Кәдімгі зарядтау және разрядтау процестері

Тұрақты кернеу U (сурет 16-4) қуат көзіне кедергісі бар кедергісі бар C сыйымдылығы бар зарядсыздандырылған конденсатордан тұратын тізбекті жалғаңыз.

Өйткені конденсатор іске қосылған сәтте әлі зарядталмаған болса, онда кернеу, осылайша, кернеу бастапқы сəтте тізбектегі кедергіге байланысты R кедергісі U-ға тең жəне ток күші пайда болады.

Сур. 16-4. Кәдімгі зарядтау.

Ток ағымының өтуі конденсатордағы Қ зарядтаудың біртіндеп жинақталуымен бірге жүреді, онда кернеу пайда болады және R кедергісіндегі кернеудің төмендеуі төмендейді:

кирхгоф заңының екінші заңы. Сондықтан ағымдағы күш

заряд жинақтау жылдамдығы Q төмендейді, өйткені схемадағы ток азаяды

Уақыт өте келе, конденсатор зарядталуын жалғастыруда, бірақ заряд Q және кернеу оған баяу өседі (Cурет 16-5), ток тізбегінде біртіндеп айырмашылыққа бара-бара азаяды - кернеу

Сур. 16-5. Конденсатордың зарядталу кезіндегі ток және кернеу сызбасы.

Уақыт жеткілікті үлкен болғаннан кейін (теориялық шексіз үлкен) қуат көзінің кернеуіне тең келетін кернеу жетеді және ток нөлге тең болады - конденсатордың ұштарын зарядтау үрдісі.

Конденсаторды зарядтау үрдісі ұзаққа созылады, R контурының кедергісі әлдеқайда жоғары, ағымды беріктігі шектеледі, ал үлкен сыйымдылықпен үлкен заряд жиналуы керек, өйткені конденсатор C сыйымдылығын жоғарылатады. Процестің жылдамдығы тізбектің уақытша тұрақтысымен сипатталады

процедура неғұрлым баяуырақ болса.

Схеманың уақытша константасы уақыттың өлшеміне ие

Схеманы қосқан кезден бастап уақыт аралығынан кейін, конденсатордағы кернеу қуаттың кернеуінің шамамен 63% -на жетеді, ал аралықтан кейін конденсаторды зарядтау процесі аяқталған болып саналады.

Зарядтау кезінде конденсатордың кернеуі

яғни экспоненталық функцияның заңына сәйкес азаяды (сур. 16-7).

Конденсатордың разряды ток

яғни стресс сияқты, сол заңға сәйкес азаяды (6-7 сурет).

Электр қуатына арналған қуаттылықты зарядтау кезінде сақталған барлық қуат, R. кедергісінде жылу ретінде шығарылады.

Қуат көзінен ажыратылған зарядталған конденсатордың электр өрісі ұзақ уақыт өзгеріссіз қалуы мүмкін, өйткені конденсатордың диэлектрикасы және қысқыштарының арасында оқшаулау кейбір өткізгіштігі бар.

Жетілдірілмеген диэлектрлік және оқшаулау есебінен конденсатордың ағуы өздігінен ағылу деп аталады. Конденсатордың өздігінен ағып кетуіне арналған уақытша тұрақты температура пластиналар мен олардың арасындағы қашықтыққа байланысты емес.

Конденсаторды зарядтау және зарядтау процестері уақытша деп аталады.

§ 6. Конденсаторды зарядтау және шығару

Конденсаторды зарядтау үшін еркін электрондарды бір пластинадан екіншісіне ауыстыру қажет. Электрондардың конденсатордың бір табақшасынан екіншісіне өтуі осы көзді конденсатордың табақтарына жалғайтын сымдар арқылы кернеудің кернеуінің әсерінен жүзеге асады.

Конденсаторды қосу сәтінде оның пластиндерінде заряд жоқ, кернеу нөлдік μ с = 0. Сондықтан, зарядтау тогы көздің r ішкі кедергісімен анықталады және ең үлкен мәнге ие:

I C max = E / r in.

Конденсаторлық пластиналардағы зарядтардың жинақталуымен оның кернеуі артады және көздің ішкі кедергісіндегі кернеудің төмендеуі көздің эмфі мен кернеудің (E - μ s) айырмашылығына тең болады. сондықтан зарядтау тогы

i з = (Е- μ с) / r в.

Осылайша, конденсатордағы кернеудің артуымен заряд тогы төмендейді және μ C = E кезінде ол нөлге тең болады. Конденсатордағы кернеу мен зарядтау уақытын өзгерту процесі күріште көрсетілген. Зарядтың ең басында конденсатордағы кернеу күрт артады, себебі зарядтау тогының ең үлкен мәні бар және конденсаторлық тақталардағы зарядтардың жинақталуы қарқынды түрде жүреді. Конденсатордың кернеуі артып келе жатқанда, зарядтау тогы азаяды және пластиналардағы заряд жинақталады. Конденсатордың зарядының ұзақтығы оның сыйымдылығына және тізбектің қарсыласуына байланысты, оның ұлғаюы зарядтың ұзақтығын ұлғайтуға әкеледі. Конденсатордың сыйымдылығының жоғарылауымен оның пластиндерінде жиналған зарядтардың саны артып, тізбектің қарсылығын арттырса, зарядтау тогы азаяды, бұл осы пластинкалардағы зарядтардың жиналуын баяулатады.

Егер зарядталған конденсатордың плиталары R кедергісіне қосылса, онда конденсатордың кернеуіне байланысты конденсатордың разряд тогы ағып кетеді. Электрондық пластинканың конденсаторы (олардың асып кетуімен) босатылған кезде ол басқа бірге ауысады (егер ол жетіспесе) және пластиналардың потенциалы теңестірілсе жалғастырады, яғни конденсатордағы кернеу нөлге тең болады. Конденсатордың шығуы кезінде кернеудің өзгеруі күріш. 2. Конденсатордың шығыс тоғы конденсатор бойынша кернеуге пропорционалды (i р = μ s / R) және уақыттың өзгеруі кернеудің өзгеруіне ұқсас.

Шығару кезінде бастапқы кернеу конденсатордың кернеуі ең жоғары (μ s = E) және разряд тогы максимальды (I p max = E / R) болып табылады, сондықтан разряд жылдам өтеді. Кернеудің төмендеуімен разряд тогы азайып, бір пластинадан екіншісіне заряд беру процесі баяулайды.

Конденсатордың ағызу процесінің уақыты контурдың кедергісіне және конденсатордың сыйымдылығына байланысты, ал қарсылықтың да, сыйымдылықтың да артуы ағымның ұзақтығын арттырады. Қарсыласудың жоғарылауы кезінде разряд тогы азаяды, зарядтардың бірінен екіншісіне ауыстыру процесі баяулайды; конденсатордың сыйымдылығының жоғарылауы пластинадағы зарядты арттырады.

Осылайша, конденсатор бар контурда ток тек зарядтау мен разряд кезінде ғана өтеді, яғни пластиналарда кернеу уақыттың өзгеруіне ұшырайды. Кернеу тұрақты болған кезде ток конденсатордан өтпейді, яғни конденсатор тікелей ток өткізбейді, өйткені диэлектрик пластиналар арасында орналасады және нәтижесінде схема ашық болады.

Конденсаторды зарядтағанда, ол электр энергиясын жинап, оны энергия көзінен тұтына алады. Жиналған энергия белгілі бір уақытқа сақталады. Конденсатордың заряды таусылғанда, бұл қуат бүрку резисторына өтеді, оны жылыту, яғни электр өрісінің энергиясы жылуға айналады. Конденсатордың сыйымдылығы мен оның пластиналарына кернеу неғұрлым жоғары болса, соғұрлым ол энергия сақталады. Конденсатордың электр өрісінің энергиясы келесі өрнекпен анықталады

W = CU 2/2.

Егер қуаты 100 мкФ болатын кернеу 200 В кернеуіне алынады, онда конденсатордың электр өрісінде сақталатын энергия W = 100 · 10 -6 · 200 2/2 = 2 J.

Мұқаба

№3 лабораториялық жұмыстарға арналған әдістемелік нұсқаулық

«Физика» пәні бойынша

Владивосток

Тақырып

Ресей Федерациясының Білім және ғылым министрлігі

Жаратылыстану ғылымдары мектебі

КАПИТАТОРЛАРДЫ ЖӘНЕ АУЫСТЫРУ ЗЕРТТЕУІ. КОПАКТОРДЫҢ ҚАМТАМАСЫЗ ЕТУДІ ТАЛДАУ

Владивосток

Қиыр Шығыс федералды университеті

____________________________________________________________________________________________________________

Тақырып айналымы

УДК 53 (о76.5)

Құрастырған: О.П.Плотникова

Конденсаторды зарядтау және зарядтау процестерін зерттеу. Capacitor Capacity анықтамасы:оқу құралы «Физика» пәні бойынша №3 зертханалық жұмысқа арналған басшылық / Қиыр Шығыс федералды университеті, жаратылыстану ғылымдары мектебі [комп. О.В.Плотникова]. - Владивосток: Дальневост. федералдық Univ., 2013. - б.

FEFU Жаратылыстану ғылымдары мектебінің жалпы физика кафедрасында дайындалған оқу құралы «Электр қуаты» тақырыбында қысқаша теориялық материалды қамтиды. Конденсаторлар «және зертханалық жұмыстарды орындауға арналған нұсқаулықтар» Зарядтау және зарядтау процестерін зерттеу. «Физика» пәні бойынша «Конденсаторлық сыйымдылықты анықтау».

FEFU бакалавриат студенттері үшін.

УДК 53 (о76.5)

© FSAEI «FEFU» ГПЗ, 2013 ж

Жұмыс мақсаты:конденсатордың зарядталу және зарядсыздандыру процестерін сипаттайтын, электр тізбегінің уақытша тұрақтылығын анықтайтын, белгісіз конденсатор сыйымдылығын анықтайтын заңдарды эксперименталды тексеру.

Қысқаша теория

Электр қуаты.

Өткізгіштер - еркін зарядталған бөлшектердің көп мөлшері бар заттар. Металл өткізгіштерде мұндай бөлшектер еркін электрондар, электролиттерде - оң және теріс иондар, иондалған газдарда - иондар мен электрондар.

Егер біз басқа дирижерлер жоқ дирижерді қарастырсақ, ол жалғыз деп аталады. Тәжірибе көрсеткендей, жалғыз өткізгіштің әлеуеті оған зарядқа тікелей пропорционалды. Сымның өткізгіштің әлеуетіне берілу коэффициенті электрөткізгіштің электрлік сыйымдылығы (немесе жай сыйымдылығы) деп аталады:

Осылайша, сыйымдылық әлеуетін арттыру үшін өткізгішке хабарлау керек зарядтың мөлшерімен анықталады.

Сыйымдылығы өткізгіштің мөлшері мен формасына, диэлектрлік ортада, басқа да өткізгіштердің болуына байланысты және зарядтың немесе әлеуетке байланысты емес. Сонымен, радиустың R радиосының жалғыз өткізгіші үшін сыйымдылығы:

C = 4πεε 0 R. (себебі ықтимал ф =

).

Мұнда ε - ортаны диэлектрлік тұрақты, ε 0 - электр тұрақты.

SI жүйесінде сыйымдылық бірлігі Farada (F) деп аталады. 1F = 1 .

Конденсаторлар.

Сыйымдылығы жекелеген өткізгіштерді ғана емес, сонымен қатар өткізгіштер жүйесін де қамтиды. Диэлектрлік қабатпен бөлінген екі өткізгіштерден тұратын жүйе конденсатор деп аталады. Бұл жағдайда өткізгіштер конденсаторлық тақталар деп аталады. Пластинадағы зарядтар қарсы белгілерге ие, бірақ шамасы бірдей. Конденсатордың барлық өрісі пластиналар арасында шоғырланған.

Конденсатордың сыйымдылығы магнитуда деп аталады

C = , (1)

онда q - пластиналардың біреуінің зарядының абсолютті мәні, U - пластиналар арасындағы әлеуетті айырмашылық (кернеу).

Пластиналардың пішініне байланысты конденсаторлар тегіс, сфералық, цилиндрлік.

Тегіс конденсатордың сыйымдылығын табыңыз, оның пластиналары S аймағына ие, d қашықтықта орналасады және пластиналар арасындағы бос орын диэлектрлік тұрақты ε диэлектрикпен толтырылады.

Егер пластинадағы бетінің заряды тығыздығы σ (σ =) болса, конденсатордың өріс шегі (өріс бірдей деп есептеледі) тең:

E = =

Пластиналардың арасындағы ықтимал айырмашылық өріс күшіне байланысты: E =   онда U = Ed = аламыз =

Формуланы (1) қолдану арқылы тегіс конденсатордың сыйымдылығы үшін өрнек аламыз:

C = (2)

Конденсатор контактісі.

Қосылымдардың екі негізгі түрі пайдаланылады: сериялық және параллель.

Параллель байланысы бар (1-сурет), жалпы аккумулятор сыйымдылығы барлық конденсаторлар конденсаторларының жиынтығына тең:

Барлығымен = С 1 + С 2 + С 3 + ... = ССС i. (3)

Бірізді қосылыммен (2-сурет), жалпы сыйымдылықтың айырмашылығы барлық конденсаторлар конденсаторларының қосындысына тең:

. (4)

Егер n конденсаторлар C сыйымдылығымен бір қатарға қосылса, онда жалпы сыйымдылық: C жалпы. =

Сур. 1. Параллель байланысы. Сур. 2. Бірізді байланыс

Энергетикалық конденсатор

Егер конденсаторды зарядтау үрдісі баяу (квазистациональный) болса, онда әрбір сәтте кез келген конденсаторлық тақталардың әлеуеті барлық нүктелерде бірдей болады деп есептей аламыз. ДҚ-ның тарифі артып, жұмыс орындалады.

мұндағы u - конденсаторлық тақталар арасындағы кернеудің лездік мәні. Бұл ескере отырып

біз аламыз:

. Егер сыйымдылық кернеуге байланысты болмаса, онда бұл жұмыс конденсатордың энергиясын көбейтеді. Осы сөйлемшені біріктіруде біз:

,

мұндағы W - конденсатордың энергиясы, U - зарядталған конденсатордың табақшалары арасындағы кернеу.

Зарядтың, конденсатордың сыйымдылығы мен кернеуінің арасындағы байланысты пайдаланып, зарядталған конденсатордың басқа түрдегі энергиясын білдіруге болады:

. (5)

Квазистациялық ағымдар. Конденсаторды зарядтау және зарядтау процестері.

Конденсаторды зарядтау немесе зарядтау кезінде, ток конденсатор контурында ағып кетеді. Егер ағымдық өзгерістер өте баяу жүрсе, яғни электр токтарының тогы мен электрондардың өзгеру сұлбасында құрылуы кезінде. кіші емес, онда тікелей ток заңдары олардың лездік мәндерін анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Мұндай баяу өзгеретін токтар квази стационар деп аталады.

Электр тепе-теңдігін орнату жылдамдығы жоғары болғандықтан квази стационарлық токтар процесі әдеттегі мағынада өте тез болып келетін процестерді қамтиды: ауыспалы ток, радиотехникада қолданылатын көптеген электрлік тербелістер. Квадрат стационарлық - конденсатордың зарядтау немесе разрядтық ағымдары.

Толық кедергісі R арқылы белгіленетін электр тізбегіне назар аударыңыз. Схемада emf қуат көзіне қосылған С сыйымдылығы бар конденсатор бар. ε (сурет 3).

Сур. 3. Конденсаторды зарядтау және зарядтау процестері.

Зарядтау конденсаторы. Контурға жүгініңіз ε RC1ε екінші Kirchhoff ережесі, біз аламыз:

,

мұнда I, U - конденсатордағы ток және кернеудің сәттегі мәндері (тізбектің айналып өту бағыты көрсеткі бойынша көрсетіледі).

Бұл ескере отырып

,

, теңдеуді бір айнымалыға келтіре аласыз:

.

Жаңа айнымалыны енгіземіз:

. Сонда теңдеу жазылған:

.

Айнымалыларды бөлу және біріктіру, біз:

.

Тұрақты анықтау үшін және бастапқы шарттарды қолданыңыз:

t = 0, U = 0, u = - ε. Сонда біз аламыз: A = - ε. Айнымалыға оралу

, ең соңында, конденсатордың кернеуіне арналған өрнек аламыз:

. (6)

Уақыт өте келе, конденсатордағы кернеу артып, эмфге асимптоталық жақындайды. көзі (Cурет 4, I.).

Конденсатордың ағуы.Kirchhoff ережесіне сәйкес CR2C контуры үшін: RI = U. Біз сондай-ақ:

және

(қарама-қарсы бағытта ағып кетеді).

U айнымалысын ескере отырып, біз:

. Интеграция, біз аламыз:

.

Интеграциялық тұрақты B бастапқы жағдайлардан анықталады: t = 0, U = ε. Сонда біз: B = ε.

Конденсатордағы кернеу үшін, біз соңында:

. (7)

Уақыт өте келе кернеудің төмендеуі 0-ге жақындайды (4-сурет, II).

Сур. 4. Зарядтаудың (I) және разрядты (II) конденсатордың диаграммалары.

Уақытты тұрақты. Зарядтау және зарядтау процестерінің табиғаты (электр тепе-теңдігін орнату) төмендегі мәндерге байланысты болады:

, (8)

уақыт өлшемі бар және электр тізбегінің уақытша тұрақты деп аталады. Уақыттың тұрақты коэффициенті кернеудің шығуы туралы электронды коэффициентпен (e = 2.71) төмендейтінін көрсетеді.

Әдіс теориясы

Өрнек аударамыз (7):

(RC = τ деп есептеңіз).

LnU-тің (сызықтық тәуелділіктің) сызбасы, координаттары бар (0; lnε) нүктесінде y осі (lnU) қиылысатын түзу сызықпен (5-сурет) көрсетілген. Осы графиктің бұрыштық коэффициенті К схемасының уақытша тұрақтылығын анықтайды:

, мұнда

. (9)

Сур. 5. Конденсатордың шығуы кезінде кернеудің табиғи логарифміне тәуелділігі

Формулаларды қолдану:

  және

, бір мезгілде бұл уақытты ала алады

:

.

Осыдан:

. (10)

Эксперименттік орнату

Орнату негізгі блоктан тұрады - қосымша элементтерді, қуат көзін, сандық мультиметрді және кедергі мен сыйымдылықтың түрлі мәндері бар шағын модульдер жиынтығын қосатын терминалдар бар өлшеу модулі.

Жұмысты орындау үшін модульдің жоғарғы панелінде көрсетілген диаграммаға сәйкес электр тізбегі жиналады. 1М номиналды қуаты бар шағын модуль «R 1» ұяларына қосылған, ал «R 2» ұяларына 100 Ом номиналды шағын модуль қосылған. Оқытушы «С» ұяшықтарына қосылған зерттелген конденсатордың параметрлерін белгілейді. Ампермердің сокетіне секіргіш орнатылған. Вольтметр режимінде вольтметр сокетіне сандық мультиметр қосылған.

Айта кету керек, зарядсыздандыру резисторларының (шағын модульдер) R және цифрлық вольтметр R V кернеу бөлгішті құрайды, бұл конденсатордағы ең жоғарғы кернеудің ε тең емес екеніне,

,

мұндағы r 0 - қуат көзінің кедергісі. Уақытты тұрақты есептеу кезінде тиісті түзетулер жасалуы керек. Алайда, егер вольтметрдің кіру кедергісі (10 7 Ом) резисторлардың кедергісін айтарлықтай асып кетсе және көздің кедергісі аз болса, онда бұл түзетулер ескермеуі мүмкін.

Жұмыс тәртібі

1-кесте

2-кесте

3-кесте

Өлшеу нәтижелерін өңдеу

Өлшем нәтижелері бойынша студенттер келесі тапсырмалардың бірін орындайды (мұғалім нұсқау бергендей).

1-міндет. Конденсатордың разряд қисықтарын салу және осы процесті сипаттайтын заңның эксперименталды растауы.

1 және 3-кестелерден алынған деректерді пайдалана отырып, C1 және C2 конденсаторларының шығуы кезінде кернеудің графиктерін құрастырыңыз. Оларды талдаңыз, теориялық заттармен салыстырыңыз (4-сурет).

C1 және C2 конденсаторларының осьтердегі (lUU, t) разряды графиктерін құрастырыңыз. Оларды талдаңыз, теориялықтармен салыстырыңыз (5-сурет).

Графиктен К 1 және К 2 бұрыштық коэффициенттерін анықтаңыз. Бұрыштық коэффициенттің орташа мәні тік сызықтың бұрышын анықтайтын коэффициент ретінде анықталады:

.

Кездейсоқ қателерді түзу сызыққа қатысты эксперименталдық нүктелердің ауытқуы арқылы графикалық түрде бағалауға болады. Бұрыштық коэффициенттің салыстырмалы қателігі формулаға сәйкес табылуы мүмкін:

,

мұндағы δ (lnU) ең алыс эксперимент нүктесінің тікелей сызығынан ауытқу (lnU осьіндегі проекцияда)

- өлшеу жүргізілетін интервал.

2-міндет. Белгісіз конденсатордың сыйымдылығын анықтау.

1 және 2-кестелерден алынған деректерді пайдалана отырып, С1 және С x конденсаторларының кернеуіне қарсы уақыт кестесін құрастырыңыз. Оларды талдаңыз, теориялық заттармен салыстырыңыз (4-сурет).

C1 және C x конденсаторларының осьтердегі (lnU, t) разряды графиктерін құрастырыңыз. Оларды салыстырып, уақытша тұрақтылардың қатынасы туралы қорытынды жасаңыз (5-суретті қараңыз).

Формула бойынша (10) кестенің 1 және 2 кестелерін және деректерін пайдаланып белгісіз сыйымдылығын анықтаңыз.

Бұрыштық коэффициенттердің ε К1 және ε кх салыстырмалы қателерін табыңыз (1-ші тапсырманың 4-тармағын қараңыз).

Қате және абсолюттік қателерді анықтау:

,

.

Алынған мәнді С x өлшемді сыйымдылық режимінде сандық мультиметрмен өлшенген мәнмен салыстыру. Қорытынды жасаңыз.

Қосымша тапсырма.

Формула бойынша зарядталған конденсатордың энергиясын есептеңіз (5).

Сынақ сұрақтары

Конденсатор қандай? Конденсаторлық сыйымдылық деген не?

Тегіс конденсатордың электр өрісі оның пластиналары арасында шоғырланғанын дәлелдеңіз.

2. 2 мкФ сыйымдылығы қанша конденсатор қажет және оларды қалай қосу керек,

5 микрофарадтың жалпы сыйымдылығын алу керек пе?

Зарядталған конденсатордың энергиясын қалай табуға болады?

Қандай ағымдар квази стационар деп аталады? Неге конденсатордың зарядтау және разрядтық токтар квази стационарлы деп жіктелуі мүмкін?

Қандай заң бойынша конденсатордағы кернеу процестерде өзгереді? А) зарядтау және б) зарядсыздандыру?

Схеманың уақытша тұрақтылығы нені білдіреді? Бұл неге байланысты?

Неліктен бұл жұмыс lnU-ге қарсы графикті құрастырады?

Бұл жұмыста электр тізбегінің уақытша тұрақтылығы қалай анықталады?

ЛИТЕРАТУРА

1.Трофимова Т.И. Физика курсы. / T.I. Трофимова. - М .: Жоғары мектеп, 2006-2009 жж., 544с.

2 Савельев И.В. Физика курсы. 3 томдық. 2-том. Электр энергиясы. Тербелістер мен толқындар. Толқынды оптика. Ed. 3-ші стереотип. / И.В. Савельев - М.: Лан, 2007. - 480 б.

3. Грабовский Р.И. Физика курсы / Р.И. Грабовский - Санкт-Петербург: Лан баспасы, 2012. - 608с.

4 Зисман Г.А., Тодс О. М. Жалпы физика пәнінің курсы. 3 томдық. Көлемі 2. Электр және магнетизм / Г.А. Зисман, О.М. Тодс - Санкт-Петербург: «Лан», 2007. - 352с.

Трейлердің атауы

Оқу басылымы

Құрастырған:

ПлотниковаОльга Васильевна

КАПИТАТОРЛАРДЫ ЖӘНЕ АУЫСТЫРУ ЗЕРТТЕУІ. КОПАКТОРДЫҢ ҚАМТАМАСЫЗ ЕТУДІ ТАЛДАУ

«Физика» пәні бойынша №3 зертханалық жұмысқа арналған оқу-әдістемелік құралы

Компьютер орналасуы

Басып шығару үшін қол қойылды

60x84 / 16 пішімі. Usl. Uch.-iz.d.

Айналыстағы көшірмелер. Тапсырыс

Қиыр Шығыс федералды университеті

ШЕХН ФЕФУ жалпы физика кафедрасында басылған

690091, Владивосток, ул. Суханова, 8 жаста

Конденсатордың заряды

Конденсаторды зарядтау үшін оны тұрақты ток тізбегіне қосу керек. Суретте. 1 конденсатордың зарядтау тізбегін көрсетеді. C конденсаторы генератор терминалдарына қосылған. Кілтпен схеманы жабуға немесе ашуға болады. Конденсаторды зарядтау процесін егжей-тегжейлі қарастырыңыз.

Генератор ішкі қарсылыққа ие. Егер кілт жабық болса, онда конденсатор зарядталып, пластиналар арасында e тең болады. d. генератор: Uc = E. Бұл жағдайда генератордың оң қысқышына қосылған пластина оң зарядты (+ q) алады, ал екінші пластина теріс зарядта (-q) тең болады. Зарядтың q шамасы C конденсаторының сыйымдылығына және кернеуі оның табақтарына тікелей пропорционалды: q = CUc

P - бұл. 1

Конденсаторлық пластиналарды зарядтау үшін олардың біреуі электрондарды жоғалту керек, ал екіншісі электрондарды жоғалтуы керек. Электрондарды бір пластинадан екіншісіне ауыстыру генератордың электр қозғалтқыш күші арқылы сыртқы тізбек бойынша жүзеге асырылады және тізбектің бойымен қозғалу зарядтарының процесі - бұл электр тогының сыйымдылықты сыйымдылықты ток  Мен тапсырамын

Зарядтау тогы, әдетте, конденсатордағы кернеу e мәніне жеткенше, әдеттегіден екінші секунд ішінде мыңдаған сайын өтеді. d. генератор Зарядтау кезінде конденсаторлық тақталардағы кернеудің көтерілу кестесі диаграммада көрсетілген. 2, ал оның ішінен Uc кернеуі бірте-бірте жылдам өсіп, содан кейін баяу, яғни e тең болғанға дейін, көрінеді. d. Содан кейін конденсатордағы кернеу өзгермейді.

Сур. 2. Конденсаторды зарядтау кезінде кернеу мен ток графиктері

Конденсатордың зарядталуына қарамастан, зарядтау тогы тізбектен өтеді. Зарядтаушы ток графикасы фиг. 2, б. Бастапқы сәтте зарядтау тогының ең үлкен мәні бар, себебі конденсатордағы кернеу әлі де нөлге тең және Ом заңына сәйкес, eo = E / Ri, өйткені барлық e. d. Генератор Ri қарсылыққа қолданылады.

Конденсатордың зарядтары болғандықтан, ол қарқынды түрде артады, зарядтау ток үшін азаяды. Кернеу конденсаторда болғанда, кедергідегі кернеудің төмендеуі e арасындағы айырмашылыққа тең болады. d. генератор және кернеу конденсатор бойынша, яғни тең E - U c. Сол себепті, I zar = (E-Uc) / Ri

Бұл Uc ұлғайған кезде, i-заряд төмендейді және Uc = E кезінде зарядтау ток нөлге тең болады.

Конденсаторды зарядтау үдерісінің ұзақтығы екі ұлылыққа байланысты:

1) Генератордың ішкі қарсыласуынан,

2) конденсатор конденсаторынан C.

Суретте. 2-де 10 микрофарад сыйымдылығы бар конденсатор үшін талғампаздық токтарының кестесі келтірілген: қисық 1 генератордан зарядтау процесіне сәйкес келеді. d. E = 100 В және ішкі кедергісі Ri = 10 Ом, 2-қисық ұқсас генератордан зарядтау үдерісіне сәйкес келеді. D. s, бірақ ішкі кедергісі аз: Ri = 5 Ом.

Осы қисықтарды салыстырудан бастап, генератордың ішкі ішкі қарсыласуымен салыстырғанда, сәнді ток күші бастапқы сәтте үлкен болады, сондықтан зарядтау процесі жылдамырақ болады.

Сур. 2. Әртүрлі кедергілер үшін токтар зарядтайтын диаграммалар

Суретте. 3 сол генератордан зарядтау кезінде зарядтау токтарының сызбаларын салыстырады. d. Е = 100 В және ішкі кедергісі Ri = 10 Ом әртүрлі сыйымдылықтағы екі конденсатордың: 10 микрофарад (қисық 1) және 20 микрофарад (қисық 2).

Бастапқы зарядтау тогының мәні io zar = E / Ri = 100/10 = 10 А екі конденсатор үшін де бірдей, бірақ үлкенірек қуат көп электр энергиясын жинақтағандықтан, оны зарядтау тогы ұзақ уақытқа созылады және зарядтау процесі ұзағырақ болады.

Сур. 3. Әртүрлі қуаттылықтардағы токты зарядтау диаграммасы

Конденсатордың ағуы

Зарядталған конденсаторды генератордан ажыратып, оның пластиналарына төзімділікті орнатыңыз.

Конденсаторлық пластиналарда кернеу Uc бар, сондықтан жабық электр тізбегіндегі ағым ағымы деп аталады.

Тұтас теріс пластқа кедергісі арқылы конденсатордың оң пластинасынан ағып кетеді. Бұл артық электрондардың теріс плитадан оң жаққа өтіп кетуіне сәйкес келеді, бұл жерде олар жетіспейді. Серияның рамалары екі пластинаның потенциалы бірдей болғанша, яғни олардың арасындағы әлеуетті айырмашылық нөлге тең болады: Uc = 0.

Суретте. 4, кернеу төмендеген кезде, кернеу төмендеген кезде Uc o = 100 В нөлге дейінгі кернеудегі кернеу төмендейді.

Суретте. 4, b ағызу токының сызбасын көрсетеді. Берілу тогының беріктігі R кедергінің шамасына байланысты және Ом заңына сәйкес i Bit = Uc / R

Сур. 4. Кернеу және конденсатордың ағынды схемалары

Алғашқы кезде, конденсаторлық пластиналардағы кернеу ең көп болғанда, разрядтау тогы ең үлкен болып табылады және разрядтау кезінде Uc азаюымен разряд тогы азаяды. Uc = 0 кезде, разряд тогы тоқтайды.

Шығару ұзақтығына байланысты:

1) конденсатор С

2) конденсатордың шығарылған R қарсылылығының шамасы бойынша.

Р кедергісі неғұрлым көп болса, түсіру баяу өтеді. Бұл үлкен кедергісі бар разрядты ток қуаты аз және конденсаторлық тақталардағы заряд баяу төмендейді.

Бұл 5 қарсылықтың екі түрлі мәнімен (сурет 5) 10 мкм сыйымдылығы бар және 100 В кернеуіне дейін зарядталған бірдей конденсатордың разряд тогының кестесінде көрсетіледі: қисық 1 - R = 40 Ω, i op = Uc о / R = 100/40 = 2,5 А және қисық 2 - 20 Ом i немесе = 100/20 = 5 A.

Сур. 5. Әртүрлі кедергілер үшін разряд ағындарының сызбалары

Шығару конденсатор үлкен болғанда да баяуырақ болады. Бұл шығады, өйткені үлкен сыйымдылығы бар конденсаторлық тақталарда электр қуатының көп болуы (зарядтау) және зарядтаудың ұзақ уақыт кезеңі қажет болады. Бұл кернеу 100 В кернеуіне зарядталған және R = 40 Ω кедергіге келтірілген екі конденсатор үшін екі разрядты ағындар кестесі арқылы анықталған (6 сур., Қуаттылығы 20 мкм болатын конденсатор үшін 10 мкм фазалы конденсатор үшін қисық 1). uf).

Сур. Әртүрлі қуаттылықтардағы разряд ағындарының кестесі

Қарастырылған процестерден конденсатордың токының тізбегінде тек пластинкалардағы кернеу өзгерген кезде ғана зарядтау мен разрядтау сәттерінде ағып кетуі мүмкін деген қорытынды жасауға болады.

Бұл кернеу өзгерген кезде пластиналардағы зарядтың өзгеруі және бұл тізбектегі зарядтардың қозғалысын, яғни электр тогының схемадан өтуі керек екенін түсіндіреді. Зарядталған конденсаторлар тік тоттануға жол бермейді, себебі оның пластиналары арасындағы диэлектрик схеманы ашады.

Конденсатордың энергиясы

Зарядтау барысында қуатты жинап, оны генератордан алуға болады. Конденсатордың заряды таусылғанда, электр өрісінің барлық энергиясы жылу энергиясына айналады, яғни ол қарсылықты жылытуға кедергі келтіреді, ол арқылы конденсатор ажыратылады. Конденсатордың сыйымдылығы мен оның пластиналарына кернеу соғұрлым көп болса, конденсатордың электр өрісінің қуаты көп болады. Конденсатордың C кернеуіне зарядталған қуаты бар қуат мөлшері W = W c = C 2/2

Мысал. C = 10 μF кернеуі U = 500 В кернеуіне зарядталған. Конденсатордың ағызылатын кедергісінде ыстықта шығарылатын энергияны анықтаңыз.

Шешім. Шығару кезінде конденсатор арқылы сақталатын барлық қуат жылуға келеді. Сондықтан W = W c = CU 2/2 = (10 x 10 -6 x 500) / 2 = 1.25 j.