Ładowanie i rozładowywanie kondensatora

Ładunek kondensatora

Aby naładować kondensator, musisz podłączyć go do obwodu prądu stałego. na ryc. 1 pokazuje obwód ładowania kondensatora. Kondensator C jest podłączony do zacisków generatora. Klucza można użyć do zamknięcia lub otwarcia obwodu. Przyjrzyjmy się szczegółowo procesowi ładowania kondensatora.

Generator ma rezystancję wewnętrzną. Gdy przełącznik jest zamknięty, kondensator naładuje się do napięcia między okładkami równego e. itp. v. generator: Uc = E. W tym przypadku płytka podłączona do dodatniego bieguna generatora otrzymuje ładunek dodatni (+q), a druga płytka otrzymuje taki sam ładunek ujemny (-q). Wielkość ładunku q jest wprost proporcjonalna do pojemności kondensatora C i napięcia na jego okładkach: q = CUc

Pe. 1… Obwód ładowania kondensatora

Aby naładować okładki kondensatora, jedna z nich musi zyskać, a druga stracić określoną ilość elektronów.Przenoszenie elektronów z jednej płytki na drugą odbywa się wzdłuż obwodu zewnętrznego za pomocą siły elektromotorycznej generatora, a proces przemieszczania ładunków wzdłuż obwodu jest niczym innym jak prądem elektrycznym, zwanym ładowaniem prądem pojemnościowym Ładunek

Wartość prądu ładowania zwykle płynie w tysięcznych częściach sekundy, aż napięcie na kondensatorze osiągnie wartość równą e. itp. v. generator. Wykres wzrostu napięcia na płytkach kondensatora podczas jego ładowania pokazano na ryc. 2, a, z którego widać, że napięcie Uc rośnie płynnie, najpierw szybko, a potem coraz wolniej, aż do osiągnięcia wartości e. itp. v. generator E. Następnie napięcie na kondensatorze pozostaje niezmienione.

Ryż. 2. Wykresy napięcia i prądu podczas ładowania kondensatora

Podczas ładowania kondensatora przez obwód przepływa prąd ładowania. Wykres prądu ładowania pokazano na rys. 2, b. W chwili początkowej prąd ładowania ma największą wartość, ponieważ napięcie w kondensatorze nadal wynosi zero, a zgodnie z prawem Ohma iotax = E /Ri, ponieważ wszystkie e., itd. generator c jest przyłożony do rezystancji Ri.

Gdy kondensator się ładuje, to znaczy zwiększa napięcie na nim, zmniejsza się dla prądu ładowania. Kiedy na kondensatorze jest już napięcie, spadek napięcia na rezystancji będzie równy różnicy między e. itp. v. napięcie generatora i kondensatora, tj. równy E — U s. Dlatego itax = (E-Us) / Ri

Widać stąd, że wraz ze wzrostem Uc następuje ładowanie i przy Uc = E prąd ładowania staje się zerowy.

Przeczytaj więcej o prawie Ohma tutaj: Prawo Ohma dla odcinka obwodu

Czas trwania procesu ładowania kondensatora zależy od dwóch wielkości:

1) z rezystancji wewnętrznej generatora Ri,

2) z pojemności kondensatora C.

na ryc. 2 pokazuje wykresy prądów eleganckich dla kondensatora o pojemności 10 mikrofaradów: krzywa 1 odpowiada procesowi ładowania z generatora o e. itp. przy E = 100 V i rezystancji wewnętrznej Ri = 10 Ohm krzywa 2 odpowiada procesowi ładowania z generatora o tej samej e. pr z, ale z niższą rezystancją wewnętrzną: Ri = 5 omów.

Z porównania tych krzywych widać, że przy mniejszej rezystancji wewnętrznej generatora siła prądu eleganckiego w chwili początkowej jest większa, a co za tym idzie proces ładowania jest szybszy.

Ryż. 2. Wykresy prądów ładowania przy różnych rezystancjach

na ryc. 3 porównuje wykresy prądów ładowania podczas ładowania z tego samego generatora z e. itp. przy E = 100 V i rezystancji wewnętrznej Ri = 10 omów dwóch kondensatorów o różnych pojemnościach: 10 mikrofaradów (krzywa 1) i 20 mikrofaradów (krzywa 2).

Początkowy prąd ładowania iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Oba kondensatory są takie same, ponieważ kondensator o większej pojemności magazynuje więcej prądu, to jego prąd ładowania powinien trwać dłużej, a proces ładowania jest dłuższy.

Ryż. 3. Tabele prądów ładowania przy różnych pojemnościach

Rozładowanie kondensatora

Odłącz naładowany kondensator od generatora i przymocuj opór do jego okładek.

Na okładkach kondensatora Us występuje napięcie, dlatego w obwodzie zamkniętym popłynie prąd zwany pojemnościowym prądem rozładowania.

Prąd płynie od dodatniej okładki kondensatora przez opór do ujemnej okładki. Odpowiada to przejściu nadmiaru elektronów z płyty ujemnej na dodatnią, gdzie ich nie ma.Proces ramek rzędowych odbywa się do momentu, gdy potencjały obu płyt zrównają się, czyli różnica potencjałów między nimi osiągnie zero: Uc = 0.

na ryc. Na rys. 4a przedstawiono wykres spadku napięcia w kondensatorze podczas rozładowywania od wartości Uco = 100 V do zera, przy czym napięcie najpierw spada gwałtownie, a potem wolniej.

na ryc. 4, b pokazuje wykres zmian prądu rozładowania. Natężenie prądu rozładowania zależy od wartości rezystancji R i zgodnie z prawem Ohma ires = Uc/R

Ryż. 4. Wykresy napięć i prądów podczas rozładowywania kondensatora

W początkowej chwili, gdy napięcie na okładkach kondensatora jest największe, prąd rozładowania jest również największy, a wraz ze spadkiem Uc podczas rozładowania prąd rozładowania również maleje. Przy Uc = 0 prąd rozładowania zatrzymuje się.

Czas trwania utylizacji zależy od:

1) z pojemności kondensatora C

2) od wartości rezystancji R, do której rozładowuje się kondensator.

Im większy opór R, tym wolniejsze będzie rozładowanie. Wynika to z faktu, że przy dużej rezystancji siła prądu rozładowania jest niewielka, a ilość ładunku na płytkach kondensatora powoli maleje.

Można to pokazać na wykresach prądu rozładowania tego samego kondensatora o pojemności 10 μF i naładowanego do napięcia 100 V, przy dwóch różnych wartościach rezystancji (ryc. 5): krzywa 1 — przy R =40 omów, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A i krzywa 2 — przy 20 omach ioresr = 100/20 = 5 A.

Ryż. 5. Wykresy prądów wyładowczych przy różnych rezystancjach

Rozładowanie jest również wolniejsze, gdy pojemność kondensatora jest duża.Dzieje się tak, ponieważ przy większej pojemności na płytkach kondensatora jest więcej energii elektrycznej (większy ładunek) i rozładowanie ładunku zajmie więcej czasu. Wyraźnie pokazują to wykresy prądów rozładowania dla dwóch kondensatorów o tej samej pojemności, naładowanych do tego samego napięcia 100 V i rozładowanych do rezystancji R= 40 omów (rys. 6: krzywa 1 — dla kondensatora o pojemności 10 mikrofaradów i krzywa 2 — dla kondensatora o pojemności 20 mikrofaradów).

Ryż. 6. Wykresy prądów wyładowań przy różnych mocach

Z rozważanych procesów można wywnioskować, że w obwodzie z kondensatorem prąd płynie tylko w momentach ładowania i rozładowania, kiedy zmienia się napięcie na okładkach.

Wyjaśnia to fakt, że gdy zmienia się napięcie, zmienia się ilość ładunku na płytkach, a to wymaga ruchu ładunków wzdłuż obwodu, to znaczy prąd elektryczny musi przepływać przez obwód. Naładowany kondensator nie przepuszcza prądu stałego, ponieważ dielektryk między jego okładkami otwiera obwód.

Energia kondensatora

Podczas procesu ładowania kondensator magazynuje energię, odbierając ją z generatora. Kiedy kondensator jest rozładowany, cała energia pola elektrycznego jest przekształcana w energię cieplną, to znaczy idzie do ogrzania rezystancji, przez którą kondensator jest rozładowywany. Im większa pojemność kondensatora i napięcie na jego okładkach, tym większa energia pola elektrycznego kondensatora. Ilość energii posiadanej przez kondensator o pojemności C naładowany do napięcia U jest równa: W = Wc = CU2/2

Przykład. Kondensator C = 10 μF naładowany do napięcia Uc = 500 V.Określ energię, która zostanie uwolniona w sile ciepła przy rezystancji, przez którą kondensator się rozładowuje.

Odpowiedź. Podczas rozładowania cała energia zmagazynowana przez kondensator zostanie zamieniona na ciepło. Zatem W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.