Kondansatördeki akım nedir? Alternatif akım neden kapasitörden geçiyor ama doğru akım geçmiyor?

AC devresindeki kapasitör

AC devresindeki kapasitör, dirençten farklı davranır. Dirençler basitçe elektron akışına direnirken (aralarındaki voltaj akımla doğru orantılıdır), kapasitörler voltajdaki değişime ("frenleme" veya yeni bir voltaj seviyesine şarj veya deşarj sırasında akım eklenmesi) direnir. Kapasitörden geçen akım, voltajın değişim hızıyla doğru orantılıdır. Gerilim değişimine karşı bu direnç başka bir formdur reaktans Bu, eyleminde indüktörün reaktansına zıttır.

Bir kapasitörden geçen akım ile üzerindeki voltajın değişim hızı arasındaki matematiksel ilişki aşağıdaki gibidir:

du/dt oranı, anlık voltajın (u) zaman içindeki değişim oranıdır ve saniyede volt olarak ölçülür. Kapasitans (C) Farad cinsinden ölçülür ve anlık akım (i) amper cinsinden ölçülür. Alternatif akımda neler olduğunu göstermek için basit bir kapasitif devreyi analiz edelim:

Basit bir kapasitif devre: kapasitör voltajı akımın 90 o gerisindedir.

Bu basit devre için akımı ve voltajı çizersek, şöyle görünecektir:

Hatırlayacağınız gibi bir kondansatörden geçen akım, bu kondansatörün üzerindeki gerilimin değişmesine verilen bir tepkidir. Buradan, anlık voltaj değeri zirvede olduğunda (sıfır değişiklik veya voltaj sinüs dalgasının sıfır eğimi) anlık akımın sıfıra eşit olduğu ve anlık voltajın tepe değerine eşit olduğu sonucuna varabiliriz. maksimum değişim noktalarındadır (gerilim dalgasının sıfır çizgisini geçtiği en dik eğimin noktaları). Bütün bunlar, gerilim dalgasının akım dalgasıyla -90° faz dışı olmasına yol açar. Grafik, akım dalgasının gerilim dalgasına nasıl bir "öncülük" sağladığını gösterir: akım gerilime "öncülük eder" ve gerilim akımın "gerisinde kalır".

Tahmin edebileceğiniz gibi, basit bir endüktif devrede gördüğümüz sıra dışı güç dalgası, basit bir kapasitif devrede de mevcuttur:

Basit bir endüktif devrede olduğu gibi, gerilim ve akım arasında 90 derecelik bir faz kayması, pozitif ve akım arasında eşit şekilde değişen bir güç dalgasıyla sonuçlanır. negatif değerler. Bu, kapasitörün gücü dağıtmadığı (voltaj değişikliklerine tepki verdiği için) ancak onu yalnızca emip (dönüşümlü olarak) serbest bıraktığı anlamına gelir.

Bir kapasitörün voltaj değiştirme direnci, bir bütün olarak alternatif voltaja karşı direnç olarak yorumlanır; tanım gereği, anlık büyüklük ve yön olarak sürekli değişir. Verilen herhangi bir değer için alternatif akım voltajı belirli bir frekansta, belirli boyuttaki bir kapasitör belirli miktarda alternatif akımı "iletecektir". Tıpkı bir dirençten geçen akımın o direnç üzerindeki voltajın ve onun direncinin bir fonksiyonu olması gibi, alternatif akım Bir kapasitörün karşısındaki voltaj, o kapasitör üzerindeki alternatif voltajın ve onun reaktansının bir fonksiyonudur. İndüktörlerde olduğu gibi, bir kapasitörün reaktansı Ohm cinsinden ölçülür ve X harfiyle (veya daha kesin olarak X C) sembolize edilir.

Bir kapasitörden geçen akım, voltajın değişim hızıyla orantılı olduğundan, hızlı değişen voltajlar için daha büyük, daha yavaş değişen voltajlar için daha az olacaktır. Bu, herhangi bir kapasitörün reaktansının (Ohm cinsinden) alternatif akımın frekansıyla ters orantılı olduğu anlamına gelir. Bir kapasitörün reaktansını hesaplamak için tam formül aşağıdaki gibidir:

100 μF kapasiteli bir kapasitör 60, 120 ve 2500 Hz frekanslara maruz bırakılırsa reaktansı aşağıdaki değerleri alacaktır:

Kapasitif reaktansın frekanslara oranının, endüktif reaktansın aynı frekanslara oranının tam tersi olduğuna dikkat edin. Kapasitif reaktans artan AC frekansıyla azalırken, endüktif reaktans ise artan AC frekansıyla artar. İndüktörler akımdaki hızlı bir değişime karşı çıkarak daha fazla voltaj üretirse, kapasitörler voltajdaki hızlı değişime karşı çıkarak daha fazla akım üretir.

İndüktörlere benzer şekilde, kapasitör reaktans denklemindeki 2πf ifadesi küçük harfle değiştirilebilir Yunan harfiω (Omega), alternatif akımın açısal (döngüsel) frekansı olarak da adlandırılır. Böylece X C = 1/(2πfC) denklemi X C = 1/(ωC) olarak yazılabilir, burada ω saniye başına radyan cinsinden ifade edilir.

Basit bir kapasitif devrede alternatif akım gerilime eşit(Volt cinsinden) kapasitörün reaktansına (Ohm cinsinden) bölünür. Bu, basit bir dirençli devredeki AC veya DC akımının, voltajın (Volt cinsinden) dirence (Ohm cinsinden) bölünmesine eşit olduğu gerçeğine benzer. Örnek olarak aşağıdaki diyagramı ele alalım:

Ancak gerilim ve akımın birbirine bağlı olduğunu unutmamalıyız. farklı aşamalar. Daha önce de belirtildiği gibi akımın, gerilime göre +90°'lik bir faz kayması vardır. Gerilim ve akımın faz açılarını matematiksel olarak (karmaşık sayılar biçiminde) temsil edersek, bir kapasitörün alternatif akıma reaktansının aşağıdaki faz açısına sahip olduğunu göreceğiz:

Matematiksel olarak kondansatörün alternatif akıma direncinin faz açısının -90o olduğunu söyleyebiliriz. Devre analizinde akım reaktansının faz açısı çok önemlidir. Bu önem özellikle analiz edildiğinde belirgindir. karmaşık devreler reaktif ve basit dirençlerin birbiriyle etkileşime girdiği alternatif akım. Ayrıca herhangi bir bileşenin elektrik akımına karşı direncini (direnç ve reaktansın skaler miktarları yerine) karmaşık sayılar cinsinden temsil etmede de faydalı olacaktır.

Kapasitörler hakkında çok şey yazıldı, halihazırda var olan milyonlarca kelimeye birkaç bin kelime daha eklemeye değer mi? Ekleyeceğim! Sunumumun faydalı olacağına inanıyorum. Sonuçta dikkate alınarak yapılacaktır.

Elektrik kondansatörü nedir

Rusça konuşursak, kapasitöre "depolama cihazı" denilebilir. Bu şekilde daha da net. Üstelik bu isim dilimize tam olarak bu şekilde çevrilmiştir. Bir cama kapasitör de denilebilir. Sadece kendi içinde sıvı biriktirir. Veya bir çanta. Evet, bir çanta. Aynı zamanda bir depolama cihazı olduğu ortaya çıktı. Oraya koyduğumuz her şeyi biriktirir. Elektrik kondansatörünün bununla ne ilgisi var? Bardak ya da çanta gibi ama sadece birikiyor elektrik şarjı.

Bir resim hayal edin: Bir elektrik akımı bir devreden geçiyor, dirençler ve iletkenler yolu boyunca buluşuyor ve bam, bir kapasitör (cam) ortaya çıkıyor. Ne olacak? Bildiğiniz gibi akım bir elektron akışıdır ve her elektronun bir elektrik yükü vardır. Dolayısıyla birisi bir devreden akım geçtiğini söylediğinde, siz devreden milyonlarca elektronun aktığını hayal edersiniz. Yollarında bir kapasitör belirdiğinde birikenler de aynı elektronlardır. Kapasitöre ne kadar çok elektron koyarsak yükü o kadar büyük olur.

Şu soru ortaya çıkıyor: Bu şekilde kaç elektron biriktirilebilir, kapasitöre kaç tane sığacak ve ne zaman "yeterli hale gelecek"? Hadi bulalım. Çok sık olarak, basit konuların basitleştirilmiş bir açıklaması için elektriksel süreçler su ve borularla bir karşılaştırma kullanın. Biz de bu yaklaşımı kullanalım.

İçinden suyun aktığı bir boru düşünün. Borunun bir ucunda bu boruya kuvvetli bir şekilde su pompalayan bir pompa bulunmaktadır. Daha sonra zihinsel olarak borunun üzerine kauçuk bir membran yerleştirin. Ne olacak? Membran, borudaki su basıncının (pompanın yarattığı basınç) etkisi altında gerilmeye ve gerilmeye başlayacaktır. Esneyecek, esneyecek, esneyecek ve sonunda zarın elastik kuvveti ya pompanın kuvvetini dengeleyecek ve suyun akışı duracak ya da zar kırılacak (Eğer bu net değilse o zaman bir balon hayal edin) çok fazla pompalanırsa patlar)! Aynı şey şurada da oluyor elektrik kapasitörler. Sadece orada membran yerine kullanılıyor Elektrik alanı Kapasitör şarj edildikçe artar ve güç kaynağının voltajını kademeli olarak dengeler.

Bu nedenle, kapasitörün biriktirebileceği belirli bir sınırlayıcı yük vardır ve bu yük aşıldıktan sonra meydana gelir. kapasitörde dielektrik arıza kırılacak ve kapasitör olmaktan çıkacak. Muhtemelen size bir kapasitörün nasıl çalıştığını anlatmanın zamanı geldi.

Bir elektrik kondansatörü nasıl çalışır?

Okulda size kapasitörün iki plaka ve aralarında boşluk bulunan bir şey olduğu söylendi. Bu plakalara kapasitör plakaları adı verildi ve kapasitöre voltaj sağlamak için bunlara teller bağlandı. Yani modern kapasitörler pek farklı değil. Hepsinde de plakalar var ve plakaların arasında dielektrik var. Dielektrik varlığı sayesinde kapasitörün özellikleri iyileştirilir. Örneğin kapasitesi.

Modern kapasitörler, belirli özellikleri elde etmek için kapasitör plakaları arasına en karmaşık yollarla doldurulmuş farklı türde dielektrikler kullanır (bununla ilgili daha fazla bilgi aşağıdadır).

Çalışma prensibi

Genel çalışma prensibi oldukça basittir: voltaj uygulanır ve yük biriktirilir. Şu anda meydana gelen fiziksel süreçler sizi pek ilgilendirmemelidir, ancak isterseniz bunu herhangi bir fizik kitabının elektrostatik bölümünde okuyabilirsiniz.

DC devresindeki kapasitör

Kondansatörümüzü yerleştirirsek elektrik devresi(Şekil aşağıda), ona seri olarak bir ampermetre bağlayın ve devreye doğru akım uygulayın, ardından ampermetre iğnesi kısa bir süre seğirecek ve ardından donup 0A'yı gösterecek - devrede akım yok. Ne oldu?

Devreye akım uygulanmadan önce kapasitörün boş (deşarj) olduğunu, akım uygulandığında çok hızlı şarj olmaya başladığını ve şarj edildiğinde (kondansatör plakaları arasındaki elektrik alanının güç kaynağını dengelediğini) varsayacağız. ), ardından akım durdu (burada kapasitör yükünün bir grafiği var).

Bu nedenle kondansatörün doğru akımın geçmesine izin vermediğini söylüyorlar. Aslında geçer, ancak çok kısa bir süre için t = 3*R*C formülü kullanılarak hesaplanabilir (Kapasitörün nominal hacminin %95'ine kadar şarj olma süresi. R devre direncidir, C devre direncidir). kapasitörün kapasitansı) Kapasitör bir DC devre akımında bu şekilde davranır Değişken bir devrede tamamen farklı davranır!

AC devresindeki kapasitör

Alternatif akım nedir? Bu, elektronların önce oraya “koştuğu”, sonra geri döndüğü zamandır. Onlar. hareketlerinin yönü sürekli değişir. Daha sonra, kondansatörlü devreden alternatif akım geçerse, plakaların her birinde "+" yük veya "-" yük birikecektir. Onlar. AC akımı aslında akacaktır. Bu, alternatif akımın kapasitörden "engellenmeden" aktığı anlamına gelir.

Tüm bu süreç hidrolik analojiler yöntemi kullanılarak modellenebilir. Aşağıdaki resim bir AC devresinin analogunu göstermektedir. Piston sıvıyı ileri ve geri iter. Bu, pervanenin ileri geri dönmesine neden olur. Alternatif bir sıvı akışı olduğu ortaya çıkıyor (alternatif akımı okuyoruz).

Şimdi kuvvet kaynağı (piston) ile pervane arasına membran şeklinde bir kondansatör medel yerleştirelim ve nelerin değişeceğini analiz edelim.

Hiçbir şey değişmeyecek gibi görünüyor. Sıvı nasıl salınım hareketleri yapıyorsa, yapmaya da devam edecektir, tıpkı pervanenin bu nedenle salınım yapması gibi, salınmaya da devam edecektir. Bu, membranımızın değişken akışa engel olmadığı anlamına gelir. Aynı şey elektronik kapasitör için de geçerli olacaktır.

Gerçek şu ki, bir zincir halinde ilerleyen elektronlar, kapasitörün plakaları arasındaki dielektrik (zarı) geçmeseler bile, kapasitörün dışında hareketleri salınımlıdır (ileri ve geri), yani. alternatif akım akar. Ah!

Böylece kapasitör alternatif akımı geçirir ve doğru akımı engeller. Bu, örneğin bir ses amplifikatörünün çıkışında/girişinde sinyaldeki DC bileşenini kaldırmanız gerektiğinde veya sinyalin yalnızca değişken kısmına bakmanız gerektiğinde (bir DC çıkışındaki dalgalanma) çok kullanışlıdır. voltaj kaynağı).

Kapasitör reaktansı

Kondansatörün direnci var! Prensip olarak bu, sanki çok yüksek dirence sahip bir dirençmiş gibi doğru akımın içinden geçmediği gerçeğinden varsayılabilir.

Alternatif akım başka bir konudur - geçer, ancak kapasitörün direnciyle karşılaşır:

f - frekans, C - kapasitörün kapasitansı. Formüle dikkatlice bakarsanız, eğer akım sabitse, o zaman f = 0 ve sonra (militan matematikçiler beni bağışlasın!) X c = sonsuzluk. Ve kapasitörden doğru akım geçmiyor.

Ancak alternatif akıma karşı direnç, frekansına ve kapasitörün kapasitansına bağlı olarak değişecektir. Akımın frekansı ve kapasitörün kapasitansı ne kadar yüksek olursa, bu akıma o kadar az direnç gösterir ve bunun tersi de geçerlidir. Voltaj ne kadar hızlı değişirse
gerginlik, daha güncel bir kapasitör aracılığıyla bu, artan frekansla Xc'deki azalmayı açıklar.

Bu arada kapasitörün bir diğer özelliği de elektriği bırakmaması ve ısınmamasıdır! Bu nedenle bazen direncin duman çıkaracağı voltajı azaltmak için kullanılır. Örneğin ağ voltajını 220V'tan 127V'a düşürmek. Ve ilerisi:

Bir kapasitördeki akım, terminallerine uygulanan voltajın hızıyla orantılıdır.

Kapasitörler nerede kullanılır?

Evet, özellikleri gerekli olan her yerde (doğru akım geçirmeme, biriktirme yeteneği) elektrik enerjisi ve frekansa bağlı olarak dirençlerini değiştirir), filtrelerde, salınım devrelerinde, voltaj çarpanlarında vb.

Ne tür kapasitörler var?

Sektör çok üretiyor farklı şekiller kapasitörler. Her birinin belirli avantajları ve dezavantajları vardır. Bazılarının kaçak akımı düşük, bazılarının kapasitesi büyük, bazılarının ise başka bir şeyi var. Bu göstergelere bağlı olarak kapasitörler seçilir.

Radyo amatörleri, özellikle de bizim gibi yeni başlayanlar, fazla uğraşmazlar ve bulabilecekleri üzerine bahse girerler. Bununla birlikte, doğada hangi ana kapasitör türlerinin bulunduğunu bilmelisiniz.

Resim, kapasitörlerin çok geleneksel bir şekilde ayrılmasını göstermektedir. Kendi zevkime göre derledim ve hoşuma gitti çünkü var mı yok mu hemen belli oluyor değişken kapasitörler orada ne var kalıcı kapasitörler ve ortak kapasitörlerde hangi dielektriklerin kullanıldığı. Genel olarak bir radyo amatörünün ihtiyaç duyduğu her şey.

Düşük kaçak akıma, küçük boyutlara, düşük endüktansa sahiptirler ve yüksek frekanslarda, DC, darbeli ve alternatif akım devrelerinde çalışabilirler.

Çok çeşitli çalışma voltajlarında ve kapasitelerinde üretilirler: 2 ila 20.000 pF arası ve tasarıma bağlı olarak 30 kV'a kadar gerilimlere dayanabilirler. Ama çoğu zaman buluşacaksınız seramik kapasitörler 50V'a kadar çalışma voltajı ile.

Açıkçası şu anda serbest bırakılıp bırakılmadıklarını bilmiyorum. Ancak daha önce mika bu tür kapasitörlerde dielektrik olarak kullanılıyordu. Ve kapasitörün kendisi, her birinin üzerine her iki tarafa da plakaların uygulandığı bir paket mika plakadan oluşuyordu ve daha sonra bu tür plakalar bir "paket" halinde toplanıp bir kasaya paketlendi.

Tipik olarak birkaç bin ila on binlerce pikoforad kapasiteye sahiplerdi ve 200 V ila 1500 V voltaj aralığında çalışıyorlardı.

Kağıt kapasitörler

Bu tür kapasitörlerde dielektrik olarak kapasitör kağıdı ve plaka olarak alüminyum şeritler bulunur. Uzun şeritler aliminyum folyo aralarına bir kağıt şeridi sıkıştırılarak rulo haline getirilir ve bir kutuya paketlenir. İşin püf noktası bu.

Bu tür kapasitörler binlerce pikoforaddan 30 mikroforada kadar değişen kapasitelerde gelir ve 160 ila 1500 V arasındaki gerilimlere dayanabilir.

Artık müzik tutkunları tarafından ödüllendirildikleri yönünde söylentiler var. Şaşırmadım; tek taraflı iletken kabloları da var...

Prensip olarak, dielektrik olarak polyester içeren sıradan kapasitörler. Kapasitans aralığı 50 V ila 1500 V çalışma voltajında ​​1 nF ila 15 mF arasındadır.

Bu tip kapasitörlerin yadsınamaz iki avantajı vardır. Öncelikle sadece %1 gibi çok küçük bir toleransla yapılabiliyorlar. Yani 100 pF diyorsa kapasitansı 100 pF +/- %1'dir. İkincisi, çalışma voltajının 3 kV'a (ve kapasitansın 100 pF'den 10 mF'ye) ulaşabilmesidir.

Elektrolitik kapasitörler

Bu kapasitörler, yalnızca doğru veya titreşimli bir akım devresine bağlanabilmeleri bakımından diğerlerinden farklıdır. Onlar kutupsaldır. Bunların bir artısı bir de eksisi var. Bu onların tasarımından kaynaklanmaktadır. Ve eğer böyle bir kapasitör ters açılırsa, büyük olasılıkla şişecektir. Ve daha önce de neşeyle ama güvensiz bir şekilde patlamadan önce. Var Elektrolitik kapasitörler alüminyum ve tantal.

Alüminyum elektrolitik kapasitörler neredeyse kağıt kapasitörler gibi tasarlanmıştır; tek fark, böyle bir kapasitörün plakalarının kağıt ve alüminyum şeritlerden oluşmasıdır. Kağıt elektrolit ile emprenye edilir ve alüminyum şerit ile kaplanır. ince tabaka Dielektrik görevi gören oksit. Böyle bir kapasitöre alternatif akım uygularsanız veya çıkış polaritelerine geri çevirirseniz, elektrolit kaynayacak ve kapasitör arızalanacaktır.

Elektrolitik kapasitörler oldukça büyük bir kapasiteye sahiptir, bu nedenle örneğin redresör devrelerinde sıklıkla kullanılırlar.

Muhtemelen hepsi bu. Perdenin arkasında polikarbonat, polistiren ve muhtemelen başka birçok türden yapılmış dielektrikli kapasitörler kaldı. Ancak bunun gereksiz olacağını düşünüyorum.

Devam edecek...

İkinci bölümde kapasitörlerin tipik kullanım örneklerini göstermeyi planlıyorum.

Alternatif akım nedir

Doğru akımı düşünürsek, her zaman tamamen sabit olmayabilir: kaynağın çıkışındaki voltaj, yüke veya akünün boşalma derecesine bağlı olabilir veya galvanik pil. Sabit bir stabilize voltajla bile, harici devredeki akım, Ohm kanunu tarafından onaylanan yüke bağlıdır. Bunun da tam olarak doğru bir akım olmadığı ortaya çıktı, ancak böyle bir akıma yön değiştirmediği için alternatif olarak da adlandırılamaz.

Değişkene genellikle voltaj veya akım denir; yönü ve büyüklüğü, etkisi altında değişmez. dış faktörlerörneğin bir yük, ancak oldukça "bağımsız" olarak: jeneratör onu bu şekilde üretir. Ayrıca bu değişikliklerin periyodik olması gerekir. Belli bir süre sonra tekrarlanmasına periyot denir.

Gerilim veya akım, periyodiklik veya diğer kalıplar dikkate alınmaksızın rastgele değişiyorsa, bu tür bir sinyale gürültü denir. Klasik örnek- zayıf yayın sinyaliyle TV ekranında “kar”. Bazı periyodik elektrik sinyallerinin örnekleri Şekil 1'de gösterilmektedir.

Doğru akım için yalnızca iki özellik vardır: polarite ve kaynak voltajı. Alternatif akım durumunda, bu iki miktar açıkça yeterli değildir, bu nedenle birkaç parametre daha ortaya çıkar: genlik, frekans, periyot, faz, anlık ve etkin değer.

Resim 1.

Teknolojide çoğu zaman sinüzoidal salınımlarla uğraşmak gerekir ve sadece elektrik mühendisliğinde değil. Bir araba tekerleği hayal edin. Şu tarihte: düzenli hareketİyi düz bir yolda tekerleğin merkezi, yol yüzeyine paralel düz bir çizgiyi tanımlar. Aynı zamanda, tekerleğin çevresindeki herhangi bir nokta, az önce bahsedilen düz çizgiye göre sinüzoidal bir çizgi boyunca hareket eder.

Bu, gösterilen Şekil 2 ile doğrulanabilir. grafik yöntemi bir sinüzoidin inşası: çizim konusunda iyi eğitim almış herkesin bu tür inşaatların nasıl yapıldığına dair harika bir fikri vardır.

Şekil 2.

İtibaren okul kursu fizikçiler sinüs dalgasının periyodik bir eğriyi incelemek için en yaygın ve uygun dalga olduğunu biliyorlar. Alternatif akım jeneratörlerinde mekanik yapılarından dolayı tamamen aynı sinüzoidal salınımlar elde edilir.

Şekil 3 sinüzoidal akımın grafiğini göstermektedir.

Figür 3.

Akımın büyüklüğünün zamanla değiştiğini fark etmek kolaydır, bu nedenle ordinat ekseni şekilde akımın zamana karşı bir fonksiyonu olan i(t) olarak gösterilmiştir. Tam dönem Akım düz çizgi ile gösterilir ve T periyoduna sahiptir. Koordinatların orijininden itibaren düşünmeye başlarsak akımın önce arttığını, Imax'a ulaştığını, sıfırdan geçtiğini, -Imax'a düştüğünü, daha sonra arttığını ve sıfıra ulaşır. Daha sonra noktalı çizgiyle gösterilen bir sonraki dönem başlar.

Matematiksel bir formül şeklinde akımın davranışı şu şekilde yazılır: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).

Burada i(t) akımın zamana bağlı anlık değeridir, Imax genlik değeridir (denge durumundan maksimum sapma), ω açısal frekanstır (2*π*f), φ faz açısıdır.

Dairesel frekans ω saniyedeki radyan cinsinden ölçülür, faz açısı φ ise radyan veya derece cinsinden ölçülür. İkincisi yalnızca iki sinüzoidal akımın olması durumunda anlamlıdır. Örneğin, Şekil 4'te gösterildiği gibi, akımın 90˚ veya tam olarak dörtte biri kadar gerilim taşıdığı devrelerde. sinüzoidal akım Bir, o zaman onu koordinat ekseni boyunca istediğiniz gibi hareket ettirebilirsiniz ve hiçbir şey değişmeyecektir.

Şekil 4. Kapasitörlü devrelerde akım, gerilimden periyodun dörtte biri kadar öndedir.

Dairesel frekansın (ω) fiziksel anlamı, sinüzoidin bir saniyede radyan cinsinden hangi açıda "hareket ettiği"dir.

Periyot - T, sinüzoidin bir tam salınımı tamamladığı süredir. Aynı durum, örneğin dikdörtgen veya üçgen gibi diğer şekillerin titreşimleri için de geçerlidir. Dönem saniye veya daha küçük birimlerle ölçülür: milisaniye, mikrosaniye veya nanosaniye.

Sinüzoidler de dahil olmak üzere herhangi bir periyodik sinyalin bir diğer parametresi frekanstır, yani sinyalin 1 saniyede yaptığı salınım sayısıdır. Frekans birimi, adını 19. yüzyıl bilim adamı Heinrich Hertz'den alan hertz'dir (Hz). Yani 1Hz'lik bir frekans, bir titreşim/saniyeden fazla bir şey değildir. Örneğin aydınlatma ağının frekansı 50Hz'dir, yani saniyede tam 50 sinüzoidal periyot geçmektedir.

Akımın periyodu biliniyorsa (yapabilirsiniz), o zaman formül sinyalin frekansını bulmanıza yardımcı olacaktır: f=1/T. Üstelik süre saniye cinsinden ifade edilirse sonuç Hertz cinsinden olacaktır. Ve tam tersi, T=1/f, Hz cinsinden frekans, saniye cinsinden süre. Örneğin periyot 1/50=0,02 saniye veya 20 milisaniye ise. Elektrikte daha yüksek frekanslar daha sık kullanılır: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (saniyede binlerce ve milyonlarca titreşim), vb.

Akım için söylenen her şey alternatif voltaj için de geçerlidir: Şekil 6'da I harfini U olarak değiştirmek yeterlidir. Formül şu şekilde görünecektir: u(t)=Umax*sin(ω*t±) φ).

Bu açıklamalar geri dönmek için oldukça yeterli. kapasitörlerle deneyler ve bunların fiziksel anlamlarını açıklayın.

Kapasitör, Şekil 3'teki şemada gösterildiği gibi alternatif akımı iletir (bkz. makale -). İlave bir kondansatör bağlandığında lambanın parlaklığı artar. Kapasitörler paralel bağlandığında kapasitansları toplanır, dolayısıyla Xc kapasitansının kapasitansa bağlı olduğunu varsayabiliriz. Ayrıca akımın frekansına da bağlıdır ve dolayısıyla formül şu şekilde görünür: Xc=1/2*π*f*C.

Formülden, kapasitörün kapasitansında ve alternatif voltajın frekansında bir artışla Xc reaktansının azaldığı anlaşılmaktadır. Bu bağımlılıklar Şekil 5'te gösterilmektedir.

Şekil 5. Kapasitör reaktansının kapasitansa bağımlılığı

Formülde Hertz cinsinden frekansı ve Farad cinsinden kapasitansı yerine koyarsanız sonuç Ohm cinsinden olacaktır.

Kapasitör ısınacak mı?

Şimdi kapasitör ve elektrik sayacıyla yapılan deneyi hatırlayalım, neden dönmüyor? Gerçek şu ki, akkor lambalar, elektrikli su ısıtıcısı veya elektrikli soba gibi tüketici tamamen aktif bir yük olduğunda sayaç aktif enerjiyi sayar. Bu tür tüketiciler için voltaj ve akım aynı fazdadır ve aynı işarete sahiptir: iki değeri çarparsanız negatif sayılar(negatif yarı döngü sırasındaki voltaj ve akım), matematik yasalarına göre sonuç hala pozitiftir. Dolayısıyla bu tür tüketicilerin gücü her zaman olumludur. Şekil 6'da noktalı çizgiyle gösterildiği gibi yüke girer ve ısı şeklinde serbest bırakılır.

Şekil 6.

Alternatif akım devresine bir kapasitör bağlandığında, akım ve voltaj aynı fazda değildir: akım, fazdaki voltajın 90˚ ilerisindedir, bu da akım ve voltaj olduğunda bir kombinasyonun elde edilmesine yol açar. sahip olmak farklı işaretler.

Şekil 7.

Bu anlarda güç negatife döner. Yani güç pozitif olduğunda kondansatör şarj olur, negatif olduğunda ise depolanan enerji kaynağa geri verilir. Bu nedenle, ortalama olarak sıfır çıkıyor ve burada sayılacak hiçbir şey yok.

Kondansatör, tabii ki düzgün çalışıyorsa, hiç ısınmayacaktır bile. Bu nedenle sıklıkla kapasitöre wattsız direnç denir Transformatörsüz düşük güçlü güç kaynaklarında kullanılmasına izin verir. Tehlikeleri nedeniyle bu tür blokların kullanılması tavsiye edilmese de bazen yine de gerekli olmaktadır.

Böyle bir bloğa kurulumdan önce söndürme kapasitörü, basitçe ağa takılarak kontrol edilmelidir: kapasitör yarım saat içinde ısınmadıysa, devreye güvenli bir şekilde dahil edilebilir. Aksi takdirde pişmanlık duymadan onu atmak zorunda kalacaksınız.

Voltmetre ne gösterir?

Çeşitli cihazların imalatında ve onarımında, çok sık olmasa da, alternatif gerilimlerin ve hatta akımların ölçülmesi gerekir. Eğer bir sinüs dalgası yukarı ve aşağı bu kadar huzursuz davranıyorsa, normal bir voltmetre ne gösterecek?

Periyodik bir sinyalin, bu durumda bir sinüzoidin ortalama değeri, x ekseni ve sinyalin grafiksel gösterimi ile sınırlanan alanın 2*π radyana veya sinüzoidin periyoduna bölünmesiyle hesaplanır. Tepeden beri ve Alt kısım tamamen aynıdır, ancak farklı işaretlere sahiptirler, sinüzoidin ortalama değeri sıfırdır ve onu ölçmeye hiç gerek yoktur ve hatta anlamsızdır.

Bu yüzden ölçü aleti bize voltajın veya akımın rms değerini gösterir. RMS, doğru akımla aynı yükte aynı miktarda ısının salındığı periyodik akımın değeridir. Yani ampul aynı parlaklıkta parlar.

Bu, şu formüllerle açıklanmaktadır: Gerilim için Isrk = 0,707*Imax= Imax/√2 formül aynıdır, sadece bir harfi değiştirin Usrk=0,707*Umax=Umax/√2. Bunlar ölçüm cihazının gösterdiği değerlerdir. Ohm yasasını kullanarak hesaplama yaparken veya gücü hesaplarken formüllerde değiştirilebilirler.

Ancak alternatif akım ağındaki bir kapasitörün yapabileceği tek şey bu değildir. Bir sonraki makale darbe devrelerinde, yüksek ve alçak geçişli filtrelerde ve sinüs ve kare dalga üreteçlerinde kapasitörlerin kullanımına bakacaktır.

Bir kapasitörün şarjı hakkında.

Devreyi kapatalım. Devreden bir kapasitör şarj akımı akacaktır. Bu, kapasitörün sol plakasından bazı elektronların tele gireceği ve aynı sayıda elektronun telden sağ plakaya gideceği anlamına gelir. Her iki plaka da aynı büyüklükte zıt yüklerle yüklenecektir.

Dielektrikteki plakalar arasında bir elektrik alanı olacaktır.

Şimdi devreyi açalım. Kapasitör şarjlı kalacaktır. Astarına bir parça tel ile kısa devre yapalım. Kondansatör anında boşalacaktır. Bu, fazla elektronun sağ plakadan tele gideceği ve elektron eksikliğinin telden sol plakaya gideceği anlamına gelir. Her iki plakada da eşit miktarda elektron olacak ve kapasitör boşalacaktır.

Kapasitör hangi voltajda şarj oluyor?

Güç kaynağından kendisine uygulanan voltajla şarj edilir.

Kapasitör direnci.

Devreyi kapatalım. Kondansatör şarj olmaya başladı ve hemen bir akım, voltaj, E.M.S. kaynağı haline geldi. Şekil, kapasitörün E.M.S.'sinin onu şarj eden akım kaynağının tersi yönde yönlendirildiğini göstermektedir.

Muhalefet elektrik hareket gücü Yüklenen bir kondansatörün yüküne kapasitans denir.

Mevcut kaynağın kapasitansı aşmak için harcadığı enerjinin tamamı enerjiye dönüştürülür. Elektrik alanı kapasitör. Kapasitör boşaldığında, elektrik alanının tüm enerjisi devreye enerji şeklinde geri dönecektir. elektrik akımı. Dolayısıyla kapasitans reaktiftir, yani. Geri dönüşü olmayan enerji kayıplarına neden olmaz.

Neden kondansatörden doğru akım geçmiyor da alternatif akım geçiyor?

DC devresini açalım. Lamba yanıp sönecek ve sönecek, neden? Çünkü devreden kapasitör şarj akımı geçti. Kondansatör akü voltajına şarj olur olmaz devredeki akım duracaktır.

Şimdi AC devresini kapatalım. Dönemin ilk çeyreğinde jeneratör üzerindeki voltaj 0'dan maksimuma çıkar. Devre bir kapasitör şarj akımı taşır. Dönemin ikinci çeyreğinde jeneratör üzerindeki gerilim sıfıra düşer. Kondansatör jeneratör aracılığıyla boşaltılır. Bundan sonra kapasitör tekrar şarj edilir ve deşarj edilir. Böylece kondansatörün şarj ve deşarj akımları devre üzerinden akar. Işık sürekli açık kalacaktır.

Kapasitörlü bir devrede, kapasitörün dielektrik kısmı da dahil olmak üzere tüm kapalı devre boyunca akım akar. Dielektriği polarize eden bir şarj kapasitöründe bir elektrik alanı üretilir. Polarizasyon, atomlardaki elektronların uzun yörüngelerde dönmesidir.

Çok sayıda atomun eşzamanlı polarizasyonu, adı verilen bir akımı oluşturur. yer değiştirme akımı. Böylece teller geliyor dielektrikteki akım aynı büyüklüktedir.

Bir kapasitörün kapasitansı aşağıdaki formülle belirlenir:

Grafiğe baktığımızda şu sonuca varıyoruz: Tamamen kapasitif reaktanslı bir devredeki akım, voltajın 90 0 önündedir.

Şu soru ortaya çıkıyor: Devredeki akım jeneratördeki voltajı nasıl aşabilir? Devre, jeneratörden ve kapasitörden olmak üzere iki akım kaynağından dönüşümlü olarak akım taşır. Jeneratör üzerindeki voltaj sıfır olduğunda devredeki akım maksimumdur. Bu kapasitörün deşarj akımıdır.

Gerçek kapasitör hakkında

Gerçek bir kapasitörün aynı anda iki direnci vardır: aktif ve kapasitif. Seri olarak bağlı oldukları düşünülmelidir.

Jeneratörün aktif dirence uyguladığı voltaj ve aktif dirençten akan akım aynı fazdadır.

Jeneratör tarafından kapasitif reaktansa uygulanan voltaj ve kapasitif reaktanstan akan akım faz olarak 90 0 kaydırılır. Jeneratörün kapasitöre uyguladığı sonuç voltajı paralelkenar kuralı kullanılarak belirlenebilir.

Aktif dirençte Uet gerilimi ve I akımı aynı fazdadır. Kapasitif reaktansta, Uc voltajı I akımının 90 0 gerisinde kalır. Jeneratörün kapasitöre uyguladığı sonuçta ortaya çıkan voltaj paralelkenar kuralı ile belirlenir. Ortaya çıkan bu voltaj, her zaman 90 0'dan az olmak üzere, bir φ açısı kadar I akımının gerisinde kalır.

Ortaya çıkan kapasitör direncinin belirlenmesi

Bir kapasitörün ortaya çıkan direnci, aktif ve kapasitif dirençlerinin değerleri toplanarak bulunamaz. Bu formüle göre yapılır

>>Fizik 11. sınıf >> Alternatif akım devresindeki kondansatör

§ 33 AC DEVRESİNDE KONDANSATÖR

Kondansatör içeren bir devreden doğru akım geçemez. Aslında bu durumda kapasitör plakaları bir dielektrik ile ayrıldığından devre açık hale gelir.

Alternatif akım, kapasitör içeren bir devreden akabilir. Bu basit bir deneyle doğrulanabilir.

Doğrudan ve alternatif voltaj kaynaklarımız olsun ve kaynağın terminallerindeki sabit voltaj, alternatif voltajın etkin değerine eşittir. Devre, seri bağlı bir kapasitör ve bir akkor lambadan (Şekil 4.13) oluşur. Doğru voltaj açıldığında (anahtar sola çevrildiğinde, devre AA noktalarına bağlanır) lamba yanmaz. Ancak alternatif voltaj açıldığında (anahtar sağa çevrildiğinde, devre BB" noktalarına bağlandığında, kapasitörün kapasitansı yeterince büyükse lamba yanar.

Devre gerçekten açıksa (yükler kondansatörün plakaları arasında hareket edemez) alternatif akım devreden nasıl geçebilir? Mesele şu ki, kapasitör alternatif voltajın etkisi altında periyodik olarak şarj ediliyor ve boşaltılıyor. Kapasitör yeniden şarj edildiğinde devrede akan akım lamba filamanını ısıtır.

Kapasitörün tellerinin ve plakalarının direnci ihmal edilebilirse, yalnızca bir kapasitör içeren bir devrede akım gücünün zamanla nasıl değiştiğini belirleyelim (Şekil 4.14).

Kapasitör voltajı

Yükün zamana göre türevi olan akım gücü şuna eşittir:

Sonuç olarak, akım dalgalanmaları kapasitör boyunca voltaj dalgalanmalarının ilerisindedir (Şekil 4.15).

Akımın genliği:

ben m = U m C. (4.29)

Tanımı girerseniz

ve akım ve gerilim genlikleri yerine bunları kullanın etkili değerler, sonra elde ederiz

Xc'nin değeri, ürünün tersidir. Döngüsel frekanstan elektriksel kapasite kapasitöre kapasitans denir. Bu miktarın rolü, Ohm yasasındaki aktif direnç R'nin rolüne benzer (bkz. formül (4.17)). Akımın etkin değeri, kapasitör üzerindeki voltajın etkin değeri ile aynı şekilde, bir DC devresinin bir bölümü için akım ve voltajın Ohm yasasına göre ilişkili olması gibi ilişkilidir. Bu, Xc'nin değerini kapasitörün alternatif akıma (kapasitans) direnci olarak düşünmemizi sağlar.

Kapasitör kapasitesi ne kadar büyük olursa, şarj akımı da o kadar büyük olur. Kapasitörün kapasitansı arttıkça lambanın akkorluğunun artmasıyla bunu tespit etmek kolaydır. Kapasitör direnci ise DC sonsuz büyüktür, alternatif akıma karşı direnci sonlu bir X c değerine sahiptir. Kapasite arttıkça azalır. Ayrıca sıklığın artmasıyla birlikte azalır.

Sonuç olarak, kapasitörün maksimum voltajına şarj edildiği çeyrek dönemde enerjinin devreye girdiğini ve kapasitörde elektrik alanı enerjisi şeklinde depolandığını not ediyoruz. Dönemin bir sonraki çeyreğinde kapasitör boşaldığında bu enerji şebekeye geri döner.

Kapasitörlü bir devrenin direnci, döngüsel frekansın ve elektriksel kapasitansın çarpımı ile ters orantılıdır. Akım dalgalanmaları gerilim dalgalanmalarından faz adım öndedir.

1. Alternatif akım devresindeki bir kapasitör üzerindeki akım ve voltajın etkin değerleri birbiriyle nasıl ilişkilidir?
2. Yalnızca kapasitör içeren bir devrede enerji açığa çıkar mı? aktif direnç zincirler ihmal edilebilir!
3. Devre kesici bir çeşit kapasitördür. Anahtar neden devreyi güvenilir bir şekilde açıyor?