Polnjenje in praznjenje kondenzatorja

Naboj kondenzatorja

Če želite napolniti kondenzator, ga morate priključiti na enosmerni tokokrog. Na sl. 1 prikazuje vezje za polnjenje kondenzatorja. Kondenzator C je priključen na sponke generatorja. Ključ lahko uporabite za zapiranje ali odpiranje tokokroga. Oglejmo si podrobno postopek polnjenja kondenzatorja.

Generator ima notranji upor. Ko je stikalo zaprto, se kondenzator napolni do napetosti med ploščama, ki je enaka e. itd. v. generator: Uc = E. V tem primeru plošča, povezana s pozitivnim priključkom generatorja, prejme pozitiven naboj (+q), druga plošča pa prejme enak negativni naboj (-q). Velikost naboja q je neposredno sorazmerna s kapaciteto kondenzatorja C in napetostjo na njegovih ploščah: q = CUc

Pe. 1… vezje za polnjenje kondenzatorja

Da bi napolnili kondenzatorske plošče, je potrebno, da ena od njih pridobi in druga izgubi določeno količino elektronov.Prenos elektronov z ene plošče na drugo poteka vzdolž zunanjega vezja z elektromotorno silo generatorja, proces premikanja nabojev vzdolž vezja pa ni nič drugega kot električni tok, imenovan polnilni kapacitivni tok A naboj

Polnilni tok v vrednosti običajno teče v tisočinkah sekunde, dokler napetost na kondenzatorju ne doseže vrednosti, ki je enaka e. itd. v. generator. Graf porasta napetosti na ploščah kondenzatorja med njegovim polnjenjem je prikazan na sl. 2, a, iz katerega je razvidno, da napetost Uc raste gladko, najprej hitro, nato pa vedno bolj počasi, dokler ne postane enaka e. itd. v. generatorja E. Po tem ostane napetost na kondenzatorju nespremenjena.

riž. 2. Grafi napetosti in toka pri polnjenju kondenzatorja

Ko se kondenzator polni, skozi vezje teče polnilni tok. Graf polnilnega toka je prikazan na sl. 2, b. V začetnem trenutku ima polnilni tok največjo vrednost, saj je napetost v kondenzatorju še vedno nič in po Ohmovem zakonu iotax = E /Ri, saj so vsi e., itd. c generator se uporablja za upor Ri.

Ko se kondenzator polni, to je povečanje napetosti na njem, se zmanjša za polnilni tok. Ko napetost na kondenzatorju že obstaja, bo padec napetosti na uporu enak razliki med e. itd. v. napetost generatorja in kondenzatorja, tj. enaka E - U s. Zato itax = (E-Us) / Ri

Od tu je razvidno, da ko Uc narašča, icharge in pri Uc = E polnilni tok postane nič.

Več o Ohmovem zakonu preberite tukaj: Ohmov zakon za odsek vezja

Trajanje procesa polnjenja kondenzatorja je odvisno od dveh količin:

1) iz notranjega upora generatorja Ri,

2) iz kapacitivnosti kondenzatorja C.

Na sl. 2 prikazuje grafe elegantnih tokov za kondenzator s kapaciteto 10 mikrofaradov: krivulja 1 ustreza procesu polnjenja iz generatorja z e. itd. z E = 100 V in notranjim uporom Ri = 10 Ohm, krivulja 2 ustreza procesu polnjenja iz generatorja z enakim e. pr., vendar z manjšim notranjim uporom: Ri = 5 ohmov.

Iz primerjave teh krivulj je razvidno, da je pri manjšem notranjem uporu generatorja moč elegantnega toka v začetnem trenutku večja in je zato proces polnjenja hitrejši.

riž. 2. Grafi polnilnih tokov pri različnih uporih

Na sl. 3 primerja grafe polnilnih tokov pri polnjenju iz istega generatorja z e. itd. z E = 100 V in notranjim uporom Ri = 10 ohmov dveh kondenzatorjev različnih kapacitet: 10 mikrofaradov (krivulja 1) in 20 mikrofaradov (krivulja 2).

Začetni polnilni tok iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Oba kondenzatorja sta enaka, saj kondenzator z večjo kapaciteto shrani več električne energije, potem naj bi njegov polnilni tok trajal dlje, postopek polnjenja pa je bolj - dolg.

riž. 3. Tabele polnilnih tokov z različnimi zmogljivostmi

Praznjenje kondenzatorja

Odklopite napolnjen kondenzator z generatorja in pritrdite upor na njegove plošče.

Na ploščah kondenzatorja Us je napetost, zato bo v zaprtem tokokrogu tekel tok, imenovan razelektritveni kapacitivni tok.

Tok teče od pozitivne plošče kondenzatorja skozi upor proti negativni plošči. To ustreza prehodu odvečnih elektronov z negativne plošče na pozitivno, kjer jih ni.Proces vrstnih okvirjev poteka, dokler nista potenciala obeh plošč enaka, tj. potencialna razlika med njima ne postane enaka nič: Uc = 0.

Na sl. 4a prikazuje graf padanja napetosti v kondenzatorju med praznjenjem od vrednosti Uco = 100 V do nič, pri čemer napetost najprej hitro, nato pa počasneje pada.

Na sl. 4, b prikazuje graf sprememb razelektritvenega toka. Jakost razelektritvenega toka je odvisna od vrednosti upora R in po Ohmovem zakonu ires = Uc/R

riž. 4. Grafi napetosti in tokov med praznjenjem kondenzatorja

V začetnem trenutku, ko je napetost na ploščah kondenzatorja največja, je tudi razelektritveni tok največji, z zmanjševanjem Uc med razelektritvijo pa pada tudi razelektritveni tok. Pri Uc = 0 se razelektritveni tok ustavi.

Trajanje odstranjevanja je odvisno od:

1) iz kapacitivnosti kondenzatorja C

2) na vrednost upora R, na katerega se kondenzator izprazni.

Večji kot je upor R, počasnejša bo razelektritev. To je posledica dejstva, da je pri velikem uporu jakost toka praznjenja majhna in se količina naboja na ploščah kondenzatorja počasi zmanjšuje.

To je mogoče prikazati v grafih razelektritvenega toka istega kondenzatorja s kapaciteto 10 μF in napolnjenega do napetosti 100 V pri dveh različnih vrednostih upora (slika 5): krivulja 1 - pri R =40 ohmov, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A in krivulja 2 — pri 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

riž. 5. Grafi razelektritvenih tokov pri različnih uporih

Tudi praznjenje je počasnejše, če je kapacitivnost kondenzatorja velika.To je zato, ker je z večjo kapacitivnostjo na ploščah kondenzatorja več elektrike (več naboja) in bo trajalo dlje časa, da se naboj izprazni. To je jasno prikazano na grafih razelektritvenih tokov za dva kondenzatorja enake kapacitete, napolnjena z enako napetostjo 100 V in izpraznjena do upora R = 40 ohmov (slika 6: krivulja 1 — za kondenzator s kapaciteto 10 mikrofaradov in krivulja 2 — za kondenzator s kapaciteto 20 mikrofaradov).

riž. 6. Grafi razelektritvenih tokov pri različnih močeh

Iz obravnavanih procesov lahko sklepamo, da v vezju s kondenzatorjem tok teče le v trenutkih polnjenja in praznjenja, ko se spremeni napetost na ploščah.

To je razloženo z dejstvom, da se ob spremembi napetosti spremeni količina naboja na ploščah, kar zahteva gibanje nabojev vzdolž vezja, to je, da mora skozi vezje preiti električni tok. Napolnjen kondenzator ne prepušča enosmernega toka, ker dielektrik med njegovimi ploščami odpre tokokrog.

Energija kondenzatorja

Med postopkom polnjenja kondenzator shranjuje energijo tako, da jo prejema od generatorja. Ko se kondenzator izprazni, se vsa energija električnega polja pretvori v toplotno energijo, to pomeni, da gre za ogrevanje upora, skozi katerega se kondenzator prazni. Večja kot je kapacitivnost kondenzatorja in napetost na njegovih ploščah, večja je energija električnega polja kondenzatorja. Količina energije, ki jo ima kondenzator s kapaciteto C, napolnjen z napetostjo U, je enaka: W = Wc = CU2/2

Primer. Kondenzator C = 10 μF napolnjen na napetost Uc = 500 V.Določite energijo, ki se bo sprostila v sili toplote pri uporu, skozi katerega se prazni kondenzator.

Odgovori. Med praznjenjem se vsa energija, shranjena v kondenzatorju, pretvori v toploto. Zato je W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.