Зареждане и разреждане на кондензатор

1 Зареждане диелектричен кондензатор

Погрешността на текущата интерпретация на работата на кондензатора е особено очевидна. Основава се на наличието на положителни и отрицателни заряди в електрическа верига. Носителите на тези заряди са известни: протон и електрон. Известно е обаче, че те усещат взаимно присъствието си от хиляди пъти. по-голям размерелектрон и милион пъти по-голям от протон. Дори такова далечно съседство завършва с процеса на образуване на водородни атоми, които съществуват само в плазмено състояние при температури до 5000 C. Това се случва например в процесите на отстраняване на електрони и протони от Слънцето и последващото им комбиниране във водородни атоми. Така че съвместното присъствие на протони и електрони в свободно състояние в проводниците е напълно изключено, следователно положителните и отрицателните потенциали на плочите на диелектричен кондензатор са грешка на физиците. Нека го оправим.

Сега ще видим, че плочите на диелектричен кондензатор се зареждат не от противоположни електрически полярности, а от противоположни магнитни полярности. В този случай функциите плюс принадлежат към южния магнитен полюс на електрона, а функциите минус към северния. Тези полюси образуват полярност, но не електрическа, а магнитна. Нека проследим процеса на зареждане на диелектричен кондензатор, за да видим как магнитните полюси на един електрон формират магнитната полярност на неговите пластини. Известно е, че между плочите на диелектричен кондензатор има диелектрик D (фиг. 1, а).

Експерименталната схема за зареждане на диелектричен кондензатор е показана на фиг. 1, а. Най-важното изискване за диаграмата е нейната ориентация от юг (S) на север (N). За да се осигури пълна изолация на кондензатора от мрежата след зареждане, препоръчително е да се използва електрически щепсел, включен в електрически контакт 220 V.

Непосредствено след диода се показва компас 1 (K), поставен върху проводника, отиващ към кондензатор C. Стрелката на този компас, отклоняваща се надясно в момента на включване на щепсела, показва посоката на движение на електроните (фиг. 1) от точка S до долната плоча на кондензатора. Тук е уместно да се обърне внимание на обобщението на информацията за поведението на електроните в проводниците, представена на фиг. 1.

Ориз. 1. Схема на нашия експеримент за зареждане на кондензатор

Над компас 1 (фиг. 1) има диаграма на посоката магнитно полеоколо проводник, образуван от движещи се в него електрони.

По този начин електроните, преминаващи през диода, достигат до долната плоча на кондензатора с ориентирани спинови вектори

Съвсем естествено е електроните да попаднат на вътрешната повърхност на горната пластина на кондензатора от мрежата, ориентирана към южните магнитни полюси (S). Доказателство за това е експерименталният факт на отклонението на горната стрелка на компаса 2 (K) надясно (фиг. 1). Това означава, че електроните, движещи се от мрежата към горната пластина на кондензатора, са ориентирани с южните си магнитни полюси (S) в посоката на движение (фиг. 2).

По този начин ориентацията на електроните върху плочите на диелектричен кондензатор се осигурява от пропускливостта на техните магнитни полета през диелектрика. Потенциалът на плочите на кондензатора е един - отрицателен и две магнитни полярности: северният и южният магнитни полюси.

На фиг. Фигура 2 показва диаграма, обясняваща ориентацията на електроните, движещи се към плочите на кондензатора C. Електроните пристигат до долната плоча на кондензатора със своите северни магнитни полюси (N), ориентирани към вътрешната му повърхност (фиг. 2). Електроните, ориентирани с южните магнитни полюси (S), достигат до вътрешната повърхност на горната плоча на кондензатора.

Ориз. 2. Диаграма на движението на електрони към плочите на диелектричен кондензатор

Така че електроните, единствените носители на електричество в проводниците, се образуват върху пластините на кондензатора не с противоположна електрическа полярност, а с противоположна магнитна полярност. На плочите на диелектричен кондензатор няма протони - носители на положителни заряди.

2 Разреждане на диелектричен кондензатор

Процесът на разреждане на диелектричен кондензатор до съпротивление е следващото експериментално доказателство за съответствието с реалността на идентифицирания модел на електрона и погрешността на преобладаващите идеи, които противоположно електрически заряди(фиг. 3) .

Диаграмата на отклонение на стрелките на компаса (K) 1, 2, 3 и 4, когато кондензаторът е разреден до съпротивление R в момента на включване на превключвателя 5, е показана на фиг. 3.

Както можете да видите (фиг. 1 и 3), в момента, в който процесът на разреждане на кондензатора е включен, магнитната полярност на кондензаторните плочи се променя на противоположната и електроните, обръщайки се, започват да се движат към съпротивление R (фиг. 2, 3).

Ориз. 3. Диаграма на отклонението на стрелките на компаса (K) в момента на разреждане на кондензатора

Ориз. 4. Диаграма на движението на електрони от пластините на кондензатора към съпротивлението Р при разреждане на диелектричен кондензатор

Електроните, идващи от горната пластина на кондензатора, са ориентирани с южните магнитни полюси по посока на движение, а от долната - със северните (фиг. 4). Компаси 3 и 4, инсталирани на набор от VA проводници, ориентирани от юг на север, ясно записват този факт, като отклоняват стрелките надясно, като по този начин доказват, че векторите на завъртанията и магнитните моменти на всички електрони в тези проводници са насочени от юг на север (фиг. 3, 4).

3 Зареждане електролитен кондензатор

Когато се анализира процеса на зареждане на електролитен кондензатор, трябва да се има предвид, че електролитният кондензатор съдържа йони с положителен и отрицателен заряд, които контролират процеса на образуване на потенциал върху плочите на електролитния кондензатор. Сега ще видим, че наличието на електролит в кондензатор не води до появата на положителни носители на заряд, тоест протони, в проводниците.

Електронът е кух торус, който има две ротации: спрямо оста на симетрия и спрямо пръстеновидната ос на тора. Въртенето спрямо пръстеновидната ос на тора формира магнитното поле на електрона, а посоките на линиите на магнитното поле на това поле образуват два магнитни полюса: северен N и южен S.

Въртенето на електрона около централната ос се контролира от кинетичния въртящ момент

На фиг. 5, а йонната ориентация е показана като пример

Да обърнем внимание на основна характеристикаструктури на водородния атом: вектори на електроните магнитни моменти

Ако ролята на електродите, показана на фиг. 5, а са направени плочите на кондензатора, след което, когато той е зареден, електроните, идващи от външната мрежа, са ориентирани с южните магнитни полюси в лявата плоча на кондензатора и северните магнитни полюси в дясната плоча. Това се дължи на факта, че електроните събират своите противоположни магнитни полюси заедно, а подходът на електрон към протон е ограничен от магнитни полюси със същото име.

Ориз. 5. а) – диаграма на йона; диаграма на клъстер от два йона

На фиг. 6, а йонната ориентация е показана като пример

Нека да обърнем Специално вниманиепоради факта, че горната пластина на кондензатора (фиг. 6, а) има електрони от двете страни и затова изглежда, че те се отблъскват. Трябва обаче да се има предвид, че когато се образуват клъстери от електрони, те са свързани помежду си чрез противоположни магнитни полюси и еднаквите електрически заряди ограничават приближаването им, поради което се осигурява контактът на йона с горната плоча на кондензатора от противоположните магнитни полюси на електроните. Долната плоча на кондензатора има противоположни електрически заряди, които приближават протона на водородния атом и електрона на плочата на кондензатора. Но това сближаване е ограничено до техните магнитни полюси със същото име. Това обяснява тези очевидни противоречия.

Ориз. 6. а) диаграма на ориентация на йони в електролитен кондензатор; b ) верига за зареждане на кондензатор

По този начин плочите на електролитен кондензатор са заредени едновременно с противоположна електрическа полярност и противоположна магнитна полярност. В този случай функциите плюс принадлежат към южния магнитен полюс на електрона, а функциите минус към северния. Тези полюси формират както електрическата, така и магнитната полярност на плочите на кондензатора. Нека проследим процеса на зареждане на кондензатор, за да видим как магнитните полюси на електрона и протона формират магнитните и електрическите полярности на неговите плочи.

Експерименталната схема за зареждане на кондензатор е показана на фиг. 5, б. Най-важното изискване за диаграмата е нейната ориентация от юг (S) на север (N). Непосредствено след диода се показва компас 1 (K), поставен върху проводника, отиващ към кондензатор C. Стрелката на този компас, отклоняваща се надясно в момента на включване на напрежението, показва посоката на движение на електроните (фиг. 5, б) от точка S до долната плоча на кондензатор С. Горният компас показва диаграма на посоката на магнитното поле около проводник, образуван от движещи се в него електрони.

По този начин електроните, преминаващи през диода, достигат до долната плоча на кондензатора с ориентирани спинови вектори

Съвсем естествено е електроните да идват към горната пластина на кондензатора от мрежата с ориентирани южни магнитни полюси (S). Доказателство за това е експерименталният факт на отклонението на горната стрелка на компаса 2 (K) надясно (фиг. 5, b). Това означава, че електроните, движещи се по жицата към горната плоча на кондензатора, са ориентирани с южните си магнитни полюси (S) в посоката на движение.

На фиг. Фигура 4 показва диаграма, обясняваща ориентацията на електроните, движещи се към плочите на кондензатор С, когато той се зарежда. Електроните пристигат в долната плоча на кондензатора със своите северни магнитни полюси (N), ориентирани към вътрешната му повърхност. Електроните достигат до вътрешната повърхност на горната плоча на кондензатора с ориентирани южни магнитни полюси (S).

Нека обърнем внимание на факта, че посоките на ориентация на електроните, когато се движат към плочите на диелектричен кондензатор (фиг. 4), са подобни на ориентацията на електроните, когато се движат към плочите на електролитен кондензатор (фиг. 6). , б).

Така че електроните, единствените носители на електричество в проводниците, образуват върху плочите на електролитен кондензатор както противоположна електрическа полярност (+ и -), така и противоположна магнитна полярност (S и N) едновременно.

4 Разреждане на електролитния кондензатор

Процесът на разреждане на кондензатор в съпротивление е следващото експериментално доказателство за правилността на новата интерпретация за посоката на движение на електроните (фиг. 3) в проводниците и погрешността на преобладаващите идеи, че върху проводниците се образуват само противоположни електрически заряди. кондензаторни пластини.

Схеми за отклонение на стрелките на компаса (K) 1, 2, 3 и 4 при разреждане на кондензатора до съпротивление R в момента на включване на превключвателя 5 са ​​показани на фиг. 3.

Както може да се види (фиг. 2), в момента, в който процесът на разреждане на кондензатора е включен, магнитните и електрическите полярности на кондензаторните плочи се променят на противоположни и електроните, обръщайки се, започват да се движат към съпротивление R (фиг. 2).

Електроните, идващи от горната плоча на кондензатора, са ориентирани с южните магнитни полюси по посока на движение, а отдолу - със севера. Компаси 3 и 4, инсталирани на набор от проводници VA (фиг. 3), ориентирани от юг на север, ясно ще запишат факта, като отклонят стрелките надясно, като по този начин ще докажат, че векторите на завъртанията и магнитните моменти на всички електроните в тези проводници са насочени от юг на север.

Както можете да видите, моделът на движение на електрони по време на разреждане на диелектричен кондензатор е подобен на модела на движение на електрони по време на разреждане на електролитен кондензатор (фиг. 3).

Сега нека си представим моментите на отваряне или затваряне на електрическа верига, при които, както е известно, напрежението рязко се увеличава. Причината за това явление е, че в момента на отваряне на електрическата верига има фаза, когато част от тази верига се образува от въздушни йони. Общият брой на електроните в тези йони е значително по-голям от броя на свободните електрони в жицата. В резултат на това те се увеличават електрически потенциалза този период от време, когато електрическата верига се формира от въздушни йони. Това се вижда ясно на фиг. 5, а, където е показан йонът

Лабораторна работа № 6

ИЗУЧАВАНЕ НА ПРОЦЕСА НА ЗАРЕЖДАНЕ И РАЗРЯДАНЕ НА КОНДЕНЗАТОР

ЦЕЛ НА РАБОТАТА

Изследване на процесите на зареждане и разреждане на кондензатори в R.C.- схеми, запознаване с работата на устройства, използвани в импулсната електронна техника.

ТЕОРЕТИЧНИ ОСНОВИ НА РАБОТА

Нека разгледаме диаграмата, показана на фиг. 1. Веригата включва източник постоянен ток, активно съпротивление и кондензатор, в които ще разгледаме процесите на заряд и разряд. Ще анализираме тези процеси поотделно.

Разреждане на кондензатора.

Нека първо източник на ток e бъде свързан към кондензатор C чрез съпротивление R. Тогава кондензаторът ще се зареди, както е показано на фиг. 1. Нека преместим клавиша K от позиция 1 в позиция 2. В резултат на това кондензаторът се зарежда до напрежение д, ще започне да се разрежда през съпротивление R. Като се има предвид токът положителен, когато е насочен от положително заредената плоча на кондензатора към отрицателно заредената, можем да напишем

http://pandia.ru/text/78/025/images/image003_47.gif" width="69 height=25" height="25">, , (1)

Където аз– моментна стойност на тока във веригата, чийто знак минус показва появата на ток във веригата азсвързани с намаляване на заряда рна кондензатора;

рИ СЪС– моментни стойности на заряда и напрежението на кондензатора.

Очевидно първите два израза представляват съответно дефинициите за ток и електрически капацитет, а последният е законът на Ом за участък от веригата.

От последните две отношения изразяваме силата на тока азпо следния начин:

http://pandia.ru/text/78/025/images/image006_31.gif" width="113" height="53 src=">. (2)

18. Защо в електрическата схема на тази инсталация няма източник на постоянен ток?

19. Възможно ли е да се използва генератор на синусоидално напрежение или генератор на трионно напрежение в тази инсталация?

20. Каква честота и продължителност на импулсите трябва да произвежда генераторът?

21. Защо е необходимо активно съпротивление в тази верига? Р? Какъв трябва да бъде неговият размер?

22. Какви видове кондензатори и резистори могат да се използват в тази инсталация?

23. Какви стойности могат да имат капацитет и съпротивление в тази верига?

24. Защо е необходима синхронизация на сигнала на осцилоскоп?

25. Как се постига оптимален вид на сигнала на екрана на осцилоскопа? Какви корекции се прилагат?

26. Каква е разликата между веригите за зареждане и разреждане на кондензатор?

27. Какви измервания трябва да се направят, за да се определи капацитетът на кондензатора в R.C.- вериги?

28. Как да оценим грешките при измерване по време на работа на инсталацията?

29. Как да подобрим точността на определяне на времето за релаксация R.C.- вериги?

30. Посочете начини за подобряване на точността на определяне на капацитета на кондензатор.

Целта на работата е да се проучи процеса на разреждане на кондензатор в активно съпротивление, определяне на времето за релаксация и оценка на капацитета на кондензатора.

Уреди и аксесоари: лабораторна настройка, захранване, микроамперметър, тестов кондензатор, хронометър.

Електрически кондензатор или просто кондензатор е устройство, способно да натрупва и освобождава (преразпределя) електрически заряди. Кондензаторът се състои от два или повече проводника (плочи), разделени от диелектричен слой. По правило разстоянието между плочите, равно на дебелината на диелектрика, е малко в сравнение с линейните размери на плочите, следователно електрическо поле, което се получава при свързване на плочите към източник с напрежение U, е почти изцяло концентриран между плочите. В зависимост от формата на плочите кондензаторите биват плоски, цилиндрични или сферични.

Основната характеристика на кондензатора е неговият капацитет ° С, което е числено равно на заряда Qедна от плочите при напрежение, равно на единица:

Нека кондензаторът има капацитет ° Свключени в електрическата верига (фиг. 1),

Фиг. 1

съдържащ източник на постоянно напрежение U 0, ключ Ки резистор (активно съпротивление) Р. Когато ключът е затворен Ккондензаторът ще се зареди до напрежение U 0. Ако тогава ключът Котворен, кондензаторът ще започне да се разрежда през резистора Ри във веригата ще има електричество азТози ток се променя с времето. Като се има предвид, че процесите, протичащи във веригата, са квазистационарни, ние прилагаме законите на постоянния ток към тази верига.

Да намерим зависимостта на разрядния ток азот време T. За да направим това, ще използваме второто правило на Кирхоф, приложено към веригата R-C(фиг. 2). Тогава получаваме:

, (1)

Където аз– електрически ток във веригата, Q– заряд на кондензатора ° С. Заместване в уравнение (1) на стойността на разрядния ток I = - dQ / dt, получаваме диференциално уравнениепърви ред с разделими променливи:

. (2)

След интегриране на уравнение (2) намираме

Q(T) = Q 0 e -T/τ , (3)

Където Q 0– първоначална стойност заряд на кондензатора, τ = R.C.– константа с измерението на времето. Нарича се време за релаксация. През времето τ , зарядът на кондензатора намалява с e пъти.

Като диференцираме уравнение (3), намираме закона за промяна на тока на разреждане То):

I(t) = e -t/τ.

I(t) = I 0 e -t/τ, (4)

Където аз 0 = - начална текуща стойност, т.е. ток при T = 0.

Фигура 3 показва две зависимости на разрядния ток азот време T, отговарящи на две различни значения активно съпротивление Р 1 и Р 2 (τ 1 < τ 2).

Описание на лабораторната обстановка

В тази лабораторна работа се предлага да се изследва процесът на разреждане на кондензатор с помощта на експериментална настройка, чиято диаграма е показана на фиг. 4.

Състои се от източник на постоянно напрежение U 0, контейнери ° С, резистори Р 1 , Р 2 ,Р 3 и микроамперметри. Тъй като резистори Р 1 , Р 2 ,Р 3 са свързани последователно, активното съпротивление на веригата може да се промени с помощта на джъмпери P, късо съединение на резисторите на свой ред Р 1 , Р 2 или и двете заедно.

Ред на измерване. Обработка на резултатите от измерванията

Сглобете електрическа верига съгласно диаграмата на фиг. 4 и според инструкциите на учителя изберете необходимата стойност на съпротивлението на веригата Р.

Заключете ключа Ки заредете кондензатора ° Сдо напрежение U 0. Когато кондензаторът е напълно зареден, микроамперметърът ще покаже максималната стойност на тока аз 0.

Отключете ключа Ки стартирайте хронометъра едновременно. Измерете времето t 0, при което показанията на микроамперметъра ще намалеят 10 пъти. Определете интервала от време Δ t ≈ t 0 / 10.

Заключете отново ключа Ки заредете кондензатора.

Отключете ключа Ки записвайте показанията на микроамперметъра на интервали от време Δt, 2Δt, 3Δtи т.н. до време 10Δt. Извършете тези измервания три пъти и запишете резултатите в таблица 1.

Изчисли (средна текуща стойност) и съотн.

маса 1

Повторете експериментите три пъти за различни стойности. Р.

Контролни въпроси:

Какво е кондензатор? Изведете формулата за капацитета на плосък кондензатор.

Изведете формулата за капацитета на сферичен кондензатор.