Kondensators

Kondensators (no  — 'sablīvēt') jeb, precīzāk, elektriskais kondensators ir ierīce elektriskā lauka enerģijas uzkrāšanai — pasīvais elektronikas komponents (radiodetaļa) ar noteiktu elektriskās kapacitātes vērtību un lielu reaktīvo pretestību. Tam ir vismaz divi klājumi, kas izgatavoti no elektriskajiem vadītājiem. Klājumi atdalīti ar dielektriķi (strāvu nevadošu vielu) un tiem pievienoti izvadi ieslēgšanai elektriskajā ķēdē.
Jo lielāks ir klājumu laukums un jo tuvāk tie atrodas viens otram, jo lielāku lādiņu iespējams uzkrāt kondensatorā, jeb, citiem vārdiem sakot, ir lielāka tā elektriskā kapacitāte.

Vēsture 

Pirmo kondensatoru 1745. gadā izgatavoja vācu fiziķis Evalds Jurgens fon Kleists un holandiešu fiziķis Pīters van Mušenbruks. Tā kā tas notika Leidenes pilsētā un izgatavotā ierīce sastāvēja no stikla trauka, kam iekšpusē un ārpusē bija folijas klājumi, to nosauca par "Leidenes trauku". Šo kondensatoru varēja uzlādēt ar elektrostatisko mašīnu un tas spēja uzkrāt visai ievērojamu augstsprieguma lādiņu.

Kondensatora īpašības 

Kondensatora galvenā īpašība — tas vada tikai maiņstrāvu, bet līdzstrāvai tas ir izolators. Tādēļ līdzstrāvas ķēdes shēmā, kurā ir kondensators, tā apzīmējums ir aizstājams ar pārrāvumu. Līdzstrāvu kondensators nevada tādēļ, ka tā klājumi ir atdalīti ar dielektriķi (ieslēdzot kondensatoru līdzstrāvas ķēdē, tajā īsu brīdi plūst tā saucamā uzlādes strāva). Savienojot uzlādēta kondensatora klājumus ar vadītāju, ķēdē plūst izlādes strāva (notiek kondensatora izlādēšanās). Šo strāvu stiprums un ilgums atkarīgs no kondensatora kapacitātes un ķēdes pretestības.
Savukārt maiņstrāvu kondensators spēj vadīt, jo notiek cikliska klājumu pārlādēšanās un elektriskajā ķēdē plūst strāva. Maiņstrāvas vadīšanas spēja ir atkarīga arī no strāvas frekvences.

Kapacitāte 

Kapacitāte ir galvenais kondensatora raksturlielums. Kapacitātes mērvienība ir farads. Praksē lietojamo kondensatoru kapacitāte ir no dažiem pikofaradiem līdz desmitiem un simtiem tūkstošu mikrofaradu. Ir arī speciāli kondensatori (jonistori) ar sevišķi lielu kapacitāti — desmitiem faradu.
Lai iegūtu lielāku kapacitāti, var saslēgt paralēli vairākus kondensatorus.
Kapacitāte atkarīga ne tikai no klājumu izmēra un savstarpējā attāluma, bet arī no starpklājumu vides dielektriskās caurlaidības.
Kondensatora kapacitātes attiecību pret tā masu vai tilpumu sauc par īpatnējo kapacitāti.

Darba spriegums 
Kondensatora darba spriegums ir spriegums, pie kura kondensators spēj ilgstoši darboties, nemainot savas īpašības. Parasti darba spriegums samazinās, paaugstinoties temperatūrai.

Uzlādējot kondensatoru ar pārāk liela sprieguma strāvu, var notikt dielektriķa caursišana — tad kondensators iziet no ierindas. Tādēļ augstsprieguma kondensatoros lieto biezāku dielektriķa slāni un šādiem kondensatoriem mēdz būt lielāki izmēri. Kondensatorus var saslēgt virknē, lai iegūtu lielāku darba spriegumu.

Temperatūras koeficients 

Kondensatora kapacitātes temperatūras koeficients raksturo kapacitātes atkarību no temperatūras. To izsaka kā kapacitātes izmaiņu, temperatūrai mainoties par 1 °C. Šis koeficients var būt kā negatīvs, tā pozitīvs. Tas ir svarīgs mazas kapacitātes kondensatoriem, ko lieto augstfrekvences ķēdēs. Termokondensatoriem ir sevišķi liels un precīzi normēts temperatūras koeficients.

Kondensatoru tipi 

Kondensatorus klasificē galvenokārt pēc dielektriķa veida, jo no tā atkarīgi svarīgi kondensatora parametri.
 Kondensatori ar gāzveida dielektriķi
 Kondensatori ar cietu neorganisku dielektriķi
 Stikla (stikla-emaljas, stikla-keramiskie) kondensatori
 Vizlas kondensatori
 Keramiskie kondensatori
 Kondensatori ar cietu organisku dielektriķi
 Papīra kondensatori
 Metāla-papīra kondensatori
 Plēves (polistirola, teflona, lavsāna u.c.) kondensatori
 Kombinētie papīra-plēves kondensatori
 Elektrolītiskie un oksīdu-pusvadītāju kondensatori (izceļas ar sevišķi lielu īpatnējo kapacitāti, mēdz būt polāri)

Kondensatorus iedala arī pēc iespējas mainīt to kapacitāti:
 pastāvīgajiem kondensatoriem kapacitāti mainīt nav paredzēts,
 maiņkondensatoriem kapacitāte ir mehāniski maināma, tos bieži apvieno maiņkondensatoru blokos,
 varikondiem kapacitāti var mainīt ar elektrisko spriegumu,
 termokondensatoriem kapacitāte mainās atkarībā no temperatūras,
 pieskaņošanas kondensatoriem kapacitāti paredzēts mainīt nedaudzas reizes un nelielās robežās.

Bez tam mūsdienās ir lietojami dažādi speciāli kondensatori.
 Augstsprieguma kondensatori
 Impulskondensatori
 Atbalsta kondensatori
 Caurejamie kondensatori

Plakņu kondensatori 

Vienkāršākais plakņu kondensators ir divas paralēlas vadītāja plaknes (klājumi), starp kurām ir dielektriķa starplika. Ja plaknes uzlādē ar pretēju zīmju lādiņiem , tad plakņu potenciālu starpību (spriegumu) , kondensatora klājuma lādiņu  un tā kapacitāti  saista sakarība . Spriegums starp klājumiem , kur  ir plaknes virsmas lādiņa blīvums,  ir attālums starp plaknēm,  ir dielektriķa absolūtā dielektriskā caurlaidība. Tā kā , kur  ir kondensatora klājuma laukums, tad . Ja plakņu kondensatoram ir vairāki klājumi un to skaits ir  un tie pamīšus uzlādēti ar pretēju zīmju lādiņiem, tād kondensatora kapacitāte .

Sfēriski un cilindriski kondensatori 
Sfērisku kondensatoru veido koncentriskas vadītāju sfēras. Ja kondensatoru veido divas sfēras, kuru rādiusi ir  un , tā kapacitāte .

Cilindrisku kondensatoru veido koncentriski vadītāju cilindri. Ja kondensatoru veido divi cilindri, kuru rādiusi ir  un  un kuru augstums ir , tā kapacitāte .

Uzlādēta kondensatora elektriskā lauka enerģija 
Uzlādēta kondensatora katrs klājums atrodas cita klājuma elektriskajā laukā. Ja kondensatora klājuma virsmas punktos elektriskā lauka potenciāls  un klājuma lādiņš , tad kājuma potenciālā enerģija . Kondensatoram ar kapacitāti  potenciālo enerģiju aprēķina šādi: . Tā kā spriegums starp klājumiem , potenciālo enerģiju var aprēķināt šādi: . 

 ir kondensatorā uzkrāta elektriskā lauka enerģija, kondensatoru izlādējot to var pērvērst citos enerģijas veidos.

Kondensatoru slēgumi 
Kondensatoru baterijas ir vairāku kondensatoru paralēls, virknes vai jaukts slēgums.

 Saslēdzot divus kondensatorus paralēli, savienoto klājumu potenciāli izlīdzinās un spriegums starp abu kondensatoru klājumiem ir vienāds. Paralēlslēguma kapacitāte .  paralēli savienotu kondensatoru kapacitāte .
 Saslēdzot divus kondensatorus virknē, spriegumu starp kondensatoru klājumiem summējas  un abu savstarpēji savienoto kondensatoru klājumu lādiņu absolūtās vērtības ir vienādas. , , , kur  ir kondensatoru sistēmas kopējā kapacitāte.  virknē savienotu kondensatoru kapacitāte .
 Kondensatoru jauktajam slēgumam kapacitāti nosaka, atsevišķi aprēķinot paralēli savienoto un virknē savienoto kondensatoru kapacitātes un pakāpeniski vienkāršojot jauktā slēguma shēmu.

Kondensators maiņstrāvas ķēdē 
Pieslēdzot kondensatoru maiņspriegumam, kondensators tiek pārmaiņus uzlādēts un izlādēts, un ķēdē plūst maiņstrāva. Ja kondensators, kura kapacitāte ir C pieslēgts sinusoidālam maiņspriegumam, tad jebkurā laika momentā ir spēkā sakarība U=q/C. Sakarība starp strāvas un sprieguma amplitūdām Im=ωCUm ir Oma likums maiņstrāvas ķēdei, kurā ir tikai kondensators (ω — leņķiskā frekvence, rad/sek) . Pēc šī likuma kondensatora pretestība maiņstrāvai ir šāda:
 , kur 
Pretestību Xc sauc par reaktīvo kapacitīvo pretestību. Ja C mēra farados, f hercos, tad Xc ir izteikts omos. Pēc sprieguma un strāvas vienādojumiem redzams, ka maiņstrāvas ķēdē, kurā ir tikai kondensators, strāva apsteidz spriegumu fāzē par 90°. Šādu strāvu sauc par reaktīvo kapacitīvo strāvu.

Kondensatoru praktiskā pielietošana 
Kondensatorus plaši izmanto gandrīz visās elektrotehnikas un elektronikas jomās. Kopā ar rezistoriem un induktivitātes spolēm tos izmanto tādu elektrisko ķēžu un shēmu veidošanai, kuru īpašības ir atkarīgas no frekvences (svārstību kontūri, filtri, atgriezenisko saišu ķēdes). Izlādējoties lielas kapacitātes augstsprieguma kondensatoriem, var iegūt lieljaudas elektriskos impulsus (piemēram, zibspuldzēs, dažos lāzeru veidos u.c.). Izmantojot kondensatorus, var novērst nevēlamas līdzstrāvas pulsācijas, uzkrāt enerģiju un ātri to vajadzības gadījumā atdot. Mikroskopiskus kondensatorus izmanto kā elektroniskās atmiņas elementus.
Rūpnieciskajā elektrotehnikā kondensatorus izmanto reaktīvās jaudas kompensēšanai.

Ārējās saites 

 Kondensatori

Atsauces 

Elektronikas komponentes
Enerģijas uzglabāšana