Конденсатор в колі змінного струму

13.04.2017

Конденсатор в колі змінного струму

Конденсатор в колі змінного струму
Зберемо ланцюг з конденсатором. в якій генератор змінного струму створює синусоїдальна напруга. Розберемо послідовно, що відбудеться в ланцюзі, коли ми замкнемо ключ. Початковим будемо вважати той момент, коли напруга генератора дорівнює нулю.

В першу чверть періоду напруга на затискачах генератора буде зростати, починаючи від нуля, і конденсатор почне заряджатися. У ланцюзі з’явиться струм, проте в перший момент заряду конденсатора, незважаючи на те, що напруга на його пластинах тільки що з’явилося і ще дуже мало, струм в ланцюзі (струм заряду) буде найбільшим. У міру ж збільшення заряду конденсатора струм у ланцюзі зменшується і доходить до нуля в момент, коли конденсатор повністю зарядиться. При цьому напруга на пластинах конденсатора, строго слідуючи за напругою генератора, стає до цього моменту максимальним, але зворотного знака, тобто спрямоване назустріч напрузі генератора.

Конденсатор в колі змінного струму

Конденсатор в колі змінного струму

Рис. 1. Зміна струму і напруги в колі з ємністю

Таким чином, струм з найбільшою силою спрямовується у вільний від заряду конденсатор, але тут же починає спадати в міру заповнення зарядами пластин конденсатора і падає до нуля, повністю зарядивши його.

Порівняємо це явище з тим, що відбувається з потоком води в трубі, що з’єднує дві сполучені посудини (рис. 2),один з яких наповнений, а інший порожній. Варто тільки висунути заслінку, що перегороджує шлях воді, як вода відразу ж з лівого посудини під великим напором кинеться по трубі в порожній правий посудину. Однак відразу ж напір води в трубі почне поступово слабшати, внаслідок вирівнювання рівнів в судинах, і впаде до нуля. Протягом води припиниться.

Конденсатор в колі змінного струму

Рис. 2. Зміна напору води в трубі, що з’єднує сполучені посудини, схоже з зміною струму в ланцюзі під час заряду конденсатора

Подібно цьому і струм спочатку спрямовується в незаряджений конденсатор, а потім поступово зменшується по мірі його заряду.

З початком другої чверті періоду, коли напруга генератора почне спочатку повільно, а потім все швидше і швидше убувати, заряджений конденсатор буде розряджатися на генератор, що викличе в ланцюзі струм розряду. По мірі спадання напруги генератора конденсатор все більше і більше розряджається і струм розряду в ланцюзі зростає. Напрямок струму розряду в цій чверті періоду протилежно напрямку струму заряду в першій чверті періоду. Відповідно до цього крива струму, пройшовши нульове значення, розташовується вже тепер нижче осі часу.

До кінця першого напівперіоду напруга на генераторі, а також і на конденсаторі швидко наближається до нулю, а струм у ланцюзі повільно досягає свого максимального значення. Згадавши, що величина струму в ланцюзі тим більше, чим більше величина переноситься з ланцюга заряду, стане зрозумілим, чому струм досягає максимуму тоді, коли напруга на пластинах конденсатора, а отже, і заряд конденсатора швидко убувають.

З початком третьої чверті періоду конденсатор починає заряджатися, але полярність його пластин, так само як і полярність генератора, змінюється «а зворотний, а струм, продовжуючи текти в тому ж напрямку, починає у міру заряду конденсатора убувати, В кінці третьої чверті періоду, коли напруги на генераторі і конденсаторі досягають свого максимуму, струм стає рівним нулю.

В останню чверть періоду напруга, зменшуючись, падає до нуля, а струм, змінивши свій напрямок в ланцюзі, досягає максимальної величини. На цьому і закінчується період, за яким починається наступний, в точності повторює попередній, і т. д.

Отже, під дією змінної напруги генератора двічі за період відбуваються заряд конденсатора (перша та третя чверті періоду) і двічі його розряд (друга і четверта чверті періоду). Але так як чергуються один за іншим заряди і розряди конденсатора супроводжуються кожен раз проходженням по ланцюгу зарядного і розрядного струму, то ми можемо укласти, що по ланцюгу з ємністю проходить змінний струм.

Конденсатор в колі змінного струму

Переконатися в цьому можна на такому простому досвіді. Підключіть до мережі змінного струму через лампочку електричного освітлення потужністю 25 Вт конденсатор ємністю 4-6 мкф. Лампочка загориться і не згасне доти, поки не буде розірваний ланцюг. Це говорить про те, що по ланцюгу з ємністю проходив змінний струм. Однак проходив він, звичайно, не крізь діелектрик конденсатора, а в кожен момент часу являв собою або струм заряду або струм розряду конденсатора.

Діелектрик ж, як нам відомо, поляризується під дією електричного поля, що виникає в ньому, при заряді конденсатора, і поляризація його зникає, коли конденсатор розряджається.

При цьому діелектрик з виникаючих в ньому струмом зміщення служить для змінного струму свого роду продовженням ланцюга, а для постійного розриває ланцюг. Але струм зміщення утворюється тільки в межах діелектрика конденсатора, і тому наскрізного переносу зарядів по ланцюга не відбувається.

Опір, який чиниться конденсатором змінним струмом, залежить від величини ємності конденсатора і від частоти струму.

Чим більша ємність конденсатора, тим більший заряд переноситься з ланцюга за час заряду і розряду конденсатора, а отже, і тим більший буде струм в ланцюзі. Збільшення струму в ланцюзі свідчить про те, що зменшилася її опір.

Отже, зі збільшенням ємності зменшується опір ланцюга змінного струму.

Збільшення частоти струму збільшує величину стерпного з ланцюга заряду, так як заряд (і розряд) конденсатора повинен відбутися швидше, ніж при низькій частоті. У той же час збільшення величини переноситься в одиницю часу заряду рівнозначно збільшенню струму в ланцюзі, а отже, зменшення її опору.

Якщо ж ми-яким способом будемо поступово зменшувати частоту змінного струму і зведемо струм до постійного, то опір конденсатора, включеного в ланцюг, буде поступово зростати і стане нескінченно великим (розрив ланцюга) до моменту появи в ланцюзі постійного струму .

Отже, зі збільшенням частоти зменшується опір конденсатора змінному струму.

Подібно до того, як опір котушки змінному струму називають індуктивним, опір конденсатора прийнято називати ємнісним.

Таким чином, ємнісне опір тим більше, чим менше ємність ланцюга і частота живлячої її струму.

Ємнісне опір позначається через Хс і вимірюється в омах.

Залежність ємнісного опору від частоти струму та ємності ланцюга визначається формулою Хс = 1/ ωЗ, де ω — кругова частота, рівна добутку 2 π f. З—ємність ланцюга у фарадах.

Ємнісне опір, як і індуктивний, є реактивним за своїм характером, так як конденсатор не споживає енергії джерела струму.

Формула закону Ома для кола з ємністю має вигляд: I = U/Xc. де I і U — діючі значення струму і напруги; Хс — ємнісне опір ланцюга.

Властивість конденсаторів чинити великий опір струмів низької частоти і легко пропускати струм високої частоти широко використовується в схемах апаратури зв’язку.

З допомогою конденсаторів, наприклад, досягається необхідне для роботи схем розділення постійних струмів і струмів низької частоти від струмів високої частоти.

Якщо треба перепинити шлях струму низької частоти у високочастотну частину схеми, послідовно включається конденсатор невеликої ємності. Він чинить великий опір низькочастотного струму і в той же час легко пропускає струм високої частоти.

Якщо ж треба не допустити струм високої частоти, наприклад, у ланцюг живлення радіостанції, то використовується конденсатор великої ємності, який включається паралельно джерелу струму. Струм високої частоти в цьому випадку проходить через конденсатор, минаючи ланцюг живлення радіостанції.

Активний опір і конденсатор в колі змінного струму

На практиці часто зустрічаються випадки, коли в ланцюзі послідовно з ємністю включено активний опір. Загальний опір ланцюга в цьому випадку визначається за формулою

Конденсатор в колі змінного струму

Отже, повне опір ланцюга, що складається з активного і ємнісного опорів, змінному струму дорівнює кореню квадратному із суми квадратів активного і ємнісного опорів цього ланцюга.

Закон Ома залишається справедливим і для цього ланцюга I = U/Z .

На рис. 3 наведені криві, що характеризують фазові співвідношення між струмом і напругою в ланцюзі, що містить ємнісне і активного опору.

Конденсатор в колі змінного струму

Рис. 3. Струм, напруга і потужність у колі з конденсатором і активним опором

Як видно з малюнка, струм в цьому випадку випереджає напругу вже не на чверть періоду, а менше, так як активне опір порушило чисто ємнісний (реактивний) характер ланцюга, про що свідчить зменшений зсув фаз. Тепер вже напругу на затискачах кола визначиться як сума двох складових: реактивною складовою напруги u з, що йде на подолання ємнісного опору ланцюга, і активною складовою напруги долає активне її опір.

Крива зміни потужності в ланцюзі (див. рис. 3) двічі за період придбала негативний знак, що є, як нам вже відомо, наслідком реактивного характеру ланцюга. Чим менш реактивна ланцюг, тим менше зсув фаз між струмом і напругою і тим більшу потужність джерела струму ця ланцюг споживає.

Короткий опис статті: електролітичний конденсатор в колі змінного струму Соберемцепь з конденсатором, в якій генератор змінного струму создаетсинусоидальное напруга.Розберемо послідовно, що відбудеться в ланцюзі, коли ми замкнемо ключ.Початковим будемо счит

Джерело: Конденсатор в колі змінного струму

Також ви можете прочитати