اجازه می دهد LED را چشمک بزنید! همچنین عملکردهای خود را در مدارهای الکترونیکی با موفقیت انجام می دهد (من سعی کردم آن را به جای یک خازن معمولی به ژنراتور وصل کنم - همه چیز کار می کند).

آب در اینجا نقش بسیار ساده ای را به عنوان هادی ایفا می کند و اگر فویل دارید، می توانید بدون آن کار کنید. به دنبال Yablochkov، ما همین کار را انجام خواهیم داد. در اینجا خازن میکا و فویل مسی با ظرفیت 130 pf است.

صفحات فلزی باید تا حد امکان به دی الکتریک نزدیک شوند و لازم است از وارد کردن چسب بین صفحه و دی الکتریک خودداری شود که باعث تلفات اضافی در جریان متناوب می شود. بنابراین، اکنون عمدتاً از فلز به عنوان آبکاری استفاده می شود که به صورت شیمیایی یا مکانیکی بر روی دی الکتریک (شیشه) قرار می گیرد یا به طور محکم به آن فشرده می شود (میکا).

به جای میکا، می توانید از یک دسته دی الکتریک های مختلف، هر چه دوست دارید، استفاده کنید. اندازه‌گیری‌ها (برای دی‌الکتریک‌هایی با ضخامت برابر) نشان داد که هوا ε کوچکترین، برای فلوروپلاستیک بزرگتر است، برای سیلیکون حتی بزرگتر است، و برای میکا حتی بزرگتر است، و در تیتانات زیرکونات سرب به سادگی بزرگ است. طبق علم دقیقاً باید چنین باشد - بالاخره در فلوروپلاستیک، می توان گفت که الکترون ها به زنجیره های فلوئوروکربنی محکم زنجیر شده اند و فقط می توانند اندکی منحرف شوند - جایی برای پرش الکترون از اتمی به اتم دیگر وجود ندارد.

شما می توانید چنین آزمایشاتی را خودتان با موادی انجام دهید که ثابت دی الکتریک متفاوتی دارند. به نظر شما چه چیزی ثابت دی الکتریک بالاتری دارد، آب مقطر یا روغن؟ نمک یا شکر؟ پارافین یا صابون؟ چرا؟ ثابت دی الکتریک به چیزهای زیادی بستگی دارد... می توان یک کتاب کامل در مورد آن نوشت.

این همه؟ 🙁

نه، نه همه! یک هفته دیگر ادامه خواهد داشت! 🙂