Încărcarea și descărcarea condensatorului

Încărcarea condensatorului

Pentru a încărca condensatorul, trebuie să-l conectați la circuitul DC. În fig. 1 arată circuitul de încărcare a condensatorului. Condensatorul C este conectat la bornele generatorului. Cheia poate fi folosită pentru a închide sau deschide circuitul. Să aruncăm o privire detaliată asupra procesului de încărcare a unui condensator.

Generatorul are rezistență internă. Când comutatorul este închis, condensatorul se va încărca la o tensiune între plăci egală cu e. etc. v. generator: Uc = E. În acest caz, placa conectată la borna pozitivă a generatorului primește o sarcină pozitivă (+q), iar a doua placă primește o sarcină negativă egală (-q). Mărimea sarcinii q este direct proporțională cu capacitatea condensatorului C și cu tensiunea de pe plăcile acestuia: q = CUc

Pe. 1… Circuit de încărcare a condensatorului

Pentru a încărca plăcile de condensator, este necesar ca una dintre ele să câștige, iar cealaltă să piardă o anumită cantitate de electroni.Transferul electronilor de la o placă la alta se realizează de-a lungul circuitului extern de forța electromotoare a generatorului, iar procesul de mișcare a sarcinilor de-a lungul circuitului nu este altceva decât un curent electric, numit curent capacitiv de încărcare.

Valoarea curentului de încărcare curge de obicei în miimi de secundă până când tensiunea pe condensator atinge o valoare egală cu e. etc. v. generator. Graficul creșterii tensiunii de pe plăcile condensatorului în timpul încărcării acestuia este prezentat în fig. 2, a, din care se vede ca tensiunea Uc creste lin, mai intai rapid, apoi din ce in ce mai incet, pana devine egala cu e. etc. v. generator E. După aceea, tensiunea pe condensator rămâne neschimbată.

Orez. 2. Grafice ale tensiunii și curentului la încărcarea unui condensator

Pe măsură ce condensatorul se încarcă, un curent de încărcare trece prin circuit. Graficul curentului de încărcare este prezentat în Fig. 2, b. La momentul inițial, curentul de încărcare are cea mai mare valoare, deoarece tensiunea din condensator este încă zero, iar conform legii lui Ohm iotax = E /Ri, deoarece toate e., etc. c generatorul se aplică rezistenței Ri.

Pe măsură ce condensatorul se încarcă, adică crește tensiunea pe el, acesta scade pentru curentul de încărcare. Când există deja o tensiune pe condensator, căderea de tensiune pe rezistență va fi egală cu diferența dintre e. etc. v. tensiunea generatorului și a condensatorului, adică egală cu E — U s. Prin urmare itax = (E-Us) / Ri

De aici se poate observa că pe măsură ce Uc crește, se încarcă și la Uc = E curentul de încărcare devine zero.

Citiți mai multe despre Legea lui Ohm aici: Legea lui Ohm pentru o secțiune a unui circuit

Durata procesului de încărcare a condensatorului depinde de două mărimi:

1) din rezistența internă a generatorului Ri,

2) din capacitatea condensatorului C.

În fig. 2 prezintă graficele curenților eleganti pentru un condensator cu o capacitate de 10 microfarad: curba 1 corespunde procesului de încărcare de la un generator cu e. etc. cu E = 100 V și cu o rezistență internă Ri= 10 Ohm, curba 2 corespunde procesului de încărcare de la un generator cu același e. pr. cu, dar cu o rezistenţă internă mai mică: Ri = 5 ohmi.

Dintr-o comparație a acestor curbe, se poate observa că la o rezistență internă mai mică a generatorului, puterea curentului elegant în momentul inițial este mai mare și prin urmare procesul de încărcare este mai rapid.

Orez. 2. Grafice ale curenților de încărcare la diferite rezistențe

În fig. 3 compară graficele curenților de încărcare la încărcarea de la același generator cu e. etc. cu E = 100 V și rezistență internă Ri= 10 ohmi a două condensatoare cu capacități diferite: 10 microfaradi (curba 1) și 20 microfaradi (curba 2).

Curentul inițial de încărcare iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Ambele condensatoare sunt la fel, deoarece un condensator cu o capacitate mai mare stochează mai multă energie electrică, atunci curentul său de încărcare ar trebui să dureze mai mult, iar procesul de încărcare este mai lung.

Orez. 3. Tabele curenților de încărcare cu capacități diferite

Descărcarea condensatorului

Deconectați condensatorul încărcat de la generator și atașați o rezistență la plăcile acestuia.

Există o tensiune pe plăcile condensatorului Us, prin urmare, într-un circuit închis, va curge un curent numit curent capacitiv de descărcare ire.

Curentul curge de pe placa pozitivă a condensatorului prin rezistența la placa negativă. Aceasta corespunde tranziției electronilor în exces de la placa negativă la cea pozitivă, unde aceștia sunt absenți.Procesul cadrelor pe rând are loc până când potențialele celor două plăci sunt egale, adică diferența de potențial dintre ele devine zero: Uc = 0.

În fig. 4a prezintă graficul scăderii tensiunii din condensator în timpul descărcării de la valoarea Uco = 100 V la zero, iar tensiunea scade mai întâi rapid, apoi mai lent.

În fig. 4, b prezintă graficul modificărilor curentului de descărcare. Puterea curentului de descărcare depinde de valoarea rezistenței R și conform legii lui Ohm ires = Uc/R

Orez. 4. Grafice ale tensiunii și curenților în timpul descărcării condensatorului

În momentul inițial, când tensiunea de pe plăcile condensatorului este cea mai mare, curentul de descărcare este și cel mai mare, iar cu o scădere a Uc în timpul descărcării, scade și curentul de descărcare. La Uc = 0, curentul de descărcare se oprește.

Durata eliminării depinde de:

1) din capacitatea condensatorului C

2) asupra valorii rezistenței R la care se descarcă condensatorul.

Cu cât rezistența R este mai mare, cu atât va avea loc descărcarea mai lentă. Acest lucru se datorează faptului că, cu o rezistență mare, puterea curentului de descărcare este mică, iar cantitatea de încărcare de pe plăcile condensatorului scade lent.

Acest lucru poate fi arătat în graficele curentului de descărcare al aceluiași condensator, cu o capacitate de 10 μF și încărcat la o tensiune de 100 V, la două valori diferite ale rezistenței (Fig. 5): curba 1 - la R =40 ohmi, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A și curba 2 — la 20 ohmi ioresr = 100/20 = 5 A.

Orez. 5. Grafice ale curenților de descărcare la diferite rezistențe

Descărcarea este, de asemenea, mai lentă atunci când capacitatea condensatorului este mare.Acest lucru se datorează faptului că, cu o capacitate mai mare pe plăcile condensatorului, există mai multă electricitate (încărcare mai mare) și va dura o perioadă mai lungă de timp pentru ca încărcarea să se scurgă. Acest lucru este arătat clar de graficele curenților de descărcare pentru doi condensatori de aceeași capacitate, încărcați la aceeași tensiune de 100 V și descărcați la o rezistență R= 40 ohmi (Fig. 6: curba 1 — pentru un condensator cu o capacitate). de 10 microfarad și curba 2 — pentru condensator cu o capacitate de 20 microfarad).

Orez. 6. Grafice ale curenților de descărcare la diferite puteri

Din procesele luate în considerare, se poate concluziona că într-un circuit cu condensator, curentul circulă numai în momentele de încărcare și descărcare, când se modifică tensiunea de pe plăci.

Acest lucru se explică prin faptul că atunci când tensiunea se schimbă, cantitatea de sarcină de pe plăci se modifică, iar acest lucru necesită mișcarea sarcinilor de-a lungul circuitului, adică un curent electric trebuie să treacă prin circuit. Un condensator încărcat nu trece curent continuu, deoarece dielectricul dintre plăcile sale deschide circuitul.

Energia condensatorului

În timpul procesului de încărcare, condensatorul stochează energie primind-o de la generator. Când un condensator este descărcat, toată energia câmpului electric este convertită în energie termică, adică merge să încălzească rezistența prin care se descarcă condensatorul. Cu cât capacitatea condensatorului și tensiunea pe plăcile sale sunt mai mari, cu atât energia câmpului electric al condensatorului este mai mare. Cantitatea de energie deținută de un condensator de capacitate C încărcat la o tensiune U este egală cu: W = Wc = CU2/2

Un exemplu. Condensator C = 10 μF încărcat la tensiunea Uc = 500 V.Determinați energia care va fi eliberată în forța căldurii la rezistența prin care se descarcă condensatorul.

Răspuns. În timpul descărcării, toată energia stocată de condensator va fi transformată în căldură. Prin urmare W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.