Spannung und Frequenz in einem Kondensator. Warum fließt Wechselstrom durch einen Kondensator, Gleichstrom jedoch nicht?

Charakteristisch ist eine schnelle Änderung der Stromstärke und -richtung Wechselstrom, führt zu einer Serie Hauptmerkmale das unterscheidet die Wirkung von Wechselstrom von Gleichstrom. Einige dieser Merkmale kommen in den folgenden Experimenten deutlich zum Vorschein.

1. Der Durchgang von Wechselstrom durch einen Kondensator. Stellen Sie uns eine 12-V-Gleichstromquelle zur Verfügung ( Akkumulatorbatterie) und eine Wechselstromquelle mit einer Spannung von ebenfalls 12 V. Wenn wir an jede dieser Quellen eine kleine Glühbirne anschließen, werden wir sehen, dass beide Glühbirnen gleich hell brennen (Abb. 298, a). Fügen wir nun einen Hochleistungskondensator in den Stromkreis sowohl der ersten als auch der zweiten Glühbirne ein (Abb. 298, b). Wir werden feststellen, dass die Lampe bei Gleichstrom überhaupt nicht leuchtet, bei Wechselstrom hingegen bleibt ihr Glühen fast gleich wie zuvor. Die Abwesenheit von Wärme in einem Gleichstromkreis ist leicht zu verstehen: Zwischen den Platten des Kondensators befindet sich eine Isolierschicht, sodass der Stromkreis offen ist. Das Glühen einer Glühbirne in einem Wechselstromkreis erscheint erstaunlich.

Reis. 298. Der Durchgang von Wechselstrom durch einen Kondensator: a) Glühbirnen im Gleichstromkreis (rechts) oder Wechselstrom (links) leuchten auf die gleiche Weise; b) wenn ein Kapazitätskondensator im Stromkreis enthalten ist D.C. stoppt, der Wechselstrom fließt weiter und die Glühbirne leuchtet

Wenn Sie jedoch darüber nachdenken, ist daran nichts Geheimnisvolles. Es handelt sich hier lediglich um eine häufige Wiederholung des uns bekannten Vorgangs des Ladens und Entladens eines Kondensators. Wenn wir den Kondensator an die Stromquelle anschließen (Abb. 299, a) (indem wir den Schalthebel nach links drehen), dann Die Drähte gehen Strom, bis die auf den Kondensatorplatten angesammelten Ladungen eine Potentialdifferenz erzeugen, die die Quellenspannung ausgleicht. Im Kondensator entsteht dieser elektrisches Feld in dem eine bestimmte Energiemenge konzentriert ist. Wenn wir die Platten des geladenen Kondensators mit einem Leiter verbinden und die Stromquelle trennen (indem wir den Schalthebel nach rechts drehen), fließt die Ladung entlang des Leiters von einer Platte zur anderen und es fließt ein kurzzeitiger Strom ein der Leiter, der die Glühbirne einschaltet. Das Feld im Kondensator verschwindet und die darin gespeicherte Energie wird zum Erhitzen der Glühbirne aufgewendet.

Reis. 299. Bei jedem Aufladen des Kondensators blinkt die Glühbirne: a) Laden des Kondensators (Taste – nach links) und Entladen über die Glühbirne (Taste – nach rechts); b) schnelles Laden und Entladen des Kondensators beim Drehen des Schlüssels, das Licht blinkt; c) ein Kondensator und eine Glühbirne in einem Wechselstromkreis

Was passiert, wenn ein Wechselstrom durch einen Kondensator fließt, lässt sich sehr anschaulich durch das in Abb. gezeigte Experiment erklären. 299b. Durch Drehen des Schalthebels nach rechts verbinden wir den Kondensator mit der Stromquelle, wobei Platte 1 positiv und Platte 2 negativ geladen wird. Wenn sich der Schalter in der Mittelstellung befindet und der Stromkreis geöffnet ist, wird der Kondensator über die Glühlampe entladen. Durch Drehen des Schaltknopfes nach links wird der Kondensator erneut aufgeladen, diesmal wird jedoch Platte 1 negativ und Platte 2 positiv geladen. Wenn wir den Schalthebel schnell in die eine und dann in die andere Richtung bewegen, werden wir sehen, dass bei jedem Kontaktwechsel die Glühbirne für einen Moment blinkt, d. h., dass ein kurzzeitiger Strom durch sie fließt. Wenn das Umschalten schnell genug erfolgt, folgen die Blitze der Glühbirne so schnell aufeinander, dass sie ununterbrochen brennt; während ein Strom durch ihn fließt, der oft seine Richtung ändert. In diesem Fall ändert sich das elektrische Feld im Kondensator ständig: Es wird entweder erzeugt, dann verschwindet es und wird dann in der entgegengesetzten Richtung neu erzeugt. Das Gleiche passiert, wenn wir einen Kondensator in einen Wechselstromkreis einbinden (Abb. 299, c).

2. Der Durchgang von Wechselstrom durch eine Spule mit großer Induktivität. Wir fügen in die in Abb. gezeigte Schaltung Folgendes ein: 298, b, anstelle eines Kondensators eine Spule aus Kupferkabel mit vielen Windungen, in deren Inneren sich ein Eisenkern befindet (Abb. 300). Es ist bekannt, dass solche Spulen eine große Induktivität haben (§ 144). Der Widerstand einer solchen Spule bei Gleichstrom ist gering, da sie aus ziemlich dickem Draht besteht. Bei Gleichstrom (Abb. 300, a) brennt die Glühbirne hell, während bei Wechselstrom (Abb. 300, b) das Leuchten kaum wahrnehmbar ist. Das Experiment mit Gleichstrom ist verständlich: Da der Widerstand der Spule klein ist, ändert ihre Anwesenheit den Strom fast nicht und die Glühbirne brennt hell. Warum dämpft eine Spule Wechselstrom? Wir werden den Eisenkern nach und nach aus der Spule ziehen. Wir werden feststellen, dass die Glühbirne immer heißer wird, d. h. dass der Strom im Stromkreis zunimmt, wenn sich der Kern herausbewegt. Wenn der Kern vollständig entfernt ist, kann die Glühlampe der Glühbirne fast den Normalwert erreichen, wenn die Anzahl der Windungen der Spule nicht sehr groß ist. Durch die Verlängerung des Kerns verringert sich jedoch die Induktivität der Spule. Wir sehen also, dass eine Spule mit niedrigem Widerstand, aber hoher Induktivität, die in einen Wechselstromkreis eingebunden ist, diesen Strom erheblich dämpfen kann.

Reis. 300. Die Glühbirne ist in den Stromkreis aus Gleichstrom (a) und Wechselstrom (b) eingebunden. Eine Spule ist in Reihe mit der Glühbirne geschaltet. Bei Gleichstrom ist das Licht hell, bei Wechselstrom ist es schwach.

Die Wirkung einer Spule mit hoher Induktivität auf Wechselstrom ist ebenfalls leicht zu erklären. Wechselstrom ist ein Strom, dessen Stärke sich schnell ändert, entweder zunimmt oder abnimmt. Mit diesen Änderungen in der Schaltung, z. d.s. Selbstinduktivität, die von der Induktivität des Stromkreises abhängt. Die Richtung dieses e. d.s. (wie wir in § 139 gesehen haben) ist so beschaffen, dass seine Wirkung eine Änderung des Stroms verhindert, d. h. die Amplitude des Stroms und damit seinen effektiven Wert verringert. Solange die Induktivität der Drähte klein ist, ist dieser zusätzliche z. d.s. ist ebenfalls gering und seine Wirkung ist kaum wahrnehmbar. Aber bei Vorhandensein einer großen Induktivität ist dieser zusätzliche e. d.s. kann die Stärke des Wechselstroms erheblich beeinflussen.

Was ist Wechselstrom?

Wenn wir Gleichstrom betrachten, ist dieser möglicherweise nicht immer vollkommen konstant: Die Spannung am Ausgang der Quelle kann von der Last oder vom Entladungsgrad der Batterie abhängen galvanische Batterie. Auch bei konstanter stabilisierter Spannung ist der Strom im Außenkreis lastabhängig, was das Ohmsche Gesetz bestätigt. Es stellt sich heraus, dass es sich auch hier nicht ganz um einen Gleichstrom handelt, aber ein solcher Strom kann auch nicht als Wechselstrom bezeichnet werden, da er seine Richtung nicht ändert.

Als Spannung oder Strom wird üblicherweise eine Variable bezeichnet, deren Richtung und Größe sich unter dem Einfluss nicht ändern externe Faktoren, zum Beispiel lädt, aber ganz „unabhängig“: So erzeugt es der Generator. Darüber hinaus sollten diese Änderungen periodisch sein, d. h. wiederkehrend nach einer bestimmten Zeitspanne, sogenannte Periode.

Wenn sich die Spannung oder der Strom zufällig ändert, ohne Rücksicht auf die Periodizität und andere Regelmäßigkeiten, wird ein solches Signal als Rauschen bezeichnet. Klassisches Beispiel- „Schnee“ auf dem Fernsehbildschirm bei schwachem terrestrischem Signal. Beispiele einiger periodischer elektrischer Signale sind in Abbildung 1 dargestellt.

Für Gleichstrom gibt es nur zwei Eigenschaften: die Polarität und die Quellenspannung. Bei Wechselstrom reichen diese beiden Größen eindeutig nicht aus, daher erscheinen mehrere weitere Parameter: Amplitude, Frequenz, Periode, Phase, Momentan- und Effektivwert.

Bild 1.

In der Technik hat man es am häufigsten mit Sinusschwingungen zu tun, und zwar nicht nur in der Elektrotechnik. Stellen Sie sich ein Autorad vor. Bei gleichmäßige Bewegung Auf einer gut ebenen Straße beschreibt die Radmitte eine gerade Linie parallel zur Straßenoberfläche. Gleichzeitig bewegt sich jeder Punkt am Umfang des Rades entlang einer Sinuskurve relativ zur gerade erwähnten Geraden.

Dies kann durch Abbildung 2 bestätigt werden, die zeigt grafische Methode Konstruktion einer Sinuskurve: Wer das Zeichnen gut unterrichtet hat, versteht perfekt, wie solche Konstruktionen ausgeführt werden.

Figur 2.

Aus Schulkurs Die Physiker wissen, dass die Sinuskurve am häufigsten und zum Studium der periodischen Kurve am besten geeignet ist. Genauso entstehen bei Lichtmaschinen sinusförmige Schwingungen, was auf deren mechanische Konstruktion zurückzuführen ist.

Abbildung 3 zeigt ein Diagramm eines sinusförmigen Stroms.

Figur 3

Es ist leicht zu erkennen, dass die Stärke des Stroms mit der Zeit variiert, daher ist die y-Achse in der Abbildung als i(t) angegeben – eine Funktion des Stroms über die Zeit. Volle Periode Der Strom wird durch eine durchgezogene Linie angezeigt und hat eine Periode T. Wenn wir die Betrachtung vom Ursprung aus beginnen, können wir sehen, dass der Strom zunächst ansteigt, Imax erreicht, durch Null geht, auf -Imax abnimmt, danach ansteigt und Null erreicht . Dann beginnt die nächste Periode, die durch die gestrichelte Linie dargestellt ist.

In Form einer mathematischen Formel wird das Verhalten des Stroms wie folgt geschrieben: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).

Dabei ist i(t) der zeitabhängige Momentanwert des Stroms, Imax der Amplitudenwert (maximale Abweichung vom Gleichgewichtszustand), ω die Kreisfrequenz (2*π*f), φ der Phasenwinkel .

Die Kreisfrequenz ω wird im Bogenmaß pro Sekunde gemessen, der Phasenwinkel φ wird im Bogenmaß oder Grad gemessen. Letzteres macht nur Sinn, wenn zwei sinusförmige Ströme vorliegen. Zum Beispiel in Stromkreisen, in denen der Strom der Spannung um 90˚ oder genau ein Viertel der Periode vorauseilt, was in Abbildung 4 dargestellt ist. Wenn sinusförmiger Strom eins, dann können Sie es entlang der y-Achse beliebig verschieben, und daran ändert sich nichts.

Figur 4 In Stromkreisen mit einem Kondensator eilt der Strom der Spannung um eine Viertelperiode voraus.

Die physikalische Bedeutung der Kreisfrequenz ω ist, welchen Winkel im Bogenmaß die Sinuskurve in einer Sekunde „läuft“.

Periode – T ist die Zeit, die die Sinuswelle benötigt, um eine vollständige Schwingung abzuschließen. Gleiches gilt für Schwingungen anderer Form, beispielsweise rechteckig oder dreieckig. Der Zeitraum wird in Sekunden oder kleineren Einheiten gemessen: Millisekunden, Mikrosekunden oder Nanosekunden.

Ein weiterer Parameter jedes periodischen Signals, einschließlich einer Sinuskurve, ist die Frequenz, also wie viele Schwingungen das Signal in einer Sekunde ausführt. Die Frequenzeinheit ist Hertz (Hz), benannt nach dem Wissenschaftler Heinrich Hertz aus dem 19. Jahrhundert. Die Frequenz von 1 Hz ist also nichts anderes als eine Schwingung/Sekunde. Beispielsweise beträgt die Frequenz des Beleuchtungsnetzes 50 Hz, also genau 50 Perioden der Sinuskurve pro Sekunde.

Wenn die aktuelle Periode bekannt ist (Sie können), hilft Ihnen die Formel, die Frequenz des Signals herauszufinden: f \u003d 1 / T. Wenn in diesem Fall die Zeit in Sekunden ausgedrückt wird, wird das Ergebnis in Hertz angegeben. Umgekehrt gilt T=1/f, Frequenz in Hz, Zeit in Sekunden. Wenn der Zeitraum beispielsweise 1/50 = 0,02 Sekunden oder 20 Millisekunden beträgt. In der Elektrizität werden häufiger höhere Frequenzen verwendet: kHz – Kilohertz, MHz – Megahertz (Tausende und Millionen Schwingungen pro Sekunde) usw.

Alles, was für die Gegenwart gesagt wurde, gilt auch für Wechselstrom Spannung: Ändern Sie einfach den Buchstaben I in U in Abb. 6. Die Formel sieht folgendermaßen aus: u(t)=Umax*sin(ω*t±φ).

Diese Erklärungen reichen aus, um darauf zurückzukommen Erfahrungen mit Kondensatoren und ihre physikalische Bedeutung erklären.

Der Kondensator leitet Wechselstrom, der in der Schaltung in Abbildung 3 dargestellt ist (siehe Artikel -). Die Helligkeit des Lampenglühens erhöht sich, wenn ein zusätzlicher Kondensator angeschlossen wird. Wenn Kondensatoren parallel geschaltet sind, addieren sich ihre Kapazitäten einfach, sodass wir davon ausgehen können, dass die Kapazität Xc von der Kapazität abhängt. Darüber hinaus hängt es auch von der Frequenz des Stroms ab, daher sieht die Formel so aus: Xc=1/2*π*f*C.

Aus der Formel folgt, dass mit zunehmender Kapazität des Kondensators und der Frequenz der Wechselspannung die Reaktanz Xc abnimmt. Diese Abhängigkeiten sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Abhängigkeit Reaktanz Kondensator aus Kapazität

Wenn wir die Frequenz in Hertz in die Formel einsetzen und die Kapazität in Farad, dann wird das Ergebnis in Ohm sein.

Wird der Kondensator heiß?

Erinnern wir uns nun an die Erfahrung mit einem Kondensator und einem Stromzähler. Warum dreht sich dieser nicht? Tatsache ist, dass der Zähler Wirkenergie zählt, wenn der Verbraucher eine rein aktive Last ist, beispielsweise Glühlampen, ein Wasserkocher oder ein Elektroherd. Bei solchen Verbrauchern sind Spannung und Strom gleichphasig und haben das gleiche Vorzeichen: wenn man zwei multipliziert negative Zahlen(Spannung und Strom während der negativen Halbwelle) ist das Ergebnis nach den Gesetzen der Mathematik immer noch positiv. Daher ist die Leistung solcher Verbraucher immer positiv, d.h. gelangt in die Ladung und wird als Wärme abgegeben, wie in Abbildung 6 durch die gestrichelte Linie dargestellt.

Abbildung 6

Wenn im Wechselstromkreis ein Kondensator enthalten ist, sind Strom und Spannung phasenverschoben: Der Strom eilt der Spannung um 90˚ voraus, was dazu führt, dass eine Kombination entsteht, wenn Strom und Spannung vorhanden sind verschiedene Zeichen.

Abbildung 7

In diesen Momenten ist die Kraft negativ. Mit anderen Worten: Wenn die Leistung positiv ist, wird der Kondensator aufgeladen, und wenn sie negativ ist, wird die gespeicherte Energie an die Quelle zurückgegeben. Daher fällt es im Durchschnitt durch Nullen aus und es gibt hier einfach nichts zu zählen.

Der Kondensator erwärmt sich, sofern er natürlich funktionsfähig ist, überhaupt nicht. Daher oft Ein Kondensator wird als leistungsloser Widerstand bezeichnet, was den Einsatz in transformatorlosen Stromversorgungen mit geringer Leistung ermöglicht. Obwohl solche Blöcke aufgrund ihrer Gefahr nicht zu empfehlen sind, ist es dennoch manchmal notwendig, dies zu tun.

Vor dem Einbau in einen solchen Block Löschkondensator, sollte dies durch einfaches Anschließen an das Netzwerk überprüft werden: Wenn sich der Kondensator eine halbe Stunde lang nicht erwärmt hat, kann er sicher in den Stromkreis einbezogen werden. Andernfalls muss es einfach ohne Reue weggeworfen werden.

Was zeigt das Voltmeter an?

Bei der Herstellung und Reparatur verschiedener Geräte ist es, wenn auch nicht sehr oft, erforderlich, Wechselspannungen und sogar Ströme zu messen. Wenn sich die Sinuskurve so unruhig verhält, dann nach oben, dann nach unten, was zeigt ein gewöhnliches Voltmeter an?

Der Durchschnittswert eines periodischen Signals, in diesem Fall einer Sinuskurve, wird als die durch die x-Achse und die grafische Darstellung des Signals begrenzte Fläche, dividiert durch 2*π Bogenmaß, oder die Periode der Sinuskurve, berechnet. Da die Spitze und Unterteil sind absolut identisch, haben aber unterschiedliche Vorzeichen, der Durchschnittswert der Sinuskurve ist Null und es ist überhaupt nicht notwendig, ihn zu messen, und sogar einfach sinnlos.

Deshalb Messgerät zeigt uns den Effektivwert der Spannung oder des Stroms. RMS ist der Wert des periodischen Stroms, bei dem bei gleicher Last die gleiche Wärmemenge freigesetzt wird wie bei Gleichstrom. Mit anderen Worten: Die Glühbirne leuchtet mit der gleichen Helligkeit.

Dies wird durch Formeln wie diese beschrieben: Iavr = 0,707 * Imax = Imax / √2 für Spannung ist die Formel dieselbe, es reicht aus, einen Buchstaben zu ändern: Uavr = 0,707 * Umax = Umax / √2. Dies sind die vom Messgerät angezeigten Werte. Sie können bei der Berechnung nach dem Ohmschen Gesetz oder bei der Leistungsberechnung in Formeln eingesetzt werden.

Aber das ist nicht alles, wozu ein Kondensator in einem Wechselstromnetz fähig ist. Der nächste Artikel befasst sich mit der Verwendung von Kondensatoren in Impulsschaltungen, Hoch- und Tiefpassfiltern sowie Sinus- und Rechteckgeneratoren.

>>Physik Klasse 11 >> Kondensator in einem Wechselstromkreis

§ 33 AC-KONDENSATOR

Durch einen Stromkreis mit einem Kondensator kann kein Gleichstrom fließen. Tatsächlich stellt sich in diesem Fall heraus, dass der Stromkreis offen ist, da die Kondensatorplatten durch ein Dielektrikum getrennt sind.

Durch einen Stromkreis mit einem Kondensator kann Wechselstrom fließen. Dies kann durch ein einfaches Experiment überprüft werden.

Wir haben Gleich- und Wechselspannungsquellen, und die Gleichspannung an den Anschlüssen der Quelle ist gleich dem Effektivwert der Wechselspannung. Die Schaltung besteht aus einem Kondensator und einer Glühlampe (Abb. 4.13), die in Reihe geschaltet sind. Wenn die Gleichspannung eingeschaltet ist (der Schalter ist nach links gedreht, ist der Stromkreis mit den Punkten AA verbunden), leuchtet die Lampe nicht. Wenn jedoch die Wechselspannung eingeschaltet ist (der Schalter ist nach rechts gedreht, Wird der Stromkreis an die Punkte BB angeschlossen, leuchtet die Lampe, wenn die Kapazität des Kondensators groß genug ist.

Wie kann Wechselstrom durch den Stromkreis fließen, wenn dieser tatsächlich offen ist (Ladungen können sich nicht zwischen den Kondensatorplatten bewegen)? Die Sache ist, dass der Kondensator unter Einwirkung einer Wechselspannung periodisch geladen und entladen wird. Der beim Aufladen des Kondensators im Stromkreis fließende Strom erwärmt den Lampenfaden.

Lassen Sie uns feststellen, wie sich die Stromstärke in einem Stromkreis, der nur einen Kondensator enthält, im Laufe der Zeit ändert, wenn der Widerstand der Drähte und Kondensatorplatten vernachlässigt werden kann (Abb. 4.14).

Kondensatorspannung

Die Stromstärke, die die Ableitung der Ladung nach der Zeit darstellt, ist gleich:

Folglich sind Stromschwankungen den Spannungsschwankungen am Kondensator phasengleich voraus (Abb. 4.15).

Die Amplitude der Stromstärke beträgt:

I m = U m C. (4.29)

Wenn wir die Bezeichnung einführen

und anstelle von Strom- und Spannungsamplituden diese verwenden effektive Werte, dann bekommen wir

Der Wert von X c , der Kehrwert des Produkts C der zyklischen Frequenz by elektrische Kapazität Der Kondensator heißt Kapazität. Die Rolle dieser Größe ähnelt der Rolle des aktiven Widerstands R im Ohmschen Gesetz (siehe Formel (4.17)). Der Effektivwert der Stromstärke hängt vom Effektivwert der Spannung am Kondensator ab, so wie Stromstärke und Spannung nach dem Ohmschen Gesetz für einen Abschnitt des Gleichstromkreises zusammenhängen. Dadurch können wir den Wert von X als Widerstand des Kondensators gegenüber Wechselstrom (Kapazität) betrachten.

Je größer die Kapazität des Kondensators ist, desto aktueller aufladen. Dies lässt sich leicht erkennen, indem man die Glühstärke der Lampe mit zunehmender Kapazität des Kondensators erhöht. Während der Gleichstromwiderstand eines Kondensators unendlich ist, ist sein Wechselstromwiderstand endlich X c . Mit zunehmender Kapazität nimmt sie ab. Mit zunehmender Häufigkeit nimmt sie auch ab.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass während eines Viertels des Zeitraums, in dem der Kondensator auf die maximale Spannung aufgeladen ist, Energie in den Stromkreis gelangt und in Form von Energie im Kondensator gespeichert wird elektrisches Feld. Im nächsten Viertel der Periode, wenn der Kondensator entladen ist, wird diese Energie in das Netz zurückgeführt.

Der Widerstand eines Stromkreises mit einem Kondensator ist umgekehrt proportional zum Produkt aus der Taktfrequenz und der elektrischen Kapazität. Stromschwankungen sind den Spannungsschwankungen um phasenweise voraus.

1. Wie hängen die Effektivwerte von Strom und Spannung an einem Kondensator in einem Wechselstromkreis zusammen?
2. Wird in einem Stromkreis, der nur einen Kondensator enthält, Energie freigesetzt, wenn aktiver Widerstand Ketten können vernachlässigt werden!
3. Der Leistungsschalter ist eine Art Kondensator. Warum öffnet der Schalter zuverlässig den Stromkreis?

Kondensator im Wechselstromkreis

Ein Kondensator in einem Wechselstromkreis verhält sich anders als ein Widerstand. Während Widerstände einfach dem Elektronenfluss entgegenwirken (die Spannung an ihnen ist direkt proportional zum Strom), wirken Kondensatoren einer Spannungsänderung („Bremsen“ oder Hinzufügen von Strom beim Laden oder Entladen auf ein neues Spannungsniveau) entgegen. Der durch den Kondensator fließende Strom ist direkt proportional zur Spannungsänderungsrate. Dieser Widerstand gegenüber Spannungsänderungen ist eine andere Form der Reaktanz, die das Gegenteil der Reaktanz einer Induktivität ist.

Die mathematische Beziehung zwischen dem Strom, der durch den Kondensator fließt, und der Änderungsrate der Spannung an ihm ist wie folgt:

Das du/dt-Verhältnis ist die Änderungsrate der Momentanspannung (u) über die Zeit und wird in Volt pro Sekunde gemessen. Die Kapazität (C) wird in Farad gemessen und der Momentanstrom (i) wird in Ampere gemessen. Um zu zeigen, was mit Wechselstrom passiert, analysieren wir einen einfachen kapazitiven Schaltkreis:

Eine einfache kapazitive Schaltung: Die Kondensatorspannung eilt dem Strom um 90o nach.

Wenn wir den Strom und die Spannung für diesen einfachen Schaltkreis grafisch darstellen, sieht das etwa so aus:

Wie Sie sich erinnern, ist der durch den Kondensator fließende Strom eine Reaktion auf eine Spannungsänderung an diesem Kondensator. Daraus kann geschlossen werden, dass der Momentanstrom immer dann Null ist, wenn die Momentanspannung ihren Spitzenwert erreicht (Nulländerung oder Nullsteilheit der Spannungssinuswelle), und dass der Momentanstrom immer dann gleich seinem Spitzenwert ist, wenn die Momentanspannung diesen Wert erreicht an den Punkten maximaler Änderung. (Punkte mit der steilsten Steigung der Spannungswelle, an denen sie die Nulllinie kreuzt). All dies führt dazu, dass die Spannungswelle um -90 ° phasenverschoben zur Stromwelle ist. Die Grafik zeigt, wie die Stromwelle die Spannungswelle „benachteiligt“: Der Strom „eilt“ der Spannung voraus und die Spannung „hinkt“ dem Strom hinterher.

Wie Sie vielleicht schon erraten haben, ist dieselbe ungewöhnliche Energiewelle, die wir in einem einfachen induktiven Schaltkreis gesehen haben, auch in einem einfachen kapazitiven Schaltkreis vorhanden:

Wie bei einem einfachen induktiven Stromkreis führt eine 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom zu einer gleichmäßig wechselnden Leistungswelle zwischen Plus und negative Werte. Das bedeutet, dass der Kondensator keine Leistung verbraucht (wenn er auf Spannungsänderungen reagiert), sondern diese lediglich aufnimmt und (abwechselnd) abgibt.

Der Widerstand eines Kondensators gegenüber Spannungsänderungen wird als Widerstand gegenüber einer Wechselspannung als Ganzes interpretiert, die per Definition ständig ihre momentane Größe und Richtung ändert. Für jede gegebene Menge an Wechselspannung bei einer gegebenen Frequenz „leitet“ ein Kondensator einer bestimmten Größe eine bestimmte Menge an Wechselstrom. So wie der Strom durch einen Widerstand eine Funktion der Spannung an diesem Widerstand und seines Widerstandswerts ist, ist der Wechselstrom durch einen Kondensator eine Funktion der Wechselspannung an diesem Kondensator und seiner Reaktanz. Wie bei Induktivitäten wird die Reaktanz eines Kondensators in Ohm gemessen und mit dem Buchstaben X (oder genauer gesagt XC) bezeichnet.

Da der Strom durch einen Kondensator proportional zur Spannungsänderungsgeschwindigkeit ist, ist er bei sich schnell ändernden Spannungen größer und bei Spannungen mit langsameren Änderungen geringer. Das bedeutet, dass die Reaktanz eines Kondensators (in Ohm) umgekehrt proportional zur Wechselstromfrequenz ist. Die genaue Formel zur Berechnung der Reaktanz eines Kondensators lautet wie folgt:

Wenn ein 100-µF-Kondensator Frequenzen von 60, 120 und 2500 Hz ausgesetzt wird, nimmt sein Blindwiderstand folgende Werte an:

Beachten Sie, dass das Verhältnis der kapazitiven Reaktanz zu den Frequenzen genau das Gegenteil des Verhältnisses der induktiven Reaktanz zu den gleichen Frequenzen ist. Die kapazitive Reaktanz nimmt mit zunehmender Wechselstromfrequenz ab, während die induktive Reaktanz im Gegensatz dazu mit zunehmender Wechselstromfrequenz zunimmt. Während Induktoren einer schnellen Stromänderung entgegenwirken, indem sie mehr Spannung erzeugen, wirken Kondensatoren einer schnellen Spannungsänderung entgegen, indem sie mehr Strom erzeugen.

Analog zu Induktivitäten kann der Ausdruck 2πf in der Kondensatorreaktanzgleichung durch einen Kleinbuchstaben ersetzt werden griechischer Briefω (Omega), die auch als Winkelfrequenz (Zyklusfrequenz) des Wechselstroms bezeichnet wird. Somit kann die Gleichung X C = 1/(2πfC) als X C = 1/(ωC) geschrieben werden, wobei ω im Bogenmaß pro Sekunde ausgedrückt wird.

Wechselstrom in einem einfachen kapazitiven Stromkreis gleich Spannung(in Volt) geteilt durch die Reaktanz des Kondensators (in Ohm). Dies ist analog zu der Tatsache, dass der Wechsel- oder Gleichstrom in einem einfachen Widerstandskreis gleich der Spannung (in Volt) geteilt durch den Widerstand (in Ohm) ist. Betrachten wir als Beispiel das folgende Schema:

Wir müssen jedoch bedenken, dass Spannung und Strom unterschiedlich sind verschiedene Phasen. Wie bereits erwähnt, hat der Strom eine Phasenverschiebung von +90 ° gegenüber der Spannung. Wenn wir die Phasenwinkel von Spannung und Strom mathematisch darstellen (in Form komplexer Zahlen), dann sehen wir, dass die Reaktanz des Kondensators gegenüber Wechselstrom den folgenden Phasenwinkel hat:

Mathematisch können wir sagen, dass der Phasenwinkel des Widerstands des Kondensators gegenüber Wechselstrom -90o beträgt. Der Phasenwinkel der Stromreaktanz ist bei der Schaltungsanalyse sehr wichtig. Diese Bedeutung wird in der Analyse besonders deutlich komplexe Ketten Wechselstrom, bei dem Blind- und einfache Widerstände miteinander interagieren. Es wird sich auch als nützlich erweisen, um den Widerstand einer beliebigen Komponente gegenüber einem elektrischen Strom in Form komplexer Zahlen darzustellen (anstelle der skalaren Größen von Widerstand und Reaktanz).

Es wurde viel über Kondensatoren geschrieben. Lohnt es sich, zu den Millionen, die es bereits gibt, noch ein paar tausend Wörter hinzuzufügen? Ich werde es hinzufügen! Ich glaube, dass meine Präsentation nützlich sein wird. Schließlich wird es unter Berücksichtigung erfolgen.

Was ist ein elektrischer Kondensator?

Wenn wir auf Russisch sprechen, kann der Kondensator als „Akku“ bezeichnet werden. Also noch verständlicher. Außerdem wird dieser Name so in unsere Sprache übersetzt. Ein Glas kann auch als Kondensator bezeichnet werden. Nur er sammelt Flüssigkeit in sich. Oder eine Tasche. Ja, Tasche. Es scheint auch ein Speicher zu sein. Es sammelt in sich alles, was wir dort ablegen. Wie wäre es mit einem elektrischen Kondensator? Es ist dasselbe wie ein Glas oder eine Tüte, sammelt sich aber nur an elektrische Ladung.

Stellen Sie sich das Bild vor: Die Kette geht vorbei elektrischer Strom Auf dem Weg dorthin tauchten Widerstände, Leiter und, bam, ein Kondensator (Glas) auf. Was wird passieren? Wie Sie wissen, ist Strom ein Elektronenfluss, und jedes Elektron hat eine elektrische Ladung. Wenn also jemand sagt, dass ein Strom durch den Stromkreis fließt, stellen Sie sich vor, dass Millionen von Elektronen durch den Stromkreis fließen. Es ist genau diese Elektronik, die sich ansammelt, wenn auf ihrem Weg ein Kondensator auftaucht. Je mehr Elektronen wir in den Kondensator stopfen, desto größer wird seine Ladung.

Es stellt sich die Frage, wie viele Elektronen können auf diese Weise angesammelt werden, wie viele passen in den Kondensator und wann ist er „voll“? Lass es uns herausfinden. Sehr oft, für eine vereinfachte Erklärung von einfach elektrische Prozesse Nutzen Sie den Vergleich mit Wasser und Rohren. Lassen Sie uns auch diesen Ansatz verwenden.

Stellen Sie sich ein Rohr vor, durch das Wasser fließt. An einem Ende des Rohrs befindet sich eine Pumpe, die Wasser kraftvoll in dieses Rohr pumpt. Legen Sie dann im Geiste eine Gummimembran über das Rohr. Was wird passieren? Unter der Wirkung des Wasserdrucks im Rohr beginnt sich die Membran zu dehnen und zu dehnen (Druck wird durch die Pumpe erzeugt). Es dehnt sich, dehnt sich, dehnt sich, und infolgedessen gleicht die elastische Kraft der Membran entweder die Kraft der Pumpe aus und der Wasserfluss stoppt, oder die Membran bricht (Wenn dies nicht klar ist, stellen Sie sich Folgendes vor: Ballon, der platzt, wenn er zu stark gepumpt wird)! Das Gleiche passiert in elektrische Kondensatoren. Nur dort wird anstelle einer Membran ein elektrisches Feld verwendet, das mit der Ladung des Kondensators wächst und die Spannung der Stromquelle allmählich ausgleicht.

Somit verfügt der Kondensator über eine bestimmte Grenzladung, die er akkumulieren kann und nach deren Überschreitung er dielektrischer Durchschlag in einem Kondensator Es wird zusammenbrechen und kein Kondensator mehr sein. Es ist offenbar an der Zeit, zu erklären, wie der Kondensator funktioniert.

Wie funktioniert ein elektrischer Kondensator?

In der Schule hat man dir gesagt, dass ein Kondensator ein solches Gerät ist, das aus zwei Platten und einem Hohlraum dazwischen besteht. Diese Platten wurden Kondensatorplatten genannt und mit ihnen wurden Drähte verbunden, um Spannung an den Kondensator anzulegen. Moderne Kondensatoren sind also nicht viel anders. Sie alle haben auch Platten und zwischen den Platten befindet sich ein Dielektrikum. Durch das Vorhandensein eines Dielektrikums werden die Eigenschaften des Kondensators verbessert. Zum Beispiel seine Kapazität.

Moderne Kondensatoren verwenden verschiedene Arten von Dielektrika (mehr dazu weiter unten), die auf raffinierteste Weise zwischen die Kondensatorplatten geschoben werden, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen.

Arbeitsprinzip

Das allgemeine Funktionsprinzip ist recht einfach: Spannung wird angelegt – die Ladung hat sich angesammelt. Die physikalischen Prozesse, die jetzt ablaufen, dürften Sie nicht sonderlich interessieren, aber wenn Sie möchten, können Sie in jedem Buch über Physik in der Rubrik Elektrostatik darüber nachlesen.

Kondensator im Gleichstromkreis

Wenn wir unseren Kondensator einbauen Stromkreis(Abb. unten), schalten Sie das in Reihe geschaltete Amperemeter ein und legen Sie Gleichstrom an den Stromkreis an. Dann zuckt die Nadel des Amperemeters kurz, friert dann ein und zeigt 0 A an – kein Strom im Stromkreis. Was ist passiert?

Wir gehen davon aus, dass der Kondensator leer (entladen) war, bevor der Strom in den Stromkreis eingespeist wurde, und als der Strom angelegt wurde, begann er sich sehr schnell aufzuladen, und als er aufgeladen wurde (das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten glich das aus). Stromquelle), dann stoppte der Strom (hier ist ein Diagramm der Ladung des Kondensators).

Deshalb sagt man, dass der Kondensator keinen Gleichstrom durchlässt. Tatsächlich überspringt es, aber eine sehr kurze Zeit, die mit der Formel t = 3 * R * C (die Zeit, die der Kondensator benötigt, um sich auf ein Volumen von 95 % des Nennwerts aufzuladen) berechnet werden kann. R ist die Widerstand des Stromkreises, C ist die Kapazität des Kondensators) So verhält sich der Kondensator bei konstantem Stromkreis. Ganz anders verhält es sich in einer Wechselschaltung!

Kondensator im Wechselstromkreis

Was ist Wechselstrom? Dabei „laufen“ die Elektronen erst hin und dann zurück. Diese. Ihre Bewegungsrichtung ändert sich ständig. Wenn dann ein Wechselstrom durch den Stromkreis mit dem Kondensator fließt, dann sammelt sich auf jeder seiner Platten die Ladung „+“ und dann „-“ an. Diese. tatsächlich fließt ein Wechselstrom. Und das bedeutet, dass der Wechselstrom „frei“ durch den Kondensator fließt.

Dieser gesamte Prozess kann mit der Methode der hydraulischen Analogien modelliert werden. Das Bild unten ist ein Analogon des Wechselstromkreises. Der Kolben drückt die Flüssigkeit hin und her. Dadurch dreht sich das Laufrad hin und her. Es entsteht sozusagen ein variabler Flüssigkeitsstrom (wir lesen Wechselstrom).

Platzieren wir nun ein Kondensatormodell in Form einer Membran zwischen der Stromquelle (Kolben) und dem Laufrad und analysieren wir, was sich ändern wird.

Es sieht so aus, als würde sich nichts ändern. Da die Flüssigkeit oszillierende Bewegungen ausführte, oszillierte sie auch weiterhin, da das Laufrad dadurch oszillierte. Das bedeutet, dass unsere Membran kein Hindernis für variable Strömungen darstellt. Es wird auch für einen elektronischen Kondensator sein.

Tatsache ist, dass, obwohl die Elektronen, die in Ketten laufen und nicht das Dielektrikum (Membran) zwischen den Platten des Kondensators, sondern außerhalb des Kondensators durchqueren, ihre Bewegung oszillierend (hin und her) ist, d. h. Wechselstrom fließt. Äh!

Somit leitet der Kondensator Wechselstrom durch und verzögert Gleichstrom. Dies ist sehr praktisch, wenn Sie den Gleichstromanteil im Signal entfernen möchten, beispielsweise am Ausgang/Eingang eines Audioverstärkers, oder wenn Sie nur den variablen Teil des Signals (Welligkeit am Ausgang eines Gleichstromverstärkers) sehen möchten Spannungsquelle).

Kondensatorreaktanz

Ein Kondensator hat einen Widerstand! Im Prinzip lässt sich dies bereits dadurch vermuten, dass durch ihn kein Gleichstrom fließt, als wäre er ein Widerstand mit sehr hohem Widerstand.

Eine andere Sache ist der Wechselstrom – er fließt durch, erfährt aber einen Widerstand vom Kondensator:

f ist die Frequenz, C ist die Kapazität des Kondensators. Wenn Sie sich die Formel genau ansehen, werden Sie feststellen, dass bei konstantem Strom f = 0 und dann (mögen mir die militanten Mathematiker verzeihen!) X c = ist Unendlichkeit. Und es fließt kein Gleichstrom durch den Kondensator.

Der Widerstand gegenüber Wechselstrom ändert sich jedoch abhängig von seiner Frequenz und der Kapazität des Kondensators. Je größer die Frequenz des Stroms und die Kapazität des Kondensators sind, desto weniger Widerstand leistet er diesem Strom und umgekehrt. Je schneller sich die Spannung ändert
Je größer die Spannung, desto größer der Strom durch den Kondensator. Dies erklärt die Abnahme von Xc mit zunehmender Frequenz.

Ein weiteres Merkmal des Kondensators ist übrigens, dass an ihm kein Strom abgegeben wird, er erwärmt sich nicht! Daher wird es manchmal verwendet, um die Spannung dort zu dämpfen, wo ein Widerstand rauchen würde. Beispielsweise um die Netzspannung von 220V auf 127V zu senken. Und weiter:

Der Strom in einem Kondensator ist proportional zur an seinen Anschlüssen angelegten Spannung.

Wo werden Kondensatoren eingesetzt?

Ja, überall dort, wo ihre Eigenschaften erforderlich sind (kein Gleichstrom leiten, Akkumulationsvermögen). elektrische Energie und seinen Widerstand je nach Frequenz ändern), in Filtern, in Schwingkreisen, in Spannungsvervielfachern usw.

Was sind Kondensatoren?

Die Industrie produziert viele verschiedene Typen Kondensatoren. Jeder von ihnen hat bestimmte Vor- und Nachteile. Manche haben einen geringen Leckstrom, andere haben eine große Kapazität, wieder andere haben etwas anderes. Abhängig von diesen Indikatoren werden Kondensatoren ausgewählt.

Funkamateure, besonders wie wir – Anfänger – machen sich nicht besonders die Mühe und wetten, was sie finden. Dennoch sollten Sie wissen, welche Arten von Kondensatoren es hauptsächlich in der Natur gibt.

Das Bild zeigt eine sehr bedingte Trennung der Kondensatoren. Ich habe es nach meinem Geschmack zusammengestellt und es gefällt mir, weil man sofort erkennt, ob es welche gibt variable Kondensatoren, was sind Festkondensatoren und welche Dielektrika werden in herkömmlichen Kondensatoren verwendet. Im Allgemeinen alles, was ein Funkamateur braucht.

Sie haben einen geringen Leckstrom, kleine Abmessungen, eine geringe Induktivität und können bei hohen Frequenzen sowie in Gleich-, Puls- und Wechselstromkreisen betrieben werden.

Sie werden in einem breiten Spektrum an Betriebsspannungen und Kapazitäten hergestellt: von 2 bis 20.000 pF und halten je nach Ausführung Spannungen bis zu 30 kV stand. Aber meistens werden Sie es sehen Keramikkondensatoren mit Betriebsspannung bis 50V.

Ehrlich gesagt weiß ich nicht, ob sie sie jetzt herstellen. Aber früher wurde in solchen Kondensatoren Glimmer als Dielektrikum verwendet. Und der Kondensator selbst bestand aus einer Packung Glimmer, auf die jeweils beidseitig Platten aufgebracht waren, und dann wurden diese Platten zu einem „Paket“ zusammengebaut und in einen Koffer verpackt.

Typischerweise hatten sie eine Kapazität von mehreren tausend bis zehntausend Pikoforaden und arbeiteten im Spannungsbereich von 200 V bis 1500 V.

Papierkondensatoren

Solche Kondensatoren haben Kondensatorpapier als Dielektrikum und Aluminiumstreifen als Platten. lange Bänder Aluminiumfolie Mit einem Papierstreifen dazwischen werden sie aufgerollt und in einer Kiste verpackt. Das ist der springende Punkt.

Diese Kondensatoren haben Kapazitäten von Tausenden Pikoforad bis 30 Mikrofarad und können Spannungen von 160 bis 1500 Volt verarbeiten.

Gerüchten zufolge werden sie mittlerweile von Audiophilen geschätzt. Ich bin nicht überrascht - sie haben auch einseitige Leitungsdrähte ...

Im Prinzip gewöhnliche Kondensatoren mit Polyester als Dielektrikum. Kapazitätsspreizung von 1 nF bis 15 mF bei Betriebsspannung von 50 V bis 1500 V.

Kondensatoren dieser Art haben zwei unbestreitbare Vorteile. Erstens können Sie sie mit einer sehr kleinen Toleranz von nur 1 % herstellen. Wenn also 100 pF darauf steht, dann beträgt seine Kapazität 100 pF +/- 1 %. Und zweitens kann ihre Betriebsspannung bis zu 3 kV erreichen (und die Kapazität liegt zwischen 100 pF und 10 mF).

Elektrolytkondensator

Diese Kondensatoren unterscheiden sich von allen anderen dadurch, dass sie nur an einen Gleich- oder Pulsstromkreis angeschlossen werden können. Sie sind polar. Sie haben Vor- und Nachteile. Das liegt an ihrem Design. Und wenn ein solcher Kondensator umgekehrt eingeschaltet wird, wird er höchstwahrscheinlich anschwellen. Und früher explodierten sie auch fröhlich, aber unsicher. Es gibt Elektrolytkondensator Aluminium und Tantal.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind fast wie Papierkondensatoren angeordnet, mit dem einzigen Unterschied, dass die Platten eines solchen Kondensators aus Papier und Aluminiumstreifen bestehen. Das Papier wird mit einem Elektrolyten imprägniert und ein Aluminiumstreifen damit beschichtet dünne Schicht Oxid, das als Dielektrikum wirkt. Legt man an einen solchen Kondensator einen Wechselstrom an oder dreht ihn auf die Ausgangspolaritäten um, dann kocht der Elektrolyt und der Kondensator fällt aus.

Elektrolytkondensatoren verfügen über eine ausreichend große Kapazität, weshalb sie beispielsweise häufig in Gleichrichterschaltungen eingesetzt werden.

Das ist wahrscheinlich alles. Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Polycarbonat, Polystyrol und wahrscheinlich vielen anderen Typen blieben im Verborgenen. Aber ich denke, es wird überflüssig sein.

Fortsetzung folgt...

Im zweiten Teil möchte ich Beispiele für den typischen Einsatz von Kondensatoren zeigen.