AC kondenzator

Sastavimo krug s kondenzator, gdje alternator stvara sinusni napon. Analizirajmo redom što će se dogoditi u krugu kada zatvorimo prekidač. Razmotrit ćemo početni trenutak kada je napon generatora jednak nuli.

Tijekom prve četvrtine perioda, napon na stezaljkama generatora će se povećati, počevši od nule, i kondenzator će se početi puniti. U krugu će se pojaviti struja, međutim, u prvom trenutku punjenja kondenzatora, unatoč činjenici da se napon na njegovim pločama tek pojavio i još uvijek je vrlo mali, struja u krugu (struja punjenja) bit će najveća . S povećanjem naboja na kondenzatoru struja u krugu opada i dolazi do nule u trenutku kada je kondenzator potpuno napunjen. U ovom slučaju, napon na pločama kondenzatora, strogo prateći napon generatora, u ovom trenutku postaje maksimalan, ali s suprotnim predznakom, odnosno usmjeren je na napon generatora.

Riža. 1. Promjena struje i napona u krugu s kapacitetom

Na taj način struja s najvećom snagom besplatno ulazi u kondenzator, ali odmah počinje opadati kada se ploče kondenzatora napune nabojima i padaju na nulu, puneći ga u potpunosti.

Usporedimo ovaj fenomen s onim što se događa s protokom vode u cijevi koja povezuje dvije međusobno povezane posude (slika 2), od kojih je jedna puna, a druga prazna. Treba samo pritisnuti ventil koji blokira put vode, jer voda odmah pojuri iz lijeve posude pod velikim pritiskom kroz cijev u praznu desnu posudu. Međutim, odmah će tlak vode u cijevi postupno početi slabiti zbog izjednačavanja razina u posudama i pasti će na nulu. Protok vode će prestati.

Riža. 2. Promjena tlaka vode u cijevi koja povezuje komunikacijske posude slična je promjeni struje u krugu tijekom punjenja kondenzatora

Slično, struja prvo ulazi u nenapunjeni kondenzator, a zatim postupno slabi dok se puni.

Kako počinje druga četvrtina razdoblja, kada napon generatora u početku počinje polako, a zatim se smanjuje sve brže i brže, napunjeni kondenzator će se prazniti u generatoru, uzrokujući struju pražnjenja u krugu. Kako se napon generatora smanjuje, kondenzator se sve više prazni i struja pražnjenja u krugu raste. Smjer struje pražnjenja u ovoj četvrtini periode suprotan je smjeru struje naboja u prvoj četvrtini periode. Prema tome, krivulja struje koja je prešla nultu vrijednost sada se nalazi ispod vremenske osi.

Do kraja prvog poluciklusa, napon generatora, kao i napon kondenzatora, brzo se približava nuli i struja u krugu polako doseže svoju maksimalnu vrijednost. S obzirom da je vrijednost struje u strujnom krugu to veća što je veća vrijednost naboja koji se nosi u strujnom krugu, bit će jasno zašto struja doseže svoj maksimum kada napon na pločama kondenzatora, a time i naboj na kondenzator, brzo opada.

S početkom treće četvrtine razdoblja, kondenzator se ponovno počinje puniti, ali polaritet njegovih ploča, kao i polaritet generatora, mijenja se "i obrnuto, a struja, nastavljajući teći u istom smjeru, počinje se smanjivati ​​kako se kondenzator puni. krajem treće četvrtine perioda, kada napon generatora i kondenzatora dosegne svoj maksimum, struja ide na nulu.

Tijekom posljednje četvrtine perioda, napon, smanjujući se, pada na nulu, a struja, nakon što je promijenila smjer u krugu, doseže svoju maksimalnu vrijednost. Ovdje razdoblje završava, nakon čega počinje sljedeće, točno ponavljajući prethodno, i tako dalje.

Dakle, pod djelovanjem izmjeničnog napona generatora, kondenzator se tijekom periode dva puta puni (prva i treća četvrtina periode) i dva puta prazni (druga i četvrta četvrtina periode). Ali budući da se izmjenjuju jedan po jedan punjenja i pražnjenja kondenzatora popraćena svaki put prolaskom struje punjenja i pražnjenja kroz krug, onda možemo zaključiti da naizmjenična struja.

To možete provjeriti u sljedećem jednostavnom eksperimentu. Spojite kondenzator od 4-6 mikrofarada na električnu mrežu preko žarulje od 25 W.Svjetlo će se upaliti i neće se ugasiti dok se strujni krug ne prekine. To sugerira da je izmjenična struja prošla kroz krug s kapacitetom. Naravno, ona ne prolazi kroz dielektrik kondenzatora, ali u bilo kojem trenutku predstavlja ili struju punjenja ili struju pražnjenja kondenzatora.

Kao što znamo, dielektrik je polariziran pod djelovanjem električnog polja koje nastaje u njemu kada se kondenzator puni, a njegova polarizacija nestaje kada se kondenzator isprazni.

U ovom slučaju, dielektrik s strujom pomaka koja nastaje u njemu služi za izmjeničnu struju kao svojevrsni nastavak strujnog kruga, a za konstantnu on prekida krug. Ali struja pomaka se formira samo unutar dielektrika kondenzatora, pa se stoga ne događa prijenos naboja duž kruga.

Otpor koji pruža AC kondenzator ovisi o vrijednosti kondenzatora i frekvenciji struje.

Što je veći kapacitet kondenzatora, to je veći naboj u krugu tijekom punjenja i pražnjenja kondenzatora i, sukladno tome, veća je struja u krugu. Povećanje struje u krugu znači da se njegov otpor smanjio.

Stoga, kako se kapacitet povećava, otpor kruga prema izmjeničnoj struji se smanjuje.

Raste trenutna frekvencija povećava količinu naboja koji se nosi u krugu jer se punjenje (kao i pražnjenje) kondenzatora mora dogoditi brže nego na niskoj frekvenciji. U isto vrijeme, povećanje količine prenesenog naboja po jedinici vremena ekvivalentno je povećanju struje u krugu i, prema tome, smanjenju njegovog otpora.

Ako nekako postupno smanjimo frekvenciju izmjenične struje i smanjimo struju na istosmjernu, tada će otpor kondenzatora uključenog u krug postupno rasti i postati beskonačno velik (prekidajući strujni krug) sve dok se ne pojavi u krug konstantne struje.

Stoga, s povećanjem frekvencije, smanjuje se otpor kondenzatora prema izmjeničnoj struji.

Kao što se otpor zavojnice prema izmjeničnoj struji naziva induktivnim, otpor kondenzatora naziva se kapacitivnim.

Stoga je kapacitivni otpor to veći što je kapacitet kruga i frekvencija struje koja ga napaja manja.

Kapacitivni otpor se označava kao Xc i mjeri u ohmima.

Ovisnost kapacitivnog otpora o frekvenciji struje i kapacitetu kruga određena je formulom Xc = 1 /ωC, gdje je ω kružna frekvencija jednaka umnošku 2πe, C je kapacitet kruga u faradi.

Kapacitivni otpor, poput induktivnog otpora, ima reaktivnu prirodu, budući da kondenzator ne troši energiju izvora struje.

formula Ohmov zakon za kapacitivni krug ima oblik I = U / Xc, gdje I i U - efektivne vrijednosti struje i napona; Xc je kapacitivni otpor kruga.

Svojstvo kondenzatora da pružaju visoku otpornost niskofrekventnim strujama i lako propuštaju visokofrekventne struje naširoko se koristi u krugovima komunikacijske opreme.

Uz pomoć kondenzatora, na primjer, postiže se odvajanje konstantnih struja i niskofrekventnih struja od visokofrekventnih struja, potrebnih za rad krugova.

Ako je potrebno blokirati put niskofrekventne struje u visokofrekventnom dijelu kruga, mali kondenzator se spaja u seriju. Pruža veliku otpornost na niskofrekventnu struju, au isto vrijeme lako prolazi visokofrekventnu struju.

Ako je potrebno spriječiti visokofrekventnu struju, na primjer, u krugu napajanja radio stanice, tada se koristi kondenzator velikog kapaciteta, spojen paralelno s izvorom struje. U ovom slučaju, visokofrekventna struja prolazi kroz kondenzator, zaobilazeći krug napajanja radio stanice.

Aktivni otpor i kondenzator u krugu izmjenične struje

U praksi se često opažaju slučajevi kada su u serijskom krugu s kapacitetom uključen je aktivni otpor. Ukupni otpor kruga u ovom slučaju određen je formulom

Stoga je ukupni otpor kruga koji se sastoji od aktivnog i kapacitivnog AC otpora jednak kvadratnom korijenu zbroja kvadrata aktivnog i kapacitivnog otpora ovog kruga.

Ohmov zakon vrijedi i za ovaj I = U/Z krug.

Na sl. Slika 3 prikazuje krivulje koje karakteriziraju fazni odnos između struje i napona u krugu koji sadrži kapacitivni i aktivni otpor.

Riža. 3. Struja, napon i snaga u krugu s kondenzatorom i aktivnim otporom

Kao što se može vidjeti sa slike, struja u ovom slučaju povećava napon ne za četvrtinu perioda, već za manje, budući da aktivni otpor krši čisto kapacitivnu (reaktivnu) prirodu kruga, što dokazuje smanjena faza pomaknuti. Sada se napon na stezaljkama kruga definira kao zbroj dviju komponenti: reaktivna komponenta napona koja će nadvladati kapacitivni otpor kruga i aktivna komponenta napona, svladavajući svoj aktivni otpor.

Što je veći aktivni otpor kruga, to je manji fazni pomak između struje i napona.

Krivulja promjene snage u strujnom krugu (vidi sl. 3) dva puta je tijekom razdoblja dobila negativan predznak, što je, kao što već znamo, posljedica reaktivne prirode kruga. Što je strujni krug manje reaktivan, to je manji fazni pomak između struje i napona i taj strujni krug troši više struje izvora.

Pročitajte također: Rezonancija napona