محاسبه انرژی خازن بر حسب ژول. استخراج فرمول انرژی ذخیره شده در خازن. یونیستور چگونه کار می کند؟ یونیستور یک ابرخازن است. فرمول انرژی خازن، Wp

اگر صفحات خازن شارژ شده با استفاده از هادی اتصال کوتاه پیدا کنند، جریان الکتریکی در هادی ظاهر می شود و پس از مدتی خازن تخلیه می شود. هنگامی که جریان از یک هادی عبور می کند، مقدار معینی گرما آزاد می شود، بنابراین، خازنی که بار دارد، انرژی دارد.

بیایید انرژی یک خازن باردار را تعیین کنیم. فرض می کنیم که خازن در حال شارژ شدن است و این فرآیند بسیار کند اتفاق می افتد. اجازه دهید مقدار لحظه ای ولتاژ بین صفحات آن را با u نشان دهیم. از آنجایی که فرآیند شارژ شبه استاتیک در نظر گرفته می شود، بار بین صفحات به آرامی بی نهایت افزایش می یابد. سپس پتانسیل هر صفحه در هر لحظه از زمان را می توان در هر نقطه از صفحه یکسان در نظر گرفت. هنگامی که شارژ صفحه به مقدار dq افزایش می یابد، کار خارجی انجام می شود (کار منبع) برابر با:

با استفاده از فرمولی که شارژ، ظرفیت و ولتاژ را به هم متصل می کند، به دست می آوریم:

در صورتی که ظرفیت خازن به ولتاژ میدان الکتریکی بستگی نداشته باشد، کار به سمت افزایش انرژی خازن (dW) می رود. بیایید عبارت (2) را ادغام کنیم، با در نظر گرفتن اینکه ولتاژ از 0 تا مقدار U متغیر است، داریم:

با استفاده از فرمول:

بیان انرژی میدان خازن را می توان به شکل زیر تبدیل کرد:

دقیقاً به دلیل توانایی آنها در ذخیره انرژی است که خازن ها در مهندسی رادیو و الکترونیک اهمیت زیادی دارند.

انرژی میدان یک خازن صفحه موازی

ولتاژ بین صفحات خازن صفحه موازی را می توان به صورت زیر یافت:

جایی که d فاصله بین صفحات خازن است. با توجه به اینکه برای یک خازن تخت، ظرفیت خازن با عبارت زیر تعیین می شود:

حجم خازن کجاست E شدت میدان الکتریکی در خازن است. چگالی انرژی حجمی (w) را می توان به صورت زیر یافت:

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1

ورزش	ولتاژ بین صفحات خازن مسطح V، متر است. فضای بین صفحات خازن با شیشه پر شده است. چگالی انرژی حجمی چنین خازن (w) چقدر است؟
راه حل	مقدار چگالی انرژی میدان حجمی به صورت زیر تعیین می شود: انرژی (W) میدان خازن را می توان به صورت زیر یافت: در این حالت، ظرفیت الکتریکی خازن برابر است با: ما از عبارات (1.2) و (1.3) برای تبدیل فرمول (1.1) استفاده می کنیم، با در نظر گرفتن اینکه: ما گرفتیم: از کتاب های مرجع دریافتیم که ثابت دی الکتریک شیشه برابر است با: ، بیایید محاسبات را انجام دهیم:
پاسخ

مثال 2

ورزش	خازن ها، , همانطور که در شکل نشان داده شده است متصل می شوند. 1. و به مداری با ولتاژ U متصل می شوند. انرژی اولین خازن () چقدر است؟

بیایید یک خازن با ظرفیت C با اختلاف پتانسیل f12 بین صفحات در نظر بگیریم. Chargefraven Sf13. در یک صفحه یک بار Q وجود دارد و در طرف دیگر - Q. بار از Q به Q rdQ افزایش می یابد و بار مثبت dQ را از صفحه دارای بار منفی به مثبت منتقل می کند، یعنی کار را برخلاف اختلاف پتانسیل φ12 انجام می دهد. کار صرف شده dW=(fi2dQ=QdQ;C است. بنابراین، برای شارژ یک خازن بدون شارژ با مقداری QK بار محدود، کار باید صرف شود.

این انرژی "ذخیره" در خازن است. همچنین می توان آن را با معادله بیان کرد

U = Сф12/2. (21)

ظرفیت خازن مسطح با سطح صفحه A و شکاف s برابر با C=A!4ns و میدان الکتریکی E=(p12/s است. بنابراین معادله (21) نیز معادل عبارت است.

این عبارت با فرمول کلی (2.36) برای انرژی ذخیره شده در میدان الکتریکی * مطابقت دارد.

*) همه موارد فوق در مورد "خازن های هوا" ساخته شده از هادی هایی که هوا بین آنها وجود دارد، صدق می کند. همانطور که از کارهای آزمایشگاهی می دانید، بیشتر خازن های مورد استفاده در مدارهای الکتریکی با عایق ها یا "دی الکتریک" پر می شوند. در فصل به بررسی خواص این گونه خازن ها می پردازیم. 9.

ایجاد این تصور که هیچ روش کلی برای حل مسئله ارزش مرزی برای معادله لاپلاس وجود ندارد اشتباه است. بدون اینکه بتوانیم این موضوع را به تفصیل مورد بحث قرار دهیم، به سه روش مفید و جالب اشاره می کنیم که در ادامه مطالعه فیزیک یا ریاضیات کاربردی با آنها مواجه خواهید شد. روش اول یک روش تحلیل ظریف است که به آن نگاشت conformal می گویند. بر اساس تئوری توابع یک متغیر مختلط است. متأسفانه فقط برای یک سیستم دو بعدی قابل اعمال است. سیستم هایی وجود دارند که در آنها cp فقط به x و y بستگی دارد، به عنوان مثال، حالتی که تمام سطوح هادی ها موازی با محور 2 قرار دارند. سپس معادله لاپلاس شکل می گیرد.

با شرایط مرزی مشخص شده در برخی از خطوط یا منحنی ها در صفحه xy. در عمل، چنین سیستم‌ها یا مشابه‌های زیادی وجود دارد، بنابراین این روش علاوه بر علاقه ریاضی آن، عملاً مفید است. به عنوان مثال، راه حل دقیق برای پتانسیل نزدیک به دو نوار موازی طولانی را می توان به راحتی با روش نگاشت conformal بدست آورد. خطوط میدان و سطوح هم پتانسیل به صورت مقطعی در شکل 1 نشان داده شده است. 3.16. شکل به ما ایده ای از اثر لبه میدان خازن های صفحه موازی می دهد که طول آنها در مقایسه با فاصله بین صفحات بزرگ است. میدان نشان داده شده در شکل. 3.11، b، بر اساس چنین راه حلی ساخته شده است. پس از مطالعه عمیق تر توابع متغیر پیچیده، می توانید از این روش استفاده کنید.

روش دوم، تعیین عددی راه حل های تقریبی برای مسئله پتانسیل الکترواستاتیک برای مرز مشخص است.

شرایط این روش بسیار ساده و تقریباً جهانی مبتنی بر ویژگی توابع هارمونیک است که قبلاً با آن آشنا هستید: مقدار یک تابع در یک نقطه برابر با مقدار متوسط ​​آن در همسایگی آن نقطه است. در این روش تابع پتانسیل<р представлена только значениями ряда дискретных точек, включая дискретные точки на границах. Значения функции в точках, не лежащих на границах, подбираются до тех пор, пока каждое из них

برنج. 3.16. خطوط میدانی و سطوح هم پتانسیل برای دو نوار رسانا بی نهایت طولانی.

با میانگین مقادیر همسایه برابر نخواهد بود. در اصل، این کار را می توان با حل همزمان تعداد زیادی معادله برابر با تعداد نقاط داخلی انجام داد. اما یک راه حل تقریبی را می توان بسیار ساده تر با تغییر سیستماتیک هر مقدار به دست آورد تا آن را به میانگین مقادیر همسایه نزدیکتر کند و این روند را تا زمانی که تغییرات ناچیز شود تکرار شود. این روش را روش آرام سازی می نامند. تنها مانع برای استفاده از این روش، پرزحمت بودن فرآیند محاسبه است، اما این مانع در حال حاضر برطرف شده است، زیرا محاسبه توسط رایانه‌های پرسرعتی که برای این روش مناسب هستند، انجام می‌شود. در صورت تمایل به مسائل 3.29 و 3.30 مراجعه کنید.

روش سوم برای حل تقریبی یک مسئله مقدار مرزی روش تغییرات است. این بر اساس اصلی است که در بسیاری از شاخه های فیزیک، از دینامیک نیوتنی گرفته تا اپتیک و مکانیک کوانتومی یافت می شود. در الکترواستاتیک این اصل به شکل زیر بیان می شود: ما قبلاً می دانیم که انرژی کل میدان الکترواستاتیک با بیان داده می شود.

اگر مشکل 2.19 را حل کردید، می دانید که در این حالت بسیار ساده، بار روی یک سطح رسانا با پتانسیل ثابت (شامل دو کره که توسط یک سیم به هم متصل شده اند) به گونه ای توزیع می شود که انرژی ذخیره شده در کل میدان برابر است. حداقل این یک قانون کلی است. در هر سیستم رسانا، در مقادیر مختلف پتانسیل ثابت، بار روی هر هادی به گونه ای توزیع می شود که مقدار انرژی ذخیره شده در میدان به حداقل می رسد. این تقریباً آشکار می شود اگر به این نکته اشاره کنیم که هر کاهشی در کل انرژی میدان با کار توزیع مجدد بار همراه است *). سطح صاف آب در ظرف نیز همین توضیح را دارد.

اکنون تابع پتانسیل q>(x, y, z) را در یک ناحیه معین شامل چندین سطح مرزی با پتانسیل های داده شده در نظر می گیریم. مقدار دقیق تابع φ(x, y, z)، یعنی حل معادله V2φ = 0 که پتانسیل های داده شده در مرزها را برآورده می کند، با همه توابعی که شرایط مرزی را برآورده می کنند، متفاوت است، اما این تابع را برآورده نمی کند. معادله لاپلاس، برای مثال، از 1|з(lz، y، z)، زیرا انرژی ذخیره شده برای f کمتر از z|e است. اجازه دهید انرژی را از طریق φ بیان کنیم، مانند رابطه (2.38):

*) با استدلال به این ترتیب، ما معتقدیم که جریان بار با مقداری اتلاف انرژی همراه است. معمولاً به این صورت است. در غیر این صورت، سیستمی که در ابتدا در حالت تعادل نبود، با خلاص شدن از انرژی اضافی نمی توانست به این حالت برسد. فکر می کنید در این صورت چه اتفاقی می افتد؟

اکنون می‌توانیم مسئله ارزش مرزی را به روشی جدید، بدون ذکر لاپلاسی مطرح کنیم. تابع پتانسیل تابعی است که انتگرال معادله (25) را در مقایسه با تمام توابع دیگر که شرایط مرزی یکسانی را برآورده می کنند، به حداقل می رساند. بنابراین، یک روش ممکن برای به دست آوردن یک راه حل تقریبی برای یک مسئله مقدار مرزی داده شده، آزمایش تعداد زیادی از توابع است که مقادیر مرزی داده اند و سپس تابعی را انتخاب کنید که حداقل مقدار U را ارائه می دهد. همچنین می توانید تابعی را با یک یا دو پارامتر متغیر و از این دکمه های ریاضی برای به حداقل رساندن U استفاده کنید. این روش به ویژه برای تعیین خود انرژی که اغلب مهم ترین کمیت ناشناخته است مفید است. از آنجایی که انرژی U برای مقدار دقیق φ حداقل است، نسبت به انحراف از این مقدار کمی حساس است. مسئله 3.32 سادگی و دقت روش تغییرات را نشان می دهد.

اصل تغییرات فرمول جایگزینی از قانون اساسی میدان الکترواستاتیک است و این برای ما مهمتر از فایده ای است که در محاسبات به ارمغان می آورد. مشخص است که تدوین قوانین فیزیکی در قالب اصول متغیر اغلب بسیار مثمر ثمر است. پروفسور ر.

یادداشت قبلی به اختصار روش های مختلف انباشت، یعنی انباشت و حفظ انرژی را ذکر کرده است. با توجه به محدوده محدود یک مقاله، بررسی نسبتاً سطحی بود. و شاید سوال اصلی که خارج از محدوده آن مقاله باقی مانده است را بتوان اینگونه بیان کرد: "کدام روش ذخیره انرژی در یک موقعیت معین ارجحیت دارد؟" به عنوان مثال، چه روشی را برای ذخیره انرژی برای یک خانه شخصی یا کلبه مجهز به تاسیسات خورشیدی یا بادی انتخاب کنم؟ بدیهی است که در این حالت هیچ کس یک ایستگاه ذخیره سازی پمپاژ بزرگ نخواهد ساخت، اما می توان یک مخزن بزرگ را نصب کرد و آن را تا ارتفاع 10 متر بالا برد. اما آیا چنین نصبی برای حفظ یک منبع تغذیه ثابت در غیاب خورشید کافی است؟

برای پاسخ به سوالات مطرح شده، لازم است معیارهایی برای ارزیابی باتری ها ایجاد کنیم که به ما امکان می دهد ارزیابی های عینی را به دست آوریم. و برای انجام این کار، باید پارامترهای مختلف درایو را در نظر بگیرید که به شما امکان می دهد تخمین های عددی را بدست آورید.

ظرفیت یا شارژ انباشته؟

هنگام صحبت یا نوشتن در مورد باتری خودرو، آنها اغلب مقداری به نام ظرفیت باتری را ذکر می کنند که در آمپر ساعت بیان می شود (برای باتری های کوچک - بر حسب میلی آمپر ساعت). اما، به طور دقیق، آمپر ساعت یک واحد ظرفیت نیست. در تئوری الکتریکی، ظرفیت خازن بر حسب فاراد اندازه گیری می شود. آمپر ساعت یک واحد اندازه گیری است شارژ! یعنی ویژگی های باتری را باید در نظر گرفت (و به این ترتیب نامید) شارژ انباشته شده.

در فیزیک، بار با کولن اندازه گیری می شود. کولن مقدار باری است که از یک هادی با جریان 1 آمپر در یک ثانیه عبور می کند. از آنجایی که 1 C/s برابر با 1 A است، پس با تبدیل ساعت به ثانیه، در می یابیم که یک آمپر ساعت برابر با 3600 درجه سانتیگراد خواهد بود.

لازم به ذکر است که حتی از تعریف کولن نیز مشخص می شود که بار مشخص کننده فرآیند خاصی است، یعنی فرآیند عبور جریان از یک هادی. حتی از نام کمیت دیگر نیز همین موضوع برمی‌آید: یک آمپر ساعت زمانی است که جریان یک آمپر به مدت یک ساعت از یک هادی عبور می‌کند.

در نگاه اول، ممکن است به نظر برسد که در اینجا نوعی ناهماهنگی وجود دارد. از این گذشته ، اگر در مورد صرفه جویی در انرژی صحبت می کنیم ، انرژی انباشته شده در هر باتری باید با ژول اندازه گیری شود ، زیرا ژول در فیزیک واحد اندازه گیری انرژی است. اما به یاد داشته باشیم که جریان در یک هادی تنها زمانی اتفاق می افتد که در انتهای هادی اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد، یعنی ولتاژ به هادی اعمال شود. اگر ولتاژ در پایانه های باتری 1 ولت باشد و شارژ یک آمپر ساعت از هادی عبور کند، متوجه می شویم که باتری 1 ولت · 1 Ah = 1 وات ساعت انرژی داده است.

بنابراین، در رابطه با باتری ها صحبت در مورد صحیح تر است انرژی انباشته (انرژی ذخیره شده)یا در مورد شارژ انباشته شده (ذخیره شده).. با این حال، از آنجایی که اصطلاح "ظرفیت باتری" رایج است و به نوعی آشناتر است، از آن استفاده خواهیم کرد، اما با کمی توضیح، یعنی در مورد ظرفیت انرژی.

ظرفیت انرژی- انرژی تولید شده توسط یک باتری کاملاً شارژ شده هنگام تخلیه به کمترین مقدار مجاز.

با استفاده از این مفهوم سعی خواهیم کرد ظرفیت انرژی انواع دستگاه های ذخیره انرژی را به طور تقریبی محاسبه و مقایسه کنیم.

ظرفیت انرژی باتری های شیمیایی

یک باتری الکتریکی کاملاً شارژ شده با ظرفیت (شارژ) اعلام شده 1 Ah از نظر تئوری قادر است 1 آمپر جریان را برای یک ساعت (یا برای مثال 10 آمپر برای 0.1 ساعت یا 0.1 آمپر برای 10 ساعت) ارائه دهد. اما جریان تخلیه بیش از حد باتری منجر به تحویل توان کمتر کارآمد می شود، که به صورت غیر خطی زمان کار با چنین جریانی را کاهش می دهد و می تواند منجر به گرم شدن بیش از حد شود. در عمل ظرفیت باتری بر اساس سیکل تخلیه 20 ساعته تا ولتاژ نهایی محاسبه می شود. برای باتری های خودرو 10.8 ولت است. به عنوان مثال، نوشته روی برچسب باتری "55 Ah" به این معنی است که می تواند جریان 2.75 آمپر را به مدت 20 ساعت ارائه دهد و ولتاژ در پایانه ها کمتر از 10.8 اینچ نمی شود. .

سازندگان باتری اغلب در مشخصات فنی محصولات خود انرژی ذخیره شده را بر حسب وات ساعت (وات ساعت) نشان می دهند تا شارژ ذخیره شده بر حسب میلی آمپر ساعت (mAh)، که به طور کلی صحیح نیست. محاسبه انرژی ذخیره شده از شارژ ذخیره شده در حالت کلی آسان نیست: نیاز به یکپارچه شدن برق لحظه ای تامین شده توسط باتری در کل زمان تخلیه آن دارد. در صورت عدم نیاز به دقت بیشتر، به جای یکپارچه سازی، می توانید از مقادیر متوسط ​​ولتاژ و جریان مصرفی استفاده کنید و از فرمول استفاده کنید:

1 Wh = 1 V 1 Ah. یعنی انرژی ذخیره شده (در ساعت) تقریباً برابر است با حاصلضرب بار ذخیره شده (in آه) به ولتاژ متوسط ​​(v Voltach): E = q · U. به عنوان مثال، اگر ظرفیت (به معنای معمول) یک باتری 12 ولتی 60 Ah عنوان شود، انرژی ذخیره شده، یعنی ظرفیت انرژی آن، 720 وات ساعت خواهد بود.

ظرفیت انرژی دستگاه های ذخیره انرژی گرانشی

در هر کتاب درسی فیزیک می توانید بخوانید که کار A که توسط نیروی F در هنگام بلند کردن جسمی با جرم m به ارتفاع h انجام می شود با فرمول A = m · g · h محاسبه می شود که در آن g شتاب گرانش است. این فرمول زمانی اتفاق می افتد که بدن به کندی حرکت می کند و می توان از نیروهای اصطکاک چشم پوشی کرد. کار در برابر جاذبه به نحوه بلند کردن بدن بستگی ندارد: به صورت عمودی (مانند وزنه روی ساعت)، در امتداد یک صفحه شیبدار (مانند زمانی که سورتمه را به بالای کوه می‌کشیم) یا به هر روش دیگری. در همه موارد، کار A = m · g · h. هنگام پایین آوردن بدن به سطح اولیه، نیروی گرانش همان کاری را ایجاد می کند که توسط نیروی F برای بلند کردن جسم صرف شده است. این بدان معنی است که هنگام بلند کردن یک جسم، کار برابر با m · g · h ذخیره کرده ایم، یعنی جسم برآمده دارای انرژی برابر با حاصل ضرب نیروی گرانش وارد بر این جسم و ارتفاعی است که به آن بالا می رود. این انرژی به مسیری که طلوع در آن انجام شده است بستگی ندارد، بلکه فقط با موقعیت بدن (ارتفاع بالارفتن آن یا تفاوت ارتفاعات بین موقعیت اولیه و نهایی بدن) تعیین می شود. انرژی پتانسیل نامیده می شود.

با استفاده از این فرمول، اجازه دهید ظرفیت انرژی یک توده آب پمپ شده به مخزن با ظرفیت 1000 لیتر را که 10 متر بالاتر از سطح زمین (یا سطح یک توربین هیدروژنراتور) قرار دارد، تخمین بزنیم. فرض می کنیم که مخزن به شکل مکعبی با طول لبه 1 متر است. سپس طبق فرمول کتاب لندسبرگ، A = 1000 کیلوگرم (9.8 m/s2) 10.5 m = 102900 kg m2/s2 . اما 1 kg m 2 / s 2 برابر با 1 ژول است و وقتی به وات ساعت تبدیل شود، فقط 28.583 وات ساعت به دست می آید. یعنی برای به دست آوردن ظرفیت انرژی برابر با ظرفیت یک باتری الکتریکی معمولی 720 وات ساعت، باید حجم آب مخزن را 25.2 برابر افزایش دهید. این مخزن باید دارای طول دنده تقریباً 3 متر باشد. در عین حال ظرفیت انرژی آن برابر با 845 وات ساعت خواهد بود. این بیشتر از ظرفیت یک باتری است، اما حجم نصب به طور قابل توجهی بزرگتر از اندازه باتری سرب-روی معمولی خودرو است. این مقایسه نشان می دهد که منطقی است که انرژی ذخیره شده را در یک سیستم خاص در نظر نگیریم - انرژی به خودی خود، بلکه در رابطه با جرم یا حجم سیستم مورد نظر.

ظرفیت انرژی خاص

بنابراین ما به این نتیجه رسیدیم که توصیه می شود ظرفیت انرژی را با جرم یا حجم دستگاه ذخیره سازی یا خود حامل، به عنوان مثال، آب ریخته شده در یک مخزن، مرتبط کنیم. دو شاخص از این دست را می توان در نظر گرفت.

شدت انرژی ویژه جرمما ظرفیت انرژی یک دستگاه ذخیره سازی را تقسیم بر جرم این دستگاه ذخیره می نامیم.

شدت انرژی ویژه حجمیما ظرفیت انرژی یک دستگاه ذخیره سازی را تقسیم بر حجم این دستگاه ذخیره می نامیم.

مثال. باتری سرب اسید پاناسونیک LC-X1265P طراحی شده برای 12 ولت، دارای شارژ 65 آمپر ساعت، وزن 20 کیلوگرم است. و ابعاد (LxWxH) 350 · 166 · 175 میلی متر. عمر مفید آن در t = 20 C 10 سال است. بنابراین، شدت انرژی ویژه جرمی آن 65 12 / 20 = 39 وات ساعت بر کیلوگرم، و شدت انرژی ویژه حجمی آن 65 12 / (3.5 1.66 1.75) = 76.7 وات ساعت بر دسی متر مکعب یا 0.0767 وات ساعت در هر کیلو مکعب خواهد بود. متر

برای دستگاه ذخیره انرژی گرانشی مبتنی بر مخزن آب با حجم 1000 لیتر، که در قسمت قبل بحث شد، شدت انرژی جرمی ویژه تنها 28.583 وات ساعت/1000 کیلوگرم = 0.0286 وات ساعت بر کیلوگرم خواهد بود که 1363 برابر کمتر است. از شدت انرژی جرمی باتری سرب روی. و اگرچه عمر مخزن ذخیره گرانشی ممکن است به طور قابل توجهی طولانی تر باشد، اما از نقطه نظر عملی، مخزن جذابیت کمتری نسبت به باتری دارد.

بیایید به چند نمونه دیگر از دستگاه های ذخیره انرژی نگاه کنیم و شدت انرژی خاص آنها را ارزیابی کنیم.

ظرفیت انرژی انباشتگر حرارتی

ظرفیت گرمایی مقدار گرمایی است که بدن با حرارت 1 درجه سانتیگراد جذب می کند. بسته به اینکه ظرفیت گرمایی به کدام واحد کمی تعلق دارد، ظرفیت گرمایی جرمی، حجمی و مولی مشخص می شود.

ظرفیت گرمایی ویژه جرمی که به سادگی ظرفیت گرمایی ویژه نیز نامیده می شود، مقدار گرمایی است که باید به واحد جرم یک ماده اضافه شود تا آن را با دمای واحد گرم کند. در SI بر حسب ژول تقسیم بر کیلوگرم بر کلوین (J kg-1 K-1) اندازه گیری می شود.

ظرفیت گرمایی حجمی مقدار گرمایی است که باید به واحد حجم یک ماده داده شود تا در واحد دما گرم شود. در SI بر حسب ژول بر متر مکعب بر کلوین (Jm-3 K-1) اندازه گیری می شود.

ظرفیت گرمایی مولی مقدار گرمایی است که باید به 1 مول از یک ماده برای گرم کردن آن در واحد دما داده شود. در SI با ژول بر مول در کلوین (J/(mol K)) اندازه گیری می شود.

مول واحد اندازه گیری مقدار یک ماده در سیستم بین المللی واحدها است. مول مقدار ماده ای است که در یک سیستم حاوی همان تعداد عناصر ساختاری است که اتم های کربن 12 با وزن 0.012 کیلوگرم وجود دارد.

ظرفیت گرمایی ویژه تحت تأثیر دمای ماده و سایر پارامترهای ترمودینامیکی است. به عنوان مثال، اندازه گیری ظرفیت گرمایی ویژه آب در دمای 20 درجه سانتی گراد و 60 درجه سانتی گراد نتایج متفاوتی به دست می دهد. علاوه بر این، ظرفیت گرمایی ویژه بستگی به نحوه تغییر پارامترهای ترمودینامیکی ماده (فشار، حجم و غیره) دارد. به عنوان مثال، ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت (CP) و در حجم ثابت (CV) به طور کلی متفاوت است.

انتقال یک ماده از یک حالت تجمع به حالت دیگر با تغییر ناگهانی ظرفیت گرمایی در یک نقطه دمایی خاص از تبدیل برای هر ماده - نقطه ذوب (انتقال یک جامد به مایع)، نقطه جوش (انتقال یک ماده) همراه است. مایع به گاز) و بر این اساس، دمای تبدیل معکوس: انجماد و تراکم.

ظرفیت گرمایی ویژه بسیاری از مواد در کتاب های مرجع، معمولاً برای فرآیندی در فشار ثابت آورده شده است. به عنوان مثال، ظرفیت گرمایی ویژه آب مایع در شرایط عادی 4200 J/(kg K) است. یخ - 2100 J/(kg K).

بر اساس داده های ارائه شده، می توانید سعی کنید ظرفیت گرمایی یک انباشتگر حرارتی آب را تخمین بزنید (چکیده). فرض کنید جرم آب موجود در آن 1000 کیلوگرم (لیتر) باشد. روی 80 درجه سانتی گراد گرم می کنیم و اجازه می دهیم حرارت بدهد تا 30 درجه سانتی گراد خنک شود. اگر با این واقعیت که ظرفیت گرمایی در دماهای مختلف متفاوت است اذیت نمی شوید، می توانیم فرض کنیم که انباشتگر حرارتی 4200 * 1000 * 50 ژول گرما تولید می کند. یعنی ظرفیت انرژی چنین انباشتگر حرارتی 210 مگاژول یا 58.333 کیلووات ساعت انرژی است.

اگر این مقدار را با شارژ انرژی یک باتری ماشین معمولی (720 وات ساعت) مقایسه کنیم، می بینیم که ظرفیت انرژی باتری حرارتی مورد نظر برابر با ظرفیت انرژی تقریباً 810 باتری الکتریکی است.

شدت انرژی جرمی ویژه چنین انباشتگر حرارتی (حتی بدون در نظر گرفتن جرم ظرفی که آب گرم شده در آن واقعاً ذخیره می شود و جرم عایق حرارتی) 58.3 کیلووات ساعت / 1000 کیلوگرم = 58.3 وات ساعت / کیلوگرم خواهد بود. این در حال حاضر بیشتر از شدت انرژی جرمی یک باتری سرب-روی است، که برابر با 39 Wh/kg است.

بر اساس محاسبات تقریبی، انباشتگر حرارتی از نظر ظرفیت انرژی ویژه حجمی با باتری خودروهای معمولی قابل مقایسه است، زیرا یک کیلوگرم آب یک دسی متر حجم است، بنابراین ظرفیت انرژی ویژه حجمی آن نیز برابر با 76.7 وات ساعت بر کیلوگرم است که دقیقاً با ظرفیت گرمایی ویژه حجمی باتری سرب اسیدی مطابقت دارد. درست است، در محاسبه برای باتری گرما، ما فقط حجم آب را در نظر گرفتیم، اگرچه لازم است حجم مخزن و عایق حرارتی را نیز در نظر بگیریم. اما در هر صورت، تلفات به اندازه یک دستگاه ذخیره سازی گرانشی نخواهد بود.

انواع دیگر دستگاه های ذخیره انرژی

در مقاله " بررسی اجمالی دستگاه های ذخیره انرژی (آکومولاتورها)"محاسبات شدت انرژی ویژه برخی دیگر از دستگاه های ذخیره انرژی ارائه شده است. بیایید چند نمونه از آنجا قرض بگیریم

ذخیره سازی خازن

با ظرفیت خازن 1 F و ولتاژ 250 ولت، انرژی ذخیره شده خواهد بود: E = CU 2 / 2 = 1 ∙ 250 2 / 2 = 31.25 kJ ~ 8.69 Wh. اگر از خازن های الکترولیتی استفاده می کنید، وزن آنها می تواند 120 کیلوگرم باشد. انرژی ویژه دستگاه ذخیره سازی 0.26 کیلوژول بر کیلوگرم یا 0.072 وات بر کیلوگرم است. در حین کار، درایو می تواند بار بیش از 9 وات را برای یک ساعت ارائه دهد. عمر خازن های الکترولیتی می تواند به 20 سال برسد. از نظر چگالی انرژی، یونیستورها به باتری های شیمیایی نزدیک هستند. مزایا: انرژی انباشته شده را می توان در مدت زمان کوتاهی استفاده کرد.

آکومولاتورهای نوع درایو جاذبه

ابتدا جسمی به وزن 2000 کیلوگرم را به ارتفاع 5 متر می آوریم سپس بدنه تحت تأثیر گرانش پایین می آید و ژنراتور الکتریکی را می چرخاند. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27.8 Wh. ظرفیت انرژی ویژه 0.0138 Wh/kg. در حین کار، درایو می تواند بار بیش از 28 وات را برای یک ساعت ارائه دهد. عمر مفید درایو می تواند 20 سال یا بیشتر باشد.

مزایا: انرژی انباشته شده را می توان در مدت زمان کوتاهی استفاده کرد.

فلایویل

انرژی ذخیره شده در فلایویل را می توان با استفاده از فرمول E = 0.5 J w 2 یافت که در آن J لحظه اینرسی جسم دوار است. برای استوانه ای با شعاع R و ارتفاع H:

J = 0.5 p r R 4 H

که r چگالی ماده ای است که سیلندر از آن ساخته شده است.

سرعت خطی را در حاشیه چرخ فلایویل V max محدود کنید (تقریباً 200 متر بر ثانیه برای فولاد).

V max = w max R یا w max = V max /R

سپس E max = 0.5 J w 2 max = 0.25 p r R 2 H V 2 max = 0.25 M V 2 max

انرژی ویژه خواهد بود: E max /M = 0.25 V 2 max

برای چرخ فلایویل استوانه ای فولادی، حداکثر انرژی ویژه تقریباً 10 کیلوژول بر کیلوگرم است. برای فلایویل با وزن 100 کیلوگرم (R = 0.2 متر، H = 0.1 متر)، حداکثر انرژی انباشته شده می تواند 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.2 2 ∙ 0.1 ∙ 200 2 ~ 0.2 kJ8 ~ 0. در حین کار، درایو می تواند بار بیش از 280 وات را برای یک ساعت ارائه دهد. عمر مفید فلایویل می تواند 20 سال یا بیشتر باشد. مزایا: انرژی انباشته شده را می توان برای مدت کوتاهی استفاده کرد، عملکرد را می توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید.

فلایویل فوق العاده

با توجه به ویژگی های طراحی خود، یک فلایویل فوق العاده، برخلاف فلایویل های معمولی، از نظر تئوری می تواند تا 500 وات ساعت در هر کیلوگرم وزن را ذخیره کند. با این حال، به دلایلی توسعه superflywheels متوقف شد.

آکومولاتور پنوماتیک

هوا تحت فشار 50 اتمسفر به یک مخزن فولادی با ظرفیت 1 متر مکعب پمپ می شود. برای تحمل این فشار، دیواره های مخزن باید تقریباً 5 میلی متر ضخامت داشته باشند. برای انجام کار از هوای فشرده استفاده می شود. در یک فرآیند همدما، کار A که توسط یک گاز ایده‌آل در حین انبساط در جو انجام می‌شود با فرمول زیر تعیین می‌شود:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V 2 / V 1)

که در آن M جرم گاز، m جرم مولی گاز، R ثابت گاز جهانی، T دمای مطلق، V 1 حجم اولیه گاز، V 2 حجم نهایی گاز است. . با در نظر گرفتن معادله حالت برای یک گاز ایده آل (P 1 ∙ V 1 = P 2 ∙ V 2) برای این پیاده سازی دستگاه ذخیره سازی V 2 / V 1 = 50، R = 8.31 J / (mol deg)، T = 293 0 K، M / m ~ 50: 0.0224 ~ 2232، کار گاز در طول انبساط 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5.56 کیلو وات · ساعت در هر چرخه. جرم درایو تقریباً 250 کیلوگرم است. انرژی ویژه 80 کیلوژول بر کیلوگرم خواهد بود. در حین کار، دستگاه ذخیره سازی پنوماتیک می تواند بار بیش از 5.5 کیلو وات را برای یک ساعت ارائه دهد. عمر مفید یک باتری پنوماتیکی می تواند 20 سال یا بیشتر باشد.

مزایا: مخزن ذخیره را می توان در زیر زمین قرار داد، سیلندرهای گاز استاندارد به مقدار لازم با تجهیزات مناسب می توانند به عنوان مخزن استفاده شوند، در هنگام استفاده از موتور بادی، دومی می تواند به طور مستقیم پمپ کمپرسور را هدایت کند، تعداد نسبتاً زیادی وجود دارد. دستگاه هایی که مستقیماً از انرژی هوای فشرده استفاده می کنند.

جدول مقایسه برخی از دستگاه های ذخیره انرژی

اجازه دهید تمام مقادیر بالا پارامترهای ذخیره انرژی را در یک جدول خلاصه خلاصه کنیم. اما ابتدا، اجازه دهید توجه داشته باشیم که شدت انرژی خاص به ما امکان می دهد دستگاه های ذخیره سازی را با سوخت معمولی مقایسه کنیم.

ویژگی اصلی سوخت گرمای احتراق آن است، یعنی. مقدار گرمای آزاد شده در حین احتراق کامل بین گرمای ویژه احتراق (MJ/kg) و گرمای حجمی (MJ/m3) تفاوت قائل می‌شود. تبدیل MJ به کیلووات ساعت دریافت می کنیم.

جزئیات 01 فوریه 2017

آقایان، سلام به همه! امروز در مورد آن صحبت خواهیم کرد انرژی خازن. توجه، اکنون یک اسپویلر وجود خواهد داشت: یک خازن می تواند انرژی را جمع کند. و گاهی بسیار بزرگ. چی؟ این یک اسپویلر نیست، آیا قبلاً برای همه آشکار بود؟ عالی است اگر چنین باشد! سپس بیایید به این موضوع با جزئیات بیشتری نگاه کنیم!

در آخرین مقاله، ما به این نتیجه رسیدیم که یک خازن شارژ شده، که از منبع ولتاژ جدا شده است، می تواند برای مدتی (تا زمانی که تخلیه شود) مقداری جریان تولید کند. به عنوان مثال، از طریق نوعی مقاومت. طبق قانون ژول-لنز، اگر جریان از مقاومت عبور کند، گرما از آن عبور می کند. گرما به معنای انرژی است. و همین انرژی از خازن گرفته می شود - در واقع، هیچ جای دیگری وجود ندارد. این بدان معنی است که می توان مقداری انرژی در خازن ذخیره کرد. بنابراین، فیزیک فرآیندها کم و بیش روشن است، بنابراین اکنون بیایید در مورد چگونگی توصیف همه اینها به صورت ریاضی صحبت کنیم. زیرا توصیف همه چیز با کلمات یک چیز است - جالب است، فوق العاده است، باید باشد، اما در زندگی اغلب باید چیزی را محاسبه کنید و در اینجا کلمات معمولی کافی نیستند.

ابتدا بیایید تعریف کار را از مکانیک به یاد بیاوریم. کاریک قدرتF حاصل همین نیرو استF به بردار جابجاییس

من معتقدم شما یک بار مکانیک خوانده اید و این را می دانید. نمادهای بردار ترسناک تنها زمانی مورد نیاز هستند که جهت نیرو با جابجایی منطبق نباشد: مانند موردی که نیرو کاملاً مستقیم می‌کشد، اما جابجایی در زاویه‌ای نسبت به نیرو است. این اتفاق می افتد، برای مثال، زمانی که یک بار در امتداد یک صفحه شیبدار حرکت می کند. اگر جهت نیرو و جابجایی منطبق باشد، می توانید با خیال راحت بردارها را کنار بگذارید و به سادگی نیرو را در طول مسیر ضرب کنید، بنابراین کار به دست می آید:

اکنون مقاله مربوط به قانون کولن را به خاطر می آوریم. ما در آنجا فرمول فوق العاده ای به دست آوردیم که اکنون زمان آن است که به خاطر بسپاریم:

یعنی اگر میدان الکتریکی با شدت E داشته باشیم و بار مشخصی q را در آن قرار دهیم، نیروی F بر روی این بار وارد می شود که با استفاده از این فرمول قابل محاسبه است.

هیچ کس ما را از جایگزینی این فرمول با فرمولی که درست در بالا نوشته شده است باز نمی دارد تا کار کند. و بدین ترتیب پیدا کنید کار انجام شده توسط یک میدان زمانی که یک بار در آن حرکت می کندq به فاصله s.فرض می کنیم که شارژ q را دقیقاً در جهت خطوط میدان حرکت می دهیم. این به شما امکان می دهد از فرمول کار بدون بردار استفاده کنید:

حالا آقایان توجه کنید. من یک نکته مهم را از همان مکانیک به شما یادآوری می کنم. یک طبقه خاص از نیروها به نام وجود دارد پتانسیل.به زبان ساده، این جمله برای آنها صادق است که اگر این نیرو در بخشی از مسیر کار کرده باشد آ، یعنی در ابتدای این مسیر بدنی که کار روی آن انجام می شد برای همین کار انرژی داشت آبیشتر از پایان یعنی هر چقدر کار کنید انرژی پتانسیل آنقدر تغییر می کند. کار نیروهای بالقوه به مسیر بستگی ندارد و تنها با نقاط شروع و پایان تعیین می شود. و در یک مسیر بسته به طور کلی برابر با صفر است. دقیقاً نیروی میدان الکتریکی است که به این کلاس نیروها تعلق دارد.

در اینجا شارژر q را در فیلد قرار می دهیم. تحت تأثیر این میدان، فاصله معینی از نقطه C به نقطه D حرکت می کند. برای قطعیت، بگذارید انرژی بار در نقطه D برابر با 0 باشد. در طی این حرکت، میدان کار می کند. آ. از این نتیجه می شود که در ابتدای سفر (در نقطه C) شارژر ما مقداری انرژی W=A داشت. یعنی می توانیم بنویسیم

اکنون زمان کشیدن نقاشی است. بیایید به شکل 1 نگاهی بیندازیم. این یک تصویر کمی ساده شده از فیزیک یک خازن صفحه موازی است. دفعه قبل کاملتر به این موضوع نگاه کردیم.

شکل 1 - خازن تخت

بیایید اکنون کمی هوشیاری خود را خم کنیم و متفاوت از قبل به خازن خود نگاه کنیم. بیایید فرض کنیم که برای مثال یک صفحه آبی را به عنوان پایه در نظر بگیریم. این یک میدان با مقداری تنش ایجاد می کند. البته پلاک قرمز هم میدان ایجاد می کند اما فعلا جالب نیست. بیایید نگاهی بیندازیم به بشقاب قرمز، مانند مقداری شارژ +q که در قسمت صفحه آبی قرار دارد.و اکنون سعی می کنیم تمام موارد فوق را روی صفحه قرمز اعمال کنیم انگار اصلا یک صفحه نیست، بلکه فقط مقداری شارژ +q است. این چقدر باهوش است. چرا که نه؟ شاید بگویید - چطور ممکن است؟ به نوعی او کاملاً به علامت نمی رسد. آرام باشید آقایان هیچ کس مانع از شکستن صفحه قرمز به انبوهی از ذرات کوچک نمی شود که هر کدام را می توان یک بار نقطه ای Δq در نظر گرفت. سپس می توانید همه آنچه در بالا توضیح داده شد را بدون هیچ مشکلی اعمال کنید. و اگر همه محاسبات نیروها، تنش‌ها، انرژی‌ها و چیزهای دیگر را برای این Δq فردی انجام دهیم و سپس نتایج را با هم جمع کنیم، معلوم می‌شود که ما بیهوده آنقدر غیرتمند بوده‌ایم - نتیجه دقیقاً همان خواهد بود که اگر به سادگی در طول محاسبات شارژ را گرفت +q. هر کسی که می خواهد می تواند آن را بررسی کند، من همه آن را دوست دارم. با این حال، ما بلافاصله طبق یک طرح ساده کار خواهیم کرد. فقط می خواهم توجه داشته باشم که این در موردی صادق است که زمین ما یکنواخت است و شارژها به طور مساوی در همه صفحات توزیع می شود. در واقعیت، همیشه اینطور نیست، اما چنین ساده‌سازی این امکان را فراهم می‌کند که همه محاسبات را به طور قابل توجهی ساده کرده و از هرگونه گرادیان و انتگرال بدون آسیب قابل توجهی برای تمرین اجتناب شود.

بنابراین، اجازه دهید به شکل 1 برگردیم. این نشان می دهد که بین صفحات خازن میدانی با شدت E وجود دارد. اما اکنون توافق کرده ایم که نقش های صفحات را از هم جدا کنیم - رنگ آبی منبع میدان است، و رنگ قرمز شارژ در میدان است. یک خط آبی جدا از رنگ قرمز چه نوع میدانی ایجاد می کند؟ تنش آن چیست؟ واضح است که او در است دو برابر کمتر از کشش کل. چرا اینطور است؟ بله، زیرا اگر ما انتزاع خود را فراموش کنیم (مانند یک صفحه قرمز - و نه یک صفحه، بلکه فقط یک بار)، آنگاه هر دو صفحه - هم قرمز و هم آبی - سهم یکسانی در کشش E حاصل می کنند: هر کدام با E/2. در نتیجه مجموع این E/2 دقیقاً همان E را به دست می‌آورد که در تصویر داریم. بنابراین (با کنار گذاشتن بردارها)، می توانیم بنویسیم

حالا بیایید به اصطلاح، انرژی پتانسیل صفحه قرمز را در میدان صفحه آبی محاسبه کنیم. ما بار را می دانیم، کشش را می دانیم، همچنین فاصله بین صفحات را می دانیم. بنابراین، ما با خیال راحت بنویسیم

برو جلو. در واقع، هیچکس شما را برای تعویض آسترهای قرمز و آبی اذیت نمی کند. بیایید برعکس فکر کنیم. اکنون در نظر خواهیم گرفت آستر قرمزبه عنوان منبع میدان، و آبی - به عنوان برخی شارژ -q در این زمینه. من فکر می کنم حتی بدون محاسبه نیز واضح است که نتیجه دقیقاً یکسان خواهد بود. به این معنا که انرژی صفحه قرمز در میدان صفحه آبی برابر با انرژی صفحه آبی در میدان صفحه قرمز است.و همانطور که قبلاً حدس زده اید، این است انرژی خازنبله، با استفاده از همین فرمول می توانید انرژی یک خازن شارژ شده را محاسبه کنید:

من می شنوم که مردم به من فریاد می زنند: بس کن، بس کن، باز هم داری نوعی مزخرف به من می مالی! خوب، خوب، من می توانم به نوعی فاصله بین صفحات را اندازه بگیرم. اما به دلایلی دوباره مجبورم می کنند که شارژ را بشمارم که نحوه انجام آن مشخص نیست و در کنار آن باید تنش را بدانم اما چگونه می توانم آن را اندازه بگیرم؟! به نظر می رسد مولتی متر قادر به انجام این کار نیست! درست است، آقایان، اکنون ما تغییراتی را انجام خواهیم داد که به شما امکان می دهد انرژی یک خازن را فقط با استفاده از یک مولتی متر معمولی اندازه گیری کنید.

بیایید ابتدا تنش را از سر راه برداریم. برای انجام این کار، اجازه دهید فرمول فوق العاده ای را که تنش را با تنش مرتبط می کند، به خاطر بسپاریم:

بله، ولتاژ بین دو نقطه در یک میدان برابر است با حاصل ضرب قدرت آن میدان و فاصله بین آن دو نقطه. بنابراین، با جایگزینی این مفیدترین عبارت در فرمول انرژی، دریافت می کنیم

در حال حاضر آسان تر است، تنش از بین رفته است. اما هنوز شارژی وجود دارد که نحوه اندازه گیری آن مشخص نیست. برای خلاص شدن از شر آن، بیایید فرمول ظرفیت خازن را از مقاله قبلی به یاد بیاوریم:

بله، برای کسانی که فراموش کرده اند، یادآوری می کنم که ظرفیت به عنوان نسبت این بار نامطلوب انباشته شده توسط خازن به ولتاژ دو طرف خازن تعریف می شود. بیایید بار q را از این فرمول بیان کنیم و آن را با فرمول انرژی خازن جایگزین کنیم. ما گرفتیم

حالا این یک فرمول مفید برای انرژی یک خازن شارژ شده است! اگر بخواهیم بفهمیم که چه انرژی در خازن با ظرفیت C شارژ شده به ولتاژ U ذخیره می شود، می توانیم به راحتی با استفاده از این فرمول این کار را انجام دهیم. ظرفیت C معمولا روی خود خازن یا روی بسته بندی آن نوشته می شود و همیشه می توان ولتاژ را با مولتی متر اندازه گیری کرد. از فرمول می توان دریافت که هر چه انرژی در خازن بیشتر باشد، ظرفیت خود خازن و ولتاژ دو طرف آن بیشتر است. علاوه بر این، انرژی به نسبت مستقیم با مربع ولتاژ رشد می کند. این مهم است که به یاد داشته باشید. افزایش ولتاژ منجر به افزایش انرژی ذخیره شده در خازن بسیار سریعتر از افزایش ظرفیت خازن خواهد شد.

برای دوستداران شارژ ویژه، می توانید از فرمول تعیین ظرفیت برای بیان نه بار، بلکه ولتاژ استفاده کنید و آن را به فرمول انرژی خازن جایگزین کنید. بنابراین، فرمول انرژی دیگری را به دست می آوریم

این فرمول به ندرت استفاده می شود و در عمل اصلاً به خاطر ندارم که با استفاده از آن چیزی را محاسبه کنم، اما از آنجایی که وجود دارد، مسیر نیز برای تکمیل تصویر وجود دارد. محبوب ترین فرمول، فرمول متوسط ​​است.

بیایید برای سرگرمی حسابی انجام دهیم. اجازه دهید ما یک خازن مانند این داشته باشیم

شکل 2 - خازن

و اجازه دهید آن را تا ولتاژی مثلاً 8000 ولت شارژ کنیم. چه انرژی در چنین خازنی ذخیره می شود؟ همانطور که از عکس می بینیم، ظرفیت این خازن 130 μF است. اکنون انجام محاسبات انرژی آسان است:

زیاد است یا کم؟ البته کم نیست! نه حتی خیلی کم! بیایید بگوییم که انرژی مجاز تفنگ های شوکر چند واحد خنده دار ژول است، اما در اینجا هزاران مورد وجود دارد! با در نظر گرفتن ولتاژ بالا (8 کیلو ولت)، می توان با اطمینان گفت که برای یک فرد، تماس با چنین خازن شارژی به احتمال زیاد بسیار بسیار ناراحت کننده خواهد بود. در ولتاژها و انرژی های بالا باید دقت خاصی کرد! موردی داشتیم که در چند تا از این خازن ها اتصال کوتاه رخ داد که به صورت موازی وصل شده و تا چندین کیلو ولت شارژ شدند. آقایان این منظره برای افراد ضعیف نبود! انقدر بوم کرد که نصف روز گوشم زنگ میزد! و مس از سیم های ذوب شده روی دیوارهای آزمایشگاه نشست! من عجله می کنم تا به شما اطمینان دهم که هیچ کس صدمه ای ندیده است، اما این دلیل خوبی برای فکر کردن بیشتر در مورد راه هایی برای حذف چنین انرژی غول پیکر در مواقع اضطراری بود.

علاوه بر این، آقایان، همیشه به یاد داشته باشید که خازن های منابع تغذیه دستگاه ها نیز پس از جدا کردن دستگاه از شبکه نمی توانند فوراً تخلیه شوند، هرچند که البته باید مدارهایی برای تخلیه آنها وجود داشته باشد. اما باید وجود داشته باشد، این بدان معنا نیست که آنها قطعاً آنجا هستند. بنابراین، در هر صورت، پس از جدا کردن هر دستگاه از شبکه، قبل از رفتن به داخل آن، بهتر است چند دقیقه صبر کنید تا تمام کندانسورها تخلیه شوند. و سپس، پس از برداشتن پوشش، قبل از اینکه همه چیز را با پنجه های خود بگیرید، ابتدا باید ولتاژ خازن های ذخیره برق را اندازه گیری کنید و در صورت لزوم آنها را با مقداری مقاومت مجبور به تخلیه کنید. اگر ظروف خیلی بزرگ نیستند، البته می توانید به سادگی پایانه های آنها را با یک پیچ گوشتی ببندید، اما این کار به شدت توصیه نمی شود!

بنابراین آقایان امروز با روش های مختلفی برای محاسبه انرژی ذخیره شده در خازن آشنا شدیم و همچنین در مورد نحوه انجام این محاسبات در عمل بحث کردیم. بیایید کم کم همه چیز را اینجا جمع کنیم. برای همه شما موفق باشید و دوباره شما را ببینم!

به ما بپیوندید

در زمان نگارش این بخش، توضیحات کاملاً قابل فهمی از ابرخازن ها در اینترنت وجود داشت. و نویسندگان این مواد اغلب از اصطلاح "لایه دوگانه الکتریکی" استفاده می کردند. من نمی خواهم دوستداران اصطلاحات سختگیرانه را سرزنش کنم ، اما این سه کلمه تأثیر منفی بر روند درک اصول عملکرد یک یونیستور دارد. بنابراین، در زیر متن با کلمات قابل درک است.

یونیستور یک ابرخازن است

هدف یونیستور تجمع بار الکتریکی است. و آن را مانند یک خازن الکتریکی معمولی جمع می کند. از یک دوره فیزیک مدرسه: یک خازن معمولی دو صفحه است که توسط یک عایق از هم جدا شده اند. هنگامی که الکترون های اضافی روی یکی از پلاتین ها ظاهر می شود و در دیگری کمبود، الکترون های (-) از صفحه اول به صفحه دوم - دارای بار مثبت (+) نزدیک تر می شوند. و اگر باتری را از خازن جدا کنید، ولتاژ روی آن باقی می ماند، زیرا پلاتین های مختلف چگالی الکترونی متفاوتی دارند.

برای ذخیره انرژی می توان از خازن معمولی استفاده کرد، اما ظرفیت آن معمولاً بسیار کم است.

محاسبه انرژی خازن

W = (C * U 2)/2

W = (0.000001 * 1 2) / 2 = 0.0000005 ژول.

این انرژی نیست، اشک است. حرکت دادن ماشین کافی نخواهد بود. از فرمول مشخص است که برای افزایش انرژی، باید ظرفیت یا ولتاژ را افزایش دهید. اما افزایش ولتاژ سخت است. کار با ولتاژ یک میلیارد ولت ناخوشایند است. بنابراین، تنها یک راه باقی مانده است - افزایش ظرفیت. برای افزایش ظرفیت خازن، باید یا مساحت صفحات را افزایش دهید یا فاصله بین آنها را کاهش دهید. یونیزه کننده می تواند هم از یک مسافت بسیار کوتاه و هم از یک منطقه بزرگ به رخ بکشد. و به این صورت انجام می شود.

یونیستور چگونه کار می کند؟

برای افزایش مساحت در یونیستورها، صفحات رها می شوند. آنها وجود دارند، اما ظرفیت دیگر به منطقه آنها بستگی ندارد. در یونیستور، نقش پلاتین را پودر کربن بازی می کند. کربن، اگرچه یک فلز نیست، الکترون های آزاد زیادی دارد و بر این اساس، الکتریسیته را به خوبی هدایت می کند. می توان آن را رنگ کرد و جرمی از این پودر را می توان روی الکترود قرار داد. مساحت کل الکترود میلیون ها برابر افزایش می یابد. همین کار را با الکترود دوم انجام دهید. اما در حال حاضر، این الکترودها با هوا جدا می شوند. حالا این الکترون ها را در الکترولیت فرو می کنیم.

بگذارید الکترولیت آب نمک معمولی باشد (NaCl و H 2 O). از فیزیک مشخص است که جریان در الکترولیت ها به دلیل یون ها - ذرات باردار یک ماده جریان می یابد. در مورد ما، اینها یونهای سدیم (Na+) و یونهای کلر (Cl-) خواهند بود.

یونیستور را شارژ می کنیم

اگر به الکترودها ولتاژ اعمال کنید، یون های سدیم به سمت الکترود منفی و یون های کلرید به سمت الکترود مثبت جریان پیدا می کنند. این فرآیند شارژ یونیستور خواهد بود.

در نهایت، توده کربن دارای بار مثبت دارای بیشترین مقدار یون کلر منفی و جرم منفی دارای حداکثر تعداد یون های سدیم مثبت خواهد بود. یون ها از هر طرف به ذرات کربن می چسبند و حتی اگر منبع ولتاژ خارجی حذف شود، در آنجا باقی می مانند.

یونیستور اینگونه عمل می کند. در اینجا فقط یک توضیح مهم است. جرم کربن الکترودها نباید به یکدیگر برخورد کنند تا الکترون ها از یکی به دیگری منتقل نشوند. بنابراین معمولاً یک عایق بین الکترودهای کربن متخلخل قرار می گیرد. به آن جداکننده یا جداکننده نیز می گویند. او دو نقش دارد:

اجازه ندهید یون ها به طور خود به خود بین الکترودها جابجا شوند

الکترونهای لمسی را از کربن و جریان را از الکترونها حذف کنید

تخلیه یونیستور

اگر باری را به یک یونیستور باردار وصل کنیم، الکترون‌های الکترودهای کربنی انگیزه‌ای برای حرکت به سمت الکترود دیگری خواهند داشت، زیرا کارهای بسیار مورد نیاز خود را انجام داده‌اند. با تخلیه الکترودها، بار کاهش می یابد و کربن دیگر نمی تواند آنها را نگه دارد. و الکترولیت دوباره همگن می شود.

محاسبه انرژی یونیستور

ظرفیت یونیستورهای مینیاتوری مدرن به واحدهای فاراد می رسد. برای خازن های معمولی، این یک واحد MICROfarad است. آن ها اگر از فرمول استفاده کنید، معلوم می شود که یک یونیستور 100 فاراد در ولتاژ 1 ولت می تواند انرژی 50 ژول را ذخیره کند. و این در حال حاضر خوب است.