Punjenje i pražnjenje kondenzatora

Naboj kondenzatora

Da biste napunili kondenzator, morate ga spojiti na istosmjerni krug. Na sl. 1 prikazuje krug punjenja kondenzatora. Kondenzator C spojen je na stezaljke generatora. Ključ se može koristiti za zatvaranje ili otvaranje kruga. Pogledajmo detaljno proces punjenja kondenzatora.

Generator ima unutarnji otpor. Kad je sklopka zatvorena, kondenzator će se napuniti do napona između ploča jednakog e. itd. v. generator: Uc = E. U tom slučaju ploča spojena na pozitivni izvod generatora dobiva pozitivan naboj (+q), a druga ploča dobiva jednaki negativni naboj (-q). Veličina naboja q izravno je proporcionalna kapacitetu kondenzatora C i naponu na njegovim pločama: q = CUc

Pe. 1… Krug punjenja kondenzatora

Da bi se ploče kondenzatora napunile, potrebno je da jedna od njih dobije, a druga izgubi određenu količinu elektrona.Prijenos elektrona s jedne ploče na drugu provodi se duž vanjskog kruga elektromotornom silom generatora, a proces kretanja naboja duž kruga nije ništa drugo do električna struja, koja se naziva kapacitivna struja punjenja A naboj

Struja punjenja u vrijednosti obično teče u tisućinkama sekunde dok napon na kondenzatoru ne dosegne vrijednost jednaku e. itd. v. generator. Grafikon porasta napona na pločama kondenzatora tijekom njegovog punjenja prikazan je na sl. 2, a, iz koje se vidi da napon Uc raste glatko, prvo brzo, a zatim sve sporije, dok ne postane jednak e. itd. v. generator E. Nakon toga napon na kondenzatoru ostaje nepromijenjen.

Riža. 2. Grafi napona i struje pri punjenju kondenzatora

Dok se kondenzator puni, kroz krug teče struja punjenja. Grafikon struje naboja prikazan je na sl. 2, b. U početnom trenutku struja punjenja ima najveću vrijednost, budući da je napon u kondenzatoru još uvijek nula, a prema Ohmovom zakonu iotax = E /Ri, budući da su svi e. itd. c generator se nanosi na otpor Ri.

Kako se kondenzator puni, to jest, povećava napon na njemu, smanjuje se za struju punjenja. Kad već postoji napon na kondenzatoru, pad napona na otporu bit će jednak razlici između e. itd. v. napon generatora i kondenzatora, tj. jednak E — U s. Stoga itax = (E-Us) / Ri

Odavde se može vidjeti da kako Uc raste, inaboj i pri Uc = E struja punjenja postaje nula.

Više o Ohmovom zakonu pročitajte ovdje: Ohmov zakon za dio kruga

Trajanje procesa punjenja kondenzatora ovisi o dvije veličine:

1) od unutarnjeg otpora generatora Ri,

2) od kapaciteta kondenzatora C.

Na sl. Slika 2 prikazuje grafikone elegantnih struja za kondenzator kapaciteta 10 mikrofarada: krivulja 1 odgovara procesu punjenja iz generatora s e. itd. s E = 100 V i unutarnjim otporom Ri = 10 Ohm, krivulja 2 odgovara procesu punjenja iz generatora s istim e. pr., ali s manjim unutarnjim otporom: Ri = 5 ohma.

Iz usporedbe ovih krivulja vidljivo je da je s manjim unutarnjim otporom generatora jačina elegantne struje u početnom trenutku veća pa je samim time i proces punjenja brži.

Riža. 2. Grafikoni struja naboja pri različitim otporima

Na sl. 3 uspoređuje grafove struja punjenja pri punjenju iz istog generatora s e. itd. s E = 100 V i unutarnjim otporom Ri = 10 ohma dvaju kondenzatora različitog kapaciteta: 10 mikrofarada (krivulja 1) i 20 mikrofarada (krivulja 2).

Inicijalna struja punjenja iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Oba kondenzatora su ista, budući da kondenzator većeg kapaciteta skladišti više električne energije, tada bi njegova struja punjenja trebala trajati dulje, a sam proces punjenja je više - dug.

Riža. 3. Tablice struja punjenja s različitim kapacitetima

Pražnjenje kondenzatora

Odvojite napunjeni kondenzator od generatora i spojite otpor na njegove ploče.

Na pločama kondenzatora Us postoji napon, pa će u zatvorenom krugu teći struja koja se naziva kapacitivna struja pražnjenja ires.

Struja teče od pozitivne ploče kondenzatora kroz otpor prema negativnoj ploči. To odgovara prijelazu viška elektrona s negativne ploče na pozitivnu, gdje ih nema.Proces rednih okvira odvija se sve dok se potencijali dviju ploča ne izjednače, tj. razlika potencijala između njih ne postane nula: Uc = 0.

Na sl. Na slici 4a prikazan je graf opadanja napona u kondenzatoru tijekom pražnjenja od vrijednosti Uco = 100 V do nule, pri čemu napon prvo opada brzo, a zatim sporije.

Na sl. 4, b prikazuje grafikon promjena struje pražnjenja. Jakost struje pražnjenja ovisi o vrijednosti otpora R i prema Ohmovom zakonu ires = Uc/R

Riža. 4. Grafi napona i struja pri pražnjenju kondenzatora

U početnom trenutku, kada je napon na pločama kondenzatora najveći, najveća je i struja pražnjenja, a sa smanjenjem Uc tijekom pražnjenja opada i struja pražnjenja. Pri Uc = 0 struja pražnjenja prestaje.

Trajanje zbrinjavanja ovisi o:

1) od kapaciteta kondenzatora C

2) o vrijednosti otpora R na koji se kondenzator prazni.

Što je veći otpor R, to će se sporije odvijati pražnjenje. To je zbog činjenice da je s velikim otporom jakost struje pražnjenja mala i količina naboja na pločama kondenzatora polako se smanjuje.

To se može prikazati na grafikonima struje pražnjenja istog kondenzatora, kapaciteta 10 μF i napunjenog na napon od 100 V, na dvije različite vrijednosti otpora (slika 5): krivulja 1 - na R =40 ohma, ioresr = UcO/ R = 100/40 = 2,5 A i krivulja 2 — pri 20 Ohma ioresr = 100/20 = 5 A.

Riža. 5. Grafovi struja pražnjenja pri različitim otporima

Pražnjenje je također sporije kada je kapacitet kondenzatora velik.To je zato što s većim kapacitetom na pločama kondenzatora ima više elektriciteta (više naboja) i bit će potrebno duže vrijeme da se naboj isprazni. To jasno pokazuju grafikoni struja pražnjenja za dva kondenzatora istog kapaciteta, napunjena na isti napon od 100 V i ispražnjena na otpor R = 40 ohma (sl. 6: krivulja 1 — za kondenzator kapaciteta od 10 mikrofarada i krivulja 2 — za kondenzator kapaciteta 20 mikrofarada).

Riža. 6. Grafovi struja pražnjenja pri različitim snagama

Iz razmatranih procesa može se zaključiti da u krugu s kondenzatorom struja teče samo u trenucima punjenja i pražnjenja, kada se mijenja napon na pločama.

To se objašnjava činjenicom da se pri promjeni napona mijenja i količina naboja na pločama, a to zahtijeva kretanje naboja duž kruga, odnosno električna struja mora proći kroz krug. Nabijeni kondenzator ne propušta istosmjernu struju jer dielektrik između njegovih ploča otvara strujni krug.

Energija kondenzatora

Tijekom procesa punjenja, kondenzator pohranjuje energiju primajući je od generatora. Prilikom pražnjenja kondenzatora sva energija električnog polja pretvara se u toplinsku energiju, odnosno odlazi na zagrijavanje otpora kroz koji se kondenzator prazni. Što je veći kapacitet kondenzatora i napon na njegovim pločama, veća je energija električnog polja kondenzatora. Količina energije koju posjeduje kondenzator kapaciteta C nabijen na napon U jednaka je: W = Wc = CU2/2

Primjer. Kondenzator C = 10 μF napunjen na napon Uc = 500 V.Odredite energiju koja će se osloboditi u sili topline na otporu kroz koji se prazni kondenzator.

Odgovor. Tijekom pražnjenja, sva energija pohranjena u kondenzatoru pretvorit će se u toplinu. Stoga je W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.