Kondensaatori laadimine ja tühjendamine

Kondensaatori laadimine

Kondensaatori laadimiseks peate selle ühendama alalisvooluahelaga. Joonisel fig. 1 näitab kondensaatori laadimisahelat. Kondensaator C on ühendatud generaatori klemmidega. Võtmega saab vooluringi sulgeda või avada. Vaatame üksikasjalikult kondensaatori laadimise protsessi.

Generaatoril on sisetakistus. Kui lüliti on suletud, laeb kondensaator plaatide vahelise pingeni, mis on võrdne e-ga. jne. v. generaator: Uc = E. Sel juhul saab generaatori positiivse klemmiga ühendatud plaat positiivse laengu (+q) ja teine ​​plaat saab võrdse negatiivse laengu (-q). Laengu suurus q on otseselt võrdeline kondensaatori C võimsusega ja selle plaatide pingega: q = CUc

Pe. 1… Kondensaatori laadimisahel

Kondensaatoriplaatide laadimiseks on vaja, et üks neist saaks teatud koguse elektrone juurde ja teine ​​kaotaks.Elektronide ülekandmine ühelt plaadilt teisele toimub piki välist vooluringi generaatori elektromotoorjõu toimel ja laengute liigutamine piki vooluringi pole midagi muud kui elektrivool, mida nimetatakse laadimismahtuvusvooluks A laenguks.

Laadimisvool väärtuses voolab tavaliselt sekundituhandikes, kuni kondensaatori pinge saavutab väärtuse, mis on võrdne e-ga. jne. v. generaator. Kondensaatori plaatide pingetõusu graafik selle laadimise ajal on näidatud joonisel fig. 2, a, millest on näha, et pinge Uc kasvab sujuvalt, algul kiiresti ja seejärel üha aeglasemalt, kuni see võrdub e-ga. jne. v. generaator E. Pärast seda jääb kondensaatori pinge muutumatuks.

Riis. 2. Pinge ja voolu graafikud kondensaatori laadimisel

Kondensaatori laadimisel läbib vooluahelat laadimisvool. Laadimisvoolu graafik on näidatud joonisel fig. 2, b. Algmomendil on laadimisvool suurima väärtusega, kuna pinge kondensaatoris on endiselt null ja Ohmi seaduse järgi iotax = E /Ri, kuna kõik e. jne. c generaator rakendatakse takistusele Ri.

Kui kondensaator laeb, st suurendab pinget sellel, väheneb see laadimisvoolu jaoks. Kui kondensaatoril on juba pinge, on takistuse pingelangus võrdne e. jne. v. generaatori ja kondensaatori pinge, st võrdne E — U s. Seetõttu itax = (E-Us) / Ri

Siit on näha, et Uc suurenedes ilaadimine ja Uc = E juures muutub laadimisvool nulliks.

Lisateavet Ohmi seaduse kohta leiate siit: Ohmi seadus vooluringi lõigu kohta

Kondensaatori laadimisprotsessi kestus sõltub kahest kogusest:

1) generaatori Ri sisetakistusest,

2) kondensaatori C mahtuvusest.

Joonisel fig. 2 on kujutatud 10 mikrofaradi mahuga kondensaatori elegantsete voolude graafikuid: kõver 1 vastab laadimisprotsessile generaatorist, millel on e. jne. kui E = 100 V ja sisetakistusega Ri= 10 Ohm, vastab kõver 2 laadimisprotsessile generaatorist, millel on sama e. pr koos, kuid väiksema sisetakistusega: Ri = 5 oomi.

Nende kõverate võrdlusest on näha, et generaatori väiksema sisetakistuse korral on elegantse voolu tugevus alghetkel suurem ja seetõttu on laadimisprotsess kiirem.

Riis. 2. Erinevate takistuste laadimisvoolude graafikud

Joonisel fig. 3 võrdleb laadimisvoolude graafikuid samast generaatorist laadimisel e-ga. jne. mille E = 100 V ja sisetakistus Ri= 10 oomi kahe erineva võimsusega kondensaatoriga: 10 mikrofaradi (kõver 1) ja 20 mikrofaradi (kõver 2).

Alglaadimisvool iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Mõlemad kondensaatorid on ühesugused, kuna suurema mahutavusega kondensaator salvestab rohkem elektrit, siis peaks selle laadimisvool kestma kauem ja laadimisprotsess on pikem - pikem.

Riis. 3. Erineva võimsusega laadimisvoolude tabelid

Kondensaatori tühjenemine

Ühendage laetud kondensaator generaatori küljest lahti ja kinnitage selle plaatidele takistus.

Kondensaatori Us plaatidel on pinge, seetõttu voolab suletud vooluringis vool, mida nimetatakse tühjendusmahtuvusvoolu iresiks.

Vool voolab kondensaatori positiivselt plaadilt läbi takistuse negatiivsele plaadile. See vastab liigsete elektronide üleminekule negatiivselt plaadilt positiivsele, kus need puuduvad.Ridaraamide protsess toimub seni, kuni kahe plaadi potentsiaalid on võrdsed, st potentsiaalide erinevus nende vahel muutub nulliks: Uc = 0.

Joonisel fig. 4a on kujutatud kondensaatori pinge languse graafikut tühjenemise ajal väärtuselt Uco = 100 V nullini ning pinge langeb esmalt kiiresti ja seejärel aeglasemalt.

Joonisel fig. 4, b näitab tühjendusvoolu muutuste graafikut. Tühjendusvoolu tugevus sõltub takistuse R väärtusest ja Ohmi seaduse järgi ires = Uc/R

Riis. 4. Pinge ja voolude graafikud kondensaatori tühjenemisel

Algmomendil, kui pinge kondensaatori plaatidel on suurim, on ka tühjendusvool suurim ja Uc vähenemisega tühjenemise ajal väheneb ka tühjendusvool. Kui Uc = 0, tühjendusvool peatub.

Kõrvaldamise kestus sõltub:

1) kondensaatori C mahtuvusest

2) takistuse R väärtusel, milleni kondensaator tühjeneb.

Mida suurem on takistus R, seda aeglasem tühjenemine toimub. See on tingitud asjaolust, et suure takistuse korral on tühjendusvoolu tugevus väike ja laengu hulk kondensaatori plaatidel väheneb aeglaselt.

Seda saab näidata sama kondensaatori tühjendusvoolu graafikutel, mille võimsus on 10 μF ja mis on laetud pingeni 100 V, kahe erineva takistuse väärtusega (joonis 5): kõver 1 — R juures. =40 oomi, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A ja kõver 2 — 20 oomi juures ioresr = 100/20 = 5 A.

Riis. 5. Erinevate takistuste tühjendusvoolude graafikud

Tühjenemine on ka aeglasem, kui kondensaatori mahtuvus on suur.Selle põhjuseks on asjaolu, et kondensaatoriplaatide suurema mahtuvuse korral on rohkem elektrit (rohkem laadimist) ja laengu tühjendamine võtab kauem aega. Seda näitavad selgelt kahe sama võimsusega kondensaatori tühjendusvoolude graafikud, mis on laetud samale pingele 100 V ja tühjendatud takistuseni R= 40 oomi (joonis 6: kõver 1 — mahutavusega kondensaatoril 10 mikrofaradi ja kõver 2 – 20 mikrofaradi mahutavusega kondensaatori jaoks).

Riis. 6. Erinevate võimsuste tühjendusvoolude graafikud

Vaadeldavatest protsessidest võib järeldada, et kondensaatoriga vooluringis liigub vool ainult laadimise ja tühjenemise hetkedel, kui pinge plaatidel muutub.

Seda seletatakse asjaoluga, et pinge muutumisel muutub plaatide laengu hulk ja see eeldab laengute liikumist mööda ahelat, see tähendab, et vooluringi peab läbima elektrivool. Laetud kondensaator ei läbi alalisvoolu, kuna selle plaatide vaheline dielektrik avab vooluahela.

Kondensaatori energia

Laadimisprotsessi ajal salvestab kondensaator energiat, saades selle generaatorist. Kondensaatori tühjenemisel muundatakse kogu elektrivälja energia soojusenergiaks, st läheb see takistuse soojendamiseks, mille kaudu kondensaator tühjeneb. Mida suurem on kondensaatori mahtuvus ja pinge selle plaatidel, seda suurem on kondensaatori elektrivälja energia. Pingele U laetud kondensaatori mahutavusega C omav energia on võrdne: W = Wc = CU2/2

Näide. Kondensaator C = 10 μF laetud pingeni Uc = 500 V.Määrake energia, mis eraldub soojusjõu mõjul takistuse juures, mille kaudu kondensaator tühjeneb.

Vastus. Tühjenemise ajal muundatakse kogu kondensaatori salvestatud energia soojuseks. Seetõttu W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.