Kondensatora uzlāde un izlāde

Kondensatora uzlāde

Lai uzlādētu kondensatoru, tas jāpievieno līdzstrāvas ķēdei. attēlā. 1 parāda kondensatora uzlādes ķēdi. Kondensators C ir savienots ar ģeneratora spailēm. Atslēgu var izmantot, lai aizvērtu vai atvērtu ķēdi. Detalizēti aplūkosim kondensatora uzlādes procesu.

Ģeneratoram ir iekšējā pretestība. Kad slēdzis ir aizvērts, kondensators tiks uzlādēts līdz spriegumam starp plāksnēm, kas vienāds ar e. utt. v. ģenerators: Uc = E. Šajā gadījumā plāksne, kas savienota ar ģeneratora pozitīvo spaili, saņem pozitīvu lādiņu (+q), bet otrā plāksne saņem vienādu negatīvu lādiņu (-q). Uzlādes q lielums ir tieši proporcionāls kondensatora C kapacitātei un spriegumam uz tā plāksnēm: q = CUc

Pe. 1… Kondensatora uzlādes ķēde

Lai uzlādētu kondensatora plāksnes, ir nepieciešams, lai viena no tām iegūtu, bet otra zaudētu noteiktu daudzumu elektronu.Elektronu pārnešana no vienas plāksnes uz otru tiek veikta pa ārējo ķēdi ar ģeneratora elektromotora spēku, un lādiņu pārvietošanas process pa ķēdi ir nekas cits kā elektriskā strāva, ko sauc par uzlādes kapacitatīvo strāvu A lādiņš.

Uzlādes strāva vērtībā parasti plūst sekundes tūkstošdaļās, līdz spriegums pāri kondensatoram sasniedz vērtību, kas vienāda ar e. utt. v. ģenerators. Sprieguma pieauguma grafiks uz kondensatora plāksnēm tā uzlādes laikā ir parādīts attēlā. 2, a, no kura var redzēt, ka spriegums Uc palielinās vienmērīgi, vispirms strauji, bet pēc tam arvien lēnāk, līdz tas kļūst vienāds ar e. utt. v. ģenerators E. Pēc tam spriegums pāri kondensatoram paliek nemainīgs.

Rīsi. 2. Sprieguma un strāvas grafiki, uzlādējot kondensatoru

Kondensatoram uzlādējoties, caur ķēdi plūst uzlādes strāva. Uzlādes strāvas grafiks ir parādīts attēlā. 2, b. Sākotnējā brīdī lādēšanas strāvai ir vislielākā vērtība, jo spriegums kondensatorā joprojām ir nulle, un saskaņā ar Oma likumu iotax = E /Ri, jo visi e utt. c ģenerators tiek pielietots pretestībai Ri.

Kad kondensators uzlādējas, tas ir, palielina spriegumu uz tā, tas samazinās uzlādes strāvai. Kad kondensatoram jau ir spriegums, sprieguma kritums pāri pretestībai būs vienāds ar starpību starp e. utt. v. ģeneratora un kondensatora spriegums, t.i., vienāds ar E — U s. Tāpēc itax = (E-Us) / Ri

No šejienes var redzēt, ka, palielinoties Uc, uzlādējas un pie Uc = E uzlādes strāva kļūst par nulli.

Vairāk par Oma likumu lasiet šeit: Oma likums ķēdes posmam

Kondensatora uzlādes procesa ilgums ir atkarīgs no diviem daudzumiem:

1) no ģeneratora Ri iekšējās pretestības,

2) no kondensatora C kapacitātes.

attēlā. 2 parāda eleganto strāvu grafikus kondensatoram ar 10 mikrofaradu ietilpību: līkne 1 atbilst uzlādes procesam no ģeneratora ar e. utt. ar E = 100 V un ar iekšējo pretestību Ri = 10 omi, līkne 2 atbilst uzlādes procesam no ģeneratora ar tādu pašu e. ar, bet ar zemāku iekšējo pretestību: Ri = 5 omi.

Salīdzinot šīs līknes, var redzēt, ka ar mazāku ģeneratora iekšējo pretestību elegantās strāvas stiprums sākuma brīdī ir lielāks un līdz ar to uzlādes process notiek ātrāk.

Rīsi. 2. Uzlādes strāvu grafiki pie dažādām pretestībām

attēlā. 3 salīdzina uzlādes strāvu grafikus, veicot uzlādi no tā paša ģeneratora ar e. utt. ar E = 100 V un iekšējo pretestību Ri= 10 omi diviem kondensatoriem ar dažādu jaudu: 10 mikrofarādes (1. līkne) un 20 mikrofarādes (2. līkne).

Sākotnējā uzlādes strāva iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Abi kondensatori ir vienādi, jo kondensators ar lielāku ietilpību uzglabā vairāk elektroenerģijas, tad tā uzlādes strāvai vajadzētu aizņemt ilgāku laiku, un uzlādes process ir ilgāks - ilgāks.

Rīsi. 3. Dažādu jaudu uzlādes strāvu tabulas

Kondensatora izlāde

Atvienojiet uzlādēto kondensatoru no ģeneratora un pievienojiet tā plāksnēm pretestību.

Uz kondensatora Us plāksnēm ir spriegums, tāpēc slēgtā ķēdē plūdīs strāva, ko sauc par izlādes kapacitatīvās strāvas ires.

Strāva plūst no kondensatora pozitīvās plāksnes caur pretestību uz negatīvo plāksni. Tas atbilst lieko elektronu pārejai no negatīvās plāksnes uz pozitīvo, kur to nav.Rindu rāmju process notiek, līdz abu plākšņu potenciāli ir vienādi, t.i., potenciālu starpība starp tām kļūst nulle: Uc = 0.

attēlā. 4.a attēlā parādīts grafiks par sprieguma samazināšanos kondensatorā izlādes laikā no vērtības Uco = 100 V līdz nullei, un spriegums vispirms samazinās strauji un pēc tam lēnāk.

attēlā. 4, b parāda izlādes strāvas izmaiņu grafiku. Izlādes strāvas stiprums ir atkarīgs no pretestības R vērtības un saskaņā ar Oma likumu ires = Uc/R

Rīsi. 4. Sprieguma un strāvu grafiki kondensatora izlādes laikā

Sākotnējā brīdī, kad spriegums uz kondensatora plāksnēm ir vislielākais, arī izlādes strāva ir vislielākā, un, samazinoties Uc izlādes laikā, samazinās arī izlādes strāva. Ja Uc = 0, izlādes strāva apstājas.

Apglabāšanas ilgums ir atkarīgs no:

1) no kondensatora C kapacitātes

2) uz pretestības R vērtību, līdz kurai kondensators izlādējas.

Jo lielāka pretestība R, jo lēnāka notiks izlāde. Tas ir saistīts ar faktu, ka ar lielu pretestību izlādes strāvas stiprums ir mazs, un kondensatora plākšņu lādiņš samazinās lēnām.

To var parādīt viena un tā paša kondensatora izlādes strāvas grafikos ar jaudu 10 μF un uzlādēts līdz 100 V spriegumam pie divām dažādām pretestības vērtībām (5. att.): līkne 1 — pie R =40 omi, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A un līkne 2 — pie 20 omi ioresr = 100/20 = 5 A.

Rīsi. 5. Izlādes strāvu grafiki pie dažādām pretestībām

Izlāde ir arī lēnāka, ja kondensatora kapacitāte ir liela.Tas ir tāpēc, ka ar lielāku kapacitāti uz kondensatora plāksnēm ir vairāk elektrības (vairāk uzlādes), un būs nepieciešams ilgāks laiks, līdz lādiņš iztukšosies. To skaidri parāda izlādes strāvu grafiki diviem vienādas jaudas kondensatoriem, kas uzlādēti līdz vienādam 100 V spriegumam un izlādēti līdz pretestībai R= 40 omi (6. att.: 1. līkne — kondensatoram ar jaudu no 10 mikrofaradām un līkne 2 — kondensatoram ar ietilpību 20 mikrofaradu).

Rīsi. 6. Izlādes strāvu grafiki pie dažādām jaudām

No aplūkotajiem procesiem var secināt, ka ķēdē ar kondensatoru strāva plūst tikai uzlādes un izlādes brīžos, kad mainās spriegums uz plāksnēm.

Tas izskaidrojams ar to, ka, mainoties spriegumam, mainās lādiņu daudzums uz plāksnēm, un tas prasa lādiņu kustību pa ķēdi, tas ir, caur ķēdi ir jāiziet elektriskā strāva. Uzlādēts kondensators neizlaiž līdzstrāvu, jo dielektriķis starp tā plāksnēm atver ķēdi.

Kondensatora enerģija

Uzlādes procesā kondensators uzglabā enerģiju, saņemot to no ģeneratora. Kad kondensators tiek izlādēts, visa elektriskā lauka enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā, tas ir, tā tiek sildīta pretestībā, caur kuru kondensators tiek izlādēts. Jo lielāka ir kondensatora kapacitāte un spriegums pāri tā plāksnēm, jo ​​lielāka ir kondensatora elektriskā lauka enerģija. Enerģijas daudzums, kas piemīt kondensatoram ar kapacitāti C, kas uzlādēts ar spriegumu U, ir vienāds ar: W = Wc = CU2/2

Piemērs. Kondensators C = 10 μF uzlādēts līdz spriegumam Uc = 500 V.Nosakiet enerģiju, kas tiks atbrīvota siltuma spēkā pie pretestības, caur kuru tiek izlādēts kondensators.

Atbilde. Izlādes laikā visa kondensatora uzkrātā enerģija tiks pārvērsta siltumā. Tāpēc W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.