>>Physics Grade 11 >> Kondensator w obwodzie prądu przemiennego
§ 33 KONDENSATOR AC
Prąd stały nie może przepływać przez obwód zawierający kondensator. Rzeczywiście, w tym przypadku obwód okazuje się być otwarty, ponieważ płyty kondensatora są oddzielone dielektrykiem.
Kondensator pochłania energię podczas ładowania, przechowuje ją i rozładowuje podczas rozładowania. Energia jest popychana tam iz powrotem bez efektu. Dlatego jest również nazywany ślepą energią i reaktancją oporności. W tym przypadku jest to rezystor reaktancyjny pojemnościowy.
Prąd i napięcie nie są ze sobą w fazie. Napięcie przepływa przez prąd pod kątem 90°. Mówi się również, że prąd napięcia wzrasta o 90°. Kondensator nie zmienia przebiegu. Powodem jest ładowanie i rozładowywanie kondensatora. Ilekroć zmienia się napięcie, płynie prąd. Napięcie stale się zmienia wraz z napięciem przemiennym. Prąd zawsze osiąga swoją wartość szczytową lub najwyższy punkt, gdy napięcie AC zmienia się najbardziej. Tam sinusoida napięcia jest najbardziej stroma.
Prąd przemienny może płynąć przez obwód zawierający kondensator. Można to zweryfikować za pomocą prostego eksperymentu.
Miejmy źródła napięć stałych i przemiennych, a napięcie stałe na zaciskach źródła jest równe skutecznej wartości napięcia przemiennego. Obwód składa się z kondensatora i żarówki (ryc. 4.13) połączonych szeregowo. Gdy napięcie DC jest włączone (przełącznik jest przekręcony w lewo, obwód jest podłączony do punktów AA "), lampa nie świeci. Ale kiedy napięcie AC jest włączone (przełącznik jest przekręcony w prawo, obwód jest podłączony do punktów BB"), lampka zapala się, jeśli pojemność kondensatora jest wystarczająco duża.
Następnie prąd zatrzymuje się, gdy przyłożone napięcie osiągnie najwyższy punkt, jako wartość szczytową. Tam sinusoidalna fala napięcia jest najbardziej płaska. Reaktancję pojemnościową można obliczyć za pomocą prawa Ohma oraz efektywnych wartości napięcia i prądu.
Reaktancja pojemnościowa zależy od jej pojemności i częstotliwości przyłożonego napięcia przemiennego. Reaktancja pojemnościowa kondensatora jest tym większa, im mniejsza jest pojemność kondensatora i tym niższa częstotliwość przyłożonego napięcia. Im mniejsza pojemność, tym szybciej ładuje się kondensator. Prąd jest mniejszy, a zatem opór jest większy. Opór maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Kondensatory są stosowane w prawie każdym typie obwodów.
Jak prąd przemienny może przejść przez obwód, jeśli faktycznie jest otwarty (ładunki nie mogą przemieszczać się między płytkami kondensatora)? Chodzi o to, że pod wpływem napięcia przemiennego następuje okresowe ładowanie i rozładowywanie kondensatora. Prąd płynący w obwodzie, gdy kondensator jest ładowany, podgrzewa żarnik lampy.
Mają wiele zastosowań, ale ich praca jest naprawdę podstawowa. Ponieważ elektryczność nie jest widoczna, zrozumienie działania kondensatora może być trochę trudne. Nawet jeśli już wiesz, jak działają, ten artykuł może pomóc Ci lepiej zwizualizować to, co dzieje się w Twojej głowie, lepiej zrozumieć rzeczywisty obwód.
Kondensator składa się z dwóch arkuszy przewodzącego metalu oddzielonych w bardzo niewielkiej odległości materiałem izolacyjnym, takim jak plastik lub ceramika. Arkusze przewodzące są tak blisko, że ich atomy „widzą, ale się nie dotykają”. Wyjaśniając bardziej technicznie, arkusze są wystarczająco blisko, aby atomy bez elektronów przyciągały elektrony z przeciwległego arkusza.
Ustalmy, jak zmienia się siła prądu w czasie w obwodzie zawierającym tylko kondensator, jeśli można pominąć rezystancję przewodów i płyt kondensatora (ryc. 4.14).
Napięcie kondensatora
Siła prądu, będąca pochodną ładunku względem czasu, jest równa:
Dielektryk nie pozwoli na przechodzenie elektronów z jednego arkusza do drugiego. Gdy napięcie zostanie przyłożone do akumulatora, będzie on kierował elektrony przez jeden biegun i przyciągał je do drugiego. Dostarczone elektrony zostaną wciągnięte do jednego arkusza kondensatora, a w drugim znikną, gdy zostaną wchłonięte przez akumulator.
Gdy nastąpi ruch elektronów, pojawi się prąd elektryczny. Arkusz izolacyjny zapobiegnie przepływowi elektronów z jednego bieguna do drugiego podczas zatrzymywania. Gdy atomy arkuszy przewodzących nie pozwalają na nadmiar lub nieobecność elektronów, przestaną się one poruszać, tak że prąd dopływający lub wychodzący z kondensatora ustanie.
W konsekwencji wahania prądu wyprzedzają fazę wahań napięcia na kondensatorze o (rys. 4.15). 
Amplituda aktualnej siły wynosi:
Dopóki utrzymywane jest przyłożone napięcie, elektrony będą nadal „napierać” na arkusz izolacyjny, przyciągane przez przeciwny biegun, nawet jeśli się nie poruszają. Nie porusza się, nie ma mocy. Gdy napięcie zniknie, elektrony będą szukać alternatywnego sposobu dotarcia do przeciwległej płyty.
Jeśli istnieje przewodnik lub opór, który na to pozwala, elektrony będą się poruszać, przyciągane przez dodatnio naładowane atomy. Dlatego prąd elektryczny będzie krążył, aż elektrony w jednym arkuszu będą takie same, jak w drugim, zatrzymają się i prąd zniknie.
I m = U m C. (4.29)
Jeśli wprowadzimy oznaczenie
i zamiast amplitud prądu i napięcia użyj ich wartości efektywnych, wtedy otrzymujemy
Wartość X c , odwrotność iloczynu C częstotliwości cyklicznej przez pojemność elektryczna kondensator nazywa się pojemnością. Rola tej wielkości jest podobna do roli oporu czynnego R w prawie Ohma (patrz wzór (4.17)). Efektywna wartość prądu jest powiązana z efektywną wartością napięcia na kondensatorze w taki sam sposób, w jaki prąd i napięcie są powiązane zgodnie z prawem Ohma dla odcinka obwodu DC. To pozwala nam uznać wartość X z jako rezystancję kondensatora na prąd przemienny (pojemność).
Co to jest kondensator elektryczny
Jeżeli przyłożymy napięcie z przeciwną biegunowością, cały proces zostanie powtórzony, chociaż prąd popłynie w przeciwnym kierunku. Arkusz, który wcześniej miał ładunek dodatni, będzie teraz ujemny. O ile nie istnieje obwód rozładowania, który umożliwia przepływ elektronów po wyłączeniu napięcia, kondensator pozostanie naładowany przez czas nieokreślony.
Co pokazuje woltomierz?
Będzie więc miał własne napięcie, będące owocem różnicy potencjałów między atomami dodatnimi i ujemnymi. W momencie, gdy jest podłączony do obwodu, który pozwala na jego rozładowanie, elektrony będą się poruszać, aż ładunki obu biegunów będą równe.
Im większa pojemność kondensatora, tym bardziej aktualne doładować. Łatwo to wykryć, zwiększając żarzenie lampy wraz ze wzrostem pojemności kondensatora. Podczas gdy rezystancja kondensatora DC jest nieskończona, jego rezystancja AC jest skończona X c . Wraz ze wzrostem pojemności maleje. Zmniejsza się również wraz ze wzrostem częstotliwości.
Im więcej powierzchni mają arkusze, tym więcej atomów będzie zwróconych w stronę przeciwnej warstwy, a zatem więcej elektronów będzie przyciągać lub odbijać. Tak więc moc będzie proporcjonalna do jego powierzchni. Kondensatory zwykle mają warstwy spiralne lub ułożone w stos, aby maksymalnie zwiększyć ich powierzchnię.
Dwa bieguny kondensatora są izolowane tak, że nie ma między nimi kontaktu elektrycznego. Tak więc, kiedy mówimy, że kondensator przewodzi lub przepuszcza prąd, nie używamy poprawnych słów. Prawdą jest jednak, że w praktyce efekty są analogiczne do skutków kondensatora przewodzącego prąd, więc często mówi się w tych terminach.
Podsumowując, zauważamy, że w ciągu jednej czwartej okresu, w którym kondensator jest ładowany do maksymalnego napięcia, energia wchodzi do obwodu i jest magazynowana w kondensatorze w postaci energii pola elektrycznego. W kolejnym kwartale okresu, kiedy kondensator jest rozładowany, energia ta jest zwracana do sieci.
Ważne jest, że nawet jeśli mówisz, że kondensator działa, to wiesz, że w rzeczywistości tak nie jest. Faktem jest, że kondensator jest ładowany lub rozładowywany w zależności od przyłożonego napięcia. Gdy napięcie w obwodzie jest większe niż napięcie kondensatora, następuje ładowanie, a gdy napięcie w obwodzie jest niższe, następuje rozładowanie.
Jak bateria. W rzeczywistości bateria i kondensator są wykonane według tych samych zasad, chociaż ich funkcje są różne, a zatem ich charakterystyka. Gdy kondensator jest naładowany, prąd przepływa przez jeden zacisk, a inny prąd wypływa z drugiego zacisku.
Rezystancja obwodu z kondensatorem jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu częstotliwości cyklicznej i pojemności elektrycznej. Wahania prądu wyprzedzają w fazie wahań napięcia o .
1. W jaki sposób powiązane są efektywne wartości prądu i napięcia na kondensatorze w obwodzie prądu przemiennego!
2. Czy energia jest uwalniana w obwodzie zawierającym tylko kondensator, jeśli aktywny opórłańcuchy można zaniedbać!
3. Wyłącznik jest rodzajem kondensatora. Dlaczego przełącznik niezawodnie otwiera obwód!
Prąd jest opóźniony w stosunku do przyłożonego napięcia
Podczas rozładowywania prądy są odwrócone. Logicznie rzecz biorąc, kondensator ładuje się, gdy występuje napięcie, więc jego prąd ładowania odpowiada prądowi w obwodzie. Wyrzuca się, gdy napięcie zanika, więc prąd rozładowania jest poniżej obwodu. Ten prąd rozładowania, odkładający się w stosunku do obwodu, jest tym, co czyni ten element tak wyjątkowym.
W prądzie przemiennym kondensator ładuje się i rozładowuje tyle razy, ile zmienia się napięcie. Przy 50 Hz AC napięcie jest dodatnie 50 razy na sekundę i ujemne kolejne 50, więc zmienia się 100 razy na sekundę. Oznacza to, że kondensator ładuje się i rozładowuje 100 razy na sekundę.
Kondensator w obwodzie prądu przemiennego
Kondensator w obwodzie prądu przemiennego zachowuje się inaczej niż rezystor. Podczas gdy rezystory po prostu przeciwstawiają się przepływowi elektronów (napięcie na nich jest wprost proporcjonalne do prądu), kondensatory przeciwstawiają się zmianie napięcia („hamowanie” lub dodawanie prądu podczas ładowania lub rozładowywania do nowego poziomu napięcia). Prąd przepływający przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia. Ta odporność na zmianę napięcia jest inną formą reaktancji, która jest przeciwieństwem reaktancji cewki indukcyjnej.
Prąd obciążenia jest zgodny z napięciem obwodu, ale prąd rozładowania jest opóźniony, więc nie jest w fazie z napięciem obwodu. Dlatego występują i zmieniają się obciążenia pojemnościowe. Powoduje to krążenie prądu w jednym kierunku wraz ze wzrostem napięcia, ale prąd, który uwalnia kondensator, nie musi podążać w tym samym kierunku, dlatego może zwolnić do pierwszego.
Aby lepiej to zrozumieć, wyobraź sobie fale morza. Woda byłaby masą elektronów. Fale prądu przemiennego to rodzaj fal elektronowych, które poruszają się po obwodzie. napięcie elektryczne byłaby porównywalna z wysokością fali. Im wyższa fala, tym więcej siły będziesz musiał wejść do wody.
Matematyczna zależność między prądem przepływającym przez kondensator a szybkością zmian napięcia na nim jest następująca:
Stosunek du/dt jest szybkością zmian chwilowego napięcia (u) w czasie i jest mierzony w woltach na sekundę. Pojemność (C) jest mierzona w Faradach i prąd chwilowy(i) - w amperach. Aby pokazać, co dzieje się z AC, przeanalizujmy prosty obwód pojemnościowy:
Prąd będzie to ilość wody, która porusza falę. Woda porusza się tam iz powrotem pod wpływem wiatru, tworząc fale. Kondensator będzie jak piaszczysta plaża. Kiedy fala wznosi się wzdłuż brzegu, grawitacja cofa ją, tworząc kaca.
Następna fala spotyka się z kacem, tak że jedna część wody spotyka drugą, która idzie w przeciwnym kierunku. To powoduje, że fala pęka, spada i traci siłę, ponieważ siły działające w przeciwnym kierunku są odejmowane. Falę można znaleźć z wodą płynącą w przeciwnym kierunku lub z wodą w spoczynku, jeśli poprzedni kac już się skończył.
Prosty obwód pojemnościowy: napięcie kondensatora opóźnia się o 90o względem prądu.
Jeśli wykreślimy prąd i napięcie dla tego prostego obwodu, będzie to wyglądać mniej więcej tak:
Jak pamiętasz, prąd przepływający przez kondensator jest odpowiedzią na zmianę napięcia na tym kondensatorze. Z tego możemy wywnioskować, że chwilowy prąd zero zawsze, gdy chwilowa wartość napięcia jest szczytowa (zmiana zera lub zerowe nachylenie sinusoidy napięcia), a chwilowy prąd osiąga wartość szczytową, gdy chwilowe napięcie jest w punktach największej zmiany (punkty o najbardziej stromym nachyleniu przebieg napięcia, przy którym przecina linię zerową). Wszystko to prowadzi do tego, że fala napięcia jest o -90o przesunięta w fazie z falą prądu. Wykres pokazuje, w jaki sposób fala prądu „utrudnia” fali napięcia: prąd „prowadzi” napięcie, a napięcie „opóźnia” się w stosunku do prądu.
Utrudnijmy to częstotliwością
To powoduje, że fala załamuje się, zanim dotrze do brzegu lub na brzeg bez przerwy, w piasek. Jeśli jesteś blisko morza i obserwujesz fale, zobaczysz, że ich częstotliwość jest losowa, a separacja jest różna. Gdy częstotliwość jest niska, fale są bardziej rozdzielone.
Jeśli jest to wyższa częstotliwość, fale będą bliższe. Jest to coś, co jest bardzo ważne dla doświadczonych surferów, ponieważ widząc odległości można przewidzieć, kiedy fala szybko się załamie lub kiedy uderzy o brzeg, będąc w stanie jeździć na niej z deską, aż prawie wejdzie na plażę bar.
Jak można się domyślić, ta sama niezwykła fala mocy, którą widzieliśmy w prostym obwodzie indukcyjnym, występuje również w prostym obwodzie pojemnościowym:
Podobnie jak w przypadku prostego obwodu indukcyjnego, przesunięcie fazowe o 90 stopni między napięciem a prądem powoduje równomiernie przemienną falę mocy między wartościami dodatnimi i ujemnymi. Oznacza to, że kondensator nie rozprasza mocy (kiedy reaguje na zmiany napięcia), ale po prostu ją pochłania i uwalnia (na przemian).
Jeśli zrozumiesz mechanizm fal, zrozumiesz, jak działa kondensator AC. Napięcie sprawia, że prąd porusza się jak fala, im wyższe napięcie, tym większą będzie miał wysokość i tym większa siła zostanie przyłożona do elektronów. To napięcie wprowadzi elektrony do kondensatora, podobnie jak fala kładzie wodę na piasku plaży.
Kiedy napięcie zniknie, te elektrony powrócą, gdy woda piasku powróci do morza. Jeśli napotkają nową falę po powrocie, będą się mieszać, powodując spadek napięcia, podobnie jak fala załamuje się i znika przed lądowaniem.
Rezystancja kondensatora na zmianę napięcia jest interpretowana jako rezystancja wobec napięcia przemiennego jako całości, które z definicji stale zmienia chwilową wielkość i kierunek. Dla dowolnej wartości napięcia przemiennego o danej częstotliwości kondensator o danym rozmiarze „przeprowadzi” pewną ilość prądu przemiennego. Tak jak prąd płynący przez rezystor jest funkcją napięcia na tym rezystorze i jego rezystancji, prąd przemienny płynący przez kondensator jest funkcją napięcia przemiennego na tym kondensatorze i jego reaktancji. Podobnie jak w przypadku cewek indukcyjnych, reaktancja kondensatora jest mierzona w omach i jest oznaczona literą X (lub XC, aby być bardziej precyzyjnym).
Fale bliżej lub bliżej od siebie
Jeśli fale są blisko siebie, będą się ciągle łamać, tworząc pianę, która tłumi nowe fale. Tak więc jest mało prawdopodobne, aby nadeszła „czysta” fala, która wypycha wystarczającą ilość wody na piasek. Dzięki temu kondensator ma zdolność tłumienia lub pochłaniania wysokich częstotliwości.
Wyobraź sobie, że fale są daleko od siebie. Kiedy fala uderza w brzeg, odbija się do następnej fali. Dlatego drugi znajdzie spokój w wodzie, a także może dotrzeć do brzegu, tak jak poprzedni. W ten sposób zobaczymy duże i czyste fale, które rozbijają się o piasek, nie znajdując żadnych przeszkód.
Ponieważ prąd płynący przez kondensator jest proporcjonalny do szybkości zmian napięcia, będzie większy dla szybko zmieniających się napięć i mniejszy dla napięć o wolniejszej zmianie. Oznacza to, że reaktancja dowolnego kondensatora (w omach) jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości prądu przemiennego. Dokładny wzór na obliczenie reaktancji kondensatora jest następujący:
Podobnie kondensator ma niewielki wpływ na prądy o niskiej częstotliwości. Wyobraź sobie, że znajdujemy się na bardzo płaskiej plaży. Kiedy wejdziemy do wody, możemy chodzić bez wody po kolana. Kiedy nadchodzi fala, woda porusza się wiele metrów, pozostawiając na piasku ogromną masę wody.
Po utracie mocy woda powoli cofa się do morza, aż piasek stanie się przezroczysty. Czas, jaki upłynął od momentu dotarcia fali do brzegu do chwili jej rozproszenia, jest dłuższy. Można powiedzieć, że ta plaża ma dużą pojemność, ponieważ na piasku jest w stanie zmagazynować bardzo dużo wody.
Jeżeli na kondensator o pojemności 100 mikrofaradów wpływają częstotliwości 60, 120 i 2500 Hz, to jego reaktancja przyjmie następujące wartości:
Zauważ, że stosunek reaktancji pojemnościowej do częstotliwości jest dokładnie przeciwny do stosunku reaktancji indukcyjnej do tych samych częstotliwości. Reaktancja pojemnościowa zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości AC, podczas gdy reaktancja indukcyjna wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości AC. Jeśli cewki indukcyjne przeciwdziałają gwałtownej zmianie prądu, wytwarzając większe napięcie, kondensatory przeciwdziałają gwałtownej zmianie napięcia, wytwarzając więcej prądu.
Analogicznie do cewek indukcyjnych wyrażenie 2πf w równaniu reaktancji kondensatora można zastąpić małą grecką literą ω (Omega), która jest inaczej nazywana częstotliwością kątową (cykliczną) prądu przemiennego. Zatem równanie X C = 1/(2πfC) można zapisać jako X C = 1/(ωC), gdzie ω jest wyrażone w radianach na sekundę.
Prąd przemienny w prostym obwodzie pojemnościowym jest równy napięciu (w woltach) podzielonemu przez reaktancję kondensatora (w omach). Jest to podobne do tego, że zmienna lub Waszyngton w prostym obwodzie rezystancyjnym jest równe napięciu (w woltach) podzielonemu przez rezystancję (w omach). Jako przykład rozważmy następujący schemat:
Musimy jednak pamiętać, że napięcie i prąd mają różne fazy. Jak wspomniano wcześniej, prąd ma przesunięcie fazowe o +90 o w stosunku do napięcia. Jeśli matematycznie przedstawimy kąty fazowe napięcia i prądu (w postaci liczb zespolonych), to zobaczymy, że reaktancja kondensatora na prąd przemienny ma następujący kąt fazowy:
Matematycznie możemy powiedzieć, że kąt fazowy rezystancji kondensatora dla prądu przemiennego wynosi -90o. W analizie obwodów bardzo ważny jest kąt fazowy reaktancji prądu. To znaczenie jest szczególnie widoczne w analizie złożone łańcuchy prąd przemienny, w którym reaktywne i proste rezystancje oddziałują ze sobą. Przyda się również do reprezentowania odporności dowolnego komponentu. prąd elektryczny w kategoriach liczb zespolonych (zamiast skalarnych wartości rezystancji i reaktancji).