Elektrostaatilisus ja kondensaatorid

Elektrostaatilisus tegeleb aeglaselt liikuva elektri uurimisega. Staatiline elekter on selle osaks. Kahe erineva materjali kontaktil, ka liikumatult, võivad need ebaühtlaselt elektrone vahetada suurendades ühe objekti laengut ja vähendades teise laengut. Laengu muutus on ilmsem, kui vähemalt üks materjalidest takistab oluliselt voolu liikumist, mistõttu laengu muutus on kauem nähtav.
Jõu valem kahe eri laenguga punkti vahel:

kus F on jõud, Q tähistab vastava punkti laengut, r on distants ja viimane sümbol tähistab vaakumi elektriläbilaskvust
  in A²s⁴ kg^-1m⁻³ or C²N⁻¹m⁻² or F m⁻¹.

Illustratsioonil on näha elektrostaatilise välja (nooled) mõju teistele objektidele. Positiivse laenguga kohtades on suhteliselt vähe elektrone ja negatiivse laenguga kohtades on suhteliselt palju elektrone. Need objektid ei puutu otseselt kokku kuid elektrostaatilise induktsiooniga (laengu mõju ilma, et objektid peaks kokku puutuma) tekib tõuge sama laenguga osakeste vahel kuid vastaslaenguga piirkonnad tekivad objektides sinna, kus nad saavad olla lähemal omale vastaslaenguga objektidele.
Kuna pinnal olevad + ja - laengud on tasakaalus, siis ei teki elektrivälja objektide sees ja laenguga osakeste voolu ei pea toimuma pärast laengute tasakaalustumist.
Elektrostaatiline induktsioon aitab õhupallil püsida objektide küljes kui õhupalli liigsed elektronid tõrjuva eemale teise materjali elektrone tehes selle pinna rohkem positiivselt laetuks ja sellega omakorda materjalide vahelist tõmmet tekitades.
Staatilist elektrit saab kergesti luua kahe elektrit mittejuhtiva materjali hõõrumisel kuid aeglaselt toimub see ka nende üksteise peale panemisega. Insulaatorid nagu klaas, kumm ja plastmass võivad luua staatilist elektrit pikaks ajaks ja seda samas järsult väljastada elektrijuhiga kokku puutudes.
Staatilise elektri effekti kasutatakse veidi äärmuslikumalt ära laengut koguvate masinatega nagu näiteks Van der Graaff'i generaatoris, kus hõõrdumist tekitava lindiga tekitatakse tugev laeng metallkeras. Lindimaterjaliks on elektrit vähejuhtiv materjal.
30 cm kõrguse generaatoriga võib luua 450 000 voldise erinevuse (~30 000 volti/cm kohta) ning kui pinge läheb väga kõrgeks, siis väljub laeng maasse.
20 miljoni voldine erinevus on saavutatud elektrit vähem juhtiva surve all oleva väävel heksafluoriidiga täidetud ruumis. See asus 70 meetri kõrguses hoones. Kuna on saavutatud kümneid miljoneid elektronvolte tekitavat energiat, siis saab sellega otse tuumareaktsioone ja gamma kiirgust tekitada.

Kondensaatorid

Praktikas on elektrit kogutud kondensaatoritesse, mis võivad seda vajadusel eri kiiruste juures vabastada.
Elektri kogumiseks kondesaatorisse piisab sellest, et sellesse pandakse 2 elektrit juhtivat materjali nagu näiteks metallplaadid ja nende vahele elektrit isoleeriv ehk dielektrilise materjali plaat. Lihtsuse mõttes nimetan neid elektrijuhist kohti metallplaatideks aga disainis ei pea kasutama plaate ning sobivad ka kilega eraldatud metallfooliumi tükid või teise kujuga objektid. Juhtides voolu ühele plaadile levib see piisavalt suure pinge erinevuse korral üle dielektrilise plaadi ka teisele plaadile.
Ideaalse kondensaatori mahtuvust (C) mõõdetakse faradites (F), mis näitab laengu (kulonites) ja pinge (voldid) suhet

ning see on kirjeldatav ühikutega (all tähistab C kuloneid):

1 kulon= amper (6.24150965(16)×10¹⁸ elektroni laeng) sekundis aga 1 kulon on ka 1 farad x 1 volt. Farad näitab voolu hulka, mis kulub kondensaatori teise plaadi laengu muutmiseks 1 voldi võrra sekundis. Näiteks 1 millifaradise kondensaatori laeng kasvab iga 1 milliamprise sisendvooluga sekundis 1 voldi võrra. Elektroonikas jääb mahtuvus tavaliselt alla millifaradi olles kiipides kohati femtofaradise mahtuvusega.
Reaalseid kondensaatoreid piiravad nähtused nagu elektrilise juhtivuse teke dielektrilises materjalis liigse laengu korral, kus sarnaselt välguga võib elekter piisava laenguga ka õhust läbi hüpata.
Kondensaatoreid kasutatakse lisaks voolu kogumisele ka valikuliselt vahelduvvoolu läbilaskmiseks blokeerides seejuures alalisvoolu ning raadiotes koos induktoritega soovitud sageduse võimendamiseks.
Dielektriliseks materjaliks sobib paber, klaas, õhk või lihtsalt vaakum.

Laenguga osakeste liigutamiseks kulunud töö (W ja ühikuks dzaulid) valem. Q on laeng kulonites, V voldid ja C mahtuvus. Kui töö tegemine lõpetatakse, siis jääb energia mõneks ajaks kondensaatorisse püsima.

Valemeid elektrijuhiplaatide vahel tekkiva pinge erinevus V leidmiseks. Epsiloni väärtus sõltub dielektriku koostisest ja vaakumi puhul on see ülal eelnevalt näha. Distants plaatide vahel on d, laengutiheduse +/-p väärtus on laeng +/-Q jagatud pindala A. Metallplaatide pindala on A.

Lihtsustatult suureneb mahtuvus plaatide pindalaga ning nendevahelise läbitavuse väärtuse kasvuga ja väheneb nendevahelise distantsiga (d).
Võimalusi maksimaalse energiavälja E energia arvutamiseks:

Mitme kondensaatori kombineerimisel lisanduvad nende mahtuvused sõltuvalt ühendusviisist.
Kondensaatori enda sümbol elektriringe illustratsioonides on ning vahel on negatiivsema laenguga metallplaat tähistatud kergelt kõveralt.

Ülalolev illustratsioon tähistab paralleelseid kondensaatorite jadasid. Nende laengud on ühtlaselt jaotunud ühe poole plaatide vahel ja nende mahtuvused liituvad omavahel kokku suurendades liitvalt laenguid hoidvate plaatide pindalasid. Selliseid ühendusi kasutatakse võimsa voolu esile kutsumiseks.

Seeriates ritta ühendatud kondensaatorite laeng hoopis väheneb algusest lõpu poole iga uue kondensaatori lisamisega ning sellisel ühendamisel on tulemuseks väiksem mahtuvus kui igal üksikkondesaatoril. Pindalade asemel liituvad plaatidevaheliste distantside mõjud ning erinevus voltides langeb voolu lõpu pool. Laadimisel saavad kõik üksikosad peaaegu koheselt ühtlase laengu. Sellise ühendusviisiga vähendatakse näiteks kõrge pingega voolu. Ühendades sellised seeriad paralleelselt teiste selliste reas kondensaatoritega saab hajutada vool veelgi ja koguda väiksema läbipõlemisriskiga energiat kõrge pingega vooluallikast.

Maksimaalne kogutav laeng on piiratud dielektrilise materjali takistusega kuid piisava laengu korral võib see igast materjalist läbi hüpata (dielektriline läbilöögitugevus) sarnaselt ülal nähtava pleksiklaasiga.
Õhu puhul on elektrijuhtivuse tekkeks vajalikuks miinimumiks 2-5 miljonit volti meetri kohta.
Vilgukivil 100-300 miljonit volti meetri kohta.
Elektroonikas võib läbilöök toimuda paari kuni mõnetuhande voldi korral.
Teravad servad ja otsad on tõenäolisemalt läbilöögi alguskohaks.
Ka dielektrilistes materjalides hakkavad elektronid liikuma, kui läheduses on piisavalt suure elektrilise pinge all olev piirkond.
Osad dielektrilised materjalid võivad helilainete mõjul piesoelektrilise efektiga laengut tekitada ja helisalvestustel müra tekitada. Mehhaaniline kõikumine võib mõjutada kondensaatori mahtuvust (näiteks keraamilise või paberist dielektrilise materjali korral) ja tekitada vahelduvvoolu moodi signaalimüra.
Keraamilised kondensaatorid on väikese mahtuvusega. Suure mahtuvusega kondensaatorites kogutakse laeng elektrolüütide sisse nagu näiteks naatriumi, kloori ja kaltsiumi ioonidesse kuid need lekivad varem või hiljem ning kõrgel temperatuuril lekib nende laeng ja madalal temperatuuril langeb nende mahtuvus. Lisaks võib elektrolüüte sisaldav vedelik lekkima hakata ja ümber olevat söövitada.
Nõrgematele kondensaatorile kirjutatud sümbolid tähistavad tavaliselt nende mahtuvust pikofaradites. XYZ tähistavad mahtuvust pikofaradites XY x 10^Z. J, K ja M tähistavad vastavalt taluvust ±5%, ±10% ja ±20% ning võib olla muid sümboleid. Näiteks 473K 330V tähistab mahtuvust 47 x 10³ pF = 47 nF (±10%) ja 330 voldist laengu taluvust millest edasi võib dielektriline kiht elektrit juhtima hakata.
Neid kasutatakse vahel ajutise patareina ning ühe kilogrammi kondensaatori sisse mahub tavaliselt 360 dzauli energiat ja mõne materjali puhul ka üle 2 000 dzauli kilogrammi kohta.
Tihti kasutatakse kondensaatoreid järsult energia vabastamiseks fotokaamerate välklampides (1,5 voldisest patareist võib laadida 300 voldi peale), radarites, võimsates laserites ja eksperimentides, kus on vaja korraga vabastada ülisuuri energia koguseid.
Raadiotes võimendavad kondensaatorid kindla sagedusega raadiolaineid.
Väliskeskkonnale avatud kondensaatoreid saab kasutada õhuniiskuse mõõtmiseks dielektriku omaduste muutumise tõttu ja kütusepaakides kütuse hulga mõõtmiseks kuna mida rohkem metallplaatide paare jääb kütuse alla, seda suuremaks läheb nende mahtuvus.
Vahel kasutatakse neid kiirenduse ja kalde mõõtmiseks ning autode õhkpatjades.

Puutetundlikes ekraanides võidakse kasutada kahte õhuga eraldatud elektrijuhti, mis puudutamisel kokku puutuvad. Teisel juhul kasutatakse inimkehas olevad elektrostaatilist laengut, et moonutada ekraani elektrostaatilist välja ning see teine variant ei tööta kui inimesel peaks käes olema elektrit mittejuhtivad kindad.

Energia mahtuvuse osas on kondensaatorid igapäevaselt kasutuses energiaallikatega võrreldes ühed väikseima energia tihedusega.
Elektrostaatilised kondesaatorid on ~300 dzaulise mahtuvusega iga kilogrammi kohta.
Elektrolüüte ja aktiivsüsinikku (söetableti materjal) kasutavad superkondensaatorid võivad mahutada 100 kJ/kg kohta.
Liitiumipatareidel on energiat 1,3 MJ/kg kohta ja rasvas 37 miljonit dzauli kilogrammi kohta.

Marx'i generaatorid



Kõige energilisemate tänapäevaste eksperimentide puhul kasutatakse Marx'i generaatoreid, mille abil võib ajutiselt luua tähtedest kuumemaid keskkondi ja tekitada termotuumareaktsioone.

Marx'i generaatorid on paralleelselt kokku ühendatud generaatorid, mille laeng liigub pinge langetamisel spark gap lülitite vahelt.

Spark gap on tihti õhuga täidetud tühimik elektroodide vahel ja kui erinevus voltides saavutab piisava suuruse, siis levib vool tekitades plasmat, mis omakorda suurendab gaasi elektrijuhtivust.

Sandia labori Z masina illustratsioonil on Marx'i generaatorid punaselt äärealal näha.

Z masin kulutab alla 100 nanosekundilise perioodi jooksul ~80 korda rohkem elektrienergiat, kui sama aja sees kogu maailmas toodetakse. Igast kondensaatorikogumist saadakse selline vooluhulk, mis vahendatakse 36 pildil nähtava juhtme rollis oleva jämeda metallsilindriga. Voolu läbimisel hakkavad need eredalt helesinise valgusega helendama ja ~15% energiast muutub röngtenkiirteks.
Katses kulub energiat kõrvalisi kadusid arvestamata 12 miljonit dzauli. Keemilistest patareidest jts. saaks selle energia väikese massi sisse koguda kuid need töötavad aeglaselt võrreldes staatilise elektri väljumiskiirusega. Elektrostaatilise kondensaatori sisse mahutamiseks 300 J/kg seose puhul peaks need kondensaatorid kaaluma kokku vähemalt 40 tonni.

Sateliitide järgi on maailmas keskmiselt 44 välgulööki sekundis ning üksikus välgulöögis on paar miljonit dzauli energiat.
Eeldades, et idealiseeritud elektrostaatiline kondensaator kaaluks 10 tonni iga välgunoole energia mahutamiseks (ja vajaks laengu hoidmiseks tõenäoliselt sadade meetrite või kilomeetrite paksust dielektrilist õhukihti). Planeedil sekundis äikeses vabaneva energia (~100 MJ) hoidmiseks läheks vaja 440 tonni kondensaatoreid.

Kui 100 nanosekundiga kulutada 80 kordselt maailmas kuluv energia, siis see kogus oli maailmas 8 mikrosekundiga kuluv energiahulk. Kui tahta kondensaatoriga varustada maailma energianõudlust, siis kuluks 125 000 korda rohkem energiat ehk 1,5 triljonit dzauli sekundis. Tavalise elektrostaatilise kondensaatorite sisse mahutamiseks peaks nende mass olema 125 000 x 40 tonni= 5 miljonit tonni.