Φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή

Φόρτιση πυκνωτή

Για να φορτίσετε τον πυκνωτή, πρέπει να τον συνδέσετε στο κύκλωμα DC. Στο σχ. Το 1 δείχνει το κύκλωμα φόρτισης του πυκνωτή. Ο πυκνωτής C συνδέεται στους ακροδέκτες της γεννήτριας. Το κλειδί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κλείσει ή να ανοίξει το κύκλωμα. Ας ρίξουμε μια λεπτομερή ματιά στη διαδικασία φόρτισης ενός πυκνωτή.

Η γεννήτρια έχει εσωτερική αντίσταση. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, ο πυκνωτής θα φορτίσει σε τάση μεταξύ των πλακών ίση με e. και τα λοιπά. v. γεννήτρια: Uc = E. Στην περίπτωση αυτή, η πλάκα που είναι συνδεδεμένη στο θετικό ακροδέκτη της γεννήτριας δέχεται θετικό φορτίο (+q) και η δεύτερη πλάκα λαμβάνει ίσο αρνητικό φορτίο (-q). Το μέγεθος του φορτίου q είναι ευθέως ανάλογο με την χωρητικότητα του πυκνωτή C και την τάση στις πλάκες του: q = CUc

Pe. 1… Κύκλωμα φόρτισης πυκνωτή

Για να φορτιστούν οι πλάκες πυκνωτών, είναι απαραίτητο η μία από αυτές να κερδίσει και η άλλη να χάσει μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρονίων.Η μεταφορά ηλεκτρονίων από τη μια πλάκα στην άλλη πραγματοποιείται κατά μήκος του εξωτερικού κυκλώματος από την ηλεκτροκινητική δύναμη της γεννήτριας και η διαδικασία μετακίνησης φορτίων κατά μήκος του κυκλώματος δεν είναι τίποτα άλλο από ένα ηλεκτρικό ρεύμα, που ονομάζεται χωρητικό ρεύμα φόρτισης A φορτίο

Το ρεύμα φόρτισης σε τιμή ρέει συνήθως σε χιλιοστά του δευτερολέπτου έως ότου η τάση κατά μήκος του πυκνωτή φτάσει σε τιμή ίση με e. και τα λοιπά. v. γεννήτρια. Το γράφημα της αύξησης της τάσης στις πλάκες του πυκνωτή κατά τη φόρτισή του φαίνεται στο σχ. 2, a, από το οποίο φαίνεται ότι η τάση Uc αυξάνεται ομαλά, πρώτα γρήγορα, και μετά όλο και πιο αργά, μέχρι να γίνει ίση με e. και τα λοιπά. v. γεννήτρια E. Μετά από αυτό, η τάση στον πυκνωτή παραμένει αμετάβλητη.

Ρύζι. 2. Γραφήματα τάσης και ρεύματος κατά τη φόρτιση ενός πυκνωτή

Καθώς ο πυκνωτής φορτίζεται, ένα ρεύμα φόρτισης ρέει μέσω του κυκλώματος. Το γράφημα ρεύματος φόρτισης φαίνεται στο Σχ. 2, β. Την αρχική στιγμή, το ρεύμα φόρτισης έχει τη μεγαλύτερη τιμή, αφού η τάση στον πυκνωτή είναι ακόμα μηδέν, και σύμφωνα με το νόμο του Ohm iotax = E /Ri, αφού όλα τα e., κ.λπ. Η γεννήτρια c εφαρμόζεται στην αντίσταση Ri.

Καθώς ο πυκνωτής φορτίζει, δηλαδή αυξάνει την τάση σε αυτόν, μειώνεται για το ρεύμα φόρτισης. Όταν υπάρχει ήδη τάση στον πυκνωτή, η πτώση τάσης στην αντίσταση θα είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ e. και τα λοιπά. v. τάση γεννήτριας και πυκνωτή, δηλαδή ίση με E — U s. Επομένως itax = (E-Us) / Ri

Από εδώ φαίνεται ότι όσο αυξάνεται το Uc, φορτίζεται και στο Uc = E το ρεύμα φόρτισης γίνεται μηδέν.

Διαβάστε περισσότερα για τον Νόμο του Ohm εδώ: Ο νόμος του Ohm για ένα τμήμα ενός κυκλώματος

Η διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης του πυκνωτή εξαρτάται από δύο ποσότητες:

1) από την εσωτερική αντίσταση της γεννήτριας Ri,

2) από την χωρητικότητα του πυκνωτή C.

Στο σχ. Το 2 δείχνει τα γραφήματα των κομψών ρευμάτων για έναν πυκνωτή χωρητικότητας 10 microfarads: η καμπύλη 1 αντιστοιχεί στη διαδικασία φόρτισης από μια γεννήτρια με e. και τα λοιπά. με E = 100 V και με εσωτερική αντίσταση Ri= 10 Ohm, η καμπύλη 2 αντιστοιχεί στη διαδικασία φόρτισης από γεννήτρια με το ίδιο e. με, αλλά με χαμηλότερη εσωτερική αντίσταση: Ri = 5 ohms.

Από τη σύγκριση αυτών των καμπυλών, μπορεί να φανεί ότι με χαμηλότερη εσωτερική αντίσταση της γεννήτριας, η ισχύς του κομψό ρεύματος την αρχική στιγμή είναι μεγαλύτερη και επομένως η διαδικασία φόρτισης είναι ταχύτερη.

Ρύζι. 2. Γραφήματα των ρευμάτων φόρτισης σε διαφορετικές αντιστάσεις

Στο σχ. 3 συγκρίνει τα γραφήματα των ρευμάτων φόρτισης κατά τη φόρτιση από την ίδια γεννήτρια με e. και τα λοιπά. με E = 100 V και εσωτερική αντίσταση Ri= 10 ohms δύο πυκνωτών με διαφορετικές χωρητικότητες: 10 microfarads (καμπύλη 1) και 20 microfarads (καμπύλη 2).

Αρχικό ρεύμα φόρτισης iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Και οι δύο πυκνωτές είναι ίδιοι, αφού ένας πυκνωτής με μεγαλύτερη χωρητικότητα αποθηκεύει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια, τότε το ρεύμα φόρτισής του θα πρέπει να διαρκέσει περισσότερο και η διαδικασία φόρτισης είναι μεγαλύτερη - μεγάλη.

Ρύζι. 3. Πίνακες ρευμάτων φόρτισης με διαφορετικές χωρητικότητες

Εκφόρτιση πυκνωτή

Αποσυνδέστε τον φορτισμένο πυκνωτή από τη γεννήτρια και συνδέστε μια αντίσταση στις πλάκες της.

Υπάρχει μια τάση στις πλάκες του πυκνωτή Us, επομένως, σε ένα κλειστό κύκλωμα, θα ρέει ένα ρεύμα που ονομάζεται χωρητικό ρεύμα εκφόρτισης.

Το ρεύμα ρέει από τη θετική πλάκα του πυκνωτή μέσω της αντίστασης στην αρνητική πλάκα. Αυτό αντιστοιχεί στη μετάβαση της περίσσειας ηλεκτρονίων από την αρνητική πλάκα στη θετική, όπου απουσιάζουν.Η διαδικασία των πλαισίων σειρών λαμβάνει χώρα έως ότου τα δυναμικά των δύο πλακών εξισωθούν, δηλαδή η διαφορά δυναμικού μεταξύ τους γίνει μηδέν: Uc = 0.

Στο σχ. Το 4a δείχνει το γράφημα της μείωσης της τάσης στον πυκνωτή κατά την εκφόρτιση από την τιμή Uco = 100 V στο μηδέν και η τάση πρώτα μειώνεται γρήγορα και μετά πιο αργά.

Στο σχ. 4, b δείχνει το γράφημα των αλλαγών στο ρεύμα εκφόρτισης. Η ισχύς του ρεύματος εκφόρτισης εξαρτάται από την τιμή της αντίστασης R και σύμφωνα με το νόμο του Ohm ires = Uc/R

Ρύζι. 4. Γραφήματα τάσης και ρευμάτων κατά την εκφόρτιση του πυκνωτή

Την αρχική στιγμή, όταν η τάση στις πλάκες του πυκνωτή είναι η μεγαλύτερη, το ρεύμα εκφόρτισης είναι επίσης το μεγαλύτερο και με μείωση του Uc κατά την εκφόρτιση, το ρεύμα εκφόρτισης μειώνεται επίσης. Στο Uc = 0, το ρεύμα εκφόρτισης σταματά.

Η διάρκεια της απόρριψης εξαρτάται από:

1) από την χωρητικότητα του πυκνωτή C

2) στην τιμή της αντίστασης R στην οποία εκφορτίζεται ο πυκνωτής.

Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση R, τόσο πιο αργή θα συμβεί η εκφόρτιση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι με μεγάλη αντίσταση, η ισχύς του ρεύματος εκφόρτισης είναι μικρή και η ποσότητα φόρτισης στις πλάκες του πυκνωτή μειώνεται αργά.

Αυτό φαίνεται στα γραφήματα του ρεύματος εκφόρτισης του ίδιου πυκνωτή, με χωρητικότητα 10 μF και φορτισμένο σε τάση 100 V, σε δύο διαφορετικές τιμές αντίστασης (Εικ. 5): καμπύλη 1 — στο R =40 ohms, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A και καμπύλη 2 — στα 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

Ρύζι. 5. Γραφήματα των ρευμάτων εκφόρτισης σε διαφορετικές αντιστάσεις

Η εκφόρτιση είναι επίσης πιο αργή όταν η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι μεγάλη.Αυτό συμβαίνει επειδή με μεγαλύτερη χωρητικότητα στις πλάκες πυκνωτών, υπάρχει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια (περισσότερη φόρτιση) και θα χρειαστεί μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να αποστραγγιστεί η φόρτιση. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα από τα γραφήματα των ρευμάτων εκφόρτισης για δύο πυκνωτές ίδιας χωρητικότητας, φορτισμένους στην ίδια τάση 100 V και εκφορτισμένους σε αντίσταση R= 40 ohms (Εικ. 6: καμπύλη 1 — για πυκνωτή με χωρητικότητα 10 microfarads και καμπύλη 2 — για πυκνωτή χωρητικότητας 20 microfarads).

Ρύζι. 6. Γραφήματα των ρευμάτων εκφόρτισης σε διαφορετικές ισχύς

Από τις εξεταζόμενες διαδικασίες, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι σε ένα κύκλωμα με πυκνωτή, το ρεύμα ρέει μόνο τις στιγμές φόρτισης και εκφόρτισης, όταν αλλάζει η τάση στις πλάκες.

Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι όταν αλλάζει η τάση, αλλάζει η ποσότητα φόρτισης στις πλάκες και αυτό απαιτεί την κίνηση των φορτίων κατά μήκος του κυκλώματος, δηλαδή ένα ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να περάσει μέσα από το κύκλωμα. Ένας φορτισμένος πυκνωτής δεν περνά συνεχές ρεύμα επειδή το διηλεκτρικό μεταξύ των πλακών του ανοίγει το κύκλωμα.

Ενέργεια πυκνωτή

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια λαμβάνοντας την από τη γεννήτρια. Όταν ένας πυκνωτής εκφορτίζεται, όλη η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, δηλαδή πηγαίνει να θερμάνει την αντίσταση μέσω της οποίας εκφορτίζεται ο πυκνωτής. Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή και η τάση στις πλάκες του, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή. Η ποσότητα ενέργειας που διαθέτει ένας πυκνωτής χωρητικότητας C που φορτίζεται σε μια τάση U είναι ίση με: W = Wc = CU2/2

Ενα παράδειγμα. Πυκνωτής C = 10 μF φορτισμένος σε τάση Uc = 500 V.Προσδιορίστε την ενέργεια που θα απελευθερωθεί με τη δύναμη της θερμότητας στην αντίσταση μέσω της οποίας εκφορτίζεται ο πυκνωτής.

Απάντηση. Κατά την εκφόρτιση, όλη η ενέργεια που αποθηκεύεται από τον πυκνωτή θα μετατραπεί σε θερμότητα. Επομένως W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.