Maiņstrāvas kondensators

Saliksim ķēdi ar kondensators, kur ģenerators ģenerē sinusoidālu spriegumu. Secīgi analizēsim, kas notiks ķēdē, aizverot slēdzi. Mēs apsvērsim sākotnējo brīdi, kad ģeneratora spriegums ir vienāds ar nulli.

Perioda pirmajā ceturksnī palielināsies spriegums ģeneratora spailēs, sākot no nulles, un kondensators sāks uzlādēt. Ķēdē parādīsies strāva, tomēr pirmajā kondensatora uzlādes brīdī, neskatoties uz to, ka spriegums uz tā plāksnēm ir tikko parādījies un joprojām ir ļoti mazs, strāva ķēdē (lādēšanas strāva) būs vislielākā . Palielinoties kondensatora lādiņam, strāva ķēdē samazinās un sasniedz nulli brīdī, kad kondensators ir pilnībā uzlādēts. Šajā gadījumā spriegums uz kondensatora plāksnēm, stingri ievērojot ģeneratora spriegumu, šajā brīdī kļūst par maksimālo, bet ar pretēju zīmi, tas ir, tas tiek novirzīts uz ģeneratora spriegumu.

Rīsi. 1. Strāvas un sprieguma maiņa ķēdē ar kapacitāti

Tādā veidā strāva ar lielāko spēku bez maksas ieplūst kondensatorā, bet uzreiz sāk samazināties, kad kondensatora plāksnes ir piepildītas ar lādiņiem un nokrīt līdz nullei, pilnībā uzlādējot to.

Salīdzināsim šo parādību ar to, kas notiek ar ūdens plūsmu caurulē, kas savieno divus savstarpēji savienotus traukus (2. att.), no kuriem viens ir pilns, bet otrs tukšs. Atliek tikai nospiest vārstu, kas bloķē ūdens ceļu, jo ūdens no kreisā trauka ar lielu spiedienu uzreiz pa cauruli ieplūst tukšajā labajā traukā. Tomēr nekavējoties ūdens spiediens caurulē pakāpeniski sāks vājināties, jo līmenis izlīdzinās traukos, un samazināsies līdz nullei. Ūdens plūsma apstāsies.

Rīsi. 2. Ūdens spiediena izmaiņas caurulē, kas savieno sakaru traukus, ir līdzīgas strāvas izmaiņām ķēdē kondensatora uzlādes laikā.

Tāpat strāva vispirms ieplūst neuzlādētā kondensatorā un pēc tam pakāpeniski vājinās, kad tas uzlādējas.

Sākoties perioda otrajam ceturksnim, kad ģeneratora spriegums sākumā sākas lēni un pēc tam arvien straujāk samazinās, uzlādētais kondensators izlādēsies uz ģeneratoru, izraisot ķēdē izlādes strāvu. Ģeneratora spriegumam samazinoties, kondensators arvien vairāk izlādējas un ķēdē palielinās izlādes strāva. Izlādes strāvas virziens šajā perioda ceturksnī ir pretējs uzlādes strāvas virzienam perioda pirmajā ceturksnī. Attiecīgi pašreizējā līkne, kas ir šķērsojusi nulles vērtību, tagad atrodas zem laika ass.

Līdz pirmā pusperioda beigām ģeneratora spriegums, kā arī kondensatora spriegums strauji tuvojas nullei un ķēdes strāva lēnām sasniedz maksimālo vērtību. Ņemot vērā, ka strāvas vērtība ķēdē ir lielāka, jo lielāka ir ķēdē esošā lādiņa vērtība, kļūs skaidrs, kāpēc strāva sasniedz maksimumu, kad spriegums uz kondensatora plāksnēm un līdz ar to arī lādiņš kondensators, strauji samazinās.

Sākoties perioda trešajam ceturksnim, kondensators atkal sāk uzlādēties, bet tā plākšņu polaritāte, kā arī ģeneratora polaritāte mainās "un otrādi, un strāva, turpinot plūst tajā pašā virzienā, sāk samazināties, kondensatoram uzlādējoties.perioda trešā ceturkšņa beigās, kad ģeneratora un kondensatora spriegumi sasniedz maksimumu, strāva iet uz nulli.

Perioda pēdējā ceturksnī spriegums, samazinoties, nokrītas līdz nullei, un strāva, mainot virzienu ķēdē, sasniedz maksimālo vērtību. Šeit beidzas periods, pēc kura sākas nākamais, precīzi atkārtojot iepriekšējo utt.

Tādējādi ģeneratora mainīgā sprieguma ietekmē kondensators tiek uzlādēts divas reizes periodā (perioda pirmajā un trešajā ceturksnī) un divas reizes izlādējies (perioda otrajā un ceturtajā ceturksnī). Bet tā kā tie mainās pa vienam kondensatoru uzlāde un izlāde katru reizi kopā ar uzlādes un izlādes strāvas pāreju caur ķēdi, tad mēs to varam secināt maiņstrāva.

To varat pārbaudīt, veicot šādu vienkāršu eksperimentu. Pievienojiet 4–6 mikrofaradu kondensatoru elektrotīklam, izmantojot 25 W spuldzi.Gaisma iedegsies un neizdzisīs, kamēr ķēde netiks pārtraukta. Tas liecina, ka caur ķēdi ar kapacitāti ir izgājusi maiņstrāva. Protams, tas neiziet cauri kondensatora dielektriķim, bet jebkurā brīdī apzīmē vai nu uzlādes strāvu, vai kondensatora izlādes strāvu.

Kā zināms, dielektriķis tiek polarizēts elektriskā lauka iedarbībā, kas tajā rodas, kad kondensators tiek uzlādēts, un tā polarizācija pazūd, kad kondensators tiek izlādēts.

Šajā gadījumā dielektriķis ar tajā radušos nobīdes strāvu kalpo maiņstrāvai kā sava veida ķēdes turpinājums, un konstantei tas pārtrauc ķēdi. Bet nobīdes strāva veidojas tikai kondensatora dielektrikā, un tāpēc lādiņu pārnešana gar ķēdi nenotiek.

Maiņstrāvas kondensatora piedāvātā pretestība ir atkarīga no kondensatora kapacitātes vērtības un strāvas frekvences.

Jo lielāka ir kondensatora jauda, ​​jo lielāka ir ķēdes uzlāde kondensatora uzlādes un izlādes laikā un attiecīgi lielāka strāva ķēdē. Strāvas palielināšanās ķēdē norāda, ka tā pretestība ir samazinājusies.

Tāpēc, palielinoties kapacitātei, ķēdes pretestība maiņstrāvai samazinās.

Tas aug strāvas frekvence palielina ķēdē pārvadāto lādiņu daudzumu, jo kondensatora uzlādei (kā arī izlādei) jānotiek ātrāk nekā pie zemas frekvences. Tajā pašā laikā pārsūtītā lādiņa apjoma palielināšanās laika vienībā ir līdzvērtīga strāvas palielinājumam ķēdē un līdz ar to arī tās pretestības samazinājumam.

Ja mēs kaut kā pakāpeniski samazināsim maiņstrāvas frekvenci un samazina strāvu līdz līdzstrāvai, tad ķēdē iekļautā kondensatora pretestība pakāpeniski palielināsies un kļūs bezgalīgi liela (pārraujot ķēdi), līdz tā parādās pastāvīgas strāvas ķēde.

Tāpēc, palielinoties frekvencei, samazinās kondensatora pretestība maiņstrāvai.

Tāpat kā spoles pretestību maiņstrāvai sauc par induktīvu, kondensatora pretestību sauc par kapacitatīvu.

Tāpēc kapacitatīvā pretestība ir lielāka, jo mazāka ir ķēdes jauda un strāvas frekvence, kas to baro.

Kapacitatīvā pretestība tiek apzīmēta kā Xc, un to mēra omos.

Kapacitatīvās pretestības atkarību no strāvas frekvences un ķēdes jaudas nosaka pēc formulas Xc = 1 /ωC, kur ω ir apļveida frekvence, kas vienāda ar reizinājumu 2πe, C ir ķēdes jauda farads.

Kapacitatīvā pretestība, tāpat kā induktīvā pretestība, ir reaktīvs raksturs, jo kondensators nepatērē strāvas avota enerģiju.

formula Oma likums kapacitatīvai ķēdei tā ir formā I = U / Xc, kur I un U - strāvas un sprieguma efektīvās vērtības; Xc ir ķēdes kapacitatīvā pretestība.

Sakaru iekārtu ķēdēs plaši tiek izmantota kondensatoru īpašība nodrošināt augstu pretestību zemfrekvences strāvām un viegli izvadīt augstfrekvences strāvu.

Ar kondensatoru palīdzību, piemēram, tiek panākta konstantu strāvu un zemfrekvences strāvu atdalīšana no augstfrekvences strāvām, kas nepieciešamas ķēžu darbībai.

Ja ir nepieciešams bloķēt zemfrekvences strāvas ceļu ķēdes augstfrekvences daļā, virknē tiek pievienots neliels kondensators. Tas piedāvā lielisku izturību pret zemfrekvences strāvu un tajā pašā laikā viegli šķērso augstfrekvences strāvu.

Ja nepieciešams novērst augstfrekvences strāvu, piemēram, radiostacijas strāvas ķēdē, tad tiek izmantots lielas ietilpības kondensators, kas savienots paralēli strāvas avotam. Šajā gadījumā augstfrekvences strāva iet caur kondensatoru, apejot radiostacijas barošanas ķēdi.

Aktīvā pretestība un kondensators maiņstrāvas ķēdē

Praksē bieži tiek novēroti gadījumi, kad virknē ķēdē ar kapacitāti ir iekļauta aktīvā pretestība. Ķēdes kopējo pretestību šajā gadījumā nosaka pēc formulas

Tāpēc ķēdes, kas sastāv no aktīvās un kapacitatīvās maiņstrāvas pretestības, kopējā pretestība ir vienāda ar kvadrātsakni no šīs ķēdes aktīvās un kapacitatīvās pretestības kvadrātu summas.

Oma likums paliek spēkā arī šai I = U / Z ķēdei.

attēlā. 3 parāda līknes, kas raksturo fāzes attiecības starp strāvu un spriegumu ķēdē, kas satur kapacitatīvo un aktīvo pretestību.

Rīsi. 3. Strāva, spriegums un jauda ķēdē ar kondensatoru un aktīvo pretestību

Kā redzams attēlā, strāva šajā gadījumā palielina spriegumu nevis par ceturtdaļu perioda, bet gan mazāk, jo aktīvā pretestība pārkāpj ķēdes tīri kapacitatīvo (reaktīvo) raksturu, par ko liecina samazinātā fāze. maiņa. Tagad spriegums ķēdes spailēs tiek definēts kā divu komponentu summa: sprieguma reaktīvā sastāvdaļa pārvarēs ķēdes kapacitatīvo pretestību un sprieguma aktīvo komponentu, pārvarot tā aktīvo pretestību.

Jo lielāka ir ķēdes aktīvā pretestība, jo mazāka ir fāzes nobīde starp strāvu un spriegumu.

Jaudas maiņas līkne ķēdē (skat. 3. att.) divas reizes periodā ieguva negatīvu zīmi, kas, kā jau zināms, ir ķēdes reaktīvā rakstura sekas. Jo mazāk reaktīvā ķēde, jo mazāka ir fāzes nobīde starp strāvu un spriegumu, un jo vairāk strāvas avota jaudas ķēde patērē.

Lasi arī: Sprieguma rezonanse