Punjenje i pražnjenje kondenzatora

1 Punjenje dielektrični kondenzator

Posebno je očigledna zabluda sadašnje interpretacije rada kondenzatora. Temelji se na prisutnosti pozitivnih i negativnih naboja u električnom kolu. Nosioci ovih naboja su poznati: proton i elektron. Međutim, poznato je i da osete međusobno prisustvo hiljadama puta. veća veličina elektrona i milion puta veći od protona. Čak i tako udaljeno susjedstvo završava se procesom formiranja atoma vodika, koji postoje samo u stanju plazme na temperaturama do 5000 C. To se događa, na primjer, u procesima uklanjanja elektrona i protona sa Sunca i njihove naknadne kombinacije u atome vodonika. Dakle, potpuno je isključeno zajedničko prisustvo protona i elektrona u slobodnom stanju u vodičima, pa su pozitivni i negativni potencijali na pločama dielektričnog kondenzatora greška fizičara. Hajde da to popravimo.

Sada ćemo vidjeti da su ploče dielektričnog kondenzatora napunjene ne suprotnim električnim polaritetima, već suprotnim magnetnim polaritetima. U ovom slučaju, plus funkcije pripadaju južnom magnetskom polu elektrona, a minus funkcije sjevernom. Ovi polovi formiraju polaritet, ali ne električni, već magnetni. Pratimo proces punjenja dielektričnog kondenzatora da vidimo kako magnetni polovi elektrona formiraju magnetni polaritet njegovih ploča. Poznato je da se između ploča dielektričnog kondenzatora nalazi dielektrik D (slika 1, a).

Eksperimentalni dijagram za punjenje dielektričnog kondenzatora prikazan je na Sl. 1, a. Najvažniji zahtjev za dijagram je njegova orijentacija od juga (S) prema sjeveru (N). Da bi se osigurala potpuna izolacija kondenzatora od mreže nakon punjenja, preporučljivo je koristiti električni utikač, uključen u utičnicu od 220 V.

Odmah iza diode prikazan je kompas 1 (K), postavljen na žicu koja ide do kondenzatora C. Strelica ovog kompasa, koja odstupa udesno u trenutku uključivanja utikača, pokazuje smjer kretanja elektrona (sl. 1) od tačke S do donje ploče kondenzatora. Ovdje je prikladno obratiti pažnju na općenitost informacija o ponašanju elektrona u žicama prikazanim na Sl. 1.

Rice. 1. Shema našeg eksperimenta punjenja kondenzatora

Iznad kompasa 1 (slika 1) je dijagram pravca magnetsko polje oko žice koju formiraju elektroni koji se kreću u njoj.

Dakle, elektroni prolazeći kroz diodu dolaze do donje ploče kondenzatora sa orijentiranim spin vektorima

Sasvim je prirodno da će elektroni doći na unutrašnju površinu gornje ploče kondenzatora iz mreže, orijentisane južnim magnetnim polovima (S). Dokaz za to je eksperimentalna činjenica odstupanja gornje igle kompasa 2 (K) udesno (slika 1). To znači da su elektroni koji se kreću od mreže do gornje ploče kondenzatora orijentirani svojim južnim magnetnim polovima (S) u smjeru kretanja (slika 2).

Dakle, orijentacija elektrona na pločama dielektričnog kondenzatora je osigurana propusnošću njihovih magnetskih polja kroz dielektrik. Potencijal na pločama kondenzatora je jedan - negativan i dva magnetna polariteta: sjeverni i južni magnetni pol.

Na sl. Slika 2 prikazuje dijagram koji objašnjava orijentaciju elektrona koji se kreću prema pločama kondenzatora C. Elektroni dolaze na donju ploču kondenzatora sa svojim sjevernim magnetnim polovima (N) orijentiranim prema njegovoj unutrašnjoj površini (slika 2). Elektroni orijentisani južnim magnetnim polovima (S) stižu na unutrašnju površinu gornje ploče kondenzatora.

Rice. 2. Dijagram kretanja elektrona do ploča dielektričnog kondenzatora

Dakle, elektroni, jedini nosioci električne energije u žicama, formiraju se na pločama kondenzatora ne suprotnog električnog polariteta, već suprotnog magnetnog polariteta. Na pločama dielektričnog kondenzatora nema protona - nosilaca pozitivnih naboja.

2 Pražnjenje dielektričnog kondenzatora

Proces pražnjenja dielektričnog kondenzatora na otpor je sljedeći eksperimentalni dokaz korespondencije sa stvarnošću identificiranog modela elektrona i zablude preovlađujućih ideja da su suprotne električnih naboja(Sl. 3) .

Dijagram otklona igle kompasa (K) 1, 2, 3 i 4 kada je kondenzator pražnjen do otpora R u trenutku uključivanja prekidača 5 prikazan je na sl. 3.

Kao što vidite (sl. 1 i 3), u trenutku kada je proces pražnjenja kondenzatora uključen, magnetni polaritet na pločama kondenzatora se menja u suprotan i elektroni, okrećući se, počinju da se kreću prema otporu R (sl. 2, 3).

Rice. 3. Dijagram otklona igle kompasa (K) u trenutku pražnjenja kondenzatora

Rice. 4. Dijagram kretanja elektrona od ploča kondenzatora do otpora R pri pražnjenju dielektričnog kondenzatora

Elektroni koji dolaze sa gornje ploče kondenzatora orijentisani su sa južnim magnetnim polovima u pravcu kretanja, a sa donjeg - sa severnim (slika 4). Kompasi 3 i 4, postavljeni na set VA žica orijentiranih od juga prema sjeveru, jasno bilježe ovu činjenicu skretanjem strelica udesno, dokazujući na taj način da su vektori spinova i magnetnih momenata svih elektrona u ovim žicama usmjereni od jug prema sjeveru (sl. 3, 4).

3 Punjenje elektrolitički kondenzator

Prilikom analize procesa punjenja elektrolitskog kondenzatora, mora se uzeti u obzir da elektrolitički kondenzator sadrži ione sa pozitivnim i negativnim nabojem, koji kontrolišu proces stvaranja potencijala na pločama elektrolitskog kondenzatora. Sada ćemo vidjeti da prisustvo elektrolita u kondenzatoru ne dovodi do pojave nosilaca pozitivnog naboja, odnosno protona, u žicama.

Elektron je šuplji torus koji ima dvije rotacije: u odnosu na os simetrije i u odnosu na prstenastu os torusa. Rotacija u odnosu na prstenastu os torusa formira magnetsko polje elektrona, a pravci linija magnetnog polja ovog polja formiraju dva magnetna pola: sjeverni N i južni S.

Rotacija elektrona oko centralne ose je kontrolisana kinetičkim momentom

Na sl. 5, a kao primjer je prikazana orijentacija jona

Obratimo pažnju na glavna karakteristika strukture atoma vodika: vektori magnetnih momenata elektrona

Ako je uloga elektroda prikazanih na sl. 5, a, napravljene su ploče kondenzatora, a zatim kada se on napuni, elektroni koji dolaze iz vanjske mreže su orijentirani sa južnim magnetnim polovima na lijevoj ploči kondenzatora i sjevernim magnetnim polovima na desnoj ploči. To je zbog činjenice da elektroni spajaju svoje suprotne magnetne polove, a približavanje elektrona protonu ograničeno je istoimenim magnetnim polovima.

Rice. 5. a) – dijagram jona; dijagram klastera dva jona

Na sl. 6, a kao primjer je prikazana orijentacija jona

Okrenimo se Posebna pažnja zbog činjenice da gornja ploča kondenzatora (slika 6, a) ima elektrone s obje strane i stoga se čini da se odbijaju. Međutim, mora se imati na umu da kada se formiraju klasteri elektrona, oni su međusobno povezani suprotnim magnetskim polovima, a identični električni naboji ograničavaju njihovo približavanje, stoga je osiguran kontakt jona s gornjom pločom kondenzatora. suprotnim magnetnim polovima elektrona. Donja ploča kondenzatora ima suprotne električne naboje, koji zbližavaju proton atoma vodika i elektron ploče kondenzatora. Ali ovo zbližavanje ograničeno je na njihove istoimene magnetne polove. Ovo objašnjava ove očigledne kontradikcije.

Rice. 6. a) dijagram orijentacije jona u elektrolitičkom kondenzatoru; b ) krug za punjenje kondenzatora

Dakle, ploče elektrolitskog kondenzatora su istovremeno napunjene suprotnim električnim polaritetom i suprotnim magnetnim polaritetom. U ovom slučaju, plus funkcije pripadaju južnom magnetskom polu elektrona, a minus funkcije sjevernom. Ovi polovi formiraju i električni i magnetni polaritet na pločama kondenzatora. Pratimo proces punjenja kondenzatora da vidimo kako magnetni polovi elektrona i protona formiraju magnetni i električni polaritet njegovih ploča.

Eksperimentalni dijagram za punjenje kondenzatora prikazan je na Sl. 5, b. Najvažniji zahtjev za dijagram je njegova orijentacija od juga (S) prema sjeveru (N). Odmah iza diode prikazan je kompas 1 (K), postavljen na žicu koja ide do kondenzatora C. Strelica ovog kompasa, koja odstupa udesno u trenutku uključivanja napona, pokazuje smjer kretanja elektrona (sl. 5, b) od tačke S do donje ploče kondenzatora C. Iznad kompasa prikazan je dijagram smjera magnetskog polja oko žice koju formiraju elektroni koji se u njoj kreću.

Dakle, elektroni prolazeći kroz diodu dolaze do donje ploče kondenzatora sa orijentiranim spin vektorima

Sasvim je prirodno da će elektroni doći na gornju ploču kondenzatora iz mreže sa orijentisanim južnim magnetnim polovima (S). Dokaz za to je eksperimentalna činjenica odstupanja gornje igle kompasa 2 (K) udesno (slika 5, b). To znači da su elektroni koji se kreću duž žice do gornje ploče kondenzatora orijentirani svojim južnim magnetnim polovima (S) u smjeru kretanja.

Na sl. Slika 4 prikazuje dijagram koji objašnjava orijentaciju elektrona koji se kreću prema pločama kondenzatora C kada se puni. Elektroni stižu na donju ploču kondenzatora sa svojim sjevernim magnetnim polovima (N) orijentiranim prema njegovoj unutrašnjoj površini. Elektroni stižu na unutrašnju površinu gornje ploče kondenzatora sa orijentisanim južnim magnetnim polovima (S).

Obratimo pažnju na činjenicu da su pravci orijentacije elektrona kada se kreću prema pločama dielektričnog kondenzatora (slika 4) slični orijentaciji elektrona kada se kreću prema pločama elektrolitičkog kondenzatora (slika 6). , b).

Dakle, elektroni, jedini nosioci električne energije u žicama, formiraju na pločama elektrolitskog kondenzatora istovremeno i suprotni električni polaritet (+ i -) i suprotan magnetni polaritet (S i N).

4 Pražnjenje elektrolitskog kondenzatora

Proces pražnjenja kondenzatora u otpor je sljedeći eksperimentalni dokaz ispravnosti nove interpretacije o smjeru kretanja elektrona (slika 3) u žicama i pogrešnosti preovlađujućih ideja da se na žici formiraju samo suprotni električni naboji. kondenzatorske ploče.

Šeme za otklon igle kompasa (K) 1, 2, 3 i 4 pri pražnjenju kondenzatora do otpora R u trenutku uključivanja prekidača 5 prikazane su na sl. 3.

Kao što se može vidjeti (slika 2), u trenutku kada je uključen proces pražnjenja kondenzatora, magnetni i električni polaritet na ploči kondenzatora se mijenjaju u suprotnosti i elektroni, okrećući se, počinju da se kreću prema otporu R (sl. 2).

Elektroni koji dolaze s gornje ploče kondenzatora orijentirani su s južnim magnetnim polovima u smjeru kretanja, a s donje - sa sjevernim. Kompasi 3 i 4, postavljeni na niz žica VA (slika 3), orijentiranih od juga prema sjeveru, jasno će zabilježiti činjenicu skretanjem strelica udesno, čime će dokazati da su vektori spinova i magnetnih momenata svih elektroni u ovim žicama su usmjereni od juga prema sjeveru.

Kao što vidite, obrazac kretanja elektrona tokom pražnjenja dielektričnog kondenzatora sličan je obrascu kretanja elektrona tokom pražnjenja elektrolitskog kondenzatora (slika 3).

Sada zamislimo trenutke otvaranja ili zatvaranja električnog kola, u kojima, kao što je poznato, napon naglo raste. Razlog za ovu pojavu je taj što u trenutku otvaranja električnog kola postoji faza kada dio ovog kola formiraju joni zraka. Ukupan broj elektrona u ovim ionima je znatno veći od broja slobodnih elektrona u žici. Kao rezultat toga, oni se povećavaju električni potencijal za onaj vremenski period kada električni krug formiraju joni vazduha. Ovo je jasno vidljivo na sl. 5, a, gdje je prikazan jon

Laboratorijski rad br. 6

PROUČAVANJE PROCESA PUNJENJA I PRŽNJENJA KONDENZATORA

CILJ RADA

Proučavanje procesa punjenja i pražnjenja kondenzatora u R.C.- kola, upoznavanje sa radom uređaja koji se koriste u pulsnoj elektronskoj tehnici.

TEORIJSKE OSNOVE RADA

Razmotrimo dijagram prikazan na Sl. 1. Kolo uključuje izvor jednosmerna struja, aktivni otpor i kondenzator, u kojem ćemo razmatrati procese naelektrisanja i pražnjenja. Analiziraćemo ove procese zasebno.

Pražnjenje kondenzatora.

Neka se prvo strujni izvor e spoji na kondenzator C kroz otpor R. Zatim će se kondenzator napuniti kao što je prikazano na sl. 1. Pomerimo ključ K iz pozicije 1 u poziciju 2. Kao rezultat toga, kondenzator je napunjen na napon e, počet će se prazniti kroz otpor R. S obzirom na pozitivnu struju kada je usmjerena s pozitivno nabijene ploče kondenzatora na negativno nabijenu, možemo napisati

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

Gdje i– trenutna vrijednost struje u kolu čiji znak minus označava pojavu struje u kolu i povezano sa smanjenjem naplate q na kondenzatoru;

q I WITH– trenutne vrijednosti naboja i napona na kondenzatoru.

Očigledno, prva dva izraza predstavljaju definicije struje i električnog kapaciteta, respektivno, a posljednji je Ohmov zakon za dio kola.

Iz zadnja dva odnosa izražavamo trenutnu snagu i na sljedeći način:

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

18. Zašto u ovoj instalaciji na dijagramu strujnog kruga nema izvora istosmjerne struje?

19. Da li je u ovoj instalaciji moguće koristiti generator sinusnog napona ili pilasti generator napona?

20. Koju frekvenciju i trajanje impulsa treba da proizvede generator?

21. Zašto je potreban aktivni otpor u ovom kolu? R? Kolika bi trebala biti njegova veličina?

22. Koje vrste kondenzatora i otpornika se mogu koristiti u ovoj instalaciji?

23. Koje vrijednosti mogu imati kapacitivnost i otpor u ovom kolu?

24. Zašto je potrebna sinhronizacija signala osciloskopa?

25. Kako postižete optimalan izgled signala na ekranu osciloskopa? Koja se prilagođavanja primjenjuju?

26. Koja je razlika između krugova punjenja i pražnjenja kondenzatora?

27. Koja mjerenja treba izvršiti da bi se odredio kapacitet kondenzatora u R.C.-lanci?

28. Kako procijeniti greške mjerenja tokom rada instalacije?

29. Kako poboljšati tačnost određivanja vremena opuštanja R.C.-lanci?

30. Navedite načine za poboljšanje tačnosti određivanja kapacitivnosti kondenzatora.

Svrha rada je proučavanje procesa pražnjenja kondenzatora u aktivni otpor, određivanje vremena relaksacije i procjena kapacitivnosti kondenzatora.

Uređaji i pribor: laboratorijska postavka, napajanje, mikroampermetar, test kondenzator, štoperica.

Električni kondenzator ili jednostavno kondenzator je uređaj sposoban da akumulira i oslobađa (preraspoređuje) električne naboje. Kondenzator se sastoji od dva ili više provodnika (ploča) odvojenih dielektričnim slojem. U pravilu, udaljenost između ploča, jednaka debljini dielektrika, je mala u odnosu na linearne dimenzije ploča, stoga električno polje, koji se javlja prilikom spajanja ploča na izvor sa naponom U, je gotovo potpuno koncentriran između ploča. Ovisno o obliku ploča, kondenzatori su ravni, cilindrični ili sferni.

Glavna karakteristika kondenzatora je njegov kapacitet C, što je numerički jednako naboju Q jedna od ploča na naponu jednakom jedinici:

Neka kondenzator ima kapacitet C uključen u električni krug (slika 1),

Fig.1

koji sadrži izvor konstantnog napona U 0, ključ K i otpornik (aktivni otpor) R. Kada je ključ zatvoren K kondenzator će se napuniti do napona U 0. Ako onda ključ K otvoren, kondenzator će se početi prazniti kroz otpornik R a u lancu će biti struja I. Ova struja se vremenom mijenja. S obzirom da su procesi koji se odvijaju u kolu kvazistacionarni, na ovo kolo primjenjujemo zakone jednosmjerne struje.

Nađimo ovisnost struje pražnjenja I od vremena t. Da bismo to učinili, koristit ćemo Kirchhoffovo drugo pravilo primijenjeno na krug R-C(Sl. 2). Tada dobijamo:

, (1)

Gdje I– električna struja u kolu, Q– punjenje kondenzatora C. Zamjena u jednačinu (1) vrijednosti struje pražnjenja I = - dQ / dt, dobijamo diferencijalna jednadžba prvi red sa odvojivim varijablama:

. (2)

Nakon integracije jednačine (2) nalazimo

Q(t) = Q 0 e -t/τ , (3)

Gdje Q 0– početna vrijednost punjenje kondenzatora, τ = R.C.– konstanta koja ima dimenziju vremena. To se zove vrijeme opuštanja. Kroz vrijeme τ , naelektrisanje kondenzatora se smanjuje za e puta.

Diferenciranom jednačinom (3) nalazimo zakon promjene struje pražnjenja ja(t):

I(t) = e -t/τ .

I(t) = I 0 e -t/τ, (4)

Gdje I 0 = - početna trenutna vrijednost, tj. struja na t = 0.

Na slici 3 prikazane su dvije zavisnosti struje pražnjenja I od vremena t, što odgovara dva različita značenja aktivni otpor R 1 i R 2 (τ 1 < τ 2).

Opis laboratorijske postavke

U ovom laboratorijskom radu predlaže se proučavanje procesa pražnjenja kondenzatora pomoću eksperimentalne postavke, čiji je dijagram prikazan na slici 4.

Sastoji se od izvora konstantnog napona U 0, kontejneri C, otpornici R 1 , R 2 ,R 3 i mikroampermetri. Od otpornika R 1 , R 2 ,R 3 su spojeni u seriju, aktivni otpor kruga može se promijeniti pomoću kratkospojnika P, kratkog spoja otpornika zauzvrat R 1 , R 2 ili oboje zajedno.

Redoslijed mjerenja. Obrada rezultata mjerenja

Sastavite električni krug prema dijagramu na slici 4 i, prema uputama nastavnika, odaberite potrebnu vrijednost otpora kola R.

Zaključajte ključ K i napunite kondenzator C do napetosti U 0. Kada je kondenzator potpuno napunjen, mikroampermetar će pokazati maksimalnu vrijednost struje I 0.

Otključajte ključ K i istovremeno pokrenite štopericu. Izmjerite vrijeme t 0, tokom kojeg će se očitanja mikroampermetra smanjiti za 10 puta. Definirajte vremenski interval Δ t ≈ t 0 / 10.

Ponovo zaključajte ključ K i napunite kondenzator.

Otključajte ključ K i snimati očitanja mikroampermetra u vremenskim intervalima Δt, 2Δt, 3Δt, itd. do vremena 10Δt. Takva mjerenja izvršite tri puta, a rezultate zapišite u tabelu 1.

Izračunati (prosječna trenutna vrijednost) i omjer.

Tabela 1

Ponovite eksperimente tri puta za različite vrijednosti. R.

Kontrolna pitanja:

Šta je kondenzator? Izvedite formulu za kapacitivnost ravnog kondenzatora.

Izvedite formulu za kapacitivnost sfernog kondenzatora.