Χρόνος φόρτισης πυκνωτή. Σχετική διηλεκτρική σταθερά. Συσκευή πυκνωτή. Από τι εξαρτάται η χωρητικότητα;

Υπάρχουν όμως και άλλα συστατικά που χρησιμεύουν στη συσσώρευση ηλεκτρική ενέργεια, δηλαδή τον πυκνωτή που θα παρουσιάσουμε σήμερα και τον επαγωγέα που θα παρουσιάσουμε αργότερα. Αυτά τα δύο συστατικά σχηματίζουν μια ομάδα που λέγεται «αντιδραστήρια», και όταν είναι ιδανικά, δηλαδή δεν έχουν απώλειες, που μπορούν να θεωρηθούν συστατικά αντίστασης, δεν θερμαίνονται ποτέ. Συσσωρεύονται και ανταλλάσσουν ενέργεια μεταξύ τους.

Θυμάστε όταν φορτίζουμε ένα μεταλλικό σώμα με θετικά και αρνητικά φορτία; Και μετά τα συνδέουμε σε μεταλλική ράβδο. Τα όργανα αποφορτίστηκαν κυκλοφορώντας ηλεκτρόνια από το αρνητικό προς το θετικό σώμα μέχρι να βρεθούν και τα δύο στο ίδιο ηλεκτρικό δυναμικό. Εσωτερική δομήΟ πυκνωτής μας θυμίζει αυτή την εμπειρία. Στο σχ. 1 μπορείτε να δείτε δύο μεταλλικές μπάλες που σχηματίζουν έναν στοιχειακό πυκνωτή.

Με τη βοήθεια αυτού απλή συσκευήθα δημιουργήσουμε μερικές πολύ ακριβείς έννοιες. Για να φορτίσουμε τη συσκευή μας, μπορούμε να κρατήσουμε την επάνω μπάρα της στο θετικό άκρο της μπαταρίας και τον ακροδέκτη της κάτω από την αρνητική. Αμέσως, τα ηλεκτρόνια κυκλοφορούν από τη στοίβα στην κάτω σφαίρα και από την επάνω σφαίρα στη στοίβα.

Αυτή η κυκλοφορία είναι στιγμιαία μόνο όταν διατηρούνται οι ράβδοι. μετά από κάποιο χρονικό διάστημα η κυκλοφορία σταματά επειδή έχει προκύψει ισοζύγιο χρεώσεων. Αν μπορούσαμε να μετρήσουμε την τάση μεταξύ δύο ράβδων χρησιμοποιώντας ένα άπειρο μέτρο εσωτερική αντίσταση, θα παρατηρούσαμε ότι οι μεταλλικές μπάλες έχουν διαφορά δυναμικού, ίση με την τάσηκύτταρα.

Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι η τάση στην οποία φορτίστηκε ο στοιχειώδης πυκνωτής δεν χάνεται ποτέ ακόμη και μετά την αποσύνδεση της συσκευής από την μπαταρία. Εάν ο πυκνωτής που σχηματίζεται είναι τέλειος και ο μετρητής έχει άπειρη αντίσταση, μπορεί να μετρά την ίδια τάση κάθε δεύτερη ώρα.

Όπως γνωρίζετε από την ειδικότητά μας, ο καθένας έχει μια αναπαράσταση μέσω ενός διαγράμματος. Στο σχήμα 2 μπορούμε να παρατηρήσουμε μια αναπαράσταση του στοιχειώδους πυκνωτή μας με ένα πολύ χαρακτηριστικό σχήμα που σχηματίζει ένα κύκλωμα που θα μας επιτρέψει να φορτίσουμε και να εκφορτίσουμε τον πυκνωτή. Το στοιχείο που μετατρέπει το κύκλωμα φόρτισης σε κύκλωμα εκφόρτισης ονομάζεται διακόπτης μετατροπέα και έχει ένα μεταλλικό φύλλο που βρίσκεται σε φυσική επαφή με το ένα ή το άλλο τμήμα του κυκλώματος.

Αυτό είναι ένα δύσκολο κύκλωμα για έναν αρχάριο. ας το εξηγήσουμε λοιπόν αναλυτικά. Αυτές οι λεπίδες περιστρέφονται στους δύο ακροδέκτες στα αριστερά και συνδέουν εναλλάξ τους επάνω ή κάτω ακροδέκτες στα δεξιά. Luis Davila με τον τίτλο "Using a Multimeter". Στην πραγματικότητα, ένας παλμογράφος σάς επιτρέπει να παρακολουθείτε πώς αλλάζει η τάση σε έναν πυκνωτή με την πάροδο του χρόνου. Μπορούμε να πούμε ότι είναι ένας σχεδιογράφος πυκνότητας, που ισοδυναμεί με τη μέτρηση με μετρητή κάθε δευτερόλεπτο και τη γραφική παράσταση του αποτελέσματος.

Η εξήγηση μιας διαδικασίας με λόγια είναι εξαιρετικά κουραστική, επομένως χρησιμοποιούμε μια διαδικασία που συνοψίζεται σε συμβολική μορφή. Τέλος, κάντε αριστερό κλικ στη μεταφορά της μπαταρίας και πέστε στην επιφάνεια εργασίας όπου θέλετε να βρείτε την μπαταρία. Στη συνέχεια, μεταβείτε στο διάγραμμα όπως υποδείχθηκε στο προηγούμενο μάθημα.

Μετά τη συναρμολόγηση του κυκλώματος ή τη στιγμή της κόλλησης κάθε εξαρτήματος, πρέπει να του αντιστοιχίσετε μια τιμή. Κάντε διπλό κλικ στο επιλεγμένο στοιχείο και θα εμφανιστεί ένα παράθυρο διαλόγου όπως φαίνεται στην εικόνα. Με τον ίδιο τρόπο κάνουμε διπλό κλικ στον πυκνωτή και θα εμφανιστεί το πλαίσιο διαλόγου στο σχήμα 5 με τις μονάδες ισχύος. Για να το κάνετε αυτό, επιλέξτε το εικονίδιο με τις χρωματιστές ρίγες και, στη συνέχεια, ανοίξτε το γραφικό κάτω από το περίγραμμα. Όταν κάνετε κλικ στην εικόνα, εμφανίζεται μια οθόνη που σας επιτρέπει να επιλέξετε κλίμακες.

Προδιαθέτοντας τον για το επόμενο σχέδιο. Η επιθυμητή γραφική παράσταση φαίνεται στο Σχήμα 7. Στην πραγματικότητα, ο πυκνωτής δεν εκφορτίζεται, παραμένοντας ποτέ φορτισμένος με τιμή που πέφτει 38,4% από την τιμή που είχε 1 μS πριν. Αυτός ο τύπος καμπύλης ονομάζεται εκθετική και εμφανίζεται πάντα όταν μια δραστική συνιστώσα συνδυάζεται με μια συνιστώσα αντίστασης. Στο κύκλωμα φόρτισης και εκφόρτισής μας, χρησιμοποιούμε διπλό διακόπτη για να αποσυνδέσουμε τους δύο ακροδέκτες του πυκνωτή μας.

Καμπύλη φόρτισης πυκνωτή

Στην πραγματικότητα, τόσο ο αρνητικός ακροδέκτης της μπαταρίας όσο και ο κάτω ακροδέκτης της αντίστασης και ο κάτω ακροδέκτης του πυκνωτή μπορούν να συνδεθούν μόνιμα στη γείωση, καθώς αυτό είναι αρκετό για να διακοπεί σε ένα σημείο του κυκλώματος για να σταματήσει το ρεύμα. Ακριβώς όπως ένας πυκνωτής αποφορτίζεται εκθετικά, φορτίζει επίσης εκθετικά όταν υπάρχει αντίσταση μεταξύ της μπαταρίας και του πυκνωτή γνωστή αξία. Στο σχ. 10, μπορεί να παρατηρηθεί ένα κύκλωμα στο οποίο ο πυκνωτής φορτίζεται από μια πηγή 10 V ή αποφορτίζεται στη γείωση όταν μετακινείται ο διακόπτης.

Όταν ο διακόπτης είναι ανυψωμένος ο πυκνωτής φορτίζεται και η τάση αυξάνεται, όταν πέφτει η αντίσταση συνδέεται και η τάση είναι χαμηλή. Εδώ πρέπει να εξηγήσουμε δύο πολύ σημαντικά πράγματα σχετικά με την προσομοίωση. Μπορείτε πραγματικά να επιλέξετε το κλειδί που θέλετε γιατί κάνοντας διπλό κλικ στο κλειδί, θα εμφανιστεί ένα παράθυρο διαλόγου που θα σας ρωτήσει ποιο κλειδί θέλετε να ελέγξετε. Δεύτερον, είναι αδύνατο να ανοίξει και να κλείσει ένα κλειδί σε δύο εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Φυσικά περνάμε δευτερόλεπτα ανάμεσα στο πάτημα και το πάτημα.

Συμβαίνει ότι η προσομοίωση δεν εκτελείται σε πραγματικό χρόνο. Στην πραγματικότητα, το κύκλωμα δεν είναι πραγματικά συναρμολογημένο, αλλά λύνει εξισώσεις, αλλά με τέτοια ταχύτητα που μπορούν να αναπαρασταθούν σε ένα γράφημα. αν και όχι σε πραγματικό χρόνο. Η προσομοίωση ώρας μπορεί να διαβαστεί στο κάτω μέρος της οθόνης όπου λέει "time". Μπορείτε να εξηγήσετε εύκολα γιατί η τάση αλλάζει εκθετικά καθώς εκφορτίζεται ένας πυκνωτής; Πρέπει να χρησιμοποιήσετε μαθηματικά για να το αποδείξετε αυτό, αλλά είναι προτιμότερο να προβλέψετε το κίνητρο πριν εκτελέσετε μια καθαρά ακαδημαϊκή επίδειξη.

Αναλύοντας το παράδειγμά μας, μπορούμε να πούμε ότι όταν ένας πυκνωτής φορτίζεται στα 10V και μια αντίσταση 1 ohm είναι συνδεδεμένη σε αυτόν, το ρεύμα που ρέει μέσω της αντίστασης είναι 10A και επομένως η πτώση τάσης στην αντίσταση είναι ίση με την τάση της πηγής. Όταν ένας πυκνωτής εκφορτίζεται σε μια αντίσταση, η τάση είναι μικρότερη και επομένως κάθε φορά που αντλεί λιγότερο ρεύμα και τότε είναι λογικό ότι ο πυκνωτής χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να εκφορτιστεί. Για παράδειγμα, όταν ένα μικροδευτερόλεπτο διέρχεται τάση 3,8 V και μόνο αντίσταση 3,8 A από μια αντίσταση.

Είναι δυνατόν να φορτιστεί ένας πυκνωτής γραμμικά; Σίγουρα, αλλά πρέπει να φορτίζεται από μια πηγή σταθερού ρεύματος, όχι μια πηγή σταθερής τάσης όπως μια μπαταρία. Τι είναι μια πηγή σταθερού ρεύματος; Μια πηγή σταθερής τάσης είναι μια τάση της οποίας η τάση εξόδου δεν αλλάζει με το ρεύμα φορτίου. Αντί για την πηγή συνεχές ρεύμαείναι κάθε πηγή που παρέχει σταθερό ρεύμα εξόδου ανεξάρτητα από την αντίσταση φορτίου. Για παράδειγμα, μια πηγή συνεχούς ρεύματος 1A θα μεταφέρει αυτό το ρεύμα είτε σε φόρτιση 1 ohm είτε σε φορτίο 10 ohm.

Σημειώστε ότι κατά τη φόρτιση ενός πυκνωτή με σταθερό ρεύμα, η εκθετική καμπύλη μετατρέπεται σε ευθεία γραμμή, με αποτέλεσμα πολλά χρήσιμα σχήματα, που σταδιακά μαθαίνουμε. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας το σύμβολο της πηγής DC. Στην πραγματικότητα, αν θέλετε, μπορείτε να θεωρήσετε ότι οι προμήθειες DC είναι απλώς μια ηλεκτρονική αφαίρεση, αφού δεν υπάρχουν ως πραγματικό εξάρτημα. Όπως φαίνεται στο ΣΧ. 11, το κύκλωμα αλλαγής μπορεί να λειτουργήσει με σταθερή πηγή ρεύματος.

Επειδή ο μαθητής μπορεί να παρατηρήσει ότι τα κυκλώματα παράγουν το ίδιο σήμα κατά μήκος του πυκνωτή και επομένως είναι ισοδύναμα. Σε αυτό το μάθημα γνωρίσαμε τον δεύτερο πιο σημαντικό χαρακτήρα στα ηλεκτρονικά. Στην πραγματικότητα, το παρουσιάζουμε μόνο γιατί δεν έχουμε εξηγήσει ακόμα πώς κατασκευάζεται ένας πραγματικός πυκνωτής.

Μέχρι στιγμής ο πυκνωτής μας είναι δύο μεταλλικές μπάλες που χωρίζονται από έναν μονωτή, που είναι ο αέρας. Ποτέ δεν καθορίζουμε το μέγεθος αυτών των σφαιρών που χρειάζονται για τη δημιουργία ενός πυκνωτή 1uF όπως αυτός που χρησιμοποιήσαμε στην εξήγηση. Αυτός ο πυκνωτής πρέπει να έχει διάμετρο περίπου αρκετών χιλιομέτρων. Αλλά ευτυχώς, η σημερινή βιομηχανία μας προσφέρει λύσεις τόσο μικρές όσο ένας κύλινδρος με διάμετρο 3 mm επί 3 ύψη.

Στο επόμενο μάθημα θα ολοκληρώσουμε το θέμα εξηγώντας τι είναι κεραμικός πυκνωτής, πολυεστέρας και ηλεκτρολυτικό πυκνωτή, και πρώτα απ 'όλα, θα επικεντρωθούμε στο τελευταίο, γιατί είναι ένα από τα συστατικά με υψηλότερο επίπεδοαστοχίες και για το γεγονός ότι έχει την ιδιαιτερότητα να είναι πολωμένη συνιστώσα.

Εχουμε επίπεδος πυκνωτήςκυκλικές πλάκες ραδιοφώνου διαχωρισμένες κατά απόσταση. Το ρεύμα ρέει στον πυκνωτή. Υπολογίστε το ρεύμα πόλωσης μέσα στον πυκνωτή. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο εξαρτάται από το χρόνο και το ρεύμα μετατόπισης είναι ανάλογο με τη χρονική παράγωγο της ηλεκτρικής ροής αυτού του πεδίου. Αυτό συμβαίνει επειδή το φορτίο που μεταφέρει το ρεύμα δεν μπορεί να περάσει μέσα από τον πυκνωτή και εναποτίθεται στην πλάκα του πυκνωτή.

Στη συνέχεια, υποθέτουμε ότι το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών του πυκνωτή είναι ομοιόμορφο και κάθετο στις πλάκες. Το διάνυσμα είναι ένα μοναδιαίο διάνυσμα που προέρχεται από τη θετική στην αρνητική πλάκα. Στην παράγραφο 2 είδαμε ότι το πεδίο που δημιουργείται μεταξύ δύο πλακών με πυκνότητες φορτίου ίδιας απόλυτης τιμής και αντίθετα σημάδια, ήταν.

Όπου σ είναι η επιφανειακή πυκνότητα φορτίου. Η περιοχή των πλακών είναι ο πυκνωτής. Στη συνέχεια, το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών μπορεί να καταγραφεί. Ας υπολογίσουμε το ρεύμα πόλωσης που διαρρέει τον πυκνωτή. Η ηλεκτρική ροή μέσω της επιφάνειας παράλληλης προς τις πλάκες είναι.

Εφόσον το ηλεκτρικό πεδίο είναι ομοιόμορφο, έχουμε. Ρεύμα μετατόπισης. Αλλά αυτή η τιμή είναι ίση με το ρεύμα που φτάνει στις πλάκες. Στη συνέχεια βλέπουμε ότι το ρεύμα πόλωσης μεταξύ των πλακών του πυκνωτή είναι ίσο με το ρεύμα αγωγιμότητας στο καλώδιο. Αυτό το γεγονός καθιστά τον νόμο Ampere-Maxwell εφαρμόσιμο σε κάθε επιφάνεια που υποστηρίζεται από μια κλειστή καμπύλη.

Σε ένα σύστημα σχήματος, θεωρήστε δύο επιφάνειες που στηρίζονται σε μια κλειστή καμπύλη Γ. Αν και, αν κάνουμε δύο στην επιφάνεια, έχουμε. Πρέπει να σημειωθεί ότι το γεγονός ότι το ρεύμα αγωγής στο καλώδιο και το ρεύμα μετατόπισης μέσα στον πυκνωτή είναι αριθμητικά ίσα δεν σημαίνει ότι μπορούμε να γράψουμε και τον νόμο Ampere-Maxwell.

Το ρεύμα οδήγησης και το ρεύμα πόλωσης εμφανίζονται στο διαφορετικούς τόπους. Αγωγή στο καλώδιο και μετατόπιση μέσα στον πυκνωτή. Οι δίοδοι μπορούν να συνδεθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να αλλάζουν το πρόσημο ενός από τους μισούς κύκλους. Έτσι, αντί να εξαλειφθεί ο μισός κύκλος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ληφθεί η μέγιστη έξοδος ρεύματος εισόδου.