A kondenzátor töltése és kisütése

Kondenzátor töltés

A kondenzátor töltéséhez csatlakoztatnia kell az egyenáramú áramkörhöz. ábrán. Az 1. ábra a kondenzátor töltőáramkörét mutatja. A C kondenzátor a generátor kapcsaihoz csatlakozik. A kulccsal zárható vagy nyitható az áramkör. Nézzük meg részletesen a kondenzátor töltésének folyamatát.

A generátor belső ellenállással rendelkezik. Amikor a kapcsoló zárva van, a kondenzátor a lemezek között e-vel egyenlő feszültségre töltődik. stb. v. generátor: Uc = E. Ebben az esetben a generátor pozitív kivezetésére csatlakoztatott lemez pozitív töltést (+q), a második lemez pedig ezzel egyenértékű negatív töltést (-q) kap. A q töltés nagysága egyenesen arányos a C kondenzátor kapacitásával és a lemezein lévő feszültséggel: q = CUc

Pe. 1… Kondenzátor töltő áramkör

A kondenzátorlemezek feltöltéséhez szükséges, hogy az egyik bizonyos mennyiségű elektront nyerjen, a másik pedig elveszítsen.Az elektronok egyik lemezről a másikra történő átvitele a külső áramkör mentén a generátor elektromotoros ereje által történik, és a töltések áramkör mentén történő mozgatása nem más, mint egy elektromos áram, az úgynevezett töltő kapacitív áram A töltés

A töltőáram értékben általában ezredmásodpercekben folyik, amíg a kondenzátor feszültsége el nem éri az e-vel egyenlő értéket. stb. v. generátor. A töltés során a kondenzátor lapjain a feszültségemelkedés grafikonja a 1. ábrán látható. 2, a, amelyből látható, hogy az Uc feszültség egyenletesen, először gyorsan, majd egyre lassabban növekszik, amíg egyenlővé nem válik e-vel. stb. v. generátor E. Ezt követően a kondenzátoron lévő feszültség változatlan marad.

Rizs. 2. Feszültség és áram grafikonjai kondenzátor töltésekor

Ahogy a kondenzátor töltődik, töltőáram folyik át az áramkörön. A töltési áram grafikonja az ábrán látható. 2, b. A kezdeti pillanatban a töltőáram a legnagyobb értékű, mivel a kondenzátor feszültsége még mindig nulla, és Ohm törvénye szerint iotax = E /Ri, mivel minden e. stb. c generátort alkalmazunk az Ri ellenállásra.

Ahogy a kondenzátor töltődik, azaz növeli a rajta lévő feszültséget, az csökken a töltőáramhoz. Amikor már van feszültség a kondenzátoron, az ellenálláson átívelő feszültségesés egyenlő lesz az e közötti különbséggel. stb. v. generátor és kondenzátor feszültsége, azaz egyenlő E — U s. Ezért itax = (E-Us) / Ri

Innen látható, hogy az Uc növekedésével ifeltöltés és Uc = E esetén a töltőáram nullává válik.

Az Ohm-törvényről itt olvashat bővebben: Ohm törvénye az áramkör egy szakaszára

A kondenzátor töltési folyamatának időtartama két mennyiségtől függ:

1) az Ri generátor belső ellenállásától,

2) a C kondenzátor kapacitásától.

ábrán. A 2. ábra egy 10 mikrofarad kapacitású kondenzátor elegáns áramainak grafikonját mutatja: az 1. görbe az e-vel rendelkező generátorból történő töltési folyamatnak felel meg. stb. E = 100 V és Ri= 10 Ohm belső ellenállás mellett a 2. görbe az azonos e-vel rendelkező generátor töltési folyamatának felel meg. pr.-vel, de kisebb belső ellenállással: Ri = 5 ohm.

Ezen görbék összehasonlításából látható, hogy a generátor kisebb belső ellenállása mellett az elegáns áram erőssége a kezdeti pillanatban nagyobb, így a töltési folyamat gyorsabb.

Rizs. 2. Különböző ellenállású töltőáramok grafikonjai

ábrán. A 3. ábra összehasonlítja a töltési áramok grafikonjait, amikor ugyanabból a generátorból töltünk e-vel. stb. E = 100 V feszültséggel és Ri= 10 ohm belső ellenállással két különböző kapacitású kondenzátor: 10 mikrofarad (1. görbe) és 20 mikrofarad (2. görbe).

Kezdeti töltőáram iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Mindkét kondenzátor egyforma, mivel egy nagyobb kapacitású kondenzátor több áramot tárol, akkor a töltőáramának hosszabb ideig kell tartania, és a töltési folyamat is hosszabb - hosszabb.

Rizs. 3. Különböző kapacitású töltőáramok táblázatai

Kondenzátor kisülés

Válassza le a feltöltött kondenzátort a generátorról, és rögzítsen ellenállást a lemezeihez.

Az Us kondenzátor lemezein feszültség van, ezért zárt áramkörben kisülési kapacitív áramerősségnek nevezett áram folyik.

Az áram a kondenzátor pozitív lapjáról az ellenálláson keresztül a negatív lapra folyik. Ez megfelel a felesleges elektronok átmenetének a negatív lemezről a pozitívra, ahol nincsenek jelen.A sorkeretek folyamata addig megy végbe, amíg a két lemez potenciálja egyenlő nem lesz, azaz a köztük lévő potenciálkülönbség nulla lesz: Uc = 0.

ábrán. A 4a. ábra a kondenzátor feszültségének csökkenését mutatja a kisülés során Uco = 100 V értékről nullára, és a feszültség először gyorsan, majd lassabban csökken.

ábrán. A 4. ábra a kisülési áram változásának grafikonját mutatja. A kisülési áram erőssége az R ellenállás értékétől függ, és Ohm törvénye szerint ires = Uc/R

Rizs. 4. A feszültség és áramok grafikonjai a kondenzátor kisülése során

A kezdeti pillanatban, amikor a kondenzátor lemezein a feszültség a legnagyobb, a kisülési áram is a legnagyobb, és a kisülés során az Uc csökkenésével a kisülési áram is csökken. Uc = 0 esetén a kisülési áram leáll.

Az ártalmatlanítás időtartama a következőktől függ:

1) a C kondenzátor kapacitásától

2) azon R ellenállás értékén, amelyre a kondenzátor kisül.

Minél nagyobb az R ellenállás, annál lassabban megy végbe a kisülés. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy nagy ellenállás esetén a kisülési áram erőssége kicsi, és a kondenzátor lemezeinek töltése lassan csökken.

Ez ugyanazon kondenzátor kisülési áramának grafikonjain látható, 10 μF kapacitással és 100 V feszültségre töltve, két különböző ellenállási érték mellett (5. ábra): 1. görbe – R-nél =40 ohm, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A és 2. görbe – 20 Ohm-on ioresr = 100/20 = 5 A.

Rizs. 5. A kisülési áramok grafikonjai különböző ellenállásokon

A kisülés is lassabb, ha a kondenzátor kapacitása nagy.Ennek az az oka, hogy ha nagyobb a kapacitás a kondenzátorlapokon, akkor több az áram (több töltés), és hosszabb ideig tart a töltés lemerülése. Ezt jól mutatják a kisülési áramok grafikonjai két azonos kapacitású, azonos 100 V-os feszültségre és R= 40 ohm ellenállásra kisütt kondenzátor esetén (6. ábra: 1. görbe – kapacitású kondenzátornál). 10 mikrofarad és 2. görbe – 20 mikrofarad kapacitású kondenzátorhoz).

Rizs. 6. Különböző teljesítményű kisülési áramok grafikonjai

A vizsgált folyamatokból arra lehet következtetni, hogy egy kondenzátoros áramkörben az áram csak a töltés és kisütés pillanatában folyik, amikor a lemezeken a feszültség változik.

Ez azzal magyarázható, hogy a feszültség változásával a lemezeken a töltés mértéke megváltozik, és ehhez a töltések áramkör mentén kell mozognia, vagyis elektromos áramnak kell áthaladnia az áramkörön. A feltöltött kondenzátor nem engedi át az egyenáramot, mert a lemezei közötti dielektrikum kinyitja az áramkört.

A kondenzátor energiája

A töltési folyamat során a kondenzátor energiát tárol a generátortól kapva. A kondenzátor kisütésekor az elektromos mező összes energiája hőenergiává alakul, azaz felmelegíti azt az ellenállást, amelyen keresztül a kondenzátor kisüt. Minél nagyobb a kondenzátor kapacitása és a lemezein lévő feszültség, annál nagyobb a kondenzátor elektromos mezőjének energiája. Az U feszültségre feltöltött C kapacitású kondenzátor által birtokolt energia mennyisége egyenlő: W = Wc = CU2/2

Egy példa. A kondenzátor C = 10 μF Uc = 500 V feszültségre töltve.Határozza meg azt az energiát, amely a hő hatására felszabadul azon az ellenálláson, amelyen keresztül a kondenzátor kisüt.

Válasz. A kisülés során a kondenzátor által tárolt összes energia hővé alakul. Ezért W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.