Учебник по электронике

Конденсатор в цепи переменного тока. Емкостное сопротивление конденсатора.

Мы знаем, что конденсатор не пропускает через себя постоянного тока. Поэтому в электрической цепи, в которой последовательно с источником тока включен конденсатор, постоянный ток протекать не может.

Совершенно иначе ведет себя конденсатор в цепи переменного тока (Рис 1,а).

Конденсатор в цепи переменного тока эпюры

Рисунок 1. Сравнение конденсатора в цепи переменного тока с пружиной, на которую воздействует внешняя сила.

 

В течение первой четверти периода, когда переменная ЭДС нарастает, конденсатор заряжается, и поэтому по цепи проходит зарядный электрический ток i, сила которого будет наибольшей вначале, когда конденсатор не заряжен. По мере приближения заряда к концу сила зарядного тока будет уменьшаться. Заряд конденсатора заканчивается и зарядный ток прекращается в тот момент, когда переменная ЭДС пе-рестает нарастать, достигнув своего амплитудного значения. Этот момент соответствует концу первой четверти периода.

После этого переменная ЭДС начинает убывать, одновременно с чем конденсатор начинает разряжаться. Следовательно, в течение второй четверти периода по цепи будет протекать разрядный ток. Так как убывание ЭДС происходит вначале медленно, а затем все быстрее и быстрее, то и сила разрядного тока, имея в начале второй четверти периода небольшую величину, будет постепенно возрастать.

Итак, к концу второй четверти периода конденсатор разрядится, ЭДС будет равна нулю, а ток в цепи достигнет наибольшего, амплитудного, значения.

С началом третьей четверти периода ЭДС, переменив свое направление, начнет опять возрастать, а конденсатор — снова заряжаться. Заряд конденсатора будет происходить теперь в обратном направлении, соответственно изменившемуся направлению ЭДС. Поэтому направление зарядного тока в течение третьей четверти периода будет совпадать с направлением разрядного тока во второй четверти, т. е. при переходе от второй четверти периода к третьей ток в цепи не изменит своего направления.

Вначале, пока конденсатор не заряжен, сила зарядного тока имеет наибольшее значение. По мере увеличения заряда конденсатора сила зарядного тока будет убывать. Заряд конденсатора закончится и зарядный ток прекратится в конце третьей четверти периода, когда ЭДС достигнет своего амплитудного значения и нарастание ее прекратится.

Итак, к концу третьей четверти периода конденсатор окажется опять заряженным, но уже в обратном направлении, т. е. на той пластине, где был прежде плюс, будет минус, а где был минус, будет плюс. При этом ЭДС достигнет амплитудного значения (противоположного направления), а ток в цепи будет равен нулю.

В течение последней четверти периода ЭДС начинает опять убывать, а конденсатор разряжаться; при этом в цепи появляется постепенно увеличивающийся разрядный ток. Направление этого тока совпадает с направлением тока в первой четверти периода и противоположно направлению тока во второй и третьей четвертях.

Из всего изложенного выше следует, что по цепи с конденсатором проходит переменный ток и что сила этого тока зависит от величины емкости конденсатора и от частоты тока. Кроме того, из рис. 1,а, который мы построили на основании наших рассуждений, видно, что в чисто емкостной цепи фаза переменного тока опережает фазу напряжения на 90°.

Отметим, что в цепи с индуктивностью ток отставал от напряжения, а в цепи с емкостью ток опережает напряжение. И в том и в другом случае между фазами тока и напряжения имеется сдвиг, но знаки этих сдвигов противоположны

 

Емкостное сопротивление конденсатора

Мы уже заметили, что ток в цепи с конденсатором может протекать лишь при изменении приложенного к ней напряжения, причем сила тока, протекающего по цепи при заряде и разряде конденсатора, будет тем больше, чем больше емкость конденсатора и чем быстрее происходят изменения ЭДС

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, влияет на силу протекающего по цепи тока, т. е. ведет себя как сопротивление. Величина емкостного сопротивления тем меньше, чем больше емкость и чем выше частота переменного тока. И наоборот, сопротивление конденсатора переменному току увеличивается с уменьшением его емкости и понижением частоты.

Зависимость емкостного сопротивления от частоты

Рисунок 2. Зависимость емкостного сопротивления конденсатра от частоты.

Для постоянного тока, т. е. когда частота его равна нулю, сопротивление емкости бесконечно велико; поэтому постоянный ток по цепи с емкостью проходить не может.

Величина емкостного сопротивления определяется по следующей формуле:

Емкостное сопротивление конденсатора

где Хс — емкостное сопротивление конденсатора в ом;

f—частота переменного тока в гц;

ω — угловая частота переменного тока;

С — емкость конденсатора в ф.

При включении конденсатора в цепь переменного тока, в последнем, как и в индуктивности, не затрачивается мощность, так как фазы тока и напряжения сдвинуты друг относительно друга на 90°. Энергия в течение одной четверти периода— при заряде конденсатора — запасается в электрическом поле конденсатора, а в течение другой четверти периода — при разряде конденсатора — отдается обратно в цепь. Поэтому емкостное сопротивление, как и индуктивное, является реактивным или безваттным.

Нужно, однако, отметить, что практически в каждом конденсаторе при прохождении через него переменного тока затрачивается большая или меньшая активная мощность, обусловленная происходящими изменениями состояния диэлектрика конденсатора. Кроме того, абсолютно совершенной изоляции между пластинами конденсатора никогда не бывает; утечка в изоляции между пластинами приводит к тому, что параллельно конденсатору как бы оказывается включенным некоторое активное сопротивление, по которому течет ток и в котором, следовательно, затрачивается некоторая мощность. И в первом и во втором случае мощность затрачивается совершенно бесполезно на нагревание диэлектрика, поэтому се называют мощностью потерь.

Потери, обусловленные изменениями состояния диэлектрика, называются диэлектрическими, а потери, обусловленные несовершенством изоляции между пластинами, — потерями утечки.

Ранее мы сравнивали электрическую емкость с вместимостью герметически (наглухо) закрытого сосуда или с площадью дна открытого сосуда, имеющего вертикальные стенки.

Конденсатор в цепи переменного тока целесообразно сравнивать с гиб-костью пружины. При этом во избежание возможных недоразумений условимся под гибкостью понимать не упругость («твердость») пружины, а величину, ей обратную, т. е. «мягкость» или «податливость» пружины.

Представим себе, что мы периодически сжимаем и растягиваем спиральную пружину, прикрепленную одним концом наглухо к стене. Время, в течение которого мы будем производить полный цикл сжатия и растяжения пружины, будет соответствовать периоду переменного тока.

Таким образом, мы в течение первой четверти периода будем сжимать пружину, в течение второй четверти периода отпускать ее, в течение третьей четверти периода растягивать и в течение четвертой четверти снова отпускать.

Кроме того, условимся, что наши усилия в течение периода будут неравномерными, а именно: они будут нарастать от нуля до максимума в течение первой и третьей четвертей периода и уменьшаться от максимума до нуля в течение второй и четвертой четвертей.

Сжимая и растягивая пружину таким образом, мы заметим, что в начале первой четверти периода незакрепленный конец пружины будет двигаться довольно быстро при сравнительно малых усилиях с нашей стороны.

В конце первой четверти периода (когда пружина сожмется), наоборот, несмотря на возросшие усилия, незакрепленный конец пружины будет двигаться очень медленно.

В продолжение второй четверти периода, когда мы будем постепенно ослаблять давление на пружину, ее незакрепленный конец будет двигаться по направлению от стены к нам, хотя наши задерживающие усилия направлены по направлению к стене. При этом наши усилия в начале второй четверти периода будут наибольшими, а скорость движения незакрепленного конца пружины наименьшей. В конце же второй четверти периода, когда наши усилия будут наименьшими, скорость движения пружины будет наибольшей и т. д.

Продолжив аналогичные рассуждения для второй половины периода (для третьей и четвертой четвертей) и построив графики (рис. 1,б) изменения наших усилий и скорости движения незакрепленного конца пружины, мы убедимся, что эти графики в точности соответствуют графикам ЭДС и тока в емкостной цепи (рис 1,а), причем график усилий будет соответствовать графику ЭДС , а график скорости — графику силы тока.

 Конденсатор в цепи переменоого тока анимация

Рисунок 3. а)Процессы в цепи переменного тока с конденсатором и б)сравнение конденсатора с пружиной.

Нетрудно, заметить, что пружина, так же как и конденсатор, в течение одной четверти периода накапливает энергию, а в течение другой четверти периода отдает ее обратно.

Вполне очевидно также, что чем меньше гибкость пружины,- т е. чем она более упруга, тем большее противодействие она будет оказывать нашим усилиям. Точно так же и в электрической цепи: чем меньше емкость, тем больше будет сопротивление цепи при данной частоте.

И наконец, чем медленнее мы будем сжимать и растягивать пружину, тем меньше будет скорость движения ее незакрепленного конца. Аналогично этому, чем меньше частота, тем меньше сила тока при данной ЭДС.

При постоянном давлении пружина только сожмется и на этом прекратит свое движение, так же как при постоянной ЭДС конденсатор только зарядится и на этом прекратится дальнейшее движение электронов в цепи.

А теперь как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока вы можете посмотреть в следующем видео:



ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!



Комментарии  

 
#15 Владимир18 19.05.2016 12:38
Цитирую Мафия:
8) Грубейшие ошибки в нескольких местах! На всех картинках конденсатор заряжается до начала подачи внешнего источника питания и разряжается при подаче внешнего питания, так не бывает и легко доказывается! Обрадую вас ещё немного. Переменного тока тоже не существует, как и синуса в электричестве! На всех картинках изображено возвратно поступательные движения постоянной электрической энергии и ничего более! Ток и напряжение измеряют одно электрическое явление, в одной и той-же среде, в одних и тех-же условиях, легко это доказать! Сами подумайте, как можно одной измерительной головкой, состоящей из магнита катушки со стрелкой и ничего больше измерить напряжение от 0 до 100 мВ и ток от 0 до 50 мкА! Я отвечаю за каждое своё слово потому что всё это я могу доказать на простых примерах! По поводу формулы, есть сомнения в её правильности. Надо проводить ряд тестов, так как уже заметны как минимум два вида сопротивления. 8)

Учи ЗАКОН ОМА и остальную матчасть?
Цитировать
 
 
#14 SH 03.02.2016 08:26
очень понятно и наглядно
Цитировать
 
 
#13 Мафия 24.12.2015 07:12
8) Грубейшие ошибки в нескольких местах! На всех картинках конденсатор заряжается до начала подачи внешнего источника питания и разряжается при подаче внешнего питания, так не бывает и легко доказывается! Обрадую вас ещё немного. Переменного тока тоже не существует, как и синуса в электричестве! На всех картинках изображено возвратно поступательные движения постоянной электрической энергии и ничего более! Ток и напряжение измеряют одно электрическое явление, в одной и той-же среде, в одних и тех-же условиях, легко это доказать! Сами подумайте, как можно одной измерительной головкой, состоящей из магнита катушки со стрелкой и ничего больше измерить напряжение от 0 до 100 мВ и ток от 0 до 50 мкА! Я отвечаю за каждое своё слово потому что всё это я могу доказать на простых примерах! По поводу формулы, есть сомнения в её правильности. Надо проводить ряд тестов, так как уже заметны как минимум два вида сопротивления. 8)
Цитировать
 
 
#12 Беляев Евгений 07.12.2015 21:02
Хорошая статья, я бы сказал, очень хорошая статья. Подскажите, а как программа моделирования называется?
Цитировать
 
 
#11 Din 03.11.2015 08:07
анимационный график - супер! Это именно то чего нельзя сделать в бумажной книжке.
Цитировать
 
 
#10 Серж 13.09.2015 16:26
...Ну ваще то все эти статьи про индуктивность, кондеры в переменке, частоту, мне не очень...потому что чтоб правильно объяснить ,нужно понять одну ни писанную истину, ТОКА НЕТ, в том понимании как учили нас...и тогда всё станет на свои места!
Цитировать
 
 
#9 Серж 13.09.2015 16:21
...Мда уж
Цитировать
 
 
#8 Soldier 19.05.2015 08:43
Цитирую Олег:
При подачи напряжения в сеть , ток мгновенно возрастает до амплитудного.
Откуда он может быть ток, если в первом включении конденсатор разряжен и напряжение
на нулевой отметке?

Не возрастает, а потечет максимальный ток. В момент включения разница потенциалов источника и конденсатора максимальна. К моменту полного заряда потенциалы источника и конденсатора выравниваются - ток нулевой.
Цитировать
 
 
#7 akuloid 19.03.2015 11:28
Кому непонятно, почитайте школьный учебник физики. Как вы в школе-то учились?
Цитировать
 
 
#6 Олег 06.01.2015 08:23
При подачи напряжения в сеть , ток мгновенно возрастает до амплитудного.
Откуда он может быть ток, если в первом включении конденсатор разряжен и напряжение
на нулевой отметке?
Цитировать
 
 
#5 Миша 21.11.2014 19:20
Почему с увеличением частоты ёмкостное сопротивление уменьшается? С чем это связано? :o
Цитировать
 
 
#4 Вадим 25.06.2014 10:35
Ну вы парни молодчики !!!! хоть кто то понимает как это работает ) ;-)
Цитировать
 
 
#3 rafik 25.04.2014 11:59
великолепно
Цитировать
 
 
#2 Роман 29.12.2013 16:27
Спасибо за статью! Очень доходчиво
Цитировать
 
 
#1 Гуля 26.12.2013 21:42
8) мне понравилось :lol:
Цитировать
 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Бесплатное интернет издание посвященное электротехнике, электронике, радиотехнике и другим смежным областям.

Журнал состоит из нескольких качественных и полезных статей практической направленности.

Разнообразный формат статей, красочные иллюстрации, качественные видео материалы.

Конфиденциальность данных гарантируется.

Основы электроники

Видеокурс "Черчение схем в программе sPlan 7"

Kurs-splan

Если Вы хотите научиться чертить электрические схемы, создавать рисунки и иллюстрации (например при оформлении курсовых, дипломных, при публикации на сайте и т.д.) быстро и профессионально, то у меня для Вас есть отличная новость!

 

Вы можете совершенно БЕСПЛАТНО получить полноценный курс по черчению схем и созданию рисунков в программе sPlan 7.0!

Бесплатно!

Ваш e-mail: *
Ваше имя: *

Видеокурс "Программирование микроконтроллеров для начинающих"

mk-avr

Если Вы хотите из новичка превратиться в профессиноала, стать высококлассным, конкурентноспособным и грамотным специалистом в области самого перспективного направления микроэлектроники, тогда изучите новый видокурс по микроконтроллерам!

Уверяю такого еще нет нигде!

В результате вы научитесь с нуля не тольно разрабатывать собственные устройства, но и сопрягать с ними различную переферию!

Подпишись на мой канал youtube!

Комплект для черчения электрических схем