קבלים חשמליים הוא מכשיר פסיבי המסוגל לצבור ולאגור אנרגיה חשמלית. הוא מורכב משני לוחות מוליכים המופרדים על ידי חומר דיאלקטרי. יישום של פוטנציאלים חשמליים של סימנים שונים על לוחות מוליכים מוביל לרכישת מטען על ידם, שהוא חיובי בלוח אחד ושלילי בשני. במקרה זה, החיוב הכולל הוא אפס.
מאמר זה דן בסוגיות ההיסטוריה ובהגדרה של הקיבול של קבל.
סיפור המצאה
באוקטובר 1745, המדען הגרמני אוולד גיאורג פון קלייסט הבחין שניתן לאחסן מטען חשמלי אם מחברים באמצעות כבל מחולל אלקטרוסטטי וכמות מסוימת של מים בכלי זכוכית. בניסוי זה, ידו והמים של פון קלייסט היו מוליכים, וכלי הזכוכית היה מבודד חשמלי. לאחר שהמדען נגע בחוט המתכת בידו, התרחשה פריקה חזקה, שהייתההרבה יותר חזק מפריקה של גנרטור אלקטרוסטטי. כתוצאה מכך, פון קלייסט הגיע למסקנה שיש אנרגיה חשמלית מאוחסנת.
בשנת 1746, הפיזיקאי ההולנדי פיטר ואן מושנברוק המציא קבל, אותו כינה בקבוק ליידן לכבוד אוניברסיטת ליידן שבה עבד המדען. לאחר מכן, דניאל גרלט הגדיל את הקיבול של הקבל על ידי חיבור מספר בקבוקי ליידן.
בשנת 1749, בנג'מין פרנקלין חקר את הקבל של ליידן והגיע למסקנה שהמטען החשמלי מאוחסן לא במים, כפי שהאמינו קודם, אלא בגבול המים והזכוכית. הודות לגילוי של פרנקלין, בקבוקי ליידן נוצרו על ידי כיסוי החלק הפנימי והחיצוני של כלי זכוכית בפלטות מתכת.
פיתוח תעשייה
המונח "קבלים" נטבע על ידי אלסנדרו וולטה ב-1782. בתחילה נעשה שימוש בחומרים כמו זכוכית, פורצלן, נציץ ונייר רגיל לייצור מבודדי קבלים חשמליים. אז, מהנדס הרדיו Guglielmo Marconi השתמש בקבלי חרסינה עבור המשדרים שלו, ולמקלטים - קבלים קטנים עם מבודד נציץ, שהומצאו ב-1909 - לפני מלחמת העולם השנייה, הם היו הנפוצים ביותר בארה"ב.
הקבל האלקטרוליטי הראשון הומצא בשנת 1896 והיה אלקטרוליט עם אלקטרודות אלומיניום. ההתפתחות המהירה של האלקטרוניקה החלה רק לאחר המצאת קבל טנטלום מיניאטורי ב-1950 עםאלקטרוליט מוצק.
במהלך מלחמת העולם השנייה, כתוצאה מהתפתחות הכימיה של הפלסטיק, החלו להופיע קבלים, שבהם הוטל תפקיד של מבודד לסרטי פולימר דקים.
לבסוף, בשנות ה-50-60, מתפתחת תעשיית קבלי-העל, בעלי מספר משטחים מוליכים עובדים, שבגללם הקיבולת החשמלית של הקבלים עולה ב-3 סדרי גודל בהשוואה לערכה עבור קבלים רגילים.
המושג של הקיבול של קבל
המטען החשמלי המאוחסן בלוחית הקבל הוא פרופורציונלי למתח השדה החשמלי הקיים בין הלוחות של המכשיר. במקרה זה, מקדם המידתיות נקרא הקיבול החשמלי של קבל שטוח. ב-SI (International System of Units), הקיבולת החשמלית, ככמות פיזית, נמדדת בפאראדים. פארד אחד הוא הקיבול החשמלי של קבל, שהמתח בין הלוחות שלו הוא 1 וולט עם מטען מאוחסן של 1 קולומב.
קיבול חשמלי של 1 פארד הוא עצום, ובפועל בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה נהוג להשתמש בקבלים בעלי קיבולים בסדר גודל של פיקופראד, ננופארד ומיקרופארד. יוצאי הדופן היחידים הם קבלי-על, המורכבים מפחם פעיל, מה שמגדיל את שטח העבודה של המכשיר. הם יכולים להגיע לאלפי פארד ומשמשים להנעת אב-טיפוס של כלי רכב חשמליים.
לפיכך, הקיבול של הקבל הוא: C=Q1/(V1-V2). כאן ג-קיבולת חשמלית, Q1 - מטען חשמלי מאוחסן בצלחת אחת של הקבל, V1-V2- ההבדל בין הפוטנציאלים החשמליים של הלוחות.
הנוסחה לקיבול של קבל שטוח היא: C=e0eS/d. כאן e0ו-e הוא הקבוע הדיאלקטרי האוניברסלי והקבוע הדיאלקטרי של החומר המבודד S הוא שטח הלוחות, d הוא המרחק בין הלוחות. נוסחה זו מאפשרת לך להבין כיצד ישתנה הקיבול של קבל אם תשנה את החומר של המבודד, המרחק בין הלוחות או השטח שלהם.
סוגי דיאלקטריים משומשים
לייצור קבלים, נעשה שימוש בסוגים שונים של דיאלקטריים. הפופולריים ביותר הם הבאים:
- אוויר. קבלים אלו הם שני לוחות של חומר מוליך, המופרדים בשכבת אוויר וממוקמים במארז זכוכית. הקיבולת החשמלית של קבלי אוויר קטנה. הם משמשים בדרך כלל בהנדסת רדיו.
- מיקה. תכונות הנציץ (יכולת ההפרדה ליריעות דקות ולעמוד בטמפרטורות גבוהות) מתאימות לשימוש שלה כמבודדים בקבלים.
- נייר. נייר שעווה או לכה משמש להגנה מפני הרטבה.
אנרגיה מאוחסנת
ככל שהפרש הפוטנציאל בין הלוחות של הקבל גדל, המכשיר אוגר אנרגיה חשמלית עקבנוכחות של שדה חשמלי בתוכו. אם הפרש הפוטנציאל בין הלוחות יורד, אז הקבל נפרק, נותן אנרגיה למעגל החשמלי.
באופן מתמטי, ניתן לבטא את האנרגיה החשמלית שמאוחסנת בסוג שרירותי של קבלים באמצעות הנוסחה הבאה: E=½C(V2-V 1)2, כאשר V2 ו-V1 הם הסופי והראשוני מתח בין הצלחות.
טעינה ופריקה
אם קבל מחובר למעגל חשמלי עם נגד ומקור כלשהו של זרם חשמלי, אז זרם יזרום דרך המעגל והקבל יתחיל להיטען. ברגע שהוא נטען במלואו, הזרם החשמלי במעגל ייפסק.
אם קבל טעון מחובר במקביל לנגד, אזי יזרום זרם מלוח אחד למשנהו דרך הנגד, שימשיך עד שהמכשיר יתפרק לחלוטין. במקרה זה, כיוון זרם הפריקה יהיה הפוך לכיוון זרימת הזרם החשמלי בעת טעינת המכשיר.
טעינה ופריקה של קבל עוקבות אחר תלות זמן אקספוננציאלית. לדוגמה, המתח בין הלוחות של קבל במהלך פריקתו משתנה לפי הנוסחה הבאה: V(t)=Vie-t/(RC) , כאשר V i - מתח התחלתי על הקבל, R - התנגדות חשמלית במעגל, t - זמן פריקה.
שילוב במעגל חשמלי
כדי לקבוע את הקיבול של הקבלים הזמינים במעגל חשמלי, יש לזכור שניתן לשלב אותם בשתי דרכים שונות:
- חיבור טורי: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- חיבור מקביל: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - קיבול כולל של n קבלים. הקיבול החשמלי הכולל של קבלים נקבע על ידי נוסחאות הדומות לביטויים מתמטיים עבור ההתנגדות החשמלית הכוללת, רק הנוסחה לחיבור סדרתי של מכשירים תקפה לחיבור מקבילי של נגדים ולהיפך.
