Ο πυκνωτής περνά συνεχές ρεύμα; Ηλεκτρικός πυκνωτής. Τύποι πυκνωτών. Θα ζεσταθεί ο πυκνωτής;

Μια γρήγορη αλλαγή στην ισχύ του ρεύματος και στην κατεύθυνσή του, που χαρακτηρίζει το εναλλασσόμενο ρεύμα, οδηγεί σε μια σειρά τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά, διακρίνοντας τη δράση εναλλασσόμενο ρεύμααπό συνεχές ρεύμα. Μερικά από αυτά τα χαρακτηριστικά εμφανίζονται ξεκάθαρα στα ακόλουθα πειράματα.

1. Διέλευση εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω ενός πυκνωτή. Ας έχουμε στη διάθεσή μας μια πηγή συνεχούς ρεύματος με τάση 12 V ( μπαταρία συσσωρευτή) και μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος με τάση επίσης 12 V. Συνδέοντας μια μικρή λάμπα πυρακτώσεως σε καθεμία από αυτές τις πηγές, θα δούμε ότι και οι δύο λαμπτήρες καίγονται εξίσου έντονα (Εικ. 298a). Ας συνδέσουμε τώρα έναν πυκνωτή υψηλής χωρητικότητας στο κύκλωμα τόσο του πρώτου όσο και του δεύτερου λαμπτήρα (Εικ. 298, β). Θα διαπιστώσουμε ότι στην περίπτωση συνεχούς ρεύματος ο λαμπτήρας δεν ανάβει καθόλου, αλλά στην περίπτωση εναλλασσόμενου ρεύματος η πυράκτωση του παραμένει σχεδόν ίδια με πριν. Η απουσία πυράκτωσης σε ένα κύκλωμα DC είναι εύκολα κατανοητή: υπάρχει ένα μονωτικό στρώμα μεταξύ των πλακών του πυκνωτή, επομένως το κύκλωμα είναι ανοιχτό. Η ένταση μιας λάμπας σε ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος φαίνεται εκπληκτική.

Ρύζι. 298. Η διέλευση εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω ενός πυκνωτή: α) λαμπτήρες συνδεδεμένοι σε κύκλωμα συνεχούς ρεύματος (στα δεξιά) ή εναλλασσόμενο ρεύμα (στα αριστερά) ανάβουν εξίσου. β) όταν ένας πυκνωτής είναι συνδεδεμένος στο κύκλωμα D.C.σταματά, το εναλλασσόμενο ρεύμα συνεχίζει να ρέει και ανάβει τη λάμπα

Ωστόσο, αν το σκεφτείς, δεν υπάρχει τίποτα μυστηριώδες σε αυτό. Έχουμε εδώ μόνο μια συχνή επανάληψη της γνωστής διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης ενός πυκνωτή. Όταν συνδέουμε (Εικ. 299, α) έναν πυκνωτή σε μια πηγή ρεύματος (γυρίζοντας το μοχλό του διακόπτη προς τα αριστερά), το ρεύμα ρέει μέσα από τα καλώδια έως ότου τα φορτία που συσσωρεύονται στις πλάκες πυκνωτών δημιουργήσουν μια διαφορά δυναμικού που εξισορροπεί την τάση του πηγή. Αυτό δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στον πυκνωτή, στο οποίο συγκεντρώνεται μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας. Όταν συνδέουμε τις πλάκες ενός φορτισμένου πυκνωτή με έναν αγωγό, αποσυνδέοντας την πηγή ρεύματος (περιστρέφοντας το μοχλό του διακόπτη προς τα δεξιά), το φορτίο θα ρέει μέσω του αγωγού από τη μια πλάκα στην άλλη και θα περάσει ένα βραχυπρόθεσμο ρεύμα μέσω του αγωγού που ανάβει τη λάμπα. Το πεδίο στον πυκνωτή εξαφανίζεται και η ενέργεια που αποθηκεύεται σε αυτόν δαπανάται για τη θέρμανση του λαμπτήρα.

Ρύζι. 299. Κάθε φορά που επαναφορτίζεται ο πυκνωτής, ο λαμπτήρας αναβοσβήνει: α) φορτίζοντας τον πυκνωτή (πλήκτρο αριστερά) και εκφορτίζοντας τον μέσω του λαμπτήρα (κλειδί προς τα δεξιά). β) γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή κατά την περιστροφή του κλειδιού, το φως αναβοσβήνει. γ) ένας πυκνωτής και ένας λαμπτήρας σε κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος

Αυτό που συμβαίνει όταν εναλλασσόμενο ρεύμα διέρχεται από έναν πυκνωτή εξηγείται πολύ ξεκάθαρα από το πείραμα που απεικονίζεται στο Σχ. 299, β. Περιστρέφοντας το μοχλό διακόπτη προς τα δεξιά, συνδέουμε τον πυκνωτή σε μια πηγή ρεύματος και η πλάκα 1 φορτίζεται θετικά και η πλάκα 2 φορτίζεται αρνητικά. Όταν ο διακόπτης βρίσκεται στη μεσαία θέση, όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, ο πυκνωτής αποφορτίζεται μέσω του λαμπτήρα. Όταν ο διακόπτης περιστρέφεται προς τα αριστερά, ο πυκνωτής φορτίζεται ξανά, αλλά αυτή η πλάκα ώρας 1 φορτίζεται αρνητικά και η πλάκα 2 φορτίζεται θετικά. Μετακινώντας γρήγορα το μοχλό του διακόπτη πρώτα προς τη μία κατεύθυνση και μετά προς την άλλη, θα δούμε ότι με κάθε αλλαγή επαφής ο λαμπτήρας αναβοσβήνει για μια στιγμή, δηλαδή, ένα βραχυπρόθεσμο ρεύμα περνά μέσα από αυτό. Εάν αλλάξετε αρκετά γρήγορα, η λάμπα αναβοσβήνει τόσο γρήγορα η μία μετά την άλλη που θα καίει συνεχώς. Ταυτόχρονα, ένα ρεύμα ρέει μέσα από αυτό, αλλάζοντας συχνά την κατεύθυνσή του. Σε αυτήν την περίπτωση, το ηλεκτρικό πεδίο στον πυκνωτή θα αλλάζει συνεχώς: είτε θα δημιουργηθεί, μετά θα εξαφανιστεί και μετά θα δημιουργηθεί ξανά προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το ίδιο συμβαίνει όταν συνδέουμε έναν πυκνωτή σε ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος (Εικ. 299γ).

2. Η διέλευση εναλλασσόμενου ρεύματος από πηνίο με υψηλή αυτεπαγωγή. Ας το συνδέσουμε στο κύκλωμα που φαίνεται στο Σχ. 298,b, αντί για πυκνωτή, ένα πηνίο κατασκευασμένο από χάλκινο σύρμαμε μεγάλο αριθμό στροφών, μέσα στις οποίες τοποθετείται σιδερένιος πυρήνας (Εικ. 300). Τέτοια πηνία είναι γνωστό ότι έχουν υψηλή επαγωγή (§ 144). Η αντίσταση ενός τέτοιου πηνίου στο συνεχές ρεύμα θα είναι μικρή, καθώς είναι κατασκευασμένο από αρκετά χοντρό σύρμα. Στην περίπτωση συνεχούς ρεύματος (Εικ. 300, α), ο λαμπτήρας καίει έντονα, αλλά στην περίπτωση εναλλασσόμενου ρεύματος (Εικ. 300, β), η λάμψη είναι σχεδόν ανεπαίσθητη. Η εμπειρία με το συνεχές ρεύμα είναι ξεκάθαρη: δεδομένου ότι η αντίσταση του πηνίου είναι μικρή, η παρουσία του σχεδόν δεν αλλάζει το ρεύμα και ο λαμπτήρας καίει έντονα. Γιατί το πηνίο εξασθενεί το εναλλασσόμενο ρεύμα; Θα βγάλουμε σταδιακά τον σιδερένιο πυρήνα από το πηνίο. Θα διαπιστώσουμε ότι ο λαμπτήρας γίνεται όλο και πιο ζεστός, δηλαδή ότι όσο ο πυρήνας εκτείνεται, το ρεύμα στο κύκλωμα αυξάνεται. Όταν ο πυρήνας αφαιρεθεί εντελώς, η λάμψη του λαμπτήρα μπορεί να φτάσει σχεδόν κανονική, εάν ο αριθμός των στροφών του πηνίου δεν είναι πολύ μεγάλος. Αλλά η επέκταση του πυρήνα μειώνει την αυτεπαγωγή του πηνίου. Έτσι βλέπουμε ότι ένα πηνίο χαμηλής αντίστασης αλλά υψηλής επαγωγής, συνδεδεμένο σε κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος, μπορεί να αποδυναμώσει σημαντικά αυτό το ρεύμα.

Ρύζι. 300. Ένας λαμπτήρας συνδέεται σε κύκλωμα συνεχούς (α) και εναλλασσόμενου (β) ρεύματος. Ένα πηνίο συνδέεται σε σειρά με τον λαμπτήρα. Με συνεχές ρεύμα ο λαμπτήρας καίει έντονα, με εναλλασσόμενο ρεύμα ανάβει αμυδρά.

Η επίδραση ενός πηνίου υψηλής επαγωγής στο εναλλασσόμενο ρεύμα είναι επίσης εύκολο να εξηγηθεί. Εναλλασσόμενο ρεύμα είναι ένα ρεύμα του οποίου η ισχύς αλλάζει γρήγορα, άλλοτε αυξάνεται και άλλοτε μειώνεται. Με αυτές τις αλλαγές στο κύκλωμα, εμφανίζεται η ε.μ. δ.σ. αυτοεπαγωγή, η οποία εξαρτάται από την επαγωγή του κυκλώματος. Η κατεύθυνση αυτής της π. δ.σ. (όπως είδαμε στην § 139) είναι τέτοια που η δράση του εμποδίζει τη μεταβολή του ρεύματος, δηλαδή μειώνει το πλάτος του ρεύματος και επομένως του αποτελεσματική αξία. Ενώ η αυτεπαγωγή των καλωδίων είναι μικρή, αυτή η πρόσθετη π. δ.σ. είναι επίσης μικρό και η επίδρασή του είναι σχεδόν ανεπαίσθητη. Αλλά παρουσία μεγάλης αυτεπαγωγής, αυτό το πρόσθετο π. δ.σ. μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την ισχύ του εναλλασσόμενου ρεύματος.

Σχετικά με τη φόρτιση ενός πυκνωτή.

Ας κλείσουμε το κύκλωμα. Ένα ρεύμα φόρτισης πυκνωτή θα ρέει μέσω του κυκλώματος. Αυτό σημαίνει ότι μερικά ηλεκτρόνια από την αριστερή πλάκα του πυκνωτή θα μπουν στο καλώδιο και ο ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων θα πάει από το καλώδιο στη δεξιά πλάκα. Και οι δύο πλάκες θα φορτιστούν με αντίθετα φορτία του ίδιου μεγέθους.

Θα υπάρχει ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών στο διηλεκτρικό.

Τώρα ας ανοίξουμε το κύκλωμα. Ο πυκνωτής θα παραμείνει φορτισμένος. Ας βραχυκυκλώσουμε την επένδυση του με ένα κομμάτι σύρμα. Ο πυκνωτής θα εκφορτιστεί αμέσως. Αυτό σημαίνει ότι μια περίσσεια ηλεκτρονίων θα πάει από τη δεξιά πλάκα στο σύρμα και η έλλειψη ηλεκτρονίων θα πάει από το σύρμα στην αριστερή πλάκα. Θα υπάρχουν ίσες ποσότητες ηλεκτρονίων και στις δύο πλάκες και ο πυκνωτής θα εκφορτιστεί.

Σε ποια τάση φορτίζει ο πυκνωτής;

Φορτίζεται στην τάση που του εφαρμόζεται από την πηγή ισχύος.

Αντοχή πυκνωτή.

Ας κλείσουμε το κύκλωμα. Ο πυκνωτής άρχισε να φορτίζει και έγινε αμέσως πηγή ρεύματος, τάσης, E.M.S.. Το σχήμα δείχνει ότι το E.M.S. του πυκνωτή κατευθύνεται απέναντι από την πηγή ρεύματος που τον φορτίζει.

Αντιπολίτευση ηλεκτροκινητική δύναμηενός πυκνωτή που φορτίζεται, το φορτίο αυτού του πυκνωτή ονομάζεται χωρητικότητα.

Όλη η ενέργεια που δαπανάται από την πηγή ρεύματος για να υπερνικήσει την χωρητικότητα μετατρέπεται σε ενέργεια ηλεκτρικό πεδίοπυκνωτής. Όταν ο πυκνωτής αποφορτιστεί, όλη η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου θα επιστρέψει στο κύκλωμα με τη μορφή ενέργειας ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι, η χωρητικότητα είναι αντιδραστική, δηλ. μη προκαλώντας μη αναστρέψιμες απώλειες ενέργειας.

Γιατί δεν περνά συνεχές ρεύμα από τον πυκνωτή, αλλά το εναλλασσόμενο ρεύμα;

Ας ενεργοποιήσουμε το κύκλωμα DC. Η λάμπα θα αναβοσβήσει και θα σβήσει, γιατί; Επειδή ένα ρεύμα φόρτισης πυκνωτή πέρασε από το κύκλωμα. Μόλις ο πυκνωτής φορτιστεί στην τάση της μπαταρίας, το ρεύμα στο κύκλωμα θα σταματήσει.

Τώρα ας κλείσουμε το κύκλωμα AC. Στο πρώτο τρίμηνο της περιόδου, η τάση στη γεννήτρια αυξάνεται από το 0 στο μέγιστο. Το κύκλωμα μεταφέρει ένα ρεύμα φόρτισης πυκνωτή. Στο δεύτερο τρίμηνο της περιόδου, η τάση στη γεννήτρια μειώνεται στο μηδέν. Ο πυκνωτής εκφορτίζεται μέσω της γεννήτριας. Μετά από αυτό, ο πυκνωτής φορτίζεται και εκφορτίζεται ξανά. Έτσι, τα ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή ρέουν μέσω του κυκλώματος. Το φως θα παραμένει αναμμένο συνεχώς.

Σε ένα κύκλωμα με πυκνωτή, το ρεύμα ρέει σε όλο το κλειστό κύκλωμα, συμπεριλαμβανομένου του διηλεκτρικού του πυκνωτή. Ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται σε έναν πυκνωτή φόρτισης που πολώνει το διηλεκτρικό. Η πόλωση είναι η περιστροφή των ηλεκτρονίων σε άτομα σε επιμήκεις τροχιές.

Η ταυτόχρονη πόλωση ενός τεράστιου αριθμού ατόμων σχηματίζει ένα ρεύμα που ονομάζεται ρεύμα μετατόπισης. Έτσι σε έρχονται τα καλώδιατο ρεύμα στο διηλεκτρικό είναι του ίδιου μεγέθους.

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή προσδιορίζεται από τον τύπο

Βλέποντας το γράφημα, συμπεραίνουμε: το ρεύμα σε ένα κύκλωμα με καθαρά χωρητική αντίδραση οδηγεί την τάση κατά 90 0.

Τίθεται το ερώτημα: πώς μπορεί το ρεύμα στο κύκλωμα να ξεπεράσει την τάση στη γεννήτρια; Το κύκλωμα μεταφέρει ρεύμα από δύο πηγές ρεύματος εναλλάξ, από τη γεννήτρια και από τον πυκνωτή. Όταν η τάση στη γεννήτρια είναι μηδέν, το ρεύμα στο κύκλωμα είναι μέγιστο. Αυτό είναι το ρεύμα εκφόρτισης του πυκνωτή.

Σχετικά με τον πραγματικό πυκνωτή

Ένας πραγματικός πυκνωτής έχει δύο αντιστάσεις ταυτόχρονα: ενεργό και χωρητικό.Θα πρέπει να θεωρούνται συνδεδεμένα σε σειρά.

Η τάση που εφαρμόζεται από τη γεννήτρια στην ενεργό αντίσταση και το ρεύμα που διαρρέει την ενεργό αντίσταση είναι σε φάση.

Η τάση που εφαρμόζεται από τη γεννήτρια στη χωρητική αντίδραση και το ρεύμα που ρέει μέσω της χωρητικής αντίδρασης μετατοπίζονται στη φάση κατά 90 0. Η προκύπτουσα τάση που εφαρμόζεται από τη γεννήτρια στον πυκνωτή μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τον κανόνα του παραλληλογράμμου.

Επί ενεργητική αντίστασηη τάση U act και το ρεύμα I είναι σε φάση. Σε χωρητική αντίδραση, η τάση Uc υστερεί από το ρεύμα I κατά 90 0. Η προκύπτουσα τάση που εφαρμόζεται από τη γεννήτρια στον πυκνωτή καθορίζεται από τον κανόνα του παραλληλογράμμου. Αυτή η προκύπτουσα τάση υστερεί σε σχέση με το ρεύμα I κατά κάποια γωνία φ, πάντα μικρότερη από 90 0.

Προσδιορισμός της αντίστασης του πυκνωτή που προκύπτει

Η προκύπτουσα αντίσταση ενός πυκνωτή δεν μπορεί να βρεθεί αθροίζοντας τις τιμές των ενεργών και χωρητικών αντιστάσεων του. Αυτό γίνεται σύμφωνα με τον τύπο