Mengisi dan mengosongkan kapasitor

1 Mengisi daya kapasitor dielektrik

Kekeliruan dalam interpretasi pengoperasian kapasitor saat ini sangat jelas terlihat. Hal ini didasarkan pada adanya muatan positif dan negatif dalam suatu rangkaian listrik. Pembawa muatan ini diketahui: proton dan elektron. Namun, mereka juga diketahui merasakan kehadiran satu sama lain dari jarak ribuan kali. ukuran yang lebih besar elektron dan satu juta kali ukuran proton. Bahkan lingkungan yang begitu jauh berakhir dengan pembentukan atom hidrogen, yang hanya ada dalam keadaan plasma pada suhu hingga 5000 C. Hal ini terjadi, misalnya, dalam proses pelepasan elektron dan proton dari Matahari dan selanjutnya penggabungannya menjadi hidrogen. atom. Jadi keberadaan bersama proton dan elektron dalam keadaan bebas dalam konduktor sepenuhnya dikecualikan, oleh karena itu potensi positif dan negatif pada pelat kapasitor dielektrik adalah kesalahan fisikawan. Mari kita perbaiki.

Sekarang kita akan melihat bahwa pelat kapasitor dielektrik diisi bukan oleh polaritas listrik yang berlawanan, tetapi oleh polaritas magnet yang berlawanan. Dalam hal ini, fungsi plus berada di kutub magnet selatan elektron, dan fungsi minus berada di utara. Kutub-kutub ini membentuk polaritas, tetapi bukan listrik, melainkan magnet. Mari kita ikuti proses pengisian kapasitor dielektrik untuk melihat bagaimana kutub magnet sebuah elektron membentuk polaritas magnet pelatnya. Diketahui bahwa di antara pelat kapasitor dielektrik terdapat dielektrik D (Gbr. 1, a).

Diagram percobaan untuk pengisian kapasitor dielektrik ditunjukkan pada Gambar. 1, sebuah. Persyaratan terpenting untuk diagram ini adalah orientasinya dari selatan (S) ke utara (N). Untuk memastikan isolasi lengkap kapasitor dari jaringan setelah pengisian, disarankan untuk menggunakan steker listrik, dicolokkan ke stopkontak 220 V.

Segera setelah dioda, ditampilkan kompas 1 (K), ditempatkan pada kabel menuju kapasitor C. Panah kompas ini, menyimpang ke kanan pada saat steker dinyalakan, menunjukkan arah pergerakan elektron (Gbr. .1) dari titik S ke pelat bawah kapasitor. Di sini penting untuk memperhatikan informasi umum tentang perilaku elektron dalam kabel yang disajikan pada Gambar. 1.

Beras. 1. Skema percobaan pengisian kapasitor kita

Di atas kompas 1 (Gbr. 1) adalah diagram arah Medan gaya sekitar kawat yang dibentuk oleh elektron yang bergerak di dalamnya.

Jadi, elektron yang melewati dioda tiba di pelat bawah kapasitor dengan vektor spin berorientasi

Wajar jika elektron akan sampai ke permukaan bagian dalam pelat atas kapasitor dari jaringan yang berorientasi pada kutub magnet selatan (S). Buktinya adalah fakta eksperimental penyimpangan jarum kompas atas 2 (K) ke kanan (Gbr. 1). Artinya elektron yang berpindah dari jaringan ke pelat atas kapasitor diorientasikan dengan kutub magnet selatan (S) searah pergerakannya (Gbr. 2).

Dengan demikian, orientasi elektron pada pelat kapasitor dielektrik dipastikan oleh permeabilitas medan magnetnya melalui dielektrik. Potensial pada pelat kapasitor adalah satu polaritas negatif dan dua polaritas magnet: kutub magnet utara dan selatan.

Pada Gambar. Gambar 2 menunjukkan diagram yang menjelaskan orientasi elektron yang bergerak ke pelat kapasitor C. Elektron tiba di pelat bawah kapasitor dengan kutub magnet utara (N) berorientasi ke permukaan bagian dalam (Gbr. 2). Elektron yang berorientasi pada kutub magnet selatan (S) tiba di permukaan bagian dalam pelat atas kapasitor.

Beras. 2. Diagram pergerakan elektron ke pelat kapasitor dielektrik

Jadi elektron, satu-satunya pembawa listrik dalam kabel, terbentuk pada pelat kapasitor bukan dengan polaritas listrik yang berlawanan, tetapi dengan polaritas magnet yang berlawanan. Tidak ada proton pada pelat kapasitor dielektrik - pembawa muatan positif.

2 Mengosongkan kapasitor dielektrik

Proses pengosongan kapasitor dielektrik ke resistansi adalah bukti eksperimental berikutnya dari kesesuaian model elektron yang teridentifikasi dengan kenyataan dan kekeliruan gagasan umum yang berlawanan. muatan listrik(Gbr. 3) .

Diagram defleksi jarum kompas (K) 1, 2, 3 dan 4 ketika kapasitor dikosongkan ke resistansi R pada saat sakelar 5 dihidupkan ditunjukkan pada Gambar. 3.

Seperti yang Anda lihat (Gbr. 1 dan 3), pada saat proses pengosongan kapasitor dihidupkan, polaritas magnet pada pelat kapasitor berubah ke arah sebaliknya dan elektron, berbalik, mulai bergerak menuju resistansi R (Gbr. 2, 3).

Beras. 3. Diagram defleksi jarum kompas (K) pada saat pelepasan kapasitor

Beras. 4. Diagram pergerakan elektron dari pelat kapasitor menuju hambatan R saat mengeluarkan kapasitor dielektrik

Elektron yang berasal dari pelat atas kapasitor diorientasikan dengan kutub magnet selatan searah pergerakan, dan dari bawah - dengan kutub utara (Gbr. 4). Kompas 3 dan 4, dipasang pada sekumpulan kabel VA yang berorientasi dari selatan ke utara, dengan jelas mencatat fakta ini dengan membelokkan panah ke kanan, dengan demikian membuktikan bahwa vektor putaran dan momen magnet semua elektron pada kabel tersebut diarahkan dari selatan ke utara (Gbr. 3, 4 ).

3 Pengisian daya kapasitor elektrolitik

Saat menganalisis proses pengisian kapasitor elektrolitik, harus diperhatikan bahwa kapasitor elektrolitik mengandung ion-ion bermuatan positif dan negatif, yang mengontrol proses pembentukan potensial pada pelat kapasitor elektrolitik. Sekarang kita akan melihat bahwa keberadaan elektrolit dalam kapasitor tidak menyebabkan munculnya pembawa muatan positif, yaitu proton, pada kabel.

Elektron adalah torus berongga yang memiliki dua rotasi: relatif terhadap sumbu simetri dan relatif terhadap sumbu annular torus. Rotasi relatif terhadap sumbu annular torus membentuk medan magnet elektron, dan arah garis medan magnet medan ini membentuk dua kutub magnet: utara N dan selatan S.

Rotasi elektron terhadap sumbu pusat dikendalikan oleh torsi kinetik

Pada Gambar. 5, dan orientasi ion ditunjukkan sebagai contoh

Mari kita perhatikan Fitur utama struktur atom hidrogen: vektor momen magnet elektron

Jika peran elektroda ditunjukkan pada Gambar. Gambar 5 a, dibuat pelat-pelat kapasitor, kemudian ketika diisi, elektron-elektron yang berasal dari jaringan luar diorientasikan dengan kutub magnet selatan pada pelat kiri kapasitor dan kutub magnet utara pada pelat kanan. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa elektron menyatukan kutub magnet yang berlawanan, dan pendekatan elektron ke proton dibatasi oleh kutub magnet dengan nama yang sama.

Beras. 5. a) – diagram ion; diagram gugus dua ion

Pada Gambar. 6, dan orientasi ion ditunjukkan sebagai contoh

Mari kita mundur Perhatian khusus karena pelat atas kapasitor (Gbr. 6, a) memiliki elektron di kedua sisinya sehingga tampak saling tolak menolak. Namun, harus diingat bahwa ketika gugus elektron terbentuk, mereka dihubungkan satu sama lain oleh kutub magnet yang berlawanan, dan muatan listrik yang identik membatasi pendekatannya, oleh karena itu kontak ion dengan pelat atas kapasitor terjamin. oleh kutub magnet elektron yang berlawanan. Pelat bawah kapasitor memiliki muatan listrik yang berlawanan, yang mendekatkan proton atom hidrogen dan elektron pelat kapasitor. Namun pemulihan hubungan ini terbatas pada kutub magnet mereka yang bernama sama. Hal ini menjelaskan kontradiksi yang tampak ini.

Beras. 6. a) diagram orientasi ion dalam kapasitor elektrolitik; B ) rangkaian pengisian kapasitor

Jadi, pelat kapasitor elektrolitik diisi dengan polaritas listrik yang berlawanan dan polaritas magnet yang berlawanan pada saat yang bersamaan. Dalam hal ini, fungsi plus berada di kutub magnet selatan elektron, dan fungsi minus berada di utara. Kutub-kutub ini membentuk polaritas listrik dan magnet pada pelat kapasitor. Mari kita ikuti proses pengisian kapasitor untuk melihat bagaimana kutub magnet elektron dan proton membentuk polaritas magnet dan listrik pada pelatnya.

Diagram percobaan untuk pengisian kapasitor ditunjukkan pada Gambar. 5,b. Persyaratan terpenting untuk diagram ini adalah orientasinya dari selatan (S) ke utara (N). Segera setelah dioda, ditampilkan kompas 1 (K), ditempatkan pada kawat menuju kapasitor C. Panah kompas ini, menyimpang ke kanan pada saat tegangan dihidupkan, menunjukkan arah pergerakan elektron (Gbr. .5, b) dari titik S ke pelat bawah kapasitor C. Di atas kompas menunjukkan diagram arah medan magnet di sekitar kawat yang dibentuk oleh elektron-elektron yang bergerak di dalamnya.

Jadi, elektron yang melewati dioda tiba di pelat bawah kapasitor dengan vektor spin berorientasi

Wajar jika elektron akan sampai ke pelat atas kapasitor dari jaringan yang berorientasi pada kutub magnet selatan (S). Buktinya adalah fakta eksperimental penyimpangan jarum kompas atas 2 (K) ke kanan (Gbr. 5, b). Artinya elektron yang bergerak sepanjang kawat menuju pelat atas kapasitor diorientasikan dengan kutub magnet selatan (S) searah dengan pergerakannya.

Pada Gambar. Gambar 4 menunjukkan diagram yang menjelaskan orientasi elektron yang berpindah ke pelat kapasitor C saat diisi. Elektron tiba di pelat bawah kapasitor dengan kutub magnet utara (N) berorientasi pada permukaan bagian dalam. Elektron tiba di permukaan bagian dalam pelat atas kapasitor dengan orientasi kutub magnet selatan (S).

Mari kita perhatikan fakta bahwa arah orientasi elektron ketika berpindah ke pelat kapasitor dielektrik (Gbr. 4) serupa dengan orientasi elektron ketika berpindah ke pelat kapasitor elektrolitik (Gbr. 6 , B).

Jadi elektron, satu-satunya pembawa listrik dalam kabel, terbentuk pada pelat kapasitor elektrolitik dengan polaritas listrik yang berlawanan (+ dan -) dan polaritas magnet yang berlawanan (S dan N) pada saat yang bersamaan.

4 Mengosongkan kapasitor elektrolitik

Proses pelepasan kapasitor ke dalam resistansi adalah bukti eksperimental berikutnya dari kebenaran interpretasi baru tentang arah pergerakan elektron (Gbr. 3) dalam kabel dan kekeliruan gagasan yang berlaku bahwa hanya muatan listrik berlawanan yang terbentuk pada kapasitor. pelat kapasitor.

Skema defleksi jarum kompas (K) 1, 2, 3 dan 4 ketika kapasitor dilepaskan ke resistansi R pada saat sakelar 5 dihidupkan ditunjukkan pada Gambar. 3.

Seperti dapat dilihat (Gbr. 2), pada saat proses pengosongan kapasitor dihidupkan, polaritas magnet dan listrik pada pelat kapasitor berubah ke arah sebaliknya dan elektron, berputar, mulai bergerak menuju resistansi R (Gbr. 2). 2).

Elektron yang berasal dari pelat atas kapasitor berorientasi dengan kutub magnet selatan searah pergerakan, dan dari bawah - dengan utara. Kompas 3 dan 4, dipasang pada sekumpulan kabel VA (Gbr. 3), berorientasi dari selatan ke utara, akan dengan jelas mencatat fakta tersebut dengan membelokkan panah ke kanan, dengan demikian membuktikan bahwa vektor putaran dan momen magnet dari semua elektron dalam kabel ini diarahkan dari selatan ke utara.

Seperti yang Anda lihat, pola gerak elektron selama pelepasan kapasitor dielektrik mirip dengan pola gerak elektron selama pelepasan kapasitor elektrolitik (Gbr. 3).

Sekarang mari kita bayangkan saat-saat membuka atau menutup suatu rangkaian listrik, yang seperti diketahui tegangannya meningkat tajam. Penyebab fenomena ini adalah pada saat rangkaian listrik terbuka, terdapat fasa dimana sebagian rangkaian tersebut dibentuk oleh ion udara. Jumlah elektron dalam ion-ion ini jauh lebih besar daripada jumlah elektron bebas dalam kawat. Akibatnya, jumlahnya meningkat potensi listrik untuk periode waktu ketika rangkaian listrik dibentuk oleh ion udara. Hal ini terlihat jelas pada Gambar. 5, a, di mana ion ditampilkan

Pekerjaan laboratorium No.6

MEMPELAJARI PROSES PENGISIAN DAN PENGosongan KAPASITOR

TUJUAN PEKERJAAN

Mempelajari proses pengisian dan pengosongan kapasitor pada R.C.- sirkuit, pengenalan pengoperasian perangkat yang digunakan dalam teknologi elektronik berdenyut.

LANDASAN TEORITIS KERJA

Mari kita perhatikan diagram yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Rangkaian dilengkapi sumber arus searah, resistansi aktif dan kapasitor, di mana kita akan mempertimbangkan proses pengisian dan pengosongan. Kami akan menganalisis proses ini secara terpisah.

Pelepasan kapasitor.

Misalkan terlebih dahulu sumber arus e dihubungkan ke kapasitor C melalui hambatan R. Kemudian kapasitor akan bermuatan seperti ditunjukkan pada Gambar. 1. Mari kita pindahkan kunci K dari posisi 1 ke posisi 2. Akibatnya kapasitor terisi tegangan e, akan mulai mengalir melalui resistansi R. Mengingat arus positif ketika diarahkan dari pelat kapasitor bermuatan positif ke pelat bermuatan negatif, kita dapat menulis

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

Di mana Saya– nilai sesaat arus dalam rangkaian, tanda minusnya menunjukkan munculnya arus dalam rangkaian Saya terkait dengan penurunan biaya Q pada kapasitor;

Q Dan DENGAN– nilai sesaat muatan dan tegangan pada kapasitor.

Jelasnya, dua ekspresi pertama masing-masing mewakili definisi arus dan kapasitas listrik, dan yang terakhir adalah hukum Ohm untuk suatu bagian rangkaian.

Dari dua relasi terakhir kami mengungkapkan kekuatan saat ini Saya dengan cara berikut:

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

18. Mengapa tidak ada sumber DC yang ditunjukkan pada diagram rangkaian pada instalasi ini?

19. Apakah mungkin menggunakan generator tegangan sinusoidal atau generator tegangan gigi gergaji pada instalasi ini?

20. Berapa frekuensi dan durasi pulsa yang harus dihasilkan generator?

21. Mengapa diperlukan resistansi aktif pada rangkaian ini? R? Berapa ukurannya?

22. Jenis kapasitor dan resistor apa yang dapat digunakan pada instalasi ini?

23. Berapakah nilai kapasitansi dan hambatan pada rangkaian ini?

24. Mengapa sinkronisasi sinyal osiloskop diperlukan?

25. Bagaimana cara mencapai tampilan sinyal yang optimal pada layar osiloskop? Penyesuaian apa yang berlaku?

26. Apa perbedaan antara rangkaian pengisian dan pengosongan kapasitor?

27. Pengukuran apa yang perlu dilakukan untuk menentukan kapasitansi kapasitor B R.C.-rantai?

28. Bagaimana cara mengevaluasi kesalahan pengukuran selama pengoperasian instalasi?

29. Bagaimana meningkatkan keakuratan penentuan waktu relaksasi R.C.-rantai?

30. Sebutkan cara untuk meningkatkan keakuratan penentuan kapasitansi suatu kapasitor.

Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk mempelajari proses pengosongan kapasitor menjadi resistansi aktif, menentukan waktu relaksasi, dan memperkirakan kapasitansi kapasitor.

Perangkat dan aksesori: pengaturan laboratorium, catu daya, mikroammeter, kapasitor uji, stopwatch.

Kapasitor listrik atau sederhananya kapasitor adalah suatu perangkat yang mampu mengakumulasi dan melepaskan (mendistribusikan kembali) muatan listrik. Kapasitor terdiri dari dua atau lebih konduktor (pelat) yang dipisahkan oleh lapisan dielektrik. Biasanya, jarak antar pelat, sama dengan ketebalan dielektrik, kecil dibandingkan dengan dimensi linier pelat, oleh karena itu Medan listrik, yang terjadi ketika pelat dihubungkan ke sumber bertegangan kamu, hampir seluruhnya terkonsentrasi di antara lempengan-lempengan tersebut. Tergantung pada bentuk pelatnya, kapasitor berbentuk datar, silinder, atau bola.

Ciri utama kapasitor adalah kapasitasnya C, yang secara numerik sama dengan muatannya Q salah satu pelat dengan tegangan sama dengan satu:

Biarkan kapasitor memiliki kapasitas C termasuk dalam rangkaian listrik (Gbr. 1),

Gambar.1

mengandung sumber tegangan konstan kamu 0, kunci K dan resistor (resistansi aktif) R. Saat kuncinya ditutup K kapasitor akan terisi tegangan kamu 0. Jika maka kuncinya K terbuka, kapasitor akan mulai mengalir melalui resistor R dan dalam rantai itu akan ada listrik SAYA. Arus ini berubah seiring waktu. Mengingat proses yang terjadi di rangkaian bersifat kuasi-stasioner, kami menerapkan hukum arus searah pada rangkaian ini.

Mari kita cari ketergantungan arus pelepasan SAYA dari waktu T. Untuk melakukan ini, kita akan menggunakan aturan kedua Kirchhoff seperti yang diterapkan pada rangkaian RC(Gbr. 2). Kemudian kita mendapatkan:

, (1)

Di mana SAYA– arus listrik pada rangkaian, Q– muatan kapasitor C. Substitusikan ke persamaan (1) nilai arus pelepasan Saya = - dQ / dt, kita mendapatkan persamaan diferensial urutan pertama dengan variabel yang dapat dipisahkan:

. (2)

Setelah mengintegrasikan persamaan (2) kita temukan

Q(T) = Q 0 e -T/τ , (3)

Di mana pertanyaan 0– nilai awal muatan kapasitor, τ = R.C.– konstanta yang berdimensi waktu. Ini disebut waktu relaksasi. Melewati waktu τ , muatan pada kapasitor berkurang e kali lipat.

Dengan membedakan persamaan (3), kita menemukan hukum perubahan arus pelepasan Dia):

saya(t) = e -t/τ .

saya(t) = saya 0 e -t/τ, (4)

Di mana saya 0 = - nilai awal saat ini, mis. saat ini di T = 0.

Gambar 3 menunjukkan dua ketergantungan arus pelepasan SAYA dari waktu T, sesuai dengan dua arti yang berbeda resistensi aktif R 1 dan R 2 (τ 1 < τ 2).

Deskripsi pengaturan laboratorium

Dalam pekerjaan laboratorium ini, diusulkan untuk mempelajari proses pengosongan kapasitor menggunakan pengaturan eksperimental, yang diagramnya ditunjukkan pada Gambar 4.

Ini terdiri dari sumber tegangan konstan kamu 0, wadah C, resistor R 1 , R 2 ,R 3 dan mikroammeter. Sejak resistor R 1 , R 2 ,R 3 dihubungkan secara seri, resistansi aktif rangkaian dapat diubah menggunakan jumper P, menyebabkan hubungan arus pendek pada resistor secara bergantian R 1 , R 2 atau keduanya bersamaan.

Urutan pengukuran. Pengolahan hasil pengukuran

Rakitlah rangkaian listrik sesuai dengan diagram pada Gambar 4 dan, sesuai dengan instruksi guru, pilih nilai hambatan rangkaian yang diperlukan R.

Kunci kuncinya K dan mengisi kapasitor C untuk ketegangan kamu 0. Ketika kapasitor terisi penuh, mikroammeter akan menunjukkan nilai arus maksimum saya 0.

Buka kuncinya K dan mulai stopwatch secara bersamaan. Ukur waktu t 0, di mana pembacaan mikroammeter akan berkurang 10 kali lipat. Tentukan interval waktu Δ t ≈ t 0 / 10.

Kunci kembali kuncinya K dan mengisi kapasitor.

Buka kuncinya K dan mencatat pembacaan mikroammeter pada interval waktu Δt, 2Δt, 3Δt, dll. sampai waktu 10Δt. Lakukan pengukuran tersebut sebanyak tiga kali, dan catat hasilnya pada Tabel 1.

Menghitung (nilai rata-rata saat ini) dan rasio.

Tabel 1

Ulangi percobaan sebanyak tiga kali untuk nilai yang berbeda. R.

Pertanyaan kontrol:

Apa itu kapasitor? Turunkan rumus kapasitansi kapasitor datar.

Turunkan rumus kapasitansi kapasitor bola.