Работа конденсатора в цепи.
Работа конденсатора в цепи постоянного тока
Если собрать цепь как на рисунке и включить выключатель, то увидим, что лампочка загорится на короткое время, а затем погаснет. Это доказывает, что конденсатор не проводит постоянный ток, а лампочка светится вначале потому, что некоторое время через него течет токовый заряд конденсатора. Как только конденсатор зарядится, ток падает почти до нуля, т.е. происходит, так называемый, переходной процесс.
Заменим лампочку в цепи резистором, тогда время переходного процесса будет равно:
t = 3RC,
где t - время в секундах, С - емкость в фарадах, R -
сопротивление всей цепи, включая и источник тока, в Омах.
Из формулы видно, что время заряда больше при больших сопротивлениях и емкостях, а при малых - конденсатор заряжается быстрее.
Для примера рассчитаем время заряда в секундах цепи с конденсатораом емкостью С=100 мкФ и резистором R=10 Ом.
t = 3RC=3•10•100•10-6 = 0,003
Если этот конденсатор заряжать через R=1 мОм, то он зарядится через 300 секунд.
Разряжается конденсатор не мгновенно, а тоже через определенное время, которое рассчитывается по этой же формуле. Линия разряда на графике называется экспонента.
Работа конденсатора в цепи переменного тока
Переменный ток представляет собой колебательное движение электронов в металле. При подключении конденсатора к источнику переменного питания его обкладки будут периодически заряжаться и разряжаться электронами, т.е. в цепи будет протекать переменный ток с частотой f.
Сам конденсатор имеет емкостное сопротивление переменному току Xc:
Xc = 1/2πfC,
Т.е. чем больше частота и емкость конденсатора тем меньше Xc.
Пример: есть С=0,22 мкф, f=50 Гц; найти Xc конденсатора:
Tеперь можно сформулировать закон Ома для переменного тока проходящего через конденсатор:
Xc = U/I; U = XcI; I = U/Xc.
Сопротивление Xc называют реактивным. Это потому, что в конденсаторе максимум напряжения и тока
наступает не одновременно, а сдвинуты относительно друг друга.
Когда рассматривали заряд конденсатора постоянкой, было видно на графике, что в момент включения источника питания напряжение на
конденсаторе равно нулю, а ток цепи максимальный.
В процессе заряда конденсатора напряжение увеличивается , а ток цепи падает до нуля, т.е. он опережает напряжение на 90 градусов.
При переменке на графике видно, что на участке 1-2 ток и напряжение положительные и мощность P = UI тоже положительная. В этот момент заряжается конденсатор и принимает энергию от сети.
Но во второй четверти периода (участок 2-3) напряжение еще положительное, а ток уже отрицательный, т.е. со
знаком минус.
Мощность становится отрицательной P = U(-I) = -UI, а это значит, что конденсатор разряжается и отдает свою
энергию в сеть.
В начале второго полупериода (3-4) напряжение и ток отрицательные, но мощность положительная P = (-U)(-I) = UI (конденсатор заряжается).
На участке 4-5 напряжение отрицательное, а ток цепи положительный. Мощность отрицательная P = (-U)I = -UI,
т.е. конденсатор разряжается.
Из этого следует, что в реактивных сопротивлениях происходит постоянный обмен энергией между генератором и конденсатором, а средняя мощность равна нулю.
Если подключить конденсатор в цепь вместо понижающего резистора, то в отличие от резистора, он не будет нагреваться.
Cвойство реактивного сопротивления конденсатора применяют для понижения напряжения в различных устройствах вместо
трансформаторов. Это блоки питания, зарядные устройства и т.п.
Конденсатор,во-первых, не греется, во-вторых, имеет меньшие размеры, чем трансформатор.
| << Предыдущая | Cледующая >> |