Tegangan dan frekuensi pada kapasitor. Mengapa arus bolak-balik melewati kapasitor, tetapi arus searah tidak?

Perubahan cepat dalam kekuatan arus dan arahnya, menjadi ciri khasnya arus bolak-balik, mengarah ke serangkaian fitur yang paling penting yang membedakan aksi arus bolak-balik dari arus searah. Beberapa fitur tersebut terlihat jelas pada percobaan berikut.

1. Melewati arus bolak-balik melalui kapasitor. Mari kita miliki sumber arus searah dengan tegangan 12 V ( baterai akumulator) dan sumber arus bolak-balik dengan tegangan juga 12 V. Dengan menghubungkan bola lampu pijar kecil ke masing-masing sumber ini, kita akan melihat bahwa kedua bola lampu menyala sama terangnya (Gbr. 298a). Sekarang mari kita sambungkan kapasitor berkapasitas tinggi ke rangkaian bola lampu pertama dan kedua (Gbr. 298, b). Kita akan menemukan bahwa dalam kasus arus searah bola lampu tidak menyala sama sekali, tetapi dalam kasus arus bolak-balik, pijarnya tetap hampir sama seperti sebelumnya. Tidak adanya pijar pada rangkaian DC mudah dipahami: terdapat lapisan isolasi di antara pelat kapasitor, sehingga rangkaian terbuka. Intensitas bola lampu pada rangkaian arus bolak-balik nampaknya menakjubkan.

Beras. 298. Aliran arus bolak-balik melalui kapasitor: a) bola lampu yang dihubungkan ke rangkaian arus searah (di sebelah kanan) atau arus bolak-balik (di sebelah kiri) menyala secara merata; b) ketika kapasitor dihubungkan ke rangkaian D.C. berhenti, arus bolak-balik terus mengalir dan menyalakan bola lampu

Namun, jika dipikir-pikir, tidak ada yang misterius di dalamnya. Di sini kita hanya melihat pengulangan yang sering dari proses pengisian dan pengosongan kapasitor yang terkenal. Ketika kita menghubungkan (Gbr. 299, a) kapasitor ke sumber arus (dengan memutar tuas sakelar ke kiri), maka pergi ke kabel arus sampai muatan yang terakumulasi pada pelat kapasitor menciptakan beda potensial yang menyeimbangkan tegangan sumber. Ini menciptakan kapasitor Medan listrik, di mana sejumlah energi terkonsentrasi. Ketika kita menghubungkan pelat-pelat kapasitor bermuatan dengan penghantar, memutus sumber arus (dengan memutar tuas saklar ke kanan), muatan akan mengalir melalui penghantar dari satu pelat ke pelat lainnya, dan arus jangka pendek akan mengalir. melalui konduktor menyalakan bola lampu. Medan di kapasitor menghilang, dan energi yang tersimpan di dalamnya digunakan untuk memanaskan bola lampu.

Beras. 299. Setiap kali kapasitor diisi ulang, bola lampu berkedip: a) mengisi kapasitor (kunci di sebelah kiri) dan mengeluarkannya melalui bola lampu (kunci di sebelah kanan); b) pengisian dan pengosongan kapasitor dengan cepat saat memutar kunci, lampu berkedip; c) kapasitor dan bola lampu pada rangkaian arus bolak-balik

Apa yang terjadi ketika arus bolak-balik melewati kapasitor dijelaskan dengan jelas melalui percobaan yang digambarkan pada Gambar. 299,b. Dengan memutar tuas saklar ke kanan, kita menghubungkan kapasitor ke sumber arus, dan pelat 1 bermuatan positif, dan pelat 2 bermuatan negatif. Saat sakelar berada di posisi tengah, saat rangkaian terbuka, kapasitor dilepaskan melalui bola lampu. Ketika kenop sakelar diputar ke kiri, kapasitor terisi kembali, namun kali ini pelat 1 bermuatan negatif dan pelat 2 bermuatan positif. Dengan menggerakkan tuas sakelar dengan cepat terlebih dahulu ke satu arah, lalu ke arah lain, kita akan melihat bahwa dengan setiap perubahan kontak, bola lampu berkedip sesaat, yaitu arus jangka pendek melewatinya. Jika Anda menggantinya dengan cukup cepat, bola lampu akan berkedip sangat cepat satu sama lain sehingga akan terus menyala; Pada saat yang sama, arus mengalir melaluinya, sering kali berubah arah. Dalam hal ini, medan listrik di kapasitor akan berubah sepanjang waktu: akan tercipta, lalu hilang, lalu tercipta lagi dalam arah yang berlawanan. Hal yang sama terjadi ketika kita menghubungkan kapasitor ke rangkaian arus bolak-balik (Gbr. 299c).

2. Aliran arus bolak-balik melalui kumparan dengan induktansi tinggi. Mari kita hubungkan ke sirkuit yang ditunjukkan pada Gambar. 298,b, sebagai pengganti kapasitor, dibuatlah kumparan kawat tembaga dengan banyak putaran, di dalamnya ditempatkan inti besi (Gbr. 300). Kumparan seperti itu diketahui memiliki induktansi tinggi (§ 144). Hambatan kumparan semacam itu terhadap arus searah akan kecil, karena terbuat dari kawat yang cukup tebal. Dalam kasus arus searah (Gbr. 300, a), bola lampu menyala terang, tetapi dalam kasus arus bolak-balik (Gbr. 300, b), cahayanya hampir tidak terlihat. Pengalaman dengan arus searah jelas: karena resistansi kumparan kecil, kehadirannya hampir tidak mengubah arus, dan bola lampu menyala terang. Mengapa kumparan melemahkan arus bolak-balik? Kami secara bertahap akan mengeluarkan inti besi dari kumparan. Kita akan menemukan bahwa bola lampu menjadi semakin panas, artinya, seiring dengan perluasan inti, arus dalam rangkaian meningkat. Jika inti dihilangkan seluruhnya, pancaran bola lampu dapat mencapai hampir normal jika jumlah lilitan kumparan tidak terlalu banyak. Namun perluasan inti akan mengurangi induktansi kumparan. Jadi kita melihat bahwa kumparan dengan resistansi rendah tetapi induktansi tinggi, dihubungkan dalam rangkaian arus bolak-balik, dapat melemahkan arus ini secara signifikan.

Beras. 300. Sebuah bola lampu dihubungkan pada rangkaian arus searah (a) dan arus bolak-balik (b). Sebuah kumparan dihubungkan secara seri dengan bola lampu. Dengan arus searah bola lampu menyala terang, dengan arus bolak-balik menyala redup.

Pengaruh kumparan induktansi tinggi pada arus bolak-balik juga mudah dijelaskan. Arus bolak-balik adalah arus yang kuatnya berubah dengan cepat, kadang meningkat dan kadang menurun. Dengan perubahan dalam rangkaian ini, e.m terjadi. d.s. induksi diri, yang bergantung pada induktansi rangkaian. Arah ini e. d.s. (seperti yang kita lihat di § 139) sedemikian rupa sehingga tindakannya mencegah perubahan arus, yaitu mengurangi amplitudo arus, dan karenanya nilai efektifnya. Meskipun induktansi kabelnya kecil, e. d.s. juga kecil dan efeknya hampir tidak terlihat. Tetapi dengan adanya induktansi yang besar, e. d.s. dapat secara signifikan mempengaruhi kekuatan arus bolak-balik.

Apa itu arus bolak-balik

Jika kita mempertimbangkan arus searah, maka arus tersebut mungkin tidak selalu konstan sempurna: tegangan pada keluaran sumber mungkin bergantung pada beban atau pada tingkat pengosongan baterai atau baterai galvanis. Bahkan dengan tegangan stabil yang konstan, arus di sirkuit eksternal bergantung pada beban, yang dikonfirmasi oleh hukum Ohm. Ternyata ini juga bukan arus searah, tetapi arus seperti itu juga tidak bisa disebut arus bolak-balik, karena tidak berubah arah.

Variabel biasanya disebut tegangan atau arus, yang arah dan besarnya berubah bukan karena pengaruh faktor eksternal, misalnya, sebuah beban, tetapi cukup “mandiri”: begitulah cara generator memproduksinya. Selain itu, perubahan tersebut harus dilakukan secara berkala, yaitu. berulang setelah jangka waktu tertentu yang disebut periode.

Jika tegangan atau arus berubah secara acak, tanpa mempedulikan periodisitas atau pola lainnya, sinyal seperti itu disebut noise. Contoh klasik- "salju" di layar TV dengan sinyal siaran yang lemah. Contoh beberapa sinyal listrik periodik ditunjukkan pada Gambar 1.

Untuk arus searah hanya ada dua karakteristik: polaritas dan tegangan sumber. Dalam kasus arus bolak-balik, kedua besaran ini jelas tidak cukup, sehingga muncul beberapa parameter lagi: amplitudo, frekuensi, periode, fasa, nilai sesaat dan efektif.

Gambar 1.

Paling sering dalam teknologi kita harus berurusan dengan osilasi sinusoidal, dan tidak hanya dalam teknik kelistrikan. Bayangkan sebuah roda mobil. Pada gerak seragam Pada jalan datar yang baik, bagian tengah roda menggambarkan garis lurus yang sejajar dengan permukaan jalan. Pada saat yang sama, setiap titik di pinggiran roda bergerak sepanjang sinusoida relatif terhadap garis lurus yang baru saja disebutkan.

Hal ini dapat dikonfirmasi oleh Gambar 2 yang menunjukkan metode grafis konstruksi sinusoidal: siapa pun yang telah belajar menggambar dengan baik memiliki gagasan bagus tentang bagaimana konstruksi tersebut dilakukan.

Gambar 2.

Dari kursus sekolah fisikawan mengetahui bahwa gelombang sinus adalah yang paling umum dan cocok untuk mempelajari kurva periodik. Osilasi sinusoidal yang persis sama diperoleh pada generator arus bolak-balik, karena struktur mekanisnya.

Gambar 3 menunjukkan grafik arus sinusoidal.

Gambar 3.

Sangat mudah untuk melihat bahwa besarnya arus bervariasi terhadap waktu, oleh karena itu sumbu ordinat pada gambar ditetapkan sebagai i(t), - fungsi arus versus waktu. Periode penuh Arus ditandai dengan garis padat dan mempunyai periode T. Jika kita perhatikan dari titik asal koordinat, terlihat bahwa mula-mula arus bertambah, mencapai Imax, melewati nol, turun ke -Imax, setelah itu meningkat dan mencapai nol. Kemudian periode berikutnya dimulai, yang ditunjukkan dengan garis putus-putus.

Dalam bentuk rumus matematika, perilaku arus ditulis sebagai berikut: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).

Di sini i(t) adalah nilai sesaat arus, bergantung pada waktu, Imax adalah nilai amplitudo (deviasi maksimum dari keadaan setimbang), ω adalah frekuensi sudut (2*π*f), φ adalah sudut fasa.

Frekuensi melingkar ω diukur dalam radian per detik, sudut fase φ diukur dalam radian atau derajat. Yang terakhir ini masuk akal hanya jika ada dua arus sinusoidal. Misalnya pada rangkaian dengan tegangan lead arus sebesar 90˚ atau tepat seperempat periode, seperti terlihat pada Gambar 4. Jika arus sinusoidal satu, lalu Anda dapat memindahkannya sepanjang sumbu ordinat sesuka Anda, dan tidak ada yang berubah.

Gambar 4. Pada rangkaian dengan kapasitor, arus mendahului tegangan seperempat periode

Arti fisis dari frekuensi melingkar ω adalah berapa sudut dalam radian yang “bergerak” sinusoidal dalam satu detik.

Periode - T adalah waktu selama sinusoida menyelesaikan satu osilasi penuh. Hal yang sama berlaku untuk getaran bentuk lain, misalnya persegi panjang atau segitiga. Periode diukur dalam detik atau satuan yang lebih kecil: milidetik, mikrodetik, atau nanodetik.

Parameter lain dari setiap sinyal periodik, termasuk sinusoidal, adalah frekuensi, berapa banyak osilasi yang dihasilkan sinyal dalam 1 detik. Satuan frekuensi adalah hertz (Hz), diambil dari nama ilmuwan abad ke-19 Heinrich Hertz. Jadi, frekuensi 1Hz tidak lebih dari satu getaran/detik. Misalnya, frekuensi jaringan penerangan adalah 50Hz, yaitu tepat 50 periode sinusoidal berlalu per detik.

Jika periode arus diketahui (bisa), maka rumus akan membantu Anda mengetahui frekuensi sinyal: f=1/T. Apalagi jika waktu dinyatakan dalam detik, maka hasilnya akan dalam satuan Hertz. Begitu pula sebaliknya, T=1/f, frekuensi dalam Hz, waktu dalam detik. Misalnya, jika periodenya 1/50=0,02 detik, atau 20 milidetik. Dalam kelistrikan, frekuensi yang lebih tinggi lebih sering digunakan: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (ribuan jutaan getaran per detik), dll.

Semua yang dikatakan untuk saat ini juga berlaku untuk tegangan AC: pada Gambar 6 cukup dengan mengubah huruf I menjadi U. Rumusnya akan seperti ini: u(t)=Umax*sin(ω*t±φ).

Penjelasan-penjelasan ini cukup untuk diulas kembali percobaan dengan kapasitor dan menjelaskan makna fisiknya.

Kapasitor menghantarkan arus bolak-balik, seperti yang ditunjukkan pada diagram pada Gambar 3 (lihat artikel -). Kecerahan lampu meningkat ketika kapasitor tambahan dihubungkan. Ketika kapasitor dihubungkan secara paralel, kapasitansinya bertambah, sehingga kita dapat berasumsi bahwa kapasitansi Xc bergantung pada kapasitansi. Selain itu, juga bergantung pada frekuensi arus, sehingga rumusnya terlihat seperti ini: Xc=1/2*π*f*C.

Dari rumus tersebut dapat disimpulkan bahwa dengan bertambahnya kapasitansi kapasitor dan frekuensi tegangan bolak-balik maka reaktansi Xc berkurang. Ketergantungan ini ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Ketergantungan reaktansi kapasitor dari kapasitor

Jika Anda memasukkan frekuensi dalam Hertz dan kapasitansi dalam Farad ke dalam rumus, hasilnya akan menjadi Ohm.

Apakah kapasitor akan menjadi panas?

Sekarang mari kita ingat percobaan kapasitor dan meteran listrik, mengapa tidak berputar? Faktanya adalah meteran menghitung energi aktif ketika konsumen adalah beban aktif murni, misalnya lampu pijar, ketel listrik, atau kompor listrik. Untuk konsumen seperti itu, tegangan dan arus sefase dan memiliki tanda yang sama: jika dikalikan dua angka negatif(tegangan dan arus pada setengah siklus negatif), hasil menurut hukum matematika tetap positif. Oleh karena itu, kekuatan konsumen tersebut selalu positif, yaitu. masuk ke beban dan dilepaskan dalam bentuk panas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 dengan garis putus-putus.

Gambar 6.

Dalam kasus ketika kapasitor dihubungkan ke rangkaian arus bolak-balik, arus dan tegangan tidak sefasa: arus 90˚ lebih maju dari tegangan dalam fasa, yang mengarah pada fakta bahwa kombinasi diperoleh ketika arus dan tegangan memiliki tanda-tanda yang berbeda.

Gambar 7.

Pada saat-saat ini, kekuatannya menjadi negatif. Dengan kata lain, jika dayanya positif, kapasitor akan terisi dayanya, dan jika dayanya negatif, energi yang tersimpan akan dilepaskan kembali ke sumbernya. Oleh karena itu, rata-rata hasilnya nol dan tidak ada yang dihitung di sini.

Kapasitor, jika berfungsi dengan baik, bahkan tidak akan memanas sama sekali. Oleh karena itu, sering kali kapasitor disebut hambatan tanpa watt, yang memungkinkannya digunakan pada catu daya rendah tanpa transformator. Meskipun tidak disarankan menggunakan balok seperti itu karena bahayanya, terkadang hal ini tetap diperlukan.

Sebelum memasang di blok seperti itu pendinginan kapasitor, itu harus diperiksa hanya dengan menghubungkannya ke jaringan: jika kapasitor belum memanas dalam waktu setengah jam, maka kapasitor dapat dimasukkan dengan aman ke dalam sirkuit. Jika tidak, Anda harus membuangnya tanpa penyesalan.

Apa yang ditunjukkan voltmeter?

Dalam pembuatan dan perbaikan berbagai perangkat, meskipun tidak terlalu sering, perlu dilakukan pengukuran tegangan bolak-balik dan arus genap. Jika gelombang sinus berperilaku begitu gelisah, naik turun, apa yang akan ditunjukkan oleh voltmeter biasa?

Nilai rata-rata sinyal periodik, dalam hal ini sinusoida, dihitung sebagai luas yang dibatasi oleh sumbu x dan representasi grafis dari sinyal tersebut, dibagi dengan 2*π radian atau periode sinusoida. Sejak atas dan Bagian bawah benar-benar identik, tetapi memiliki tanda yang berbeda, nilai rata-rata sinusoidal adalah nol, dan tidak perlu mengukurnya sama sekali, dan bahkan tidak ada gunanya.

Itu sebabnya alat pengukur menunjukkan kepada kita nilai rms tegangan atau arus. RMS adalah nilai arus periodik di mana jumlah panas yang dilepaskan pada beban yang sama sama dengan pada arus searah. Dengan kata lain, bola lampu bersinar dengan kecerahan yang sama.

Hal ini dijelaskan dengan rumus seperti ini: Isrk = 0.707*Imax= Imax/√2 untuk tegangan rumusnya sama, cukup ubah satu huruf Usrk=0.707*Umax=Umax/√2. Ini adalah nilai yang ditunjukkan oleh alat pengukur. Mereka dapat disubstitusikan ke dalam rumus ketika menghitung menggunakan hukum Ohm atau ketika menghitung daya.

Tapi bukan hanya itu yang mampu dilakukan oleh kapasitor dalam jaringan arus bolak-balik. Artikel berikutnya akan membahas penggunaan kapasitor dalam rangkaian pulsa, filter lolos tinggi dan rendah, serta generator gelombang sinus dan persegi.

>>Fisika kelas 11 >> Kapasitor pada rangkaian arus bolak-balik

§ 33 KAPASITOR DALAM RANGKAIAN AC

Arus searah tidak dapat mengalir melalui rangkaian yang mengandung kapasitor. Faktanya, dalam hal ini rangkaian menjadi terbuka, karena pelat kapasitor dipisahkan oleh dielektrik.

Arus bolak-balik dapat mengalir melalui rangkaian yang mengandung kapasitor. Hal ini dapat dibuktikan melalui percobaan sederhana.

Misalkan kita mempunyai sumber tegangan searah dan bolak-balik, dan tegangan konstan pada terminal sumber sama dengan nilai efektif tegangan bolak-balik. Rangkaian ini terdiri dari kapasitor dan lampu pijar (Gbr. 4.13), dihubungkan secara seri. Ketika tegangan searah dihidupkan (saklar diputar ke kiri, rangkaian dihubungkan ke titik AA"), lampu tidak menyala. Namun ketika tegangan bolak-balik dihidupkan (saklar diputar ke kanan, rangkaian dihubungkan ke titik BB"), lampu menyala jika kapasitansi kapasitor cukup besar.

Bagaimana arus bolak-balik dapat mengalir melalui rangkaian jika rangkaian benar-benar terbuka (muatan tidak dapat berpindah di antara pelat kapasitor)? Masalahnya adalah kapasitor diisi dan dikosongkan secara berkala di bawah pengaruh tegangan bolak-balik. Arus yang mengalir dalam rangkaian ketika kapasitor diisi ulang memanaskan filamen lampu.

Mari kita tentukan bagaimana kuat arus berubah seiring waktu dalam rangkaian yang hanya berisi kapasitor, jika hambatan kabel dan pelat kapasitor dapat diabaikan (Gbr. 4.14).

Tegangan kapasitor

Kuat arus, yang merupakan turunan muatan terhadap waktu, sama dengan:

Akibatnya, fluktuasi arus mendahului fluktuasi fase tegangan melintasi kapasitor B (Gbr. 4.15).

Amplitudo arus adalah:

Saya m = U m C. (4.29)

Jika Anda memasukkan penunjukan

dan menggunakannya sebagai pengganti amplitudo arus dan tegangan nilai-nilai yang efektif, lalu kita dapatkan

Nilai X c, kebalikan dari produk Dari frekuensi siklik ke kapasitansi listrik kapasitor disebut kapasitansi. Peran besaran ini mirip dengan peran resistansi aktif R dalam hukum Ohm (lihat rumus (4.17)). Nilai efektif arus berhubungan dengan nilai efektif tegangan pada kapasitor sama seperti arus dan tegangan berhubungan menurut hukum Ohm untuk suatu bagian rangkaian DC. Hal ini memungkinkan kita untuk mempertimbangkan nilai Xc sebagai resistansi kapasitor terhadap arus bolak-balik (kapasitansi).

Semakin besar kapasitas kapasitor maka semakin besar pula kapasitas kapasitornya lebih terkini mengisi ulang. Hal ini mudah dideteksi dengan peningkatan pijaran lampu seiring dengan peningkatan kapasitansi kapasitor. Meskipun resistansi kapasitor terhadap arus searah tidak terbatas, resistansinya terhadap arus bolak-balik mempunyai nilai yang terbatas X c . Ketika kapasitas meningkat, kapasitasnya menurun. Ini juga menurun dengan meningkatnya frekuensi.

Sebagai kesimpulan, kami mencatat bahwa selama periode seperempat ketika kapasitor diisi hingga tegangan maksimumnya, energi memasuki rangkaian dan disimpan di kapasitor dalam bentuk energi. Medan listrik. Pada kuartal periode berikutnya, ketika kapasitor habis, energi ini dikembalikan ke jaringan.

Hambatan suatu rangkaian dengan kapasitor berbanding terbalik dengan hasil kali frekuensi siklik dan kapasitansi listrik. Fluktuasi arus mendahului fluktuasi tegangan sefase sebesar .

1. Bagaimana hubungan nilai efektif arus dan tegangan pada kapasitor pada rangkaian arus bolak-balik?
2. Apakah energi dilepaskan pada rangkaian yang hanya mengandung kapasitor jika resistensi aktif rantai dapat diabaikan!
3. Pemutus arus adalah sejenis kapasitor. Mengapa saklar dapat membuka rangkaian dengan andal!

Kapasitor pada rangkaian AC

Kapasitor dalam rangkaian AC berperilaku berbeda dari resistor. Sementara resistor hanya menahan aliran elektron (tegangan yang melintasinya berbanding lurus dengan arus), kapasitor menahan perubahan tegangan ("pengereman" atau penambahan arus selama pengisian atau pengosongan ke tingkat tegangan baru). Arus yang melewati kapasitor berbanding lurus dengan laju perubahan tegangan. Perlawanan terhadap perubahan tegangan ini adalah bentuk lain dari reaktansi, yang merupakan kebalikan dari reaktansi induktor.

Hubungan matematis antara arus yang melewati kapasitor dan laju perubahan tegangan adalah sebagai berikut:

Rasio du/dt adalah laju perubahan tegangan sesaat (u) terhadap waktu, dan diukur dalam volt per detik. Kapasitansi (C) diukur dalam Farad, dan arus sesaat (i) diukur dalam ampere. Untuk menunjukkan apa yang terjadi dengan arus bolak-balik, mari kita menganalisis rangkaian kapasitif sederhana:

Rangkaian kapasitif sederhana: tegangan kapasitor tertinggal dari arus sebesar 90 o.

Jika kita memplot arus dan tegangan untuk rangkaian sederhana ini, maka akan terlihat seperti ini:

Seperti yang Anda ingat, arus yang melewati kapasitor adalah reaksi terhadap perubahan tegangan pada kapasitor tersebut. Dari sini kita dapat menyimpulkan bahwa arus sesaat sama dengan nol setiap kali nilai tegangan sesaat berada pada puncaknya (perubahan nol, atau kemiringan nol gelombang sinus tegangan), dan arus sesaat sama dengan nilai puncaknya setiap kali tegangan sesaat berada pada titik perubahan maksimum (titik kemiringan paling curam dari gelombang tegangan yang melintasi garis nol). Semua ini mengarah pada fakta bahwa gelombang tegangan berbeda fasa -90 o dengan gelombang arus. Grafik menunjukkan bagaimana gelombang arus memberikan “head start” pada gelombang tegangan: arus “memimpin” tegangan, dan tegangan “tertinggal” di belakang arus.

Seperti yang sudah Anda duga, gelombang daya tidak biasa yang sama yang kita lihat pada rangkaian induktif sederhana juga terdapat dalam rangkaian kapasitif sederhana:

Seperti halnya rangkaian induktif sederhana, pergeseran fasa 90 derajat antara tegangan dan arus menghasilkan gelombang daya yang bergantian secara merata antara tegangan positif dan arus. nilai-nilai negatif. Artinya kapasitor tidak membuang daya (karena merespons perubahan tegangan), namun hanya menyerap dan melepaskannya (bergantian).

Resistansi perubahan tegangan suatu kapasitor diartikan sebagai resistansi terhadap tegangan bolak-balik secara keseluruhan, yang menurut definisinya terus berubah dalam besaran dan arah sesaat. Untuk sejumlah tegangan bolak-balik tertentu pada frekuensi tertentu, kapasitor dengan ukuran tertentu akan "menghantarkan" sejumlah arus bolak-balik tertentu. Sama seperti arus yang melalui sebuah resistor adalah fungsi dari tegangan pada resistor tersebut dan resistansinya, arus bolak-balik yang melalui sebuah kapasitor adalah fungsi dari tegangan bolak-balik pada kapasitor tersebut dan reaktansinya. Seperti halnya induktor, reaktansi kapasitor diukur dalam Ohm, dan dilambangkan dengan huruf X (atau lebih tepatnya X C).

Karena arus yang melewati kapasitor sebanding dengan laju perubahan tegangan, maka arus yang mengalir melalui kapasitor akan lebih besar untuk tegangan yang berubah dengan cepat dan lebih kecil untuk tegangan dengan perubahan yang lebih lambat. Artinya reaktansi suatu kapasitor (dalam Ohm) berbanding terbalik dengan frekuensi arus bolak-balik. Rumus pasti untuk menghitung reaktansi kapasitor adalah sebagai berikut:

Jika sebuah kapasitor berkapasitas 100 F dipaparkan pada frekuensi 60, 120 dan 2500 Hz, maka reaktansinya akan bernilai sebagai berikut:

Perhatikan bahwa rasio reaktansi kapasitif terhadap frekuensi adalah kebalikan dari rasio reaktansi induktif terhadap frekuensi yang sama. Reaktansi kapasitif menurun dengan meningkatnya frekuensi AC, sedangkan reaktansi induktif sebaliknya meningkat dengan meningkatnya frekuensi AC. Jika induktor melawan perubahan arus yang cepat sehingga menghasilkan lebih banyak tegangan, maka kapasitor melawan perubahan tegangan yang cepat sehingga menghasilkan lebih banyak arus.

Dengan analogi dengan induktor, ekspresi 2πf dalam persamaan reaktansi kapasitor dapat diganti dengan huruf kecil surat Yunaniω (Omega), yang disebut juga frekuensi sudut (siklik) arus bolak-balik. Jadi, persamaan X C = 1/(2πfC) dapat ditulis sebagai X C = 1/(ωC), dimana ω dinyatakan dalam radian per detik.

Arus bolak-balik pada rangkaian kapasitif sederhana sama dengan tegangan(dalam Volt) dibagi dengan reaktansi kapasitor (dalam Ohm). Hal ini analog dengan kenyataan bahwa arus AC atau DC dalam rangkaian resistif sederhana sama dengan tegangan (dalam Volt) dibagi dengan resistansi (dalam Ohm). Sebagai contoh, mari kita perhatikan diagram berikut:

Namun, kita harus ingat bahwa tegangan dan arus memiliki fase yang berbeda. Seperti disebutkan sebelumnya, arus memiliki pergeseran fasa +90 o terhadap tegangan. Jika kita merepresentasikan sudut fasa tegangan dan arus secara matematis (dalam bentuk bilangan kompleks), kita akan melihat bahwa reaktansi kapasitor terhadap arus bolak-balik memiliki sudut fasa sebagai berikut:

Secara matematis dapat dikatakan bahwa sudut fasa resistansi kapasitor terhadap arus bolak-balik adalah -90o. Sudut fasa reaktansi arus sangat penting dalam analisis rangkaian. Pentingnya ini terutama terlihat ketika menganalisis sirkuit yang kompleks arus bolak-balik, di mana resistansi reaktif dan sederhana berinteraksi satu sama lain. Hal ini juga terbukti berguna untuk merepresentasikan resistansi suatu komponen terhadap arus listrik dalam bentuk bilangan kompleks (bukan besaran skalar resistansi dan reaktansi).

Banyak yang telah ditulis tentang kapasitor, apakah layak menambahkan beberapa ribu kata lagi ke jutaan kata yang sudah ada? Saya akan menambahkannya! Saya yakin presentasi saya akan bermanfaat. Bagaimanapun, ini akan dilakukan dengan mempertimbangkan.

Apa itu kapasitor listrik

Berbicara dalam bahasa Rusia, kapasitor dapat disebut sebagai “perangkat penyimpanan”. Lebih jelas lagi dengan cara ini. Terlebih lagi, begitulah nama ini diterjemahkan ke dalam bahasa kita. Gelas juga bisa disebut kapasitor. Hanya saja ia mengumpulkan cairan di dalam dirinya sendiri. Atau tas. Ya, sebuah tas. Ternyata itu juga merupakan perangkat penyimpanan. Itu mengumpulkan semua yang kita masukkan ke sana. Apa hubungannya kapasitor listrik dengan itu? Sama halnya dengan gelas atau tas, hanya saja ia terakumulasi muatan listrik.

Bayangkan gambarnya: sebuah rantai lewat listrik, dalam perjalanannya ada resistor, konduktor dan, bam, muncul kapasitor (kaca). Apa yang akan terjadi? Seperti diketahui, arus adalah aliran elektron, dan setiap elektron mempunyai muatan listrik. Jadi, ketika seseorang mengatakan bahwa ada arus yang melewati suatu rangkaian, Anda membayangkan jutaan elektron mengalir melalui rangkaian tersebut. Elektron inilah yang terakumulasi ketika kapasitor muncul di jalurnya. Semakin banyak elektron yang kita masukkan ke dalam kapasitor, semakin besar muatannya.

Timbul pertanyaan: berapa banyak elektron yang dapat diakumulasikan dengan cara ini, berapa banyak yang akan masuk ke dalam kapasitor dan kapan akan “cukup”? Mari kita cari tahu. Sangat sering, untuk penjelasan yang disederhanakan sederhana proses kelistrikan gunakan perbandingan dengan air dan pipa. Mari gunakan pendekatan ini juga.

Bayangkan sebuah pipa tempat air mengalir. Pada salah satu ujung pipa terdapat pompa yang secara paksa memompa air ke dalam pipa tersebut. Kemudian secara mental letakkan selaput karet di seberang pipa. Apa yang akan terjadi? Membran akan mulai meregang dan menegang di bawah pengaruh tekanan air di dalam pipa (tekanan yang diciptakan oleh pompa). Ini akan meregang, meregang, meregang, dan akhirnya gaya elastis membran akan menyeimbangkan gaya pompa dan aliran air akan berhenti, atau membran akan pecah (Jika tidak jelas, bayangkan sebuah balon yang akan meledak jika dipompa terlalu banyak)! Hal yang sama terjadi di kapasitor listrik. Hanya di sana, alih-alih membran, medan listrik digunakan, yang meningkat seiring pengisian kapasitor dan secara bertahap menyeimbangkan tegangan sumber listrik.

Jadi, kapasitor mempunyai muatan pembatas tertentu yang dapat terakumulasi dan, setelah terlampaui, akan terjadi kerusakan dielektrik pada kapasitor itu akan rusak dan tidak lagi menjadi kapasitor. Mungkin ini saatnya memberi tahu Anda cara kerja kapasitor.

Bagaimana cara kerja kapasitor listrik?

Di sekolah Anda diberitahu bahwa kapasitor adalah benda yang terdiri dari dua pelat dan ada ruang kosong di antara keduanya. Pelat ini disebut pelat kapasitor dan kabel dihubungkan dengannya untuk menyuplai tegangan ke kapasitor. Jadi kapasitor modern tidak jauh berbeda. Mereka semua juga memiliki pelat dan ada dielektrik di antara pelat tersebut. Berkat kehadiran dielektrik, karakteristik kapasitor ditingkatkan. Misalnya saja kapasitasnya.

Kapasitor modern menggunakan berbagai jenis dielektrik (lebih lanjut tentang ini di bawah), yang dimasukkan di antara pelat kapasitor dengan cara yang paling canggih untuk mencapai karakteristik tertentu.

Prinsip operasi

Prinsip umum pengoperasiannya cukup sederhana: tegangan diterapkan dan muatan diakumulasikan. Proses fisika yang terjadi sekarang seharusnya tidak terlalu menarik minat Anda, tetapi jika Anda mau, Anda dapat membacanya di buku fisika mana pun di bagian elektrostatika.

Kapasitor pada rangkaian DC

Jika kita memasang kapasitor kita rangkaian listrik(Gbr. di bawah), sambungkan ammeter secara seri dengannya dan berikan arus searah ke rangkaian, kemudian jarum ammeter akan bergerak sebentar, lalu berhenti dan menunjukkan 0A - tidak ada arus di rangkaian. Apa yang terjadi?

Kita asumsikan bahwa sebelum arus dialirkan ke rangkaian, kapasitor dalam keadaan kosong (habis), dan ketika arus dialirkan, kapasitor mulai terisi dengan sangat cepat, dan ketika diisi (medan listrik antara pelat kapasitor menyeimbangkan sumber listrik. ), kemudian arus terhenti (berikut adalah grafik muatan kapasitor).

Inilah sebabnya mengapa mereka mengatakan bahwa kapasitor tidak memungkinkan arus searah melewatinya. Sebenarnya lewat, tapi dalam waktu yang sangat singkat, yang bisa dihitung dengan rumus t = 3*R*C (Waktu pengisian kapasitor hingga 95% dari volume nominal. R adalah resistansi rangkaian, C adalah kapasitansi kapasitor) Ini adalah bagaimana kapasitor berperilaku dalam arus rangkaian DC Ia berperilaku sangat berbeda dalam rangkaian variabel!

Kapasitor pada rangkaian AC

Apa itu arus bolak-balik? Ini adalah saat elektron “berlari” terlebih dahulu ke sana, lalu kembali. Itu. arah gerakan mereka berubah sepanjang waktu. Kemudian, jika arus bolak-balik mengalir melalui rangkaian dengan kapasitor, maka muatan “+” atau muatan “-” akan terakumulasi pada masing-masing pelatnya. Itu. Arus AC justru akan mengalir. Artinya arus bolak-balik mengalir “tanpa hambatan” melalui kapasitor.

Keseluruhan proses ini dapat dimodelkan dengan menggunakan metode analogi hidrolik. Gambar di bawah menunjukkan analog rangkaian AC. Piston mendorong cairan ke depan dan ke belakang. Hal ini menyebabkan impeler berputar maju mundur. Ternyata aliran cairan bolak-balik (kita membaca arus bolak-balik).

Sekarang mari kita letakkan medel kapasitor berupa membran antara sumber gaya (piston) dan impeller dan analisa apa yang akan berubah.

Sepertinya tidak akan ada yang berubah. Sebagaimana zat cair melakukan gerakan osilasi, maka ia terus melakukan hal tersebut, sebagaimana impeler berosilasi karenanya, maka ia akan terus berosilasi. Artinya membran kita bukanlah penghalang aliran variabel. Hal yang sama juga berlaku untuk kapasitor elektronik.

Faktanya adalah bahwa meskipun elektron-elektron yang berjalan dalam suatu rantai tidak melintasi dielektrik (membran) antara pelat-pelat kapasitor, di luar kapasitor pergerakannya bersifat osilasi (bolak-balik), yaitu. arus bolak-balik mengalir. Eh!

Dengan demikian, kapasitor melewatkan arus bolak-balik dan memblokir arus searah. Ini sangat berguna ketika Anda perlu melepas komponen DC dalam sinyal, misalnya, pada output/input penguat audio atau ketika Anda ingin melihat hanya bagian variabel dari sinyal (riak pada output DC sumber tegangan).

Reaktansi kapasitor

Kapasitor mempunyai hambatan! Pada prinsipnya, hal ini dapat diasumsikan dari kenyataan bahwa arus searah tidak melewatinya, seolah-olah itu adalah resistor dengan resistansi yang sangat tinggi.

Arus bolak-balik adalah masalah lain - ia mengalir, tetapi mengalami hambatan dari kapasitor:

f - frekuensi, C - kapasitansi kapasitor. Jika Anda perhatikan rumusnya dengan cermat, Anda akan melihat bahwa jika arusnya konstan, maka f = 0 dan kemudian (semoga ahli matematika militan memaafkan saya!) X c = ketakterbatasan. Dan tidak ada arus searah yang melalui kapasitor.

Namun hambatan terhadap arus bolak-balik akan berubah tergantung pada frekuensi dan kapasitansi kapasitor. Semakin tinggi frekuensi arus dan kapasitansi kapasitor, semakin kecil hambatannya terhadap arus tersebut dan sebaliknya. Semakin cepat tegangan berubah
tegangan, semakin besar arus yang melalui kapasitor, hal ini menjelaskan penurunan Xc dengan meningkatnya frekuensi.

Omong-omong, fitur lain dari kapasitor adalah ia tidak melepaskan daya dan tidak memanas! Oleh karena itu, kadang-kadang digunakan untuk meredam tegangan dimana resistor akan mengeluarkan asap. Misalnya untuk menurunkan tegangan jaringan dari 220V menjadi 127V. Dan selanjutnya:

Arus dalam kapasitor sebanding dengan kecepatan tegangan yang diberikan pada terminalnya

Di mana kapasitor digunakan?

Ya, dimanapun propertinya diperlukan (tidak mengalirkan arus searah, kemampuan terakumulasi energi listrik dan mengubah resistansinya tergantung pada frekuensi), dalam filter, dalam rangkaian osilasi, dalam pengganda tegangan, dll.

Jenis kapasitor apa yang ada?

Industri ini memproduksi banyak jenis yang berbeda kapasitor. Masing-masing mempunyai kelebihan dan kekurangan tertentu. Ada yang mempunyai arus bocor yang rendah, ada yang berkapasitas besar, dan ada yang lain. Tergantung pada indikator ini, kapasitor dipilih.

Amatir radio, terutama pemula seperti kami, tidak terlalu repot dan bertaruh pada apa yang bisa mereka temukan. Meskipun demikian, Anda harus mengetahui jenis utama kapasitor yang ada di alam.

Gambar menunjukkan pemisahan kapasitor yang sangat konvensional. Saya menyusunnya sesuai selera saya dan saya menyukainya karena langsung terlihat jelas apakah ada kapasitor variabel apa yang ada di sana kapasitor permanen dan dielektrik apa yang digunakan pada kapasitor umum. Secara umum, semua yang dibutuhkan seorang amatir radio.

Mereka memiliki arus bocor yang rendah, dimensi kecil, induktansi rendah, dan mampu beroperasi pada frekuensi tinggi dan dalam rangkaian arus searah, berdenyut dan bolak-balik.

Mereka diproduksi dalam berbagai tegangan dan kapasitas pengoperasian: dari 2 hingga 20.000 pF dan, tergantung pada desainnya, dapat menahan tegangan hingga 30 kV. Namun paling sering Anda akan bertemu kapasitor keramik dengan tegangan operasi hingga 50V.

Sejujurnya, saya tidak tahu apakah mereka akan dibebaskan sekarang. Namun sebelumnya, mika digunakan sebagai dielektrik pada kapasitor tersebut. Dan kapasitor itu sendiri terdiri dari sebungkus pelat mika, yang masing-masing pelat diaplikasikan di kedua sisinya, dan kemudian pelat tersebut dikumpulkan ke dalam sebuah "paket" dan dikemas ke dalam sebuah kotak.

Mereka biasanya memiliki kapasitas beberapa ribu hingga puluhan ribu picoforad dan dioperasikan pada rentang tegangan dari 200 V hingga 1500 V.

Kapasitor kertas

Kapasitor tersebut memiliki kertas kapasitor sebagai dielektrik, dan strip aluminium sebagai pelat. Pita panjang alumunium foil dengan selembar kertas diapit di antara keduanya, mereka digulung menjadi gulungan dan dikemas ke dalam kotak. Itulah triknya.

Kapasitor tersebut mempunyai kapasitas mulai dari ribuan picoforad hingga 30 mikroforad, dan dapat menahan tegangan dari 160 hingga 1500 V.

Rumor mengatakan bahwa mereka sekarang dihargai oleh audiophiles. Saya tidak terkejut - mereka juga memiliki kabel konduktor satu sisi...

Pada prinsipnya kapasitor biasa dengan bahan polyester sebagai dielektriknya. Kisaran kapasitansi adalah dari 1 nF hingga 15 mF pada tegangan operasi dari 50 V hingga 1500 V.

Kapasitor jenis ini memiliki dua keunggulan yang tidak dapat disangkal. Pertama, dapat dibuat dengan toleransi yang sangat kecil yaitu hanya 1%. Jadi, jika tertulis 100 pF, maka kapasitansinya adalah 100 pF +/- 1%. Dan yang kedua adalah tegangan operasinya bisa mencapai 3 kV (dan kapasitansi dari 100 pF hingga 10 mF)

Kapasitor elektrolitik

Kapasitor ini berbeda dari kapasitor lainnya karena hanya dapat dihubungkan ke rangkaian arus searah atau berdenyut. Mereka bersifat kutub. Mereka punya plus dan minus. Hal ini disebabkan oleh desain mereka. Dan jika kapasitor tersebut dihidupkan secara terbalik, kemungkinan besar kapasitor tersebut akan membengkak. Dan sebelumnya mereka juga meledak dengan riang, tapi tidak aman. Ada kapasitor elektrolitik aluminium dan tantalum.

Kapasitor elektrolit aluminium dirancang hampir seperti kapasitor kertas, dengan satu-satunya perbedaan adalah pelat kapasitor tersebut berupa kertas dan strip aluminium. Kertas diresapi dengan elektrolit, dan strip aluminium dilapisi lapisan tipis oksida, yang bertindak sebagai dielektrik. Jika Anda menerapkan arus bolak-balik ke kapasitor tersebut atau mengembalikannya ke polaritas keluaran, elektrolit akan mendidih dan kapasitor akan rusak.

Kapasitor elektrolit mempunyai kapasitas yang cukup besar, oleh karena itu sering digunakan misalnya dalam rangkaian penyearah.

Mungkin itu saja. Yang tertinggal adalah kapasitor dengan dielektrik yang terbuat dari polikarbonat, polistiren, dan mungkin banyak jenis lainnya. Tapi menurut saya ini tidak berguna.

Bersambung...

Pada bagian kedua saya berencana untuk menunjukkan contoh penggunaan kapasitor secara umum.