एक संधारित्र की विद्युत क्षमता: सूत्र और इतिहास

2024 लेखक: Aaron Duncan | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-01 20:09

इलेक्ट्रिक कैपेसिटर एक निष्क्रिय उपकरण है जो विद्युत ऊर्जा को संचित और संग्रहीत करने में सक्षम है। इसमें एक ढांकता हुआ पदार्थ द्वारा अलग किए गए दो प्रवाहकीय प्लेट होते हैं। विभिन्न संकेतों के विद्युत विभवों को प्रवाहकीय प्लेटों पर लगाने से उनके द्वारा आवेश का अधिग्रहण हो जाता है, जो एक प्लेट पर धनात्मक और दूसरी पर ऋणात्मक होता है। इस मामले में, कुल शुल्क शून्य है।

यह लेख इतिहास के मुद्दों और एक संधारित्र की समाई की परिभाषा पर चर्चा करता है।

आविष्कार की कहानी

अक्टूबर 1745 में, जर्मन वैज्ञानिक इवाल्ड जॉर्ज वॉन क्लिस्ट ने देखा कि एक इलेक्ट्रोस्टैटिक जनरेटर और एक कांच के बर्तन में एक निश्चित मात्रा में पानी एक केबल के साथ जुड़े होने पर एक इलेक्ट्रिक चार्ज संग्रहीत किया जा सकता है। इस प्रयोग में वॉन क्लिस्ट का हाथ और पानी कंडक्टर थे, और कांच का बर्तन एक विद्युत इन्सुलेटर था। वैज्ञानिक द्वारा धातु के तार को अपने हाथ से छूने के बाद, एक शक्तिशाली निर्वहन हुआ, जो थाइलेक्ट्रोस्टैटिक जनरेटर के निर्वहन से काफी मजबूत। नतीजतन, वॉन क्लिस्ट ने निष्कर्ष निकाला कि विद्युत ऊर्जा संग्रहीत थी।

1746 में, डच भौतिक विज्ञानी पीटर वैन मुशचेनब्रोक ने एक संधारित्र का आविष्कार किया, जिसे उन्होंने लीडेन विश्वविद्यालय के सम्मान में लीडेन बोतल कहा, जहां वैज्ञानिक ने काम किया था। डेनियल ग्रेलैट ने फिर कई लीडेन बोतलों को जोड़कर संधारित्र की धारिता को बढ़ाया।

1749 में, बेंजामिन फ्रैंकलिन ने लेडेन कैपेसिटर की जांच की और इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि इलेक्ट्रिक चार्ज पानी में जमा नहीं होता है, जैसा कि पहले माना जाता था, लेकिन पानी और कांच की सीमा पर। फ्रेंकलिन की खोज के लिए धन्यवाद, लेडेन की बोतलें कांच के बर्तनों के अंदर और बाहर धातु की प्लेटों से ढककर बनाई गईं।

उद्योग विकास

"संधारित्र" शब्द 1782 में एलेसेंड्रो वोल्टा द्वारा गढ़ा गया था। प्रारंभ में, विद्युत संधारित्र इन्सुलेटर बनाने के लिए कांच, चीनी मिट्टी के बरतन, अभ्रक और सादे कागज जैसी सामग्री का उपयोग किया जाता था। इसलिए, रेडियो इंजीनियर गुग्लिल्मो मार्कोनी ने अपने ट्रांसमीटरों के लिए पोर्सिलेन कैपेसिटर का उपयोग किया, और रिसीवर के लिए - अभ्रक इन्सुलेटर के साथ छोटे कैपेसिटर, जिनका आविष्कार 1909 में किया गया था - द्वितीय विश्व युद्ध से पहले, वे संयुक्त राज्य अमेरिका में सबसे आम थे।

पहला इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का आविष्कार 1896 में किया गया था और यह एल्युमीनियम इलेक्ट्रोड के साथ एक इलेक्ट्रोलाइट था। 1950 में लघु टैंटलम कैपेसिटर के आविष्कार के बाद ही इलेक्ट्रॉनिक्स का तेजी से विकास शुरू हुआठोस इलेक्ट्रोलाइट।

द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, प्लास्टिक रसायन विज्ञान के विकास के परिणामस्वरूप, कैपेसिटर दिखाई देने लगे, जिसमें पतली बहुलक फिल्मों को एक इन्सुलेटर की भूमिका सौंपी गई।

आखिरकार, 50-60 के दशक में, सुपरकैपेसिटर का उद्योग विकसित होता है, जिसमें कई काम करने वाली प्रवाहकीय सतहें होती हैं, जिसके कारण कैपेसिटर की विद्युत क्षमता पारंपरिक कैपेसिटर के लिए इसके मूल्य की तुलना में परिमाण के 3 क्रम से बढ़ जाती है।

एक संधारित्र के समाई की अवधारणा

संधारित्र प्लेट में संग्रहित विद्युत आवेश उपकरण की प्लेटों के बीच मौजूद विद्युत क्षेत्र के वोल्टेज के समानुपाती होता है। इस मामले में, आनुपातिकता के गुणांक को एक फ्लैट संधारित्र का विद्युत समाई कहा जाता है। SI (इंटरनेशनल सिस्टम ऑफ यूनिट्स) में, विद्युत क्षमता, भौतिक मात्रा के रूप में, फैराड में मापी जाती है। एक फैराड एक संधारित्र की विद्युत धारिता है, जिसकी प्लेटों के बीच का वोल्टेज 1 वोल्ट है जिसमें 1 कूलम्ब का संचित आवेश होता है।

1 फैराड की विद्युत धारिता बहुत बड़ी है, और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स में व्यवहार में, पिकोफ़ारड, नैनोफ़ारड और माइक्रोफ़ारड के क्रम के कैपेसिटेंस वाले कैपेसिटर आमतौर पर उपयोग किए जाते हैं। एकमात्र अपवाद सुपरकेपसिटर हैं, जिसमें सक्रिय कार्बन होता है, जो डिवाइस के कार्य क्षेत्र को बढ़ाता है। वे हजारों फैराड तक पहुंच सकते हैं और प्रोटोटाइप इलेक्ट्रिक वाहनों को बिजली देने के लिए उपयोग किए जाते हैं।

इस प्रकार, संधारित्र की धारिता है: C=Q₁/(V₁-V_{2)। यहाँ सी-विद्युत क्षमता, Q}1 _{- संधारित्र की एक प्लेट में संग्रहित विद्युत आवेश, V}1_-V2_{- प्लेटों की विद्युत क्षमता के बीच का अंतर।}

एक समतल संधारित्र की धारिता का सूत्र है: C=e₀eS/d. यहाँ e_{0और e सार्वत्रिक ढांकता हुआ स्थिरांक है और इन्सुलेटर सामग्री का ढांकता हुआ स्थिरांक S प्लेटों का क्षेत्रफल है, d प्लेटों के बीच की दूरी है। यह सूत्र आपको यह समझने की अनुमति देता है कि यदि आप इन्सुलेटर की सामग्री, प्लेटों या उनके क्षेत्र के बीच की दूरी को बदलते हैं तो संधारित्र की समाई कैसे बदल जाएगी।}

प्रयुक्त डाइलेक्ट्रिक्स के प्रकार

कैपेसिटर के निर्माण के लिए विभिन्न प्रकार के डाइलेक्ट्रिक्स का उपयोग किया जाता है। सबसे लोकप्रिय निम्नलिखित हैं:

1. हवा। ये कैपेसिटर प्रवाहकीय सामग्री की दो प्लेटें हैं, जिन्हें हवा की एक परत से अलग किया जाता है और कांच के मामले में रखा जाता है। वायु संधारित्रों की विद्युत क्षमता छोटी होती है। वे आमतौर पर रेडियो इंजीनियरिंग में उपयोग किए जाते हैं।
2. मीका। अभ्रक (पतली चादरों में अलग होने और उच्च तापमान का सामना करने की क्षमता) के गुण कैपेसिटर में इन्सुलेटर के रूप में इसके उपयोग के लिए उपयुक्त हैं।
3. कागज। गीले होने से बचाने के लिए लच्छेदार या वार्निश किए गए कागज का उपयोग किया जाता है।

संग्रहीत ऊर्जा

जैसे-जैसे संधारित्र की प्लेटों के बीच विभवांतर बढ़ता है, उपकरण किसके कारण विद्युत ऊर्जा को संचित करता है?इसके अंदर एक विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति। यदि प्लेटों के बीच विभवान्तर कम हो जाता है, तो संधारित्र विद्युत परिपथ को ऊर्जा देते हुए विसर्जित हो जाता है।

गणितीय रूप से, एक मनमाना प्रकार के संधारित्र में संग्रहीत विद्युत ऊर्जा को निम्न सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है: E=½C(V₂-V ₁)², जहां V₂ और V_{1 अंतिम और प्रारंभिक हैं प्लेटों के बीच तनाव।}

चार्ज और डिस्चार्ज

यदि एक संधारित्र को किसी प्रतिरोधक और विद्युत धारा के किसी स्रोत के साथ विद्युत परिपथ से जोड़ा जाता है, तो परिपथ में धारा प्रवाहित होगी और संधारित्र आवेशित होने लगेगा। जैसे ही यह पूरी तरह से चार्ज हो जाएगा, सर्किट में विद्युत प्रवाह बंद हो जाएगा।

यदि एक आवेशित संधारित्र को एक प्रतिरोधक के साथ समानांतर में जोड़ा जाता है, तो प्रतिरोधक के माध्यम से एक प्लेट से दूसरी प्लेट में करंट प्रवाहित होगा, जो तब तक जारी रहेगा जब तक कि उपकरण पूरी तरह से डिस्चार्ज नहीं हो जाता। इस मामले में, डिवाइस को चार्ज करते समय डिस्चार्ज करंट की दिशा विद्युत प्रवाह की दिशा के विपरीत होगी।

संधारित्र को चार्ज और डिस्चार्ज करना एक घातीय समय निर्भरता का अनुसरण करता है। उदाहरण के लिए, एक संधारित्र की प्लेटों के बीच का वोल्टेज इसके निर्वहन के दौरान निम्न सूत्र के अनुसार बदलता है: V(t)=V_ie^-t/(RC) , जहां वी _{i - संधारित्र पर प्रारंभिक वोल्टेज, आर - सर्किट में विद्युत प्रतिरोध, टी - निर्वहन समय।}

विद्युत परिपथ में संयोजन

संधारित्रों की समाई निर्धारित करने के लिए जो उपलब्ध हैंविद्युत सर्किट, यह याद रखना चाहिए कि उन्हें दो अलग-अलग तरीकों से जोड़ा जा सकता है:

1. सीरियल कनेक्शन: 1/सी_एस =1/सी₁+1/सी₂+ …+1/सी_.
2. समानांतर कनेक्शन: C_s =C₁+C₂+…+C_.

C_{s - n कैपेसिटर की कुल कैपेसिटेंस। कैपेसिटर की कुल विद्युत समाई कुल विद्युत प्रतिरोध के लिए गणितीय अभिव्यक्तियों के समान सूत्रों द्वारा निर्धारित की जाती है, केवल उपकरणों के श्रृंखला कनेक्शन के लिए सूत्र प्रतिरोधों के समानांतर कनेक्शन के लिए मान्य है और इसके विपरीत।}