Пропускает ли конденсатор постоянный ток. Электрический конденсатор. Виды конденсаторов. Будет ли греться конденсатор

Быстрое изменение силы тока и его направления, характеризующее переменный ток, приводит к ряду важнейших особенностей, отличающих действие переменного тока от тока постоянного. Некоторые из этих особенностей отчетливо выступают при следующих опытах.

1. Прохождение переменного тока через конденсатор. Пусть в нашем распоряжении имеется источник постоянного тока с напряжением 12 В (аккумуляторная батарея) и источник переменного тока с напряжением также 12 В. Присоединив к каждому из этих источников маленькую лампочку накаливания, мы увидим, что обе лампочки горят одинаково ярко (рис. 298,а). Включим теперь в цепь как первой, так и второй лампочки конденсатор большой емкости (рис. 298,б). Мы обнаружим, что в случае постоянного тока лампочка не накаливается вовсе, а в случае переменного тока накал ее остается почти таким же, как раньше. Отсутствие накала в цепи постоянного тока легко понять: между обкладками конденсатора имеется изолирующая прослойка, так что цепь разомкнута. Накал же лампочки в цепи переменного тока кажется поразительным.

Где используются конденсаторы

В этом посте мы обсудим такое поведение Конденсатора. Так как мы подключаем один из параллельных пластинчатых конденсаторов к положительной клемме батареи и другую пластину к отрицательной клемме аккумулятора, существует разность потенциалов. Из-за этой разности потенциалов положительный заряд начнет перемещаться от положительного вывода батареи к пластине А конденсатора. Помните, что заряд не обеспечивается батареей, а мобильным электроном соединительного провода. Таким образом, заряд на пластине А конденсатора будет увеличиваться с нулевого значения до некоторого конечного значения до тех пор, пока потенциал пластины А не станет равным потенциалу положительного вывода батареи.

Рис. 298. Прохождение переменного тока через конденсатор: а) лампочки, включенные в цепь тока постоянного (справа) или переменного (слева), накаливаются одинаково; б) при включении в цепь конденсатора емкости постоянный ток прекращается, переменный ток продолжает идти и накаливать лампочку

Однако если вдуматься, то в этом нет ничего загадочного. Мы имеем здесь только частое повторение хорошо знакомого нам процесса зарядки и разрядки конденсатора. Когда мы присоединяем (рис. 299,а) конденсатор к источнику тока (повернув рычаг переключателя налево), то по проводам идет ток до тех пор, пока заряды, накопившиеся на обкладках конденсатора, не создадут разность потенциалов, уравновешивающую напряжение источника. В конденсаторе при этом создается электрическое поле, в котором сосредоточен определенный запас энергии. Когда же мы соединим обкладки заряженного конденсатора проводником, отсоединив источник тока (повернув рычаг переключателя направо), заряд будет по проводнику стекать с одной обкладки на другую, и в проводнике, включающем лампочку, пройдет кратковременный ток. Поле в конденсаторе исчезает, и запасенная в нем энергия тратится на накал лампочки.

Таким образом, мы можем сказать, что в установившемся состоянии потенциал пластины А = 5 В и дальнейшее движение заряда, т.е. нет тока. Таким образом, в установившемся состоянии потенциал пластины В = -5 В и никакого дальнейшего движения заряда, т.е. нет тока. Рассмотрим параллельный пластинчатый конденсатор, соединенный с переменным источником напряжения, как показано на рисунке.

После этого, когда напряжение источника будет отрицательным, пластина А теперь станет отрицательно заряженной, а пластина В будет положительно заряжена до отрицательного пика напряжения источника, но как только отрицательный пик приложенного напряжения пересечет, конденсатор снова начнет разряжаться как потенциал разница между пластинами конденсатора больше, чем напряжение источника.

Рис. 299. При каждой перезарядке конденсатора лампочка вспыхивает: а) зарядка конденсатора (ключ – налево) и его разрядка через лампочку (ключ – направо); б) быстрая зарядка и разрядка конденсатора при поворотах ключа, лампочка вспыхивает; в) конденсатор и лампочка в цепи переменного тока

Имейте в виду, что когда приложенное напряжение находится на своем пике, конденсатор полностью заряжен, и поэтому в этот момент не произойдет никакого движения заряда, и, следовательно, ток через конденсатор равен нулю, когда приложенное напряжение является его пиком. Аналогично, когда приложенное напряжение равно нулю, конденсатор полностью разряжается, и поэтому, когда напряжение увеличивается только от его нулевого напряжения, зарядный ток начинает течь от источника к пластинам конденсатора, но по мере накопления заряда на пластине потенциал роста пластины, что приводит к уменьшению разности потенциалов между пластинами и источником.

То, что происходит при прохождении переменного тока через конденсатор, очень наглядно поясняет опыт, изображенный на рис. 299,б. Поворачивая рычаг переключателя направо, мы соединяем конденсатор с источником тока, причем обкладка 1 заряжается положительно, а обкладка 2 – отрицательно. При среднем положении переключателя, когда цепь разомкнута, конденсатор разряжается через лампочку. При повороте ручки переключателя налево конденсатор снова заряжается, но на этот раз обкладка 1 заряжается отрицательно, а обкладка 2 положительно. Двигая быстро рычаг переключателя то в одну сторону, то в другую, мы увидим, что при каждой смене контакта лампочка на мгновение вспыхивает, т. е. через нее проходит кратковременный ток. Если производить переключения достаточно быстро, то вспышки лампочки следуют настолько быстро друг за другом, что она будет гореть непрерывно; при этом через нее течет ток, часто меняющий свое направление. В конденсаторе при этом все время будет меняться электрическое поле: оно будет то создаваться, то исчезать, то вновь создаваться с обратным направлением. То же происходит и тогда, когда мы включаем конденсатор в цепь переменного тока (рис. 299,в).

Из-за этого величина тока зарядки уменьшается и становится равной нулю, когда потенциал пластин конденсатора становится равным потенциалу источника. Вот почему мы говорим, что конденсатор принимает ведущий ток. Нагрузки, которые полностью преобразуют электрическую энергию в тепловую энергию, называются эффективными сопротивлениями. Они включают в себя тепловые приборы, лампы накаливания и резисторы и пленочные резисторы, используемые для ограничения тока. Поведение эффективных сопротивлений в переменном токе такое же, как и при постоянном токе.

2. Прохождение переменного тока через катушку с большой индуктивностью. Включим в цепь, изображенную на рис. 298,б, вместо конденсатора катушку из медной проволоки с большим числом витков, внутрь которых помещен железный сердечник (рис. 300). Такие катушки обладают, как известно, большой индуктивностью (§ 144). Сопротивление же такой катушки при постоянном токе будет невелико, так как она сделана из довольно толстой проволоки. В случае постоянного тока (рис. 300,а) лампочка горит ярко, в случае же переменного тока (рис. 300,б) накала почти незаметно. Опыт с постоянным током понятен: так как сопротивление катушки мало, то присутствие ее почти не изменяет тока, и лампочка горит ярко. Почему же катушка ослабляет переменный ток? Будем постепенно вытягивать из катушки железный сердечник. Мы обнаружим, что лампочка накаливается все сильнее и сильнее, т. е. что по мере выдвижения сердечника ток в цепи возрастает. При полном удалении сердечника накал лампочки может дойти почти до нормального, если число витков катушки не очень большое. Но выдвижение сердечника уменьшает индуктивность катушки. Таким образом, мы видим, что катушка с малым сопротивлением, но с большой индуктивностью, включенная в цепь переменного тока, может значительно ослабить этот ток.

Закон Ома, рассматриваемый в Разделе, применим к ним без каких-либо ограничений. Напряжение имеет ту же фазу, что и ток. На рисунке представлена векторная диаграмма и линейная диаграмма для тока и напряжения с эффективным сопротивлением. Идеальные эффективные сопротивления, также известные как активные сопротивления, не имеют индуктивности и не имеют емкости. Эффективное сопротивление в зависимости от частоты.

Катушки и конденсаторы не преобразуют электрическую энергию в тепловую энергию, а сохраняют ее в магнитном или электрическом поле. Такие компоненты имеют реактивное сопротивление. Различают индуктивные реактивные сопротивления и емкостные реактивные сопротивления.

Рис. 300. Лампочка включена в цепь постоянного (а) и переменного (б) тока. Последовательно с лампочкой включена катушка. При постоянном токе лампочка горит ярко, при переменном – тускло

Влияние катушки с большой индуктивностью на переменный ток также легко объяснить. Переменный ток представляет собой ток, сила которого быстро изменяется, то увеличиваясь, то уменьшаясь. При этих изменениях в цепи возникает э. д. с. самоиндукции, которая зависит от индуктивности цепи. Направление этой э. д. с. (как мы видели в § 139) таково, что ее действие препятствует изменению тока, т. е. уменьшает амплитуду тока, а следовательно, и его действующее значение. Пока индуктивность проводов мала, эта добавочная э. д. с. тоже мала и действие ее практически незаметно. Но при наличии большой индуктивности эта добавочная э. д. с. может значительно влиять на силу переменного тока.

Когда переменный ток течет через катушку, во втором возникает напряжение, которое обеспечивает сопротивление прохождению тока. Эта способность предлагать сопротивление больше, тем больше индуктивность и скорость изменения тока. Следовательно, катушка имеет сопротивление, которое увеличивается с увеличением частоты.

В разделе доказано, что катушка придает медлительность течению. Следовательно, происходит фазовый сдвиг между током и напряжением. то есть ток отстает от напряжения. На рисунке показаны векторные и линейные диаграммы для иллюстрации этих корреляций. Идеальные катушки не имеют эффективного сопротивления и не имеют возможности.

О заряде конденсатора.

Замкнем цепь. В цепи пойдет ток заряда конденсатора. Это значит что с левой обкладки конденсатора часть электронов уйдет в провод, а из провода на правую обкладку зайдет такое же количество электронов. Обе обкладки будут заряжены разноименными зарядами одинаковой величины.

Индуктивное реактивное сопротивление как функция частоты. Кривые тока и напряжения для индуктивного сопротивления. Когда к конденсатору подается переменное напряжение, то генерируется непрерывно изменяющийся зарядный и разрядный ток, который, по-видимому, проникает в конденсатор. Этот ток больше, тем больше емкость и скорость изменения напряжения. Следовательно, конденсатор имеет сопротивление, которое с увеличением частоты становится меньше.

Реактивное сопротивление конденсатора

Емкостное реактивное сопротивление как функция частоты. В разделе объяснено, что в конденсаторе не происходит резких изменений напряжения. Сначала ток должен течь, прежде чем напряжение может быть вызвано. Как в катушке, в этом случае фазовый сдвиг. между напряжением и током происходит так, что ток находится выше напряжения.

Между обкладками в диэлектрике будет электрическое поле.

А теперь разомкнем цепь. Конденсатор останется заряженным. Закоротим куском провода его обкладки. Конденсатор мгновенно разрядится. Это значит что с правой обкладки уйдет в провод избыток электронов, а из провода на левую обкладку войдет недостаток электронов. На обоих обкладках электронов будет одинаково, конденсатор разрядится.

На рисунке показана векторная диаграмма и линейная диаграмма, иллюстрирующие эти корреляции. Идеальные конденсаторы не имеют эффективного сопротивления и индуктивности. Это коэффициент эффективного значения напряжения и эффективного значения тока. Поскольку фазовый сдвиг между током и напряжением составляет 0 ° в эффективных сопротивлениях, 90 ° в реакциях, обнаружены следующие важные факты.

Написанные в форме, мы имеем. Следовательно, эти два эффекта частично нейтрализуются или, в особом случае, полностью нейтрализуются. Последний случай называется резонансом. В случае резонанса высший ток течет; он ограничен только эффективным сопротивлением.

До какого напряжения заряжается конденсатор?

Он заряжается до такого напряжения, которое к нему приложено с источника питания.

Сопротивление конденсатора.

Замкнем цепь. Конденсатор начал заряжаться и сразу стал источником тока, напряжения, Э. Д. С.. На рисунке видно что Э. Д. С. конденсатора направлена против заряжающего его источника тока.

В случае резонанса протекает наименьший ток, а именно, только ток через эффективное сопротивление, соединенное параллельно. Когда ток подается с постоянной скоростью, происходит максимальное падение напряжения. Ток 500 мА с частотой 50 Гц протекает по цепи. Рисунок 13 Схема, например, 3.

Будет ли греться конденсатор?

Нарисуйте векторную диаграмму для тока и напряжения по шкале. Рассчитайте частичные напряжения, общее напряжение и фазовый угол между током и напряжением! Теперь векторную диаграмму можно нарисовать с полученными данными. Например, векторная диаграмма.

Противодействие электродвижущей силы заряжаемого конденсатора заряду этого конденсатора называется емкостным сопротивлением.

Вся энергия затрачиваемая источником тока на преодоление емкостного сопротивления превращается в энергию электрического поля конденсатора. Когда конденсатор будет разряжаться вся энергия электрического поля вернется обратно в цепь в виде энергии электрического тока. Таким образом емкостное сопротивление является реактивным, т.е. не вызывающим безвозвратных потерь энергии.

На цепь подается напряжение 10 В с частотой 300 Гц. Рассчитайте частичные токи, общий ток и фазовый угол между током и напряжением! Теперь векторную диаграмму можно сделать на основе полученных выше значений. Эффективное сопротивление полностью преобразует электрическую энергию в тепловую энергию; Они не зависят от частоты и не вызывают фазовых сдвигов между током и напряжением.

Элементы хранения, такие как катушки и конденсаторы, имеют реактивное сопротивление. Он зависит от частоты и вызывает 90 ° фазовый сдвиг между током и напряжением. Существуют индуктивные и емкостные реактивные сопротивления. В индуктивных реакциях ток отстает от напряжения, а в емкостных реакциях ток находится выше напряжения.

Почему постоянный ток не проходит через конденсатор, а переменный ток проходит?

Включим цепь постоянного тока. Лампа вспыхнет и погаснет, почему? Потому что в цепи прошел ток заряда конденсатора. Как только конденсатор зарядится до напряжения батареи ток в цепи прекратится.

А теперь замкнем цепь переменного тока. В I четверти периода напряжение на генераторе возрастает от 0 до максимума. В цепи идет ток заряда конденсатора. Во II четверти периода напряжение на генераторе убывает до нуля. Конденсатор разряжается через генератор. После этого конденсатор вновь заряжается и разряжается. Таким образом в цепи идут токи заряда и разряда конденсатора. Лампочка будет гореть постоянно.

Импедансы представляют собой взаимосвязи эффективных сопротивлений и реакций. Они зависят от частоты из-за реактивного сопротивления, включенного в систему. Величину импеданса можно найти по диаграммам или путем вычисления с помощью геометрического сложения. В зависимости от преобладания индуктивной составляющей или емкостной составляющей либо напряжение опережает ток, либо наоборот. Фазовый угол всегда находится между 0 ° и 90 °. Если в одной цепи присутствуют индуктивные и емкостные компоненты, они нейтрализуют друг друга частично или полностью.

В цепи с конденсатором ток проходит во всей замкнутой цепи, в том числе и в диэлектрике конденсатора. В заряжающемся конденсаторе образуется электрическое поле которое поляризует диэлектрик. Поляризация это вращение электронов в атомах на вытянутых орбитах.

Одновременная поляризация огромного количества атомов образует ток, называемый током смещения. Таким образом в проводах идет ток и в диэлектрике причем одинаковой величины.

Частный случай, когда индуктивное сопротивление равно емкостному сопротивлению, называется резонансом. Частота, в которой возникает резонанс, называется резонансной частотой или частотой резонанса. Когда резонанс присутствует, схема имеет поведение эффективного сопротивления.

Катушка имеет реактивное сопротивление 100 Вт с частотой 50 Гц. Каков размер индуктивности? На частоте 50 Гц конденсатор имеет импеданс около 65 Вт. Каков размер его емкости? Представляем графически кривую импеданса в зависимости частоты от 0 до 10 кГц для конденсатора емкостью 100 мкФ!

Емкостное сопротивление конденсатора определяется по формуле

Рассматривая график делаем вывод: ток в цепи с чисто емкостным сопротивлением опережает напряжение на 90 0 .

Возникает вопрос каким образом ток в цепи может опережать напряжение на генераторе? В цепи идет ток от двух источников тока поочередно, от генератора и от конденсатора. Когда напряжение на генераторе равно нулю ток в цепи максимален. Это ток разряда конденсатора.

Определите величину индуктивного сопротивления и индуктивности по графику и вычислению! Но вот что на самом деле происходит дальше. Поэтому эти отрицательные заряды не могут проходить через сам диэлектрик, но пластина, соединенная с положительной клеммой, истощает равное количество электронов и положит положительный заряд на это тарелка. Он находится в равновесии и остается таким, поэтому он разомкнут, так как между ними есть диэлектрик. Энергия хранится в электростатическом поле.

Во-первых, помните, что пространство между пластинами разделяется диэлектриком.
Таким образом, пересечения нет.
Просто истощение в одной пластине как реакция на накопление в другой.

Ну, это просто заряд в одной тарелке.

О реальном конденсаторе

Реальный конденсатор имеет одновременно два сопротивления: активное и емкостное. Их следует считать включенными последовательно.

Напряжение приложенное генератором к активному сопротивлению и ток идущий по активному сопротивлению совпадают по фазе.

В положительном цикле пластинка 1 истощает некоторые электроны, когда ее противоположная пластина накапливает электроны из-за полярности этого полупериода. Теперь, когда появляется отрицательный полупериод, происходит изменение полярности, так что пластина 1 будет накапливать электроны, а пластинка 2, следовательно, будет само по себе электронов. Это будет продолжаться для каждого цикла, и этот цикл накопления и истощения - это то, что вы видите как «текущий поток».

Положительный цикл и отрицательный цикл.
Это называется током смещения.

Хорошо, теперь вам может быть интересно узнать, что происходит внутри конденсатора.

Напряжение приложенное генератором к емкостному сопротивлению и ток идущий по емкостному сопротивлению сдвинуты по фазе на 90 0 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору можно определить по правилу параллелограмма.

На активном сопротивлении напряжение U акт и ток I совпадают по фазе. На емкостном сопротивлении напряжение U c отстает от тока I на 90 0 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору определяется по правилу параллелограмма. Это результирующее напряжение отстает от тока I на какой то угол φ всегда меньший 90 0 .

Диэлектрический вид расширяется как резиновая лента. Но растянутая резиновая лента сохраняет потенциальную энергию, такую как диэлектрик между электростатическими полями, поэтому это «хорошая» аналогия. Проверьте эту интерактивную анимацию, чтобы понять, что происходит.

Моя любимая аналогия, аналог водно-резиновой диафрагмы сделает ее предельно ясной! Конденсатор хранит энергию в своем электрическом поле и сопротивляется изменениям напряжения, вытягивая ток или подавая ток в источник изменения напряжения в противоположность изменению. Он имеет два электрода с диэлектрическим материалом между ними и, следовательно, он не пропускает через него никакого тока.

Определение результирующего сопротивления конденсатора

Результирующее сопротивление конденсатора нельзя находить суммируя величины его активного и емкостного сопротивлений. Это делается по формуле