Opladning og afladning af kondensatoren

Opladning af kondensator

For at oplade kondensatoren skal du tilslutte den til DC-kredsløbet. I fig. 1 viser kondensatoropladningskredsløbet. Kondensator C er forbundet til terminalerne på generatoren. Nøglen kan bruges til at lukke eller åbne kredsløbet. Lad os tage et detaljeret kig på processen med at oplade en kondensator.

Generatoren har intern modstand. Når kontakten er lukket, vil kondensatoren oplades til en spænding mellem pladerne lig med f. etc. v. generator: Uc = E. I dette tilfælde modtager pladen, der er forbundet til generatorens positive terminal, en positiv ladning (+q), og den anden plade modtager en lige så stor negativ ladning (-q). Størrelsen af ​​ladningen q er direkte proportional med kapaciteten af ​​kondensatoren C og spændingen på dens plader: q = CUc

Pe. 1... Kondensatoropladningskredsløb

For at oplade kondensatorpladerne er det nødvendigt, at den ene af dem får, og den anden taber en vis mængde elektroner.Overførslen af ​​elektroner fra en plade til en anden udføres langs det eksterne kredsløb af generatorens elektromotoriske kraft, og processen med at flytte ladninger langs kredsløbet er intet andet end en elektrisk strøm, kaldet en opladningskapacitiv strøm A ladning

Ladestrømmen i værdi løber normalt i tusindedele af et sekund, indtil spændingen over kondensatoren når en værdi lig med e. etc. v. generator. Grafen over spændingsstigningen på kondensatorens plader under dens opladning er vist i fig. 2, a, hvoraf det kan ses, at spændingen Uc stiger jævnt, først hurtigt og derefter langsommere og langsommere, indtil den bliver lig med f.eks. etc. v. generator E. Derefter forbliver spændingen over kondensatoren uændret.

Ris. 2. Grafer over spænding og strøm ved opladning af en kondensator

Når kondensatoren oplades, løber en ladestrøm gennem kredsløbet. Ladestrømsgrafen er vist i fig. 2, b. I det indledende øjeblik har ladestrømmen den største værdi, da spændingen i kondensatoren stadig er nul, og ifølge Ohms lov iotax = E /Ri, da alle e. osv. c generator påføres modstand Ri.

Når kondensatoren oplader, det vil sige øger spændingen over den, falder den for ladestrømmen. Når der allerede er en spænding over kondensatoren, vil spændingsfaldet over modstanden være lig med forskellen mellem f.eks. etc. v. generator- og kondensatorspænding, altså lig E — U s. Derfor itax = (E-Us) / Ri

Herfra kan det ses, at når Uc stiger, ilader og ved Uc = E bliver ladestrømmen nul.

Læs mere om Ohms lov her: Ohms lov for en del af et kredsløb

Varigheden af ​​kondensatoropladningsprocessen afhænger af to mængder:

1) fra den indre modstand af generatoren Ri,

2) fra kapacitansen af ​​kondensatoren C.

I fig. 2 viser graferne for de elegante strømme for en kondensator med en kapacitet på 10 mikrofarad: Kurve 1 svarer til opladningsprocessen fra en generator med f.eks. etc. med E = 100 V og med en intern modstand Ri= 10 Ohm, svarer kurve 2 til ladeprocessen fra en generator med samme e. pr. med, men med en lavere indre modstand: Ri = 5 ohm.

Fra en sammenligning af disse kurver kan det ses, at med en lavere indre modstand i generatoren, er styrken af ​​den elegante strøm i det indledende øjeblik større, og derfor er opladningsprocessen hurtigere.

Ris. 2. Grafer over ladestrømme ved forskellige modstande

I fig. 3 sammenligner graferne for ladestrømme ved opladning fra samme generator med f.eks. etc. med E = 100 V og intern modstand Ri= 10 ohm af to kondensatorer med forskellige kapaciteter: 10 mikrofarads (kurve 1) og 20 mikrofarads (kurve 2).

Startopladningsstrøm iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Begge kondensatorer er de samme, da en kondensator med større kapacitet lagrer mere elektricitet, så burde dens ladestrøm tage længere tid, og opladningsprocessen er mere - lang.

Ris. 3. Tabeller over ladestrømme med forskellig kapacitet

Kondensatorafladning

Afbryd den opladede kondensator fra generatoren og sæt en modstand på dens plader.

Der er en spænding på pladerne på kondensatoren Us, derfor vil der i et lukket kredsløb strømme en strøm, der kaldes udladningskapacitive strøm ires.

Strøm løber fra kondensatorens positive plade gennem modstanden til den negative plade. Dette svarer til overgangen af ​​overskydende elektroner fra den negative plade til den positive, hvor de er fraværende.Processen med rækkerammer foregår, indtil potentialerne for de to plader er ens, dvs. potentialforskellen mellem dem bliver nul: Uc = 0.

I fig. 4a viser grafen for faldet af spændingen i kondensatoren under afladning fra værdien Uco = 100 V til nul, og spændingen falder først hurtigt og derefter langsommere.

I fig. 4, b viser grafen over ændringerne i afladningsstrømmen. Afladningsstrømmens styrke afhænger af værdien af ​​modstanden R og ifølge Ohms lov ires = Uc/R

Ris. 4. Grafer over spænding og strømme under kondensatorafladning

I det indledende øjeblik, når spændingen på kondensatorens plader er størst, er afladningsstrømmen også størst, og med et fald i Uc under afladningen falder afladningsstrømmen også. Ved Uc = 0 stopper afladningsstrømmen.

Varigheden af ​​bortskaffelsen afhænger af:

1) fra kapacitansen af ​​kondensatoren C

2) på værdien af ​​modstanden R, som kondensatoren aflades til.

Jo større modstand R, jo langsommere vil udladningen ske. Dette skyldes det faktum, at med en stor modstand er styrken af ​​afladningsstrømmen lille, og mængden af ​​ladning på kondensatorens plader falder langsomt.

Dette kan vises i graferne for afladningsstrømmen for den samme kondensator, med en kapacitet på 10 μF og opladet til en spænding på 100 V, ved to forskellige modstandsværdier (fig. 5): kurve 1 - ved R =40 ohm, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A og kurve 2 — ved 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

Ris. 5. Grafer over udladningsstrømmene ved forskellige modstande

Afladningen er også langsommere, når kondensatorens kapacitans er stor.Dette skyldes, at der med mere kapacitans på kondensatorpladerne er mere elektricitet (mere ladning), og det vil tage længere tid for ladningen at dræne. Dette er tydeligt vist af graferne for afladningsstrømmene for to kondensatorer med samme kapacitet, opladet til samme spænding på 100 V og afladet til en modstand R= 40 ohm (fig. 6: kurve 1 — for en kondensator med en kapacitet på 10 mikrofarad og kurve 2 — for kondensator med en kapacitet på 20 mikrofarad).

Ris. 6. Grafer over udladningsstrømmene ved forskellige styrker

Fra de overvejede processer kan det konkluderes, at i et kredsløb med en kondensator strømmer strømmen kun i opladnings- og afladningsøjeblikket, når spændingen på pladerne ændres.

Dette forklares ved, at når spændingen ændres, ændres mængden af ​​ladning på pladerne, og dette kræver bevægelse af ladninger langs kredsløbet, det vil sige, at en elektrisk strøm skal passere gennem kredsløbet. En opladet kondensator passerer ikke jævnstrøm, fordi dielektrikumet mellem dets plader åbner kredsløbet.

Kondensator energi

Under opladningsprocessen lagrer kondensatoren energi ved at modtage den fra generatoren. Når en kondensator aflades, omdannes al energien i det elektriske felt til varmeenergi, det vil sige, at den går til at opvarme modstanden, hvorigennem kondensatoren aflades. Jo større kondensatorens kapacitans og spændingen over dens plader er, jo større er energien af ​​kondensatorens elektriske felt. Mængden af ​​energi, som en kondensator med kapacitet C besidder opladet til en spænding U er lig med: W = Wc = CU2/2

Et eksempel. Kondensator C = 10 μF opladet til spænding Uc = 500 V.Bestem den energi, der vil blive frigivet i varmekraften ved den modstand, hvorigennem kondensatoren aflades.

Svar. Under afladning vil al den energi, der er lagret af kondensatoren, blive omdannet til varme. Derfor W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.