Vahelduvvoolu kondensaator

Paneme vooluringi kokku koos kondensaator, kus generaator tekitab sinusoidaalse pinge. Analüüsime järjestikku, mis juhtub ahelas, kui lüliti sulgeme. Vaatleme alghetke, mil generaatori pinge on võrdne nulliga.

Perioodi esimeses kvartalis tõuseb generaatori klemmide pinge, alustades nullist, ja kondensaator hakkab laadima. Vooluahelasse ilmub aga kondensaatori esimesel laadimise hetkel, hoolimata asjaolust, et selle plaatide pinge on just ilmunud ja on endiselt väga väike, on vooluahela vool (laadimisvool) suurim . Kondensaatori laengu suurenedes voolutugevus ahelas väheneb ja jõuab nullini hetkel, kui kondensaator on täielikult laetud. Sel juhul muutub kondensaatori plaatide pinge, järgides rangelt generaatori pinget, sel hetkel maksimaalseks, kuid vastupidise märgiga, see tähendab, et see on suunatud generaatori pingele.

Riis. 1. Voolu ja pinge muutus mahtuvusega ahelas

Nii sööstab vool suurima jõuga tasuta kondensaatorisse, kuid hakkab kohe vähenema, kui kondensaatori plaadid on laengutega täitunud ja langevad nulli, laadides selle täielikult.

Võrrelgem seda nähtust sellega, mis juhtub veevooluga torus, mis ühendab kahte omavahel ühendatud anumat (joonis 2), millest üks on täis ja teine ​​tühi. Tuleb vaid vajutada veeteed tõkestavat klappi, sest vesi paiskub vasakust anumast suure rõhu all kohe läbi toru tühja paremasse anumasse. Kohe aga hakkab veesurve torus tasapisi nõrgenema tänu anumate tasemete ühtlustumisele ja langeb nullini. Veevool peatub.

Riis. 2. Veerõhu muutus sideanumeid ühendavas torus on sarnane voolu muutusega vooluringis kondensaatori laadimise ajal.

Samamoodi sööstab vool esmalt laadimata kondensaatorisse ja nõrgeneb seejärel laadimisel järk-järgult.

Perioodi teise veerandi alguses, kui generaatori pinge hakkab alguses aeglaselt käima ja seejärel langeb üha kiiremini, tühjendub laetud kondensaator generaatorisse, põhjustades ahelas tühjenemisvoolu. Generaatori pinge vähenedes tühjeneb kondensaator üha enam ja tühjendusvool ahelas suureneb. Tühjendusvoolu suund selles perioodi kvartalis on vastupidine perioodi esimese kvartali laadimisvoolu suunale. Vastavalt sellele asub nullväärtust ületanud voolukõver nüüd ajatelje all.

Esimese poolperioodi lõpuks läheneb generaatori pinge ja ka kondensaatori pinge kiiresti nullile ja vooluahela vool saavutab aeglaselt maksimaalse väärtuse. Arvestades, et voolu väärtus ahelas on suurem, seda suurem on vooluringis kantava laengu väärtus, saab selgeks, miks vool saavutab maksimumi, kui kondensaatori plaatidel on pinge ja seega ka laeng. kondensaator, väheneb kiiresti.

Perioodi kolmanda kvartali alguses hakkab kondensaator uuesti laadima, kuid selle plaatide polaarsus ja generaatori polaarsus muutuvad "ja vastupidi ning vool jätkab voolamist samas suunas. suunas, hakkab kondensaatori laadimisel vähenema.perioodi kolmanda kvartali lõpus, kui generaatori ja kondensaatori pinged saavutavad maksimumi, läheb vool nulli.

Perioodi viimases kvartalis langeb pinge langedes nullini ja voolutugevus, olles ahelas suunda muutnud, saavutab maksimaalse väärtuse. Siin lõpeb periood, mille järel algab järgmine, täpselt korrates eelmist jne.

Seega laaditakse generaatori vahelduvpinge toimel perioodi jooksul kondensaatorit kaks korda (perioodi esimene ja kolmas kvartal) ning tühjenetakse kaks korda (perioodi teine ​​ja neljas kvartal). Aga kuna need vahelduvad ükshaaval kondensaatorite laadimine ja tühjendamine millega kaasneb iga kord laadimis- ja tühjendusvoolu läbimine läbi vooluringi, siis võime seda järeldada vahelduvvoolu.

Seda saate kontrollida järgmise lihtsa katsega. Ühendage 4-6 mikrofaradi kondensaator vooluvõrku 25 W lambipirni kaudu.Tuli süttib ja ei kustu enne, kui vooluahel on katkenud. See viitab sellele, et mahtuvusega vooluringi on läbinud vahelduvvool. Loomulikult ei läbi see kondensaatori dielektrikuid, vaid esindab igal ajahetkel kas laadimisvoolu või kondensaatori tühjenemisvoolu.

Teatavasti polariseerub dielektrik kondensaatori laadimisel tekkiva elektrivälja toimel ja kondensaatori tühjenemisel selle polarisatsioon kaob.

Sel juhul toimib selles tekkiva nihkevooluga dielektrik vahelduvvoolu jaoks vooluahela omamoodi jätkuna ja konstandi jaoks katkestab see ahela. Kuid nihkevool moodustub ainult kondensaatori dielektrikus ja seetõttu laengute ülekandumist mööda vooluringi ei toimu.

Vahelduvvoolukondensaatori pakutav takistus sõltub kondensaatori mahtuvuse väärtusest ja voolu sagedusest.

Mida suurem on kondensaatori võimsus, seda suurem on vooluahela laeng kondensaatori laadimise ja tühjenemise ajal ning vastavalt sellele suurem vool vooluringis. Voolu suurenemine vooluringis näitab, et selle takistus on vähenenud.

Seetõttu väheneb mahtuvuse kasvades ahela takistus vahelduvvoolule.

See kasvab praegune sagedus suurendab vooluringis kantavat laengu mahtu, kuna kondensaatori laadimine (nagu ka tühjenemine) peab toimuma kiiremini kui madala sagedusega. Samal ajal võrdub ülekantava laengu suurenemine ajaühiku kohta voolutugevuse suurenemisega vooluringis ja seega ka selle takistuse vähenemisega.

Kui me vähendame kuidagi järk-järgult vahelduvvoolu sagedust ja vähendame voolu alalisvooluks, siis ahelasse kuuluva kondensaatori takistus järk-järgult suureneb ja muutub lõpmatult suureks (ahela katkestamine), kuni see ilmub püsivoolu ahel.

Seetõttu väheneb sageduse kasvades kondensaatori takistus vahelduvvoolule.

Nii nagu mähise takistust vahelduvvoolule nimetatakse induktiivseks, nimetatakse kondensaatori takistust mahtuvuslikuks.

Seetõttu on mahtuvuslik takistus suurem, mida väiksem on vooluahela läbilaskevõime ja seda toitava voolu sagedus.

Mahtuvuslik takistus on tähistatud kui Xc ja seda mõõdetakse oomides.

Mahtuvusliku takistuse sõltuvus voolu sagedusest ja vooluahela läbilaskevõimest määratakse valemiga Xc = 1 /ωC, kus ω on ringsagedus, mis võrdub 2πe korrutisega, C on vooluahela võimsus farad.

Mahtuvuslikul takistusel, nagu ka induktiivsel takistusel, on reaktiivne iseloom, kuna kondensaator ei tarbi vooluallika energiat.

valem Ohmi seadus mahtuvusliku vooluahela jaoks on see kujul I = U / Xc, kus I ja U - voolu ja pinge efektiivsed väärtused; Xc on vooluahela mahtuvuslik takistus.

Sideseadmete ahelates kasutatakse laialdaselt kondensaatorite omadust pakkuda kõrget vastupidavust madalsageduslikele vooludele ja kergesti läbida kõrgsageduslikke voolusid.

Kondensaatorite abil saavutatakse näiteks konstantsete voolude ja madalsageduslike voolude eraldamine kõrgsagedusvooludest, mis on vajalikud ahelate tööks.

Kui on vaja blokeerida madalsagedusliku voolu tee ahela kõrgsageduslikus osas, ühendatakse jadamisi väike kondensaator. See pakub suurepärast vastupidavust madala sagedusega voolule ja samal ajal läbib kergesti kõrgsageduslikku voolu.

Kui on vaja vältida kõrgsagedusvoolu, näiteks raadiojaama toiteahelas, kasutatakse suure võimsusega kondensaatorit, mis on ühendatud paralleelselt vooluallikaga. Sel juhul läbib kõrgsagedusvool kondensaatorit, möödudes raadiojaama toiteahelast.

Aktiivne takistus ja kondensaator vahelduvvooluahelas

Praktikas täheldatakse sageli juhtumeid, kui see on mahtuvusega jadaahelas aktiivne takistus on kaasatud. Ahela kogutakistus määratakse sel juhul valemiga

Seetõttu on aktiivsest ja mahtuvuslikust vahelduvvoolutakistusest koosneva vooluahela kogutakistus võrdne selle vooluahela aktiivse ja mahtuvusliku takistuse ruutude summa ruutjuurega.

Ohmi seadus jääb kehtima ka selle I = U / Z ahela puhul.

Joonisel fig. 3 on kõverad, mis iseloomustavad voolu ja pinge vahelist faasisuhet mahtuvuslikku ja aktiivtakistust sisaldavas ahelas.

Riis. 3. Vool, pinge ja võimsus kondensaatori ja aktiivtakistusega ahelas

Nagu jooniselt näha, suurendab vool sel juhul pinget mitte veerandi perioodi võrra, vaid vähem, kuna aktiivne takistus rikub vooluahela puhtalt mahtuvuslikku (reaktiivset) olemust, mida tõendab vähenenud faas nihe. Nüüd määratletakse ahela klemmide pinge kahe komponendi summana: pinge reaktiivne komponent ületab vooluahela mahtuvusliku takistuse ja pinge aktiivkomponent, ületades selle aktiivse takistuse.

Mida suurem on vooluahela aktiivtakistus, seda väiksem on faasinihe voolu ja pinge vahel.

Ahela võimsuse muutuse kõver (vt joonis 3) omandas perioodi jooksul kaks korda negatiivse märgi, mis, nagu me juba teame, on ahela reaktiivsuse tagajärg. Mida vähem reaktiivne on vooluahel, seda väiksem on faasinihe voolu ja pinge vahel ning seda rohkem vooluallika võimsust see ahel tarbib.

Loe ka: Pinge resonants