Kondensator AC

Złóżmy obwód za pomocą kondensator, gdzie alternator generuje napięcie sinusoidalne. Przeanalizujmy sekwencyjnie, co stanie się w obwodzie, gdy zamkniemy przełącznik. Rozważymy moment początkowy, w którym napięcie generatora jest równe zeru.

W pierwszym kwartale tego okresu napięcie na zaciskach generatora wzrośnie, zaczynając od zera, a kondensator zacznie się ładować. W obwodzie pojawi się prąd, jednak w pierwszej chwili ładowania kondensatora, mimo że napięcie na jego okładkach właśnie się pojawiło i jest jeszcze bardzo małe, prąd w obwodzie (prąd ładowania) będzie największy . Wraz ze wzrostem ładunku na kondensatorze prąd w obwodzie maleje i osiąga zero w momencie, gdy kondensator jest w pełni naładowany. W tym przypadku napięcie na płytkach kondensatora, ściśle zgodne z napięciem generatora, staje się w tym momencie maksymalne, ale z przeciwnym znakiem, to znaczy jest skierowane do napięcia generatora.

Ryż. 1. Zmiana prądu i napięcia w obwodzie z pojemnością

W ten sposób prąd płynie z największą siłą do kondensatora za darmo, ale natychmiast zaczyna spadać, gdy okładki kondensatora są wypełnione ładunkami i spadają do zera, całkowicie go ładując.

Porównajmy to zjawisko z tym, co dzieje się z przepływem wody w rurze łączącej dwa połączone ze sobą naczynia (ryc. 2), z których jedno jest pełne, a drugie puste. Wystarczy wcisnąć zawór blokujący drogę wody, gdyż woda natychmiast z lewego naczynia pod dużym ciśnieniem pędzi rurą do pustego prawego naczynia. Jednak natychmiast ciśnienie wody w rurze zacznie stopniowo słabnąć z powodu wyrównania poziomów w naczyniach i spadnie do zera. Przepływ wody zostanie zatrzymany.

Ryż. 2. Zmiana ciśnienia wody w rurze łączącej naczynia komunikacyjne jest podobna do zmiany prądu w obwodzie podczas ładowania kondensatora

Podobnie, prąd najpierw wpada do nienaładowanego kondensatora, a następnie stopniowo słabnie w miarę ładowania.

Gdy zaczyna się druga ćwiartka okresu, kiedy napięcie generatora początkowo zaczyna się powoli, a następnie spada coraz szybciej, naładowany kondensator rozładowuje się do generatora, powodując prąd rozładowania w obwodzie. Gdy napięcie generatora spada, kondensator rozładowuje się coraz bardziej, a prąd rozładowania w obwodzie wzrasta. Kierunek prądu rozładowania w tej ćwiartce okresu jest przeciwny do kierunku prądu ładowania w pierwszej ćwiartce okresu. W związku z tym krzywa prądu, która przekroczyła wartość zero, znajduje się teraz poniżej osi czasu.

Pod koniec pierwszej połowy cyklu napięcie generatora, podobnie jak napięcie kondensatora, szybko zbliża się do zera, a prąd w obwodzie powoli osiąga swoją maksymalną wartość. Biorąc pod uwagę, że wartość prądu w obwodzie jest tym większa, im większa jest wartość ładunku przenoszonego w obwodzie, stanie się jasne, dlaczego prąd osiąga swoje maksimum, gdy napięcie na okładkach kondensatora, a zatem ładunek na kondensator, szybko maleje.

Wraz z początkiem trzeciego kwartału okresu kondensator zaczyna się ponownie ładować, ale polaryzacja jego płytek, a także polaryzacja generatora, zmieniają się ”i odwrotnie, a prąd nadal płynie w tym samym kierunek, zaczyna maleć wraz z ładowaniem kondensatora, koniec trzeciego kwartału okresu, kiedy napięcia generatora i kondensatora osiągają maksimum, prąd spada do zera.

W ostatnim kwartale tego okresu napięcie spada do zera, a prąd, zmieniając kierunek w obwodzie, osiąga maksymalną wartość. Tutaj kończy się okres, po którym zaczyna się następny, dokładnie powtarzając poprzedni i tak dalej.

Tak więc, pod działaniem napięcia przemiennego generatora, kondensator jest ładowany dwukrotnie w okresie (pierwsza i trzecia ćwiartka okresu) i dwukrotnie rozładowywany (druga i czwarta ćwiartka okresu). Ale ponieważ zmieniają się jeden po drugim ładunki i rozładowania kondensatorów towarzyszy każdorazowo przepływ prądu ładowania i rozładowania przez obwód, to możemy to stwierdzić prąd przemienny.

Możesz to sprawdzić w następującym prostym eksperymencie. Podłącz kondensator 4-6 mikrofaradów do sieci za pomocą żarówki o mocy 25 W.Światło zapali się i nie zgaśnie, dopóki obwód nie zostanie przerwany. Sugeruje to, że prąd przemienny przepłynął przez obwód o pojemności. Oczywiście nie przechodzi przez dielektryk kondensatora, ale w dowolnym momencie reprezentuje albo prąd ładowania, albo prąd rozładowania kondensatora.

Jak wiemy, dielektryk jest spolaryzowany pod działaniem pola elektrycznego powstającego w nim, gdy kondensator jest naładowany, a jego polaryzacja zanika, gdy kondensator jest rozładowany.

W tym przypadku dielektryk z powstającym w nim prądem przesunięcia służy prądowi przemiennemu jako rodzaj kontynuacji obwodu, a dla stałego przerywa obwód. Ale prąd przesunięcia powstaje tylko w dielektryku kondensatora, a zatem przenoszenie ładunków wzdłuż obwodu nie występuje.

Rezystancja kondensatora AC zależy od wartości pojemności kondensatora i częstotliwości prądu.

Im większa pojemność kondensatora, tym większy ładunek w obwodzie podczas ładowania i rozładowywania kondensatora, a tym samym większy prąd w obwodzie. Wzrost prądu w obwodzie wskazuje, że jego rezystancja spadła.

Dlatego wraz ze wzrostem pojemności rezystancja obwodu na prąd przemienny maleje.

rośnie aktualna częstotliwość zwiększa ilość ładunku przenoszonego w obwodzie, ponieważ ładowanie (jak również rozładowanie) kondensatora musi następować szybciej niż przy niskiej częstotliwości. Jednocześnie wzrost ilości przenoszonego ładunku w jednostce czasu jest równoważny wzrostowi prądu w obwodzie, a tym samym spadkowi jego rezystancji.

Jeśli w jakiś sposób stopniowo zmniejszymy częstotliwość prądu przemiennego i zredukujemy prąd do prądu stałego, to rezystancja kondensatora zawartego w obwodzie będzie stopniowo rosła i stanie się nieskończenie duża (przerwanie obwodu), aż pojawi się w obwód prądu stałego.

Dlatego wraz ze wzrostem częstotliwości rezystancja kondensatora na prąd przemienny maleje.

Tak jak rezystancja cewki na prąd przemienny nazywana jest rezystancją indukcyjną, tak rezystancja kondensatora nazywana jest pojemnościową.

Dlatego rezystancja pojemnościowa jest tym większa, im mniejsza jest pojemność obwodu i częstotliwość prądu, który go zasila.

Rezystancja pojemnościowa jest oznaczana jako Xc i mierzona w omach.

Zależność rezystancji pojemnościowej od częstotliwości prądu i pojemności obwodu określa wzór Xc = 1 /ωC, gdzie ω jest częstotliwością kołową równą iloczynowi 2πe, C jest pojemnością obwodu w farady.

Rezystancja pojemnościowa, podobnie jak rezystancja indukcyjna, ma charakter reaktywny, ponieważ kondensator nie zużywa energii źródła prądu.

formuła Prawo Ohma dla obwodu pojemnościowego ma postać I = U / Xc, gdzie I i U — efektywne wartości prądu i napięcia; Xc to rezystancja pojemnościowa obwodu.

Właściwość kondensatorów zapewniająca wysoką odporność na prądy o niskiej częstotliwości i łatwe przepuszczanie prądów o wysokiej częstotliwości jest szeroko stosowana w obwodach urządzeń komunikacyjnych.

Na przykład za pomocą kondensatorów uzyskuje się oddzielenie prądów stałych i prądów o niskiej częstotliwości od prądów o wysokiej częstotliwości, niezbędnych do działania obwodów.

Jeśli konieczne jest zablokowanie ścieżki prądu o niskiej częstotliwości w części obwodu o wysokiej częstotliwości, mały kondensator jest połączony szeregowo. Zapewnia doskonałą odporność na prąd o niskiej częstotliwości, a jednocześnie łatwo przepuszcza prąd o wysokiej częstotliwości.

Jeśli konieczne jest zapobieganie prądowi o wysokiej częstotliwości, na przykład w obwodzie zasilania stacji radiowej, stosuje się kondensator o dużej pojemności, połączony równolegle ze źródłem prądu. W tym przypadku prąd o wysokiej częstotliwości przepływa przez kondensator, omijając obwód zasilania stacji radiowej.

Rezystancja czynna i kondensator w obwodzie prądu przemiennego

W praktyce często obserwuje się przypadki w obwodzie szeregowym z pojemnością aktywny opór jest wliczony w cenę. Całkowitą rezystancję obwodu w tym przypadku określa wzór

Dlatego całkowita rezystancja obwodu składającego się z rezystancji czynnej i pojemnościowej prądu przemiennego jest równa pierwiastkowi kwadratowemu z sumy kwadratów rezystancji czynnej i pojemnościowej tego obwodu.

Prawo Ohma pozostaje również ważne dla tego obwodu I = U / Z.

na ryc. 3 przedstawia krzywe charakteryzujące zależność fazową między prądem a napięciem w obwodzie zawierającym rezystancję pojemnościową i czynną.

Ryż. 3. Prąd, napięcie i moc w obwodzie z kondensatorem i rezystancją czynną

Jak widać na rysunku, prąd w tym przypadku zwiększa napięcie nie o jedną czwartą okresu, ale o mniej, ponieważ rezystancja czynna narusza czysto pojemnościowy (reaktywny) charakter obwodu, o czym świadczy zredukowana faza zmiana. Teraz napięcie na zaciskach obwodu jest definiowane jako suma dwóch składowych: składowa reaktywna napięcia tive pokona rezystancję pojemnościową obwodu i składowa czynna napięcia, pokonując jego rezystancję czynną.

Im większa rezystancja czynna obwodu, tym mniejsze przesunięcie fazowe między prądem a napięciem.

Krzywa zmiany mocy w obwodzie (patrz rys. 3) dwukrotnie w tym okresie uzyskała znak ujemny, co, jak już wiemy, jest konsekwencją biernego charakteru obwodu. Im mniej reaktywny jest obwód, tym mniejsze jest przesunięcie fazowe między prądem a napięciem i tym więcej mocy źródła prądu zużywa ten obwód.

Przeczytaj także: Rezonans napięciowy