Cs.Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 20. Töltött galambok

Nemcsak a mágneses energiát lehet tárolni, hanem az elektromos töltéseket is. Az elektromos töltéstároló eszköz neve: kondenzátor. 

A legelső kondenzátor a leydeni palack volt, amit Pieter van Musschenbroek készített 1761-ben.

2

Ez a pasi egy üvegedényt borított be kívül is meg belül is fémréteggel. Ilyen palack Magyarországon a Bethlen Gábor Református Gimnázium szertárában található.

http://www.bgrg.hu/Files/fiz/FizikaWeblap/elektromossagmagnesesseg/elektrosztatika/leydenipalack.html

Még izgalmasabb, ha készítesz is egy jó kis sokkolót.

http://szertar.blog.hu/2009/07/22/sokkolo_hazilag

A kondenzátor alapelve az, hogy ha két, párhuzamos vezetőből készült lemez közé valamilyen szigetelő anyagot teszünk, akkor az így keletkezett szerkezet azért képes töltéseket tárolni, mert a szigetelő anyag nem engedi, hogy a pozitív és a negatív töltések kiegyenlítődjenek. A két vezetőt fegyverzetnek, a szigetelőt dielektrikumnak hívjuk.
3

Persze, ahhoz, hogy a töltéseket tárolni tudjuk, először töltésmegosztást kell létrehozni, vagyis fel kell tölteni a kondenzátort.

Játsszunk hát ismét, virtuálisan!

Természetesen szükség lesz a Java alkalmazásra, de már oly sokszor írtam le, honnan tudod letölteni, hogy ha még mindig nincs a gépeden, keresd meg magadtól!

Ha már fut a Java, bökj erre!

http://phet.colorado.edu/hu/simulation/capacitor-lab

4

Indítsd el a programot, és lépj a „Bevezetés” fülre!

5

Pipáld be az összes kockát, a feszültségmérőt csatlakoztasd a két fegyverzethez, az „elektromos tér detektor” szondáját pedig dugd a fegyverzetek közé!

Kezdetben semmi nem fog mutatni semmit. Ha viszont a feszültségforráson levő csúszkát elmozdítod, máris minden jelezni fog valamit.

Húzzad közelebb a fegyverzeteket egymáshoz, s minden meg fog nőni. Ugyancsak nőni fognak az értékek, ha a lemezek felületét növeled meg.
6

Ha ezt követően kiiktatod a feszültségforrást, nem történik semmi, vagyis az energia tárolódott a kondenzátorban.

A kondenzátor általános áramköri rajzjele két párhuzamos szakasz.

7

Az egyik lemez töltésének és a lemezek közötti feszültségnek a hányadosa a kondenzátorra jellemző érték, amit a kondenzátor kapacitásának nevezünk. Ez a kondenzátor energiatároló képességének mértéke, amit C-vel jelölünk. A kapacitás mértékegysége a farad, aminek F a jele. A farad túl nagy egység, ezért – néhány esettől eltekintve – ennek sokkal kisebb adagjait használjuk: µF (milliomod rész), nF (a µF ezredrésze), pF (a nanofarad ezredrésze).

Nagyon sokféle kondenzátort gyártanak, és – sajnos – a hangtechnikában alkalmazott, igen jó minőségű kondenzátorok nagyon drágák.

8
Nemcsak az erre a célra gyártott kondenzátornak van kapacitása, hanem szinte mindennek. Például egy hosszú vezetékpár a két drótja között levő műanyag szigetelővel együtt alkot kondenzátort.

A feltöltött kondenzátorral önmagában semmit nem érünk. Ahhoz, hogy a benne tárolt energiát hasznosítani tudjuk, fogyasztót, ellenállást kell kapcsolni rá. Ekkor a töltések egymás felé kezdenek vándorolni, a kondenzátor kisül. A kisülés addig tart, amíg a töltéskülönbség nem egyenlítődik ki.

 

A kisülés során nagyon nagy áramok is folyhatnak. Hogy milyen veszélyes lehet egy kondenzátor kisülése, arra jó példa a villámlás. Ilyenkor az egyik fegyverzet a föld, a másik a felhő. Amikor már akkora a töltéskülönbség, hogy a szigetelőnek tekinthető levegő nem bírja szétválasztani töltéseket, a kondenzátor sajátos módon sül ki, úgy mondjuk, átüt.

9Kondenzátort lehet otthon is készíteni, bár semmire nem használható, csak kísérletezésre. A videó ugyan nem magyar nyelvű, de könnyen megérthető belőle, hogy a kondenzátor kapacitása a fegyverzetek felületének nagyságától és a fegyverzetek távolságától függ.



Van még valami, amitől a kondenzátor kapacitása függ, ez pedig a két lemez közötti szigetelő anyag szigetelési tulajdonsága, a dielektromos állandó. Nézd meg, mi történik, ha az animációs játékunk második, „Dielektrikum” fülére kattintasz! Csak a felső három kockát pipáld be, és válasszad ki a teflon nevű anyagot! Sasold meg, hogy hogyan változik a kapacitás, amikor szép lassan, érzéssel tolod be vagy húzod ki a teflont!

10

Aztán válassz más anyagot, azzal is nézzed meg, sőt, ha egyedi anyagot választasz, annak dielektromos állandóját is beállíthatod.

A kondenzátoron nem folyik át az áram, hiszen a szigetelő azért nem vezető, mert szigetelő. Az egyenáram valóban nem folyik át rajta.

A váltóáram azonban… Ne higgyél senkinek! A váltóáram sem folyik át rajta, mégis, lehet olyan áramkört csinálni, amelyben kondenzátor is van, és váltóáram is folyik. És most figyelj nagyon! Az ilyen áramkörben valóban folyik áram, de ez az áram nem a kondenzátoron keresztül folyik, bárki bármit is mond. Olyan ez, mint a petting: nincs aktus, mégis van élvezet.

11

De akkor mi folyik és honnan, hová?

Mivel én már megértettem egyszer, hogy mi is ez a jelenség, biztos vagyok abban, hogy te is meg fogod érteni, mert amit én képes vagyok fölfogni, azt bárki. Ráadásul ismét az én szabadkézi rajzaimban gyönyörködhetsz.

Készítsünk hát egy zárt áramkört, ami egy szinuszos feszültséggenerátorból és egy kondenzátorból áll! Mind a két alkatrész ideális. A feszültséggenerátor belső ellenállása 0 Ω, a kondenzátor két fegyverzete közötti szigetelőnek viszont végtelenül nagy az ellenállása.

12

Az első negyedperiódusban – ami esetünkben 0-tól 0,25 másodpercig tart – a generátor tölteni kezdi a kondenzátort, vagyis folyik az áram.

13

A periódus végén 1 volt lesz a feszültség a kondenzátor lemezein. Eljutottunk a csúcsra.

14

A következő negyedperiódusban a generátor feszültsége csökken, és mivel a generátor rövidzárat jelent, a töltések is kezdenek egymás felé vándorolni, vagyis áram folyik, csak éppen ellentétes irányba, mint az előbb. Afféle utójáték ez, mert a periódus végére a kondenzátor lemezei között megszűnik az elektromos tér.

15

Ám egy élvezet kevés. A generátor ismét erőre kap, és a harmadik negyed periódusban ismét feltölti a kondenzátort, csak éppen figurát – polaritást - váltva, ellentétes módon, hiszen váltófeszültségű a generátor. Folyik hát az áram megint. Az a fegyverzet, ami az első negyed periódusban pozitív töltésekre töltődött, most negatívra fog; az a fegyverzet pedig, amelyik az első negyed periódusban negatív töltésekre töltődött, most pozitívra fog feltöltődni.
16

A töltés mindaddig tart, amíg ismét elérjük a csúcsot, esetünkben -1 voltot.

17

A negyedik negyedperiódusban a generátor feszültsége ismét csökken, ahogy ez jó szinuszhoz illik. Illetve, dehogy csökken, hiszen ha egy szám kisebb negatív értéket vesz föl, az növekedést jelent. Addig nő, amíg eléri a 0 voltot. A kondenzátor ismét kisül a generátoron keresztül.

18

Aztán minden ismétlődik a megváltó impotenciáig, vagyis amíg a generátort ki nem kapcsoljuk.

A magyarázkodás közben elsumákoltam, hogy mekkora az az áramerősség, ami az áramkörben ide-oda folydogál. Ennek kiszámításához tudni kell, mekkora ellenállást jelent a kondenzátor. De hát éppen az imént írtam, hogy végtelent. Igen, egyenáramon végtelent, egyenáram nem is folyik az áramkörben. Viszont ahogy növekszik a váltóáram frekvenciája, úgy csökken a kondenzátor váltóáramú ellenállása, amit reaktanciának nevezünk. A kondenzátor reaktanciája még egy tényezőtől függ: a kondenzátor kapacitásától, és azzal is fordítva arányos. Képletben ez így fest:

19

Emlékszel még, mekkora volt a tekercs, az induktivitás reaktanciája?

20

A kondenzátor éppen fordítva viselkedik, mint az induktivitás. A kondenzátor reaktanciája egyenáramon végtelen, az induktivitásé nulla. A kondenzátor reaktanciája végtelen frekvencián nulla, az induktivitásé végtelen. Nagy sorozatban macerásabb tekercset gyártani, mint kondenzátort, ezért ahol csak lehet, kondenzátorokat használunk. Nemsokára fogsz erre példát is látni, csak bírd ki a következő részig!