Kondensaattorin lataus ja purkaminen

Kondensaattorin lataus

Kondensaattorin lataamiseksi sinun on kytkettävä se tasavirtapiiriin. Kuvassa Kuvassa 1 on esitetty kondensaattorin latauspiiri. Kondensaattori C on kytketty generaattorin liittimiin. Avainta voidaan käyttää piirin sulkemiseen tai avaamiseen. Katsotaanpa yksityiskohtaisesti kondensaattorin latausprosessia.

Generaattorissa on sisäinen vastus. Kun kytkin on kiinni, kondensaattori latautuu levyjen väliseen jännitteeseen, joka on yhtä suuri kuin e. jne. v. generaattori: Uc = E. Tässä tapauksessa generaattorin positiiviseen napaan kytketty levy saa positiivisen varauksen (+q) ja toinen levy saa yhtä suuren negatiivisen varauksen (-q). Varauksen koko q on suoraan verrannollinen kondensaattorin C kapasiteettiin ja sen levyjen jännitteeseen: q = CUc

Pe. 1… Kondensaattorin latauspiiri

Kondensaattorilevyjen lataamiseksi on välttämätöntä, että toinen niistä saa ja toinen menettää tietyn määrän elektroneja.Elektronien siirto levyltä toiselle tapahtuu ulkoista piiriä pitkin generaattorin sähkömotorisella voimalla, ja varausten siirtäminen piiriä pitkin ei ole muuta kuin sähkövirtaa, jota kutsutaan varauskapasitiiviseksi virraksi A-varaukseksi.

Latausvirta arvossa kulkee yleensä sekunnin tuhannesosissa, kunnes kondensaattorin yli oleva jännite saavuttaa arvon, joka on yhtä suuri kuin e. jne. v. generaattori. Kaavio jännitteen noususta kondensaattorin levyillä sen latauksen aikana on esitetty kuvassa. 2, a, josta voidaan nähdä, että jännite Uc kasvaa tasaisesti, ensin nopeasti ja sitten yhä hitaammin, kunnes se on yhtä suuri kuin e. jne. v. generaattori E. Tämän jälkeen kondensaattorin yli oleva jännite pysyy muuttumattomana.

Riisi. 2. Jännitteen ja virran kuvaajat kondensaattoria ladattaessa

Kun kondensaattori latautuu, latausvirta kulkee piirin läpi. Latausvirran kaavio on esitetty kuvassa. 2, b. Alkuhetkellä latausvirralla on suurin arvo, koska kondensaattorin jännite on edelleen nolla, ja Ohmin lain mukaan iotax = E /Ri, koska kaikki e. jne. c-generaattori kohdistetaan vastukseen Ri.

Kun kondensaattori latautuu eli lisää jännitettä sen yli, se laskee latausvirran verran. Kun kondensaattorin yli on jo jännite, resistanssin jännitehäviö on yhtä suuri kuin e. jne. v. generaattorin ja kondensaattorin jännite, eli yhtä suuri kuin E — U s. Siksi itax = (E-Us) / Ri

Tästä voidaan nähdä, että kun Uc kasvaa, ilatautuu ja kun Uc = E, latausvirrasta tulee nolla.

Lue lisää Ohmin laista täältä: Ohmin laki piirin osalle

Kondensaattorin latausprosessin kesto riippuu kahdesta määrästä:

1) generaattorin Ri sisäisestä resistanssista,

2) kondensaattorin C kapasitanssista.

Kuvassa Kuva 2 esittää kaavioita 10 mikrofaradin kapasiteetin kondensaattorin tyylikkäistä virroista: käyrä 1 vastaa latausprosessia generaattorista, jossa on e. jne. kun E = 100 V ja sisäisellä resistanssilla Ri = 10 Ohm, käyrä 2 vastaa latausprosessia generaattorista, jolla on sama e. pr. kanssa, mutta pienemmällä sisäisellä resistanssilla: Ri = 5 ohmia.

Näiden käyrien vertailusta voidaan nähdä, että generaattorin pienemmällä sisäisellä resistanssilla elegantin virran voimakkuus alkuhetkellä on suurempi ja latausprosessi on siksi nopeampi.

Riisi. 2. Kaaviot latausvirroista eri vastuksilla

Kuvassa 3 vertaa latausvirtojen käyriä ladattaessa samasta generaattorista e:n kanssa. jne. E = 100 V ja sisäinen resistanssi Ri = 10 ohmia kahdessa eri kapasiteetissa kondensaattorissa: 10 mikrofaradia (käyrä 1) ja 20 mikrofaradia (käyrä 2).

Alkulatausvirta iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Molemmat kondensaattorit ovat samat, koska kapasiteetiltaan suurempi kondensaattori varastoi enemmän sähköä, jolloin sen latausvirran tulisi kestää kauemmin ja latausprosessi on pidempi.

Riisi. 3. Taulukot latausvirroista eri kapasiteetteilla

Kondensaattorin purkaus

Irrota ladattu kondensaattori generaattorista ja kiinnitä vastus sen levyihin.

Kondensaattorin Us levyillä on jännite, joten suljetussa piirissä virtaa virtaa, jota kutsutaan purkauskapasitiivisiksi virta-ireiksi.

Virta kulkee kondensaattorin positiivisesta levystä vastuksen kautta negatiiviseen levyyn. Tämä vastaa ylimääräisten elektronien siirtymistä negatiiviselta levyltä positiiviseen, missä niitä ei ole.Rivikehysten prosessi jatkuu, kunnes kahden levyn potentiaalit ovat yhtä suuret, eli niiden välinen potentiaaliero on nolla: Uc = 0.

Kuvassa Kuvassa 4a on kaavio kondensaattorin jännitteen alenemisesta purkauksen aikana arvosta Uco = 100 V nollaan, jolloin jännite laskee ensin nopeasti ja sitten hitaammin.

Kuvassa Kuva 4, b esittää kaavion purkausvirran muutoksista. Purkausvirran voimakkuus riippuu vastuksen R arvosta ja Ohmin lain mukaan ires = Uc/R

Riisi. 4. Kaaviot jännitteistä ja virroista kondensaattorin purkauksen aikana

Alkuhetkellä, kun kondensaattorin levyjen jännite on suurin, purkausvirta on myös suurin, ja Uc:n pienentyessä purkauksen aikana myös purkausvirta pienenee. Kun Uc = 0, purkausvirta pysähtyy.

Hävityksen kesto riippuu:

1) kondensaattorin C kapasitanssista

2) resistanssin R arvosta, johon kondensaattori purkautuu.

Mitä suurempi vastus R, sitä hitaammin purkaus tapahtuu. Tämä johtuu siitä, että suurella resistanssilla purkausvirran voimakkuus on pieni ja varauksen määrä kondensaattorin levyillä pienenee hitaasti.

Tämä voidaan osoittaa kaavioissa saman kondensaattorin purkausvirrasta, jonka kapasiteetti on 10 μF ja joka on ladattu 100 V:n jännitteeseen, kahdella eri resistanssiarvolla (kuva 5): käyrä 1 — kohdassa R = 40 ohmia, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A ja käyrä 2 - 20 ohmissa ioresr = 100/20 = 5 A.

Riisi. 5. Kaaviot purkausvirroista eri vastuksilla

Purkaus on myös hitaampaa, kun kondensaattorin kapasitanssi on suuri.Tämä johtuu siitä, että kun kondensaattorilevyissä on enemmän kapasitanssia, sähköä on enemmän (enemmän latausta) ja latauksen tyhjeneminen kestää kauemmin. Tämä käy selvästi ilmi kahden saman kapasiteetin kondensaattorin purkausvirtojen kaavioista, jotka on ladattu samaan 100 V:n jännitteeseen ja purettu vastukseen R= 40 ohmia (kuva 6: käyrä 1 – kapasiteetiltaan kondensaattorilla 10 mikrofaradia ja käyrä 2 – kondensaattorille, jonka kapasiteetti on 20 mikrofaradia).

Riisi. 6. Kaaviot purkausvirroista eri tehoilla

Tarkastetuista prosesseista voidaan päätellä, että kondensaattorilla varustetussa piirissä virta kulkee vain lataus- ja purkuhetkellä, kun levyjen jännite muuttuu.

Tämä selittyy sillä, että kun jännite muuttuu, levyjen varauksen määrä muuttuu, mikä edellyttää varausten liikkumista piiriä pitkin, eli sähkövirran on kuljettava piirin läpi. Ladattu kondensaattori ei kulje tasavirtaa, koska sen levyjen välissä oleva eriste avaa piirin.

Kondensaattorin energia

Latausprosessin aikana kondensaattori varastoi energiaa vastaanottamalla sen generaattorilta. Kun kondensaattori puretaan, kaikki sähkökentän energia muunnetaan lämpöenergiaksi, eli se menee lämmittämään vastusta, jonka kautta kondensaattori puretaan. Mitä suurempi kondensaattorin kapasitanssi ja jännite sen levyillä on, sitä suurempi on kondensaattorin sähkökentän energia. Jännitteeseen U ladatun kapasiteetin C kondensaattorin energiamäärä on yhtä suuri kuin: W = Wc = CU2/2

Esimerkki. Kondensaattori C = 10 μF ladattu jännitteeseen Uc = 500 V.Määritä energia, joka vapautuu lämmön voimalla vastuksella, jonka kautta kondensaattori puretaan.

Vastaus. Purkauksen aikana kaikki kondensaattorin varastoima energia muunnetaan lämmöksi. Siksi W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.