Kolika je struja u kondenzatoru. Zašto naizmjenična struja prolazi kroz kondenzator, a jednosmjerna ne?

Kondenzator u AC kolu

Kondenzator u AC kolu ponaša se drugačije od otpornika. Dok se otpornici jednostavno odupiru protoku elektrona (napon preko njih je direktno proporcionalan struji), kondenzatori se odupiru promjeni napona („kočenje“ ili dodavanje struje tokom punjenja ili pražnjenja na novi nivo napona). Struja koja prolazi kroz kondenzator direktno je proporcionalna brzini promjene napona. Ova otpornost na promjenu napona je drugi oblik reaktansa, koji je po svom djelovanju suprotan reaktansi induktora.

Matematički odnos između struje koja prolazi kroz kondenzator i brzine promjene napona na njemu je sljedeći:

Du/dt odnos je brzina promjene trenutnog napona (u) tokom vremena, a mjeri se u voltima u sekundi. Kapacitet (C) se mjeri u Faradima, a trenutna struja (i) se mjeri u amperima. Da bismo pokazali što se događa s naizmjeničnom strujom, analizirajmo jednostavno kapacitivno kolo:

Jednostavan kapacitivni krug: napon kondenzatora zaostaje za strujom za 90 o.

Ako nacrtamo struju i napon za ovo jednostavno kolo, to će izgledati otprilike ovako:

Kao što se sjećate, struja koja prolazi kroz kondenzator je reakcija na promjenu napona na ovom kondenzatoru. Iz ovoga možemo zaključiti da je trenutna struja jednaka nuli kad god je trenutna vrijednost napona na svom vrhuncu (nulta promjena ili nulti nagib sinusnog vala napona), a trenutna struja je jednaka njenoj vršnoj vrijednosti kad god je trenutni napon je u tačkama maksimalne promene (tačke najstrmijeg nagiba naponskog talasa u kojima on prelazi nultu liniju). Sve ovo dovodi do činjenice da je naponski val -90 o van faze sa strujnim talasom. Grafikon pokazuje kako strujni val daje „početak“ naponskom valu: struja „predvodi“ napon, a napon „zaostaje“ za strujom.

Kao što ste možda pretpostavili, isti neobični val snage koji smo vidjeli u jednostavnom induktivnom kolu također je prisutan u jednostavnom kapacitivnom kolu:

Kao i kod jednostavnog induktivnog kola, fazni pomak od 90 stepeni između napona i struje rezultira u talasu snage koji se ravnomerno naizmjenično mijenja između pozitivnog i negativne vrijednosti. To znači da kondenzator ne rasipa snagu (kako reaguje na promjene napona), već je jednostavno apsorbira i oslobađa (naizmjenično).

Otpor kondenzatora pri promjeni napona tumači se kao otpor naizmjeničnom naponu u cjelini, koji se po definiciji stalno mijenja u trenutnoj veličini i smjeru. Za bilo koju datu vrijednost AC napon na datoj frekvenciji, kondenzator date veličine će "provoditi" određenu količinu naizmjenične struje. Baš kao što je struja kroz otpornik funkcija napona na tom otporniku i njegovog otpora, naizmjenična struja preko kondenzatora je funkcija izmjeničnog napona na tom kondenzatoru i njegove reaktanse. Kao i kod induktora, reaktancija kondenzatora se mjeri u omima, a simbolizira je slovo X (ili X C da budemo precizniji).

Budući da je struja koja prolazi kroz kondenzator proporcionalna brzini promjene napona, ona će biti veća za napone koji se brzo mijenjaju, a manja za napone sa sporijom promjenom. To znači da je reaktancija bilo kojeg kondenzatora (u Ohmima) obrnuto proporcionalna frekvenciji naizmjenične struje. Tačna formula za izračunavanje reaktancije kondenzatora je sljedeća:

Ako je kondenzator kapaciteta 100 μF izložen frekvencijama od 60, 120 i 2500 Hz, tada će njegova reaktancija poprimiti sljedeće vrijednosti:

Imajte na umu da je omjer kapacitivne reaktancije prema frekvencijama upravo suprotan omjeru induktivne reaktancije prema istim frekvencijama. Kapacitivna reaktancija opada sa povećanjem frekvencije naizmenične struje, dok se induktivna reaktanca, naprotiv, povećava sa povećanjem frekvencije naizmenične struje. Ako se induktori protive brzoj promjeni struje, proizvodeći više napona, onda se kondenzatori protive brzoj promjeni napona, proizvodeći više struje.

Po analogiji sa induktorima, izraz 2πf u jednadžbi reaktancije kondenzatora može se zamijeniti malim slovima grčko pismoω (Omega), koja se inače naziva kutnom (cikličkom) frekvencijom naizmjenične struje. Dakle, jednačina X C = 1/(2πfC) može se napisati kao X C = 1/(ωC), gdje je ω izražen u radijanima po sekundi.

Izmjenična struja u jednostavnom kapacitivnom kolu jednak naponu(u voltima) podijeljeno sa reaktancijom kondenzatora (u omima). Ovo je analogno činjenici da je izmjenična ili jednosmjerna struja u jednostavnom otpornom kolu jednaka naponu (u voltima) podijeljenom sa otporom (u omima). Kao primjer, razmotrimo sljedeći dijagram:

Međutim, moramo imati na umu da napon i struja imaju različite faze. Kao što je ranije spomenuto, struja ima fazni pomak od +90 o u odnosu na napon. Ako matematički predstavimo fazne uglove napona i struje (u obliku kompleksnih brojeva), vidjet ćemo da reaktancija kondenzatora na izmjeničnu struju ima sljedeći fazni ugao:

Matematički možemo reći da je fazni ugao otpora kondenzatora naizmeničnom strujom -90o. Fazni ugao strujne reaktancije je veoma važan u analizi kola. Ova važnost je posebno evidentna kada se analizira složena kola naizmjenične struje, gdje reaktivni i jednostavni otpori međusobno djeluju. Takođe će se pokazati korisnim za predstavljanje otpora bilo koje komponente električnoj struji u smislu kompleksnih brojeva (a ne skalarnih veličina otpora i reaktancije).

Dosta je napisano o kondenzatorima, vrijedi li dodati još par hiljada riječi na milione koji već postoje? Ja ću to dodati! Vjerujem da će moja prezentacija biti korisna. Na kraju krajeva, to će biti urađeno uzimajući u obzir.

Šta je električni kondenzator

Govoreći na ruskom, kondenzator se može nazvati "uređajem za skladištenje". Ovako je još jasnije. Štaviše, upravo je ovo ime prevedeno na naš jezik. Staklo se takođe može nazvati kondenzatorom. Samo ono akumulira tečnost u sebi. Ili torbu. Da, torba. Ispostavilo se da je to i uređaj za pohranu podataka. U njemu se akumulira sve što unesemo. Kakve veze ima električni kondenzator s tim? To je isto kao čaša ili vreća, ali se samo nakuplja električni naboj.

Zamislite sliku: električna struja prolazi kroz kolo, na njegovoj putanji se susreću otpornici i provodnici i, bam, pojavljuje se kondenzator (staklo). Šta će se desiti? Kao što znate, struja je tok elektrona, a svaki elektron ima električni naboj. Dakle, kada neko kaže da struja prolazi kroz kolo, zamislite milione elektrona koji teku kroz kolo. Upravo ti isti elektroni, kada im se na putu pojavi kondenzator, akumuliraju se. Što više elektrona stavimo u kondenzator, to će biti veći njegov naboj.

Postavlja se pitanje: koliko se elektrona može akumulirati na ovaj način, koliko će stati u kondenzator i kada će mu se to „dobiti“? Saznajmo. Vrlo često, za pojednostavljeno objašnjenje jednostavnog električni procesi koristite poređenje sa vodom i cijevima. Koristimo i ovaj pristup.

Zamislite cijev kroz koju teče voda. Na jednom kraju cijevi nalazi se pumpa koja silom pumpa vodu u ovu cijev. Zatim mentalno postavite gumenu membranu preko cijevi. Šta će se desiti? Membrana će se početi rastezati i naprezati pod utjecajem pritiska vode u cijevi (pritisak koji stvara pumpa). Protezat će se, rastezati, rastezati, i na kraju će elastična sila membrane ili uravnotežiti silu pumpe i protok vode će se zaustaviti, ili će se membrana slomiti (ako ovo nije jasno, zamislite balon koji će pukne ako se previše pumpa)! Ista stvar se dešava u električni kondenzatori. Jedino se tamo umjesto membrane koristi električno polje, koji se povećava kako se kondenzator puni i postepeno uravnotežuje napon izvora napajanja.

Dakle, kondenzator ima određeni granični naboj koji može akumulirati i nakon prekoračenja kojeg će doći do dielektrični slom u kondenzatoru slomit će se i prestati biti kondenzator. Vjerovatno je vrijeme da vam kažem kako kondenzator radi.

Kako radi električni kondenzator?

U školi su vam rekli da je kondenzator stvar koja se sastoji od dvije ploče i praznine između njih. Ove ploče su se zvale kondenzatorske ploče i na njih su bile spojene žice za dovod napona na kondenzator. Dakle, moderni kondenzatori se ne razlikuju mnogo. Svi također imaju ploče i između ploča je dielektrik. Zahvaljujući prisutnosti dielektrika, poboljšane su karakteristike kondenzatora. Na primjer, njegov kapacitet.

Moderni kondenzatori koriste različite vrste dielektrika (više o tome u nastavku), koji se stavljaju između ploča kondenzatora na najsofisticiranije načine kako bi se postigle određene karakteristike.

Princip rada

Opći princip rada je prilično jednostavan: napon se primjenjuje i naboj se akumulira. Fizički procesi koji se sada dešavaju ne bi trebali da vas mnogo zanimaju, ali ako želite, o tome možete pročitati u bilo kojoj knjizi o fizici u odeljku o elektrostatici.

Kondenzator u DC kolu

Ako stavimo naš kondenzator električni krug(Slika ispod), spojite ampermetar u seriju s njim i dovedite jednosmjernu struju u kolo, tada će se igla ampermetra nakratko trznuti, a zatim će se zamrznuti i pokazati 0A - nema struje u kolu. Šta se desilo?

Pretpostavit ćemo da je prije nego što je struja dovedena u kolo, kondenzator bio prazan (ispražnjen), a kada je struja dovedena, počeo se puniti vrlo brzo, a kada je bio napunjen (električno polje između ploča kondenzatora uravnotežilo je izvor energije ), tada je struja stala (ovdje je grafikon napunjenosti kondenzatora).

Zbog toga kažu da kondenzator ne propušta jednosmjernu struju. U stvari, prođe, ali za vrlo kratko vrijeme, što se može izračunati pomoću formule t = 3*R*C (Vrijeme punjenja kondenzatora do 95% nominalne zapremine. R je otpor kola, C je kapacitivnost kondenzatora) Ovako se kondenzator ponaša u jednosmernoj struji kola Ponaša se potpuno drugačije u promjenljivom kolu!

Kondenzator u AC kolu

Šta je naizmjenična struja? To je kada elektroni prvo „trče“ tamo, pa nazad. One. smjer njihovog kretanja se stalno mijenja. Zatim, ako naizmjenična struja prolazi kroz krug s kondenzatorom, tada će se na svakoj od njegovih ploča akumulirati naboj "+" ili "-". One. AC struja će zapravo teći. To znači da naizmjenična struja teče "neometano" kroz kondenzator.

Cijeli ovaj proces se može modelirati metodom hidrauličnih analogija. Slika ispod prikazuje analogni AC krug. Klip gura tečnost napred i nazad. To uzrokuje rotaciju radnog kola naprijed-nazad. Ispada da je to naizmjenični tok tekućine (čitamo naizmjeničnu struju).

Postavimo sad kondenzatorski medel u obliku membrane između izvora sile (klipa) i radnog kola i analizirajmo šta će se promeniti.

Izgleda da se ništa neće promijeniti. Kao što je tečnost vršila oscilatorne pokrete, tako i dalje čini, kao što je zbog toga oscilovao impeler, tako će i dalje oscilirati. To znači da naša membrana nije prepreka promjenjivom protoku. Isto će važiti i za elektronski kondenzator.

Činjenica je da iako elektroni koji se kreću u lancu ne prelaze dielektrik (membranu) između ploča kondenzatora, izvan kondenzatora njihovo kretanje je oscilatorno (naprijed-nazad), tj. teče naizmjenična struja. Eh!

Dakle, kondenzator prolazi naizmjeničnu struju i blokira jednosmjernu struju. Ovo je vrlo zgodno kada trebate ukloniti DC komponentu u signalu, na primjer, na izlazu/ulazu audio pojačala ili kada želite gledati samo promjenjivi dio signala (mreškanje na izlazu DC izvor napona).

Reaktancija kondenzatora

Kondenzator ima otpor! U principu, to bi se moglo pretpostaviti iz činjenice da jednosmjerna struja ne prolazi kroz njega, kao da je otpornik s vrlo velikim otporom.

Izmjenična struja je druga stvar - ona prolazi, ali doživljava otpor kondenzatora:

f - frekvencija, C - kapacitivnost kondenzatora. Ako pažljivo pogledate formulu, vidjet ćete da ako je struja konstantna, onda je f = 0, a zatim (neka mi militantni matematičari oproste!) X c = beskonačnost. I nema jednosmjerne struje kroz kondenzator.

Ali otpor naizmjenične struje mijenjat će se ovisno o njegovoj frekvenciji i kapacitetu kondenzatora. Što je veća frekvencija struje i kapacitivnost kondenzatora, to se manje opire ovoj struji i obrnuto. Što se napon brže mijenja
napetost, tj aktuelniji kroz kondenzator, ovo objašnjava smanjenje Xc sa povećanjem frekvencije.

Usput, još jedna karakteristika kondenzatora je da ne oslobađa snagu i ne zagrijava se! Stoga se ponekad koristi za prigušivanje napona tamo gdje bi se otpornik dimio. Na primjer, za smanjenje mrežnog napona sa 220V na 127V. I dalje:

Struja u kondenzatoru je proporcionalna brzini napona primijenjenog na njegove terminale

Gdje se koriste kondenzatori?

Da, gdje god su potrebna njihova svojstva (ne propuštaju jednosmjernu struju, sposobnost akumulacije električna energija i mijenjaju im otpor ovisno o frekvenciji), u filterima, u oscilatornim krugovima, u množiteljima napona itd.

Koje vrste kondenzatora postoje?

Industrija proizvodi mnoge različite vrste kondenzatori. Svaki od njih ima određene prednosti i nedostatke. Neki imaju nisku struju curenja, drugi imaju veliki kapacitet, a treći imaju nešto drugo. Ovisno o ovim pokazateljima, odabiru se kondenzatori.

Radio amateri, pogotovo početnici poput nas, ne zamaraju se previše i klade se na ono što mogu pronaći. Ipak, trebali biste znati koje glavne vrste kondenzatora postoje u prirodi.

Na slici je prikazano vrlo konvencionalno razdvajanje kondenzatora. Sastavio sam po svom ukusu i sviđa mi se jer se odmah vidi da li ih ima varijabilni kondenzatorišta ima trajni kondenzatori i koji se dielektrici koriste u običnim kondenzatorima. Općenito, sve što je potrebno radio-amateru.

Imaju nisku struju curenja, male dimenzije, nisku induktivnost i sposobni su za rad na visokim frekvencijama i u krugovima istosmjerne, pulsirajuće i naizmjenične struje.

Proizvode se u širokom rasponu radnih napona i kapaciteta: od 2 do 20.000 pF i, ovisno o dizajnu, mogu izdržati napone do 30 kV. Ali najčešće ćete se sresti keramički kondenzatori sa radnim naponom do 50V.

Iskreno, ne znam da li se sada oslobađaju. Ali prije se liskun koristio kao dielektrik u takvim kondenzatorima. A sam kondenzator se sastojao od paketa liskunastih ploča, na svaku od kojih su ploče nanesene s obje strane, a zatim su takve ploče skupljene u "paket" i spakovane u kutiju.

Obično su imali kapacitet od nekoliko hiljada do desetina hiljada pikoforada i radili su u rasponu napona od 200 V do 1500 V.

Papirni kondenzatori

Takvi kondenzatori imaju kondenzatorski papir kao dielektrik, a aluminijske trake kao ploče. Duge trake aluminijska folija sa trakom papira u sendviču između njih, smotaju se u rolnu i pakuju u kutiju. To je trik.

Takvi kondenzatori dolaze u kapacitetima u rasponu od hiljada pikoforada do 30 mikroforada, i mogu izdržati napone od 160 do 1500 V.

Priča se da ih sada cijene audiofili. Nisam iznenađen - imaju i jednostrane provodničke žice...

U principu, obični kondenzatori sa poliesterom kao dielektrikom. Raspon kapacitivnosti je od 1 nF do 15 mF pri radnom naponu od 50 V do 1500 V.

Kondenzatori ovog tipa imaju dvije neosporne prednosti. Prvo, mogu se napraviti sa vrlo malom tolerancijom od samo 1%. Dakle, ako piše 100 pF, onda je njegov kapacitet 100 pF +/- 1%. A drugi je da njihov radni napon može doseći i do 3 kV (i kapacitet od 100 pF do 10 mF)

Elektrolitički kondenzatori

Ovi kondenzatori se razlikuju od svih ostalih po tome što se mogu spojiti samo na jednosmjerni ili pulsirajući strujni krug. Oni su polarni. Imaju plus i minus. To je zbog njihovog dizajna. A ako se takav kondenzator uključi u obrnutom smjeru, najvjerovatnije će nabubriti. A prije su također eksplodirali veselo, ali nesigurno. Oni su elektrolitski kondenzatori aluminijum i tantal.

Aluminijski elektrolitski kondenzatori su dizajnirani gotovo kao i papirni kondenzatori, s jedinom razlikom što su ploče takvog kondenzatora papir i aluminijske trake. Papir je impregniran elektrolitom, a aluminijumska traka je premazana tanki sloj oksid, koji djeluje kao dielektrik. Ako primijenite izmjeničnu struju na takav kondenzator ili ga vratite na izlazne polaritete, elektrolit će proključati i kondenzator će otkazati.

Elektrolitički kondenzatori imaju prilično veliki kapacitet, zbog čega se, na primjer, često koriste u krugovima ispravljača.

To je vjerovatno sve. Iza kulisa su ostali kondenzatori sa dielektrikom od polikarbonata, polistirena i vjerovatno mnogih drugih vrsta. Ali mislim da će ovo biti suvišno.

Nastavlja se...

U drugom dijelu planiram pokazati primjere tipične upotrebe kondenzatora.

Šta je naizmjenična struja

Ako uzmemo u obzir jednosmjernu struju, onda ona možda nije uvijek savršeno konstantna: napon na izlazu izvora može ovisiti o opterećenju ili o stepenu pražnjenja baterije ili galvanska baterija. Čak i uz konstantan stabilizirani napon, struja u vanjskom kolu ovisi o opterećenju, što potvrđuje Ohmov zakon. Ispada da to također nije istosmjerna struja, ali se ni takva struja ne može nazvati naizmjeničnom, jer ne mijenja smjer.

Varijabla se obično naziva napon ili struja, čiji se smjer i veličina mijenjaju ne pod utjecajem vanjski faktori, na primjer, opterećenje, ali sasvim "nezavisno": ovako ga proizvodi generator. Osim toga, ove promjene moraju biti periodične, tj. ponavljanje nakon određenog vremenskog perioda, koji se naziva period.

Ako se napon ili struja mijenjaju nasumično, bez obzira na periodičnost ili druge obrasce, takav signal se naziva šum. Klasičan primjer- "snijeg" na TV ekranu sa slabim signalom emitovanja. Primjeri nekih periodičnih električnih signala prikazani su na slici 1.

Za jednosmjernu struju postoje samo dvije karakteristike: polaritet i napon izvora. U slučaju naizmenične struje ove dve veličine očigledno nisu dovoljne, pa se pojavljuje još nekoliko parametara: amplituda, frekvencija, period, faza, trenutna i efektivna vrednost.

Slika 1.

U tehnici se najčešće ima posla sa sinusoidnim oscilacijama, a ne samo u elektrotehnici. Zamislite točak automobila. At ravnomerno kretanje Na dobrom ravnom putu središte točka opisuje pravu liniju paralelnu sa površinom puta. Istovremeno, bilo koja tačka na periferiji točka kreće se po sinusoidi u odnosu na upravo pomenutu pravu liniju.

Ovo se može potvrditi na slici 2, koja pokazuje grafička metoda konstrukcija sinusoida: svako ko je dobro proučavao crtanje ima sjajnu ideju o tome kako se takve konstrukcije izvode.

Slika 2.

Od školski kurs fizičari znaju da je sinusni val najčešći i pogodan za proučavanje periodične krive. Potpuno iste sinusne oscilacije dobijaju se kod generatora naizmenične struje, što je posledica njihove mehaničke strukture.

Slika 3 prikazuje grafik sinusoidalne struje.

Slika 3.

Lako je primijetiti da veličina struje varira s vremenom, pa je ordinatna osa na slici označena kao i(t), - funkcija struje u odnosu na vrijeme. Puni period Struja je označena punom linijom i ima period T. Ako počnemo razmatrati od početka koordinata, možemo vidjeti da se najprije struja povećava, dostiže Imax, prolazi kroz nulu, smanjuje se na -Imax, nakon čega raste i dostiže nulu. Zatim počinje sljedeći period, koji je prikazan isprekidanom linijom.

U obliku matematičke formule, ponašanje struje je zapisano na sljedeći način: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).

Ovdje je i(t) trenutna vrijednost struje, ovisno o vremenu, Imax je vrijednost amplitude (maksimalno odstupanje od ravnotežnog stanja), ω je ugaona frekvencija (2*π*f), φ je fazni ugao.

Kružna frekvencija ω se mjeri u radijanima po sekundi, fazni ugao φ se mjeri u radijanima ili stupnjevima. Ovo posljednje ima smisla samo u slučaju kada postoje dvije sinusne struje. Na primjer, u strujnim kolima sa naponom strujnih vodova za 90˚ ili tačno za četvrtinu perioda, kao što je prikazano na slici 4. Ako sinusoidna struja jedan, onda ga možete pomicati duž ordinatne ose kako želite i ništa se neće promijeniti.

Slika 4. U krugovima s kondenzatorom struja prednjači napon za četvrtinu perioda

Fizičko značenje kružne frekvencije ω je pod kojim uglom u radijanima sinusoida "putuje" u jednoj sekundi.

Period - T je vrijeme tokom kojeg sinusoida završi jednu potpunu oscilaciju. Isto vrijedi i za vibracije drugih oblika, na primjer, pravokutnih ili trokutastih. Period se mjeri u sekundama ili manjim jedinicama: milisekundama, mikrosekundama ili nanosekundama.

Drugi parametar bilo kojeg periodičnog signala, uključujući sinusoide, je frekvencija, koliko oscilacija signal napravi u 1 sekundi. Jedinica frekvencije je herc (Hz), nazvana po naučniku iz 19. vijeka Heinrichu Hercu. Dakle, frekvencija od 1Hz nije ništa više od jedne vibracije/sekundi. Na primjer, frekvencija svjetlosne mreže je 50Hz, odnosno prođe tačno 50 sinusoidnih perioda u sekundi.

Ako je period struje poznat (možete), formula će vam pomoći da saznate frekvenciju signala: f=1/T. Štaviše, ako je vrijeme izraženo u sekundama, tada će rezultat biti u hercima. I obrnuto, T=1/f, frekvencija u Hz, vrijeme u sekundama. Na primjer, ako je period 1/50=0,02 s, ili 20 milisekundi. U struji se češće koriste više frekvencije: KHz - kiloherci, MHz - megaherci (hiljade i milioni vibracija u sekundi) itd.

Sve što je rečeno za struju važi i za naizmenični napon: na slici 6 dovoljno je jednostavno promeniti slovo I u U. Formula će izgledati ovako: u(t)=Umax*sin(ω*t± φ).

Ova objašnjenja su sasvim dovoljna za povratak eksperimenti sa kondenzatorima i objasniti njihovo fizičko značenje.

Kondenzator provodi naizmjeničnu struju, kao što je prikazano na dijagramu na slici 3 (vidi članak -). Svjetlina lampe se povećava kada se priključi dodatni kondenzator. Kada su kondenzatori povezani paralelno, njihovi kapaciteti se jednostavno zbrajaju, tako da možemo pretpostaviti da kapacitivnost Xc ovisi o kapacitivnosti. Osim toga, zavisi i od frekvencije struje, pa stoga formula izgleda ovako: Xc=1/2*π*f*C.

Iz formule proizlazi da s povećanjem kapacitivnosti kondenzatora i frekvencije naizmjeničnog napona, reaktanca Xc opada. Ove zavisnosti su prikazane na slici 5.

Slika 5. Zavisnost reaktancije kondenzatora od kapacitivnosti

Ako u formulu zamijenite frekvenciju u Hertzima i kapacitet u Faradima, rezultat će biti u Ohmima.

Hoće li se kondenzator zagrijati?

Sada se prisjetimo eksperimenta s kondenzatorom i električnim mjeračem, zašto se ne okreće? Činjenica je da mjerač broji aktivnu energiju kada je potrošač čisto aktivno opterećenje, na primjer, žarulje sa žarnom niti, kuhalo za vodu ili električni štednjak. Za takve potrošače napon i struja su u fazi i imaju isti predznak: ako pomnožite dva negativni brojevi(napon i struja u negativnom poluperiodu), rezultat je prema zakonima matematike i dalje pozitivan. Stoga je snaga takvih potrošača uvijek pozitivna, tj. ulazi u opterećenje i oslobađa se u obliku topline, kao što je prikazano na slici 6 isprekidanom linijom.

Slika 6.

U slučaju kada je kondenzator priključen na kolo naizmjenične struje, struja i napon nisu u fazi: struja je 90˚ ispred napona u fazi, što dovodi do toga da se kombinacija struje i napona dobije imati različiti znakovi.

Slika 7.

U tim trenucima snaga se ispostavlja negativnom. Drugim riječima, kada je snaga pozitivna, kondenzator se puni, a kada je negativna, pohranjena energija se vraća nazad u izvor. Dakle, u prosjeku se ispostavi da su nule i jednostavno se ovdje nema šta računati.

Kondenzator, naravno da radi ispravno, neće se uopće zagrijati. Stoga, često kondenzator se zove otpor bez vata, što mu omogućava da se koristi u napajanjima male snage bez transformatora. Iako se ne preporučuje korištenje takvih blokova zbog njihove opasnosti, ponekad je to ipak neophodno.

Prije ugradnje u takav blok kondenzator za gašenje, treba ga provjeriti jednostavnim uključivanjem u mrežu: ako se kondenzator nije zagrijao pola sata, onda se može sigurno uključiti u krug. U suprotnom ćete ga jednostavno morati baciti bez žaljenja.

Šta pokazuje voltmetar?

U proizvodnji i popravci raznih uređaja, iako ne baš često, potrebno je mjeriti naizmjenične napone, pa čak i struje. Ako se sinusni val ponaša tako nemirno, onda gore-dolje, šta će pokazati običan voltmetar?

Prosječna vrijednost periodičnog signala, u ovom slučaju sinusoida, izračunava se kao površina ograničena x-osom i grafičkim prikazom signala, podijeljena sa 2*π radijana ili periodom sinusoide. Od vrha i Donji dio su apsolutno identične, ali imaju različite predznake, prosječna vrijednost sinusoida je nula, i nema potrebe da je uopće mjerite, čak je jednostavno besmisleno.

Zbog toga mjerni uređaj pokazuje efektivnu vrijednost napona ili struje. RMS je vrijednost periodične struje pri kojoj se oslobađa ista količina topline pri istom opterećenju kao i pri istosmjernoj struji. Drugim rečima, sijalica sija istom jačinom.

Ovo je opisano formulama poput ove: Isrk = 0,707*Imax= Imax/√2 za napon formula je ista, samo promijenite jedno slovo Usrk=0,707*Umax=Umax/√2. Ovo su vrijednosti koje pokazuje mjerni uređaj. One se mogu zamijeniti u formule kada se računa pomoću Ohmovog zakona ili kada se računa snaga.

Ali to nije sve za što je sposoban kondenzator u mreži naizmjenične struje. Sljedeći članak će se baviti upotrebom kondenzatora u impulsnim krugovima, visokopropusnim i niskopropusnim filterima i generatorima sinusnih i pravokutnih valova.

O naelektrisanju kondenzatora.

Hajde da zatvorimo kolo. Kroz kolo će teći struja punjenja kondenzatora. To znači da će neki elektroni s lijeve ploče kondenzatora otići u žicu, a isti broj elektrona otići će sa žice na desnu ploču. Obje ploče će biti naelektrisane suprotnim naelektrisanjem iste veličine.

Između ploča u dielektriku će postojati električno polje.

Sada otvorimo kolo. Kondenzator će ostati napunjen. Hajde da kratko spojimo njegovu oblogu komadom žice. Kondenzator će se trenutno isprazniti. To znači da će višak elektrona ići s desne ploče u žicu, a nedostatak elektrona sa žice na lijevu ploču. Na obje ploče će biti jednake količine elektrona, a kondenzator će se isprazniti.

Na koji se napon puni kondenzator?

Puni se na napon koji se na njega primjenjuje iz izvora napajanja.

Otpor kondenzatora.

Hajde da zatvorimo kolo. Kondenzator se počeo puniti i odmah je postao izvor struje, napona, E.M.S.. Slika pokazuje da je E.M.S. kondenzatora usmjeren nasuprot izvora struje koji ga puni.

Opozicija elektromotorna sila kondenzatora koji se puni, punjenje ovog kondenzatora naziva se kapacitivnost.

Sva energija koju izvor struje potroši za savladavanje kapacitivnosti pretvara se u energiju električno polje kondenzator. Kada se kondenzator isprazni, sva energija električnog polja će se vratiti nazad u kolo u obliku energije električna struja. Dakle, kapacitivnost je reaktivna, tj. ne izazivaju nepovratne gubitke energije.

Zašto jednosmjerna struja ne prolazi kroz kondenzator, već naizmjenična struja?

Uključimo DC kolo. Lampa će treptati i ugasiti se, zašto? Zato što struja punjenja kondenzatora prolazi kroz kolo. Čim se kondenzator napuni na napon baterije, struja u kolu će prestati.

Sada zatvorimo strujno kolo. U prvoj četvrtini perioda napon na generatoru raste od 0 do maksimuma. Krug nosi struju punjenja kondenzatora. U drugoj četvrtini perioda napon na generatoru opada na nulu. Kondenzator se prazni kroz generator. Nakon toga, kondenzator se ponovo puni i prazni. Dakle, struje punjenja i pražnjenja kondenzatora teku kroz krug. Svjetlo će ostati neprekidno uključeno.

U kolu s kondenzatorom struja teče kroz cijeli zatvoreni krug, uključujući i dielektrik kondenzatora. U kondenzatoru za punjenje stvara se električno polje koje polarizuje dielektrik. Polarizacija je rotacija elektrona u atomima u izduženim orbitama.

Istovremena polarizacija ogromnog broja atoma formira struju tzv struja pomaka. Tako u žice dolaze struja u dielektriku je iste veličine.

Kapacitet kondenzatora određuje se formulom

Gledajući grafikon, zaključujemo: struja u kolu sa čisto kapacitivnom reaktancijom vodi napon za 90 0.

Postavlja se pitanje: kako struja u strujnom kolu može nadmašiti napon na generatoru? Kolo prenosi struju iz dva izvora struje naizmjenično, iz generatora i iz kondenzatora. Kada je napon na generatoru nula, struja u kolu je maksimalna. Ovo je struja pražnjenja kondenzatora.

O stvarnom kondenzatoru

Pravi kondenzator ima dva otpora istovremeno: aktivni i kapacitivni. Treba ih smatrati povezanim u seriju.

Napon koji generator dovodi na aktivni otpor i struja koja teče kroz aktivni otpor su u fazi.

Napon koji generator primjenjuje na kapacitivnu reaktanciju i struja koja teče kroz kapacitivnu reaktansu pomjeraju se u fazi za 90 0. Rezultirajući napon koji generator primjenjuje na kondenzator može se odrediti korištenjem pravila paralelograma.

Pri aktivnom otporu napon U djeluje i struja I su u fazi. Pri kapacitivnoj reaktanciji, napon Uc zaostaje za strujom I za 90 0. Rezultirajući napon koji generator primjenjuje na kondenzator određen je pravilom paralelograma. Ovaj rezultirajući napon zaostaje za strujom I za neki ugao φ, uvijek manji od 90 0.

Određivanje rezultujućeg otpora kondenzatora

Rezultirajući otpor kondenzatora ne može se pronaći zbrajanjem vrijednosti njegovog aktivnog i kapacitivnog otpora. To se radi prema formuli

>>Fizika 11. razred >> Kondenzator u kolu naizmjenične struje

§ 33 KONDENZATOR U AC KOLU

Jednosmjerna struja ne može teći kroz kolo koje sadrži kondenzator. Zapravo, u ovom slučaju krug se ispostavlja da je otvoren, jer su ploče kondenzatora odvojene dielektrikom.

Naizmjenična struja može teći kroz kolo koje sadrži kondenzator. Ovo se može potvrditi jednostavnim eksperimentom.

Neka imamo izvore jednosmjernog i naizmjeničnog napona, a konstantni napon na stezaljkama izvora jednak je efektivnoj vrijednosti naizmjeničnog napona. Kolo se sastoji od kondenzatora i žarulje sa žarnom niti (slika 4.13), povezanih u seriju. Kada se uključi jednosmjerni napon (prekidač je okrenut ulijevo, kolo je spojeno na tačke AA"), lampica ne svijetli. Ali kada se uključi naizmjenični napon (prekidač je okrenut udesno, krug je spojen na točke BB"), lampica svijetli ako je kapacitet kondenzatora dovoljno velik.

Kako naizmjenična struja može teći kroz strujni krug ako je stvarno otvoren (naboji se ne mogu kretati između ploča kondenzatora)? Stvar je u tome što se kondenzator periodično puni i prazni pod uticajem naizmeničnog napona. Struja koja teče u strujnom krugu kada se kondenzator ponovo napuni zagrijava žarnu nit lampe.

Ustanovimo kako se jačina struje mijenja tokom vremena u kolu koje sadrži samo kondenzator, ako se otpor žica i ploča kondenzatora može zanemariti (slika 4.14).

Napon kondenzatora

Jačina struje, koja je vremenski derivat naboja, jednaka je:

Posljedično, fluktuacije struje su ispred u fazi fluktuacija napona na kondenzatoru u (slika 4.15).

Amplituda struje je:

I m = U m C. (4.29)

Ako unesete oznaku

i koristiti ih umjesto amplituda struje i napona efektivne vrednosti, onda dobijamo

Vrijednost X c, recipročna vrijednost proizvoda Od ciklične frekvencije do električni kapacitet kondenzator se zove kapacitivnost. Uloga ove veličine je slična ulozi aktivnog otpora R u Ohmovom zakonu (vidi formulu (4.17)). Efektivna vrijednost struje povezana je s efektivnom vrijednošću napona na kondenzatoru na isti način kao što su struja i napon povezani prema Ohmovom zakonu za dio jednosmjernog kola. Ovo nam omogućava da smatramo vrijednost Xc kao otpor kondenzatora naizmjeničnu struju (kapacitivnost).

Što je veći kapacitet kondenzatora, to je veća struja punjenja. Ovo je lako otkriti povećanjem usijanosti lampe kako se povećava kapacitet kondenzatora. Dok je otpor kondenzatora DC je beskonačno velik, njegov otpor naizmjenične struje ima konačnu vrijednost X c. Kako se kapacitet povećava, on se smanjuje. Takođe se smanjuje sa povećanjem učestalosti.

U zaključku, napominjemo da tokom kvartalnog perioda kada je kondenzator napunjen do svog maksimalnog napona, energija ulazi u kolo i pohranjuje se u kondenzatoru u obliku energije električnog polja. U narednoj četvrtini perioda, kada se kondenzator isprazni, ova energija se vraća u mrežu.

Otpor kola sa kondenzatorom obrnuto je proporcionalan proizvodu ciklične frekvencije i električnog kapaciteta. Fluktuacije struje su ispred fluktuacija napona u fazi za .

1. Kako su efektivne vrijednosti struje i napona na kondenzatoru u kolu naizmjenične struje međusobno povezane?
2. Da li se energija oslobađa u kolu koje sadrži samo kondenzator ako aktivni otpor lanci se mogu zanemariti!
3. Prekidač je vrsta kondenzatora. Zašto prekidač pouzdano otvara strujni krug!