Condensor laad- en ontlaadprocessen

Sluit een circuit aan dat bestaat uit een ongeladen condensator met capaciteit C en een weerstand met weerstand R van een stroombron met een constante spanning U (afb. 16-4).

Aangezien op het moment van inschakelen de condensator nog niet is opgeladen, is de spanning erop in het circuit op het eerste moment dat de spanningsval op de weerstand R gelijk is aan U en er ontstaat een stroom, waarvan de sterkte

Fig. 16-4. Condensator laden.

De passage van stroom i gaat gepaard met een geleidelijke accumulatie van lading Q op de condensator, een spanning verschijnt erop en de spanningsval op weerstand R neemt af:

zoals volgt uit de tweede wet van Kirchhoff. Daarom is de huidige sterkte

de ladingsaccumulatiesnelheid Q neemt af als de stroom in het circuit afneemt

Na verloop van tijd blijft de condensator opladen, maar de lading Q en de spanning erop groeien steeds langzamer (Fig. 16-5) en de stroom in het circuit neemt geleidelijk af in verhouding tot het verschil - de spanning

Fig. 16-5. Grafiek van stroom en spanning bij het opladen van een condensator.

Na een voldoende groot tijdsinterval (theoretisch oneindig groot), bereikt de spanning op de condensator een waarde die gelijk is aan de spanning van de stroombron en wordt de stroom nul - het proces van laden van de condensatoruiteinden.

Het proces van het opladen van de condensator is langer, hoe groter de weerstand van de schakeling R, die de stroomsterkte beperkt, en hoe groter de capaciteit van de condensator C, omdat met een grote capaciteit een grotere lading moet accumuleren. De snelheid van het proces wordt gekenmerkt door de tijdconstante van het circuit

hoe meer, hoe langzamer het proces.

De tijdconstante van het circuit heeft de dimensie van de tijd, sindsdien

Na een tijdsinterval vanaf het moment van het inschakelen van het circuit, bereikt de spanning op de condensator ongeveer 63% van de voedingsspanning en na een interval kan het laadproces van de condensator als voltooid worden beschouwd.

Condensatorspanning tijdens opladen

dat wil zeggen, het neemt af volgens de wet van de exponentiële functie (figuur 16-7).

Condensator ontlaadstroom

dat wil zeggen, het neemt, net als stress, af volgens dezelfde wet (Fig. 6-7).

Alle energie opgeslagen tijdens het laden van een condensator in zijn elektrisch veld, wanneer ontladen, wordt vrijgegeven als warmte in de weerstand R.

Het elektrische veld van een geladen condensator, losgekoppeld van de stroombron, kan niet lang onveranderd blijven, omdat het diëlektricum van de condensator en de isolatie tussen zijn klemmen enige geleidbaarheid hebben.

Een condensatorontlading als gevolg van een onvolmaakt diëlektricum en isolatie wordt zelfontlading genoemd. De tijdconstante voor zelfontlading van een condensator hangt niet af van de vorm van de platen en de afstand daartussen.

De processen van laden en ontladen van een condensator worden transiënten genoemd.

§ 6. Laad en ontlaad de condensator

Om een ​​condensator op te laden, is het noodzakelijk dat de vrije elektronen van de ene naar de andere plaat worden overgebracht. De overgang van elektronen van één plaat van een condensator naar een andere vindt plaats onder de werking van de bronspanning via de draden die deze bron verbinden met de platen van de condensator.

Op het moment dat de condensator wordt ingeschakeld, zijn er geen ladingen op de platen en is de spanning daarop nul μ с = 0. Daarom wordt de laadstroom bepaald door de interne weerstand van de bron r in en heeft deze de grootste waarde:

I Cmax = E / r in.

Met de accumulatie van ladingen op de condensatorplaten neemt de spanning erop toe en de spanningsval op de interne weerstand van de bron zal gelijk zijn aan het verschil tussen de emf van de bron en de spanning op de condensator (E - μ s). daarom de laadstroom

i з = (Е- μ с) / r в.

Dus, met een toename van de spanning op de condensator, zal de laadstroom afnemen en bij μ C = E wordt deze gelijk aan nul. Het proces van het veranderen van de spanning op de condensator en de laadstroom in de loop van de tijd wordt getoond in Fig. 1. Aan het begin van de lading neemt de spanning op de condensator sterk toe, omdat de laadstroom de grootste waarde heeft en de ophoping van ladingen op de condensatorplaten intensief optreedt. Naarmate de spanning op de condensator toeneemt, neemt de laadstroom af en neemt de ladingsaccumulatie op de platen af. De duur van de lading van de condensator hangt af van zijn capaciteit en de weerstand van het circuit, waarvan de toename leidt tot een toename van de duur van de lading. Met een toename in de capaciteit van de condensator, neemt het aantal ladingen op zijn platen toe, en als de weerstand van het circuit toeneemt, neemt de laadstroom af, en dit vertraagt ​​de accumulatie van ladingen op deze platen.

Als de platen van een geladen condensator zijn aangesloten op een weerstand R, zal de ontlaadstroom van de condensator vloeien als gevolg van de spanning op de condensator. Wanneer de condensator van de elektronenplaatplaat wordt ontladen (met hun overmaat), zal deze schakelen naar een andere (als er een tekort is) en zal doorgaan totdat de potentialen van de platen gelijk zijn, dat wil zeggen dat de spanning op de condensator nul wordt. De spanningsverandering tijdens de ontlading van de condensator wordt getoond in Fig. 2. De ontlaadstroom van de condensator is evenredig met de spanning over de condensator (i р = μ s / R), en de verandering in tijd is vergelijkbaar met de verandering in spanning.

Op het initiële moment van ontlading is de spanning over de condensator de hoogste (μs = E) en de ontlaadstroom is maximaal (I pmax = E / R), zodat de ontlading snel plaatsvindt. Bij een afname van de spanning neemt de ontlaadstroom af en wordt het proces van ladingsoverdracht van de ene plaat naar de andere vertraagd.

De tijd van het ontlaadproces van de condensator hangt af van de weerstand van het circuit en de capaciteit van de condensator, en de toename in zowel de weerstand als de capaciteit verhoogt de duur van de ontlading. Bij een toename in weerstand neemt de ontlaadstroom af, het proces van ladingsoverdracht van de ene naar de andere van de platen vertraagt; met toenemende capacitantie van de condensator verhoogt de lading op de platen.

Dus, in een circuit dat een condensator bevat, passeert de stroom alleen tijdens zijn lading en ontlading, dat wil zeggen wanneer de spanning op de platen een verandering in de tijd ondergaat. Wanneer de spanning constant is, gaat de stroom niet door de condensator, d.w.z. de condensator passeert geen gelijkstroom, aangezien een diëlektricum tussen zijn platen wordt geplaatst en als resultaat is de schakeling open.

Bij het opladen van een condensator kan deze laatste elektrische energie verzamelen en deze van een energiebron verbruiken. Opgebouwde energie wordt gedurende een bepaalde tijd opgeslagen. Wanneer een condensator wordt ontladen, gaat deze energie naar de ontladingsweerstand, waarbij deze wordt verwarmd, d.w.z. de elektrische veldenergie wordt omgezet in warmte. Hoe hoger de capaciteit van de condensator en de spanning op zijn platen, des te groter de opgeslagen energie. De elektrische veldenergie van een condensator wordt gedefinieerd door de volgende uitdrukking

W = CU 2/2.

Als een condensator met een capaciteit van 100 μF wordt geladen tot een spanning van 200 V, dan is de energie opgeslagen in het elektrische veld van de condensator W = 100 · 10 -6 · 200 2/2 = 2 J.

deksel

Lesgids voor laboratoriumwerk nummer 3.3

op discipline "Natuurkunde"

Vladivostok

titel

Ministerie van Onderwijs en Wetenschappen van de Russische Federatie

School of Natural Sciences

STUDIE VAN LADING EN ONTLADING VAN CAPACITEITEN. BEPALING VAN CAPACITEITSCAPACITEIT

Vladivostok

Verre Oosten Federale Universiteit

____________________________________________________________________________________________________________

Titel omzet

UDC 53 (o76.5)

Samengesteld door: O.V.Plotnikova

Studie van de processen van laden en ontladen van een condensator. Condensator Capaciteit Definitie:trainingshandleiding handleiding voor laboratoriumwerk nummer 3.3 over het onderwerp "Natuurkunde" / Verre Oosten Federale Universiteit, School voor Natuurwetenschappen [comp. O.V.Plotnikova]. - Vladivostok: Dal'nevost. Fed. Univ., 2013. - p.

De handleiding, opgesteld door de afdeling Algemene Fysica van de School of Natural Sciences van FEFU, bevat een kort theoretisch materiaal over het onderwerp "Elektrische capaciteit. Condensors "en instructies voor de uitvoering van laboratoriumwerk" De studie van de processen van laden en ontladen van een condensator. Bepaling van condensatorcapaciteit "in de discipline" Fysica ".

Voor bachelorstudenten FEFU.

UDC 53 (o76.5)

© FSAEI HPE "FEFU", 2013

Doel van het werk:experimentele validatie van wetten die de processen beschrijven van het laden en ontladen van een condensator, het bepalen van de tijdconstante van een elektrisch circuit, het bepalen van een onbekende condensatorcapaciteit.

Korte theorie

Elektrische capaciteit.

Geleiders zijn substanties die een grote hoeveelheid vrij geladen deeltjes bevatten. In metalen geleiders zijn dergelijke deeltjes vrije elektronen, in elektrolyten - positieve en negatieve ionen, in geïoniseerde gassen - ionen en elektronen.

Als we een geleider beschouwen, naast die er geen andere geleiders zijn, dan wordt hij solitair genoemd. De ervaring leert dat het potentieel van een solitaire geleider recht evenredig is met de lading erop. De verhouding tussen de lading die aan de geleider wordt doorgegeven en de potentiaal wordt de elektrische capaciteit van de geleider genoemd (of simpelweg de capaciteit):

De capaciteit wordt dus bepaald door de hoeveelheid lading die aan de geleider moet worden gerapporteerd om zijn potentieel met één te vergroten.

Capaciteit hangt af van de grootte en vorm van de geleider, van de diëlektrische constante van het medium, van de aanwezigheid van een aantal andere geleiders en is niet afhankelijk van de lading of van de potentiaal. Dus voor een solitaire geleidende bal met straal R is de capaciteit:

C = 4πεε 0 R. (omdat de potentiaal φ =

).

Hier is ε de diëlektrische constante van het medium, ε 0 is de elektrische constante.

De eenheid van capaciteit in het SI-systeem wordt Farada (F) genoemd. 1F = 1 .

Condensatoren.

Capaciteit heeft niet alleen individuele geleiders, maar ook systemen van geleiders. Een systeem bestaande uit twee geleiders gescheiden door een diëlektrische laag wordt een condensator genoemd. De geleiders worden in dit geval condensatorplaten genoemd. De ladingen op de platen hebben tegengestelde tekens, maar zijn van dezelfde grootte. Bijna het gehele veld van de condensator is geconcentreerd tussen de platen en.

De capaciteit van een condensator wordt de magnitude genoemd

C = , (1)

waar q de absolute waarde is van de lading van een van de platen, is U het potentiaalverschil (spanning) tussen de platen.

Afhankelijk van de vorm van de platen zijn de condensatoren vlak, bolvormig, cilindrisch.

Laten we de capaciteit van een platte condensator vinden, waarvan de platen een gebied S hebben, zich bevinden op een afstand d, en de ruimte tussen de platen is gevuld met een diëlektricum met een diëlektrische constante e.

Als de oppervlakladingsdichtheid op de platen σ (σ =) is, is de veldsterkte van de condensator (het veld wordt als uniform beschouwd) gelijk aan:

E = =

Het potentiaalverschil tussen de platen is gerelateerd aan de veldsterkte: E =   waar we U = Ed = krijgen =

Met behulp van formule (1) verkrijgen we de uitdrukking voor de capaciteit van een platte condensator:

C = (2)

Condensatoraansluiting.

Er worden twee hoofdtypen verbindingen gebruikt: serieel en parallel.

Met een parallelle verbinding (Figuur 1) is de totale batterijcapaciteit gelijk aan de som van de condensatoren van alle condensatoren:

Met totaal = С 1 + С 2 + С 3 + ... = ΣС i. (3)

Bij een seriële verbinding (Fig. 2) is de reciproque van de totale capaciteit gelijk aan de som van de reciproke van de condensatoren van alle condensatoren:

. (4)

Als n condensatoren in serie zijn geschakeld met dezelfde capaciteit C, dan is de totale capaciteit: C totaal. =

Fig. 1. Parallelle verbinding. Fig. 2. Sequentiële verbinding

Energiecondensator

Als het laden van een condensator langzaam is (quasi-stationair), kunnen we aannemen dat op elk moment de potentiaal van een van de condensatorplaten op alle punten hetzelfde is. Naarmate de lading toeneemt met dq, wordt er gewerkt.

waarbij u de momentane waarde van de spanning tussen de condensatorplaten aangeeft. Gezien dat

we krijgen:

. Als de capaciteit niet afhankelijk is van spanning, gaat dit werk door met het verhogen van de energie van de condensator. Door deze expressie te integreren, krijgen we:

,

waar W de condensator-energie is, is U de spanning tussen de platen van een geladen condensator.

Gebruikmakend van de relatie tussen lading, condensatorcapaciteit en spanning, kan men een uitdrukking voorstellen voor de energie van een geladen condensator in andere vormen:

. (5)

Quasistationaire stromingen. De processen van laden en ontladen van de condensator.

Bij het laden of ontladen van een condensator stroomt er een stroom in het condensatorcircuit. Als de stroomveranderingen zeer langzaam plaatsvinden, dat wil zeggen, gedurende de tijd dat er een elektrisch evenwicht in het circuit van de verandering van stromen en emf wordt ingesteld. zijn klein, dan kunnen de wetten van gelijkstroom worden gebruikt om hun ogenblikkelijke waarden te bepalen. Dergelijke langzaam variërende stromen worden quasi-stationair genoemd.

Aangezien de snelheid waarmee het elektrische evenwicht tot stand komt hoog is, dekt het proces van quasi-stationaire stromen ook processen af ​​die tamelijk snel zijn in de gebruikelijke zin: wisselstroom, veel elektrische oscillaties die worden gebruikt in radiotechniek. Quasi-stationair zijn de laad- of ontlaadstromen van de condensator.

Beschouw een elektrisch circuit waarvan de totale weerstand wordt aangegeven met R. Het circuit bevat een condensator met een capaciteit van C, verbonden met een stroombron met emf. ε (Fig. 3).

Fig. 3. De processen van laden en ontladen van de condensator.

Laadcondensator. Toepassen op contour ε RC1ε tweede Kirchhoff-regel, we krijgen:

,

waarbij I, U - actuele waarden van stroom en spanning op de condensator (de richting van de bypass van het circuit wordt aangegeven door de pijl).

Gezien dat

,

, je kunt de vergelijking naar één variabele brengen:

.

We introduceren een nieuwe variabele:

. Dan is de vergelijking geschreven:

.

Door de variabelen te verdelen en te integreren, krijgen we:

.

Om de constante te bepalen en de beginvoorwaarden te gebruiken:

t = 0, U = 0, u = - ε. Dan krijgen we: A = - ε. Terugkeren naar de variabele

, we krijgen uiteindelijk de uitdrukking voor de condensatorspanning:

. (6)

Na verloop van tijd neemt de spanning op de condensator toe, asymptotisch nadert de emf. bron (Fig. 4, I.).

Condensator ontlading.Voor de CR2C-contour volgens de tweede Kirchhoff-regel: RI = U. We gebruiken ook:

en

(stroom vloeit in de tegenovergestelde richting).

Gegeven een variabele U krijgen we:

. Integratie, we krijgen:

.

De integratieconstante B wordt bepaald aan de hand van de beginvoorwaarden: t = 0, U = ε. Dan krijgen we: B = ε.

Voor de spanning op de condensator, krijgen we eindelijk:

. (7)

Na verloop van tijd daalt de spanning en komt in de buurt van 0 (afb. 4, II).

Fig. 4. Diagrammen van laden (I) en ontladen (II) van een condensator.

Tijdsconstante. De aard van de processen van laden en ontladen van een condensator (het instellen van elektrisch evenwicht) is afhankelijk van de waarde van:

, (8)

die de dimensie van tijd heeft en de tijdconstante van het elektrische circuit wordt genoemd. De tijdconstante toont hoe lang na het begin van de ontlading van de condensator de spanning daalt met een factor van e (e = 2.71).

Methodetheorie

Laten we de uitdrukking (7) vertalen:

(bedenk dat RC = τ).

De plot van lnU versus t (lineaire afhankelijkheid) wordt uitgedrukt door een rechte lijn (figuur 5) die de y-as (lnU) kruist op een punt met coördinaten (0; lnε). De hoekcoëfficiënt K van deze grafiek bepaalt de tijdconstante van de schakeling:

, van waar

. (9)

Fig. 5. Afhankelijkheid van de natuurlijke logaritme van spanning op tijd tijdens de ontlading van een condensator

Formules gebruiken:

  en

, kan dat voor hetzelfde tijdsinterval krijgen

:

.

Vanaf hier:

. (10)

Experimentele opstelling

De installatie bestaat uit een hoofdeenheid - een meetmodule met aansluitingen voor extra elementen, een voedingsbron, een digitale multimeter en een set mini- modules met verschillende weerstands- en capaciteitswaarden.

Om het werk uit te voeren, wordt een elektrisch circuit geassembleerd in overeenstemming met het diagram op het bovenste paneel van de module. Een mini- module met een nominale waarde van 1 M is verbonden met de "R 1" -aansluitingen en een mini- module met een nominale waarde van 100 Ω is verbonden met de "R 2" -aansluitingen. De parameters van de onderzochte condensator die op de contactdozen "C" is aangesloten, worden door de docent ingesteld. Er is een jumper geïnstalleerd in de aansluiting van de ampèremeter. Een digitale multimeter is verbonden met de voltmeter-aansluiting in de voltmeter-modus.

Opgemerkt moet worden dat de weerstand van de ladings-ontladingsweerstanden (mini-modules) R en de digitale voltmeter R V een spanningsdeler vormen, hetgeen ertoe leidt dat de werkelijke maximale spanning op de condensator niet gelijk is aan E, maar

,

waarbij r 0 - de weerstand van de krachtbron. Overeenkomstige correcties moeten worden gemaakt bij het berekenen van de tijdconstante. Als de ingangsweerstand van een voltmeter (107 Q) de weerstand van de weerstanden echter beduidend overschrijdt en de bronweerstand klein is, dan kunnen deze correcties worden verwaarloosd.

De volgorde van werken

Tabel 1

Tabel 2

Tabel 3

Meetresultaten verwerken

Volgens de resultaten van metingen voeren de leerlingen een van de volgende taken uit (zoals de leraar heeft aangegeven).

Taak 1. Constructie van condensatorontladingscurven en experimentele bevestiging van de wet die dit proces beschrijft.

Gebruik de gegevens uit de tabellen 1 en 3 en maak grafieken van de spanning versus de tijd tijdens de ontlading van de condensatoren C1 en C2. Analyseer ze, vergelijk ze met de theoretische (figuur 4).

Bouw grafieken van ontlading van condensatoren C 1 en C 2 in de assen (lnU, t). Analyseer ze, vergelijk ze met de theoretische (figuur 5).

Bepaal uit de grafieken de hoekcoëfficiënten K 1 en K 2. De gemiddelde waarde van de hoekcoëfficiënt wordt gevonden als een verhouding die de tangens van de hoek van de rechte lijn bepaalt:

.

Willekeurige fouten kunnen grafisch worden geschat door de afwijking van experimentele punten ten opzichte van de rechte lijn. De relatieve fout van de hoekcoëfficiënt kan worden gevonden volgens de formule:

,

waarbij δ (lnU) de afwijking is (in de projectie op de as lnU) van de rechte lijn van het meest verwijderde experimentele punt,

- het interval waarmee de metingen worden verricht.

Taak 2. Bepaling van onbekende condensatorcapaciteit.

Gebruik de gegevens uit de tabellen 1 en 2 en maak grafieken van spanning versus tijd voor het ontladen van condensatoren С 1 en С x. Analyseer ze, vergelijk ze met de theoretische (figuur 4).

Bouw grafieken van ontlading van condensatoren C 1 en C x in de assen (lnU, t). Vergelijk ze en maak een conclusie over de verhouding van tijdconstanten (zie figuur 5).

Bepaal met de formule (10) een onbekende capaciteit, met behulp van de grafieken en gegevens van tabellen 1 en 2.

Zoek de relatieve fouten van de hoekcoëfficiënten ε К1 en ε кх (zie p.4 van taak 1).

Bepaal de relatieve en absolute foutcapaciteit:

,

.

Vergelijk de verkregen waarde С x met de waarde gemeten met een digitale multimeter in de modus van meetcapaciteit. Maak een conclusie.

Extra taak.

Bereken de energie van een geladen condensator met behulp van formule (5).

Test vragen

Wat is een condensator? Wat wordt condensatorcapaciteit genoemd?

Bewijs dat het elektrische veld van een platte condensator zich tussen zijn platen bevindt.

2. Hoeveel condensatoren met een capaciteit van 2 μF moeten worden gebruikt en hoe ze moeten worden aangesloten,

om een ​​totale capaciteit van 5 microfarads te krijgen?

Hoe kan ik de energie van een geladen condensator vinden?

Welke stromingen worden quasi-stationair genoemd? Waarom kunnen de laad- en ontlaadstromen van een condensator als quasi-stationair worden geclassificeerd?

Volgens welke wet verandert de spanning op de condensator in processen a) opladen en b) ontladen?

Wat laat de tijdconstante van het circuit zien? Waar hangt het van af?

Waarom bouwt dit werk een grafiek op van lnU versus t?

Hoe wordt in dit werk bepaald door de tijdconstante van het elektrische circuit?

Referenties

1.Trofimova T.I. Natuurkunde. / T.I. Trofimova. - M.: Higher School, 2006-2009, the year - 544s.

2 Saveliev I.V. Natuurkunde. In 3 volumes. Volume 2. Elektriciteit. Oscillaties en golven. Wave optiek. Ed. 3e, stereotype. / I.V. Saveliev - M.: Lan, 2007. - 480 p.

3. Grabovsky R. I. cursus fysica / R.I. Grabovsky - St. Petersburg: Lan uitgeverij, 2012. - 608с.

4 Zisman G. A., Todes O. M. Koers cursus algemene fysica. In 3 volumes. Volume 2. Elektriciteit en magnetisme / G.А. Zisman, O.M. Todes - St. Petersburg: "Lan", 2007. - 352c.

Titel van de trailer

Educatieve editie

Gecompileerd door:

PlotnikovOlga Vasilyevna

STUDIE VAN LADING EN ONTLADING VAN CAPACITEITEN. BEPALING VAN CAPACITEITSCAPACITEIT

Lesboek voor laboratoriumwerk nummer 3.3 over het onderwerp "Fysica"

Computer lay-out

Ondertekend om af te drukken

Formaat 60x84 / 16. Usl.pech.l. Uch.-izd.l.

Circulatie-exemplaren. order

Verre Oosten Federale Universiteit

Gedrukt bij de Afdeling Algemene Fysica van SHEN FEFU

690091, Vladivostok, ul. Sukhanova, 8

Condensator laden

Om de condensator op te laden, moet u deze in het DC-circuit opnemen. In Fig. 1 toont een condensatorladingscircuit. Condensator C is verbonden met de klemmen van de generator. Met de sleutel kunt u het circuit sluiten of openen. Overweeg in detail het proces van het laden van de condensator.

De generator heeft interne weerstand. Wanneer de sleutel gesloten is, wordt de condensator opgeladen tot een spanning tussen de platen gelijk aan e. d. a. generator: Uc = E. In dit geval ontvangt de plaat, verbonden met de positieve klem van de generator, een positieve lading (+ q), en ontvangt de tweede plaat een negatieve lading van gelijke grootte (-q). De grootte van de lading q is rechtevenredig met de capaciteit van de condensator C en de spanning op de platen: q = CUc

P is. 1

Om de condensatorplaten te laden, is het noodzakelijk dat één ervan wint, en de andere sommige elektronen verliest. De overdracht van elektronen van de ene plaat naar de andere wordt uitgevoerd op het externe circuit door de elektromotorische kracht van de generator, en het proces van het verplaatsen van ladingen langs het circuit is niets meer dan een elektrische stroom, genaamd capaciteitsstroom laden   Ik laad

De laadstroom in prijs stroomt meestal in duizendsten van een seconde totdat de spanning op de condensator een waarde bereikt die gelijk is aan e. d. a. generator. De grafiek van de spanningsstijging op de condensatorplaten tijdens het opladen wordt getoond in Fig. 2, en waaruit gezien kan worden dat de spanning Uc soepel toeneemt, eerst snel, en dan langzamer, totdat deze gelijk wordt aan e. d. a. generator E. Hierna blijft de spanning op de condensator ongewijzigd.

Fig. 2. Grafieken van spanning en stroom bij het opladen van een condensator

Terwijl de condensator wordt opgeladen, passeert de laadstroom het circuit. De laadstroomgrafiek wordt getoond in Fig. 2, b. Op het eerste moment heeft de laadstroom de hoogste waarde, omdat de spanning op de condensator nog steeds nul is en volgens de wet van Ohm io zar = E / Ri, omdat alle e. d. a. De generator wordt toegepast op de weerstand Ri.

Naarmate de condensator oplaadt, d.w.z. deze neemt intensief toe, neemt deze af voor de laadstroom. Wanneer de spanning al op de condensator is, zal de spanningsdaling op de weerstand gelijk zijn aan het verschil tussen e. d. a. generator en de spanning op de condensator, d.w.z. gelijk aan E - U c. Daarom is i zar = (E-Uc) / Ri

Dit toont aan dat bij toenemende Uc de i-lading afneemt en bij Uc = E de laadstroom gelijk wordt aan nul.

De duur van het opladen van een condensator hangt af van twee grootheid:

1) van de interne weerstand van de generator Ri,

2) van de condensatorcondensator C.

In Fig. 2 toont grafieken van elegante stromen voor een condensator met een capaciteit van 10 microfarads: curve 1 komt overeen met het proces van opladen vanuit de generator met e. d. a. E = 100 V en met interne weerstand Ri = 10 Ohm, komt kromme 2 overeen met het proces van laden vanuit de generator met dezelfde e. D. s, maar met minder interne weerstand: Ri = 5 Ohm.

Uit een vergelijking van deze curven kan worden afgeleid dat met een kleinere inwendige weerstand van de generator de kracht van de elegante stroom groter is op het eerste moment, en daarom is het laadproces sneller.

Fig. 2. Diagrammen laadstromen voor verschillende weerstanden

In Fig. 3 vergelijkt de grafieken van laadstromen bij het laden van dezelfde generator met e. d. a. Е = 100 V en interne weerstand Ri = 10 ohm van twee condensatoren met verschillende capacitantie: 10 microfarads (curve 1) en 20 microfarads (curve 2).

De waarde van de initiële laadstroom io zar = E / Ri = 100/10 = 10 A is hetzelfde voor beide condensatoren, maar omdat een grotere condensator meer elektriciteit verzamelt, duurt het opladen van de laadstroom langer en duurt het opladen langer.

Fig. 3. Diagrammen laadstroom op verschillende capaciteiten

Condensator ontlading

Ontkoppel de geladen condensator van de generator en bevestig de weerstand aan de platen.

Op de condensatorplaten is er een spanning U c, daarom stroomt in een gesloten elektrisch circuit een stroom, de ontladingscapacitieve stroom i bit genoemd.

De stroom vloeit van de positieve plaat van de condensator door de weerstand naar de negatieve plaat. Dit komt overeen met de overgang van overtollige elektronen van de negatieve naar de positieve, waar ze ontbreken. Het proces van frames van de serie vindt plaats totdat de potentialen van de twee platen gelijk zijn, dat wil zeggen, het potentiaalverschil tussen hen wordt nul: Uc = 0.

In Fig. 4, a toont een grafiek van de afname van de spanning op de condensator tijdens de ontlading van Uc o = 100 V naar nul, waarbij de spanning eerst snel afneemt en daarna langzamer.

In Fig. 4, b toont een grafiek van de ontlaadstroom. De sterkte van de ontlaadstroom hangt af van de grootte van de weerstand R en volgens de wet van Ohm i Bit = Uc / R

Fig. 4. Spannings- en stroomgrafieken voor condensatorontlading

Op het initiële moment, wanneer de spanning op de condensatorplaten het grootst is, is de ontlaadstroom ook het grootst, en met een afname in Uc gedurende het ontladingsproces neemt de ontlaadstroom af. Wanneer Uc = 0 stopt de ontlaadstroom.

De duur van de ontlading is afhankelijk van:

1) van condensator C

2) over de grootte van de weerstand R, waaraan de condensator is ontladen.

Hoe groter de weerstand R, hoe langzamer de ontlading zal plaatsvinden. Dit wordt verklaard door het feit dat, met een grote weerstand, het ontlaadstroomvermogen klein is en de lading op de condensatorplaten langzaam afneemt.

Dit kan worden weergegeven in de grafieken van de ontlaadstroom van dezelfde condensator, met een capaciteit van 10 microfarads en opgeladen tot een spanning van 100 V, met twee verschillende weerstandswaarden (figuur 5): curve 1 - bij R = 40 Ω, i op = Uc о / R = 100/40 = 2,5 A en curve 2 - bij 20 Ohm i of = 100/20 = 5 A.

Fig. 5. Grafieken van ontlaadstromen voor verschillende weerstanden

De ontlading is langzamer, ook wanneer de condensator groot is. Dit blijkt omdat met een grotere capaciteit er meer elektriciteit is op de condensatorplaten (meer lading) en een langere tijdsperiode nodig zal zijn om de lading af te voeren. Dit wordt duidelijk aangetoond door grafieken van ontlaadstromen voor twee condensatoren met een condensatorbreedte geladen tot dezelfde spanning van 100 V en ontladen voor weerstand R = 40 Ω (figuur 6: curve 1 voor een condensator met een capaciteit van 10 microfarads en curve 2 voor een condensator met een capaciteit van 20 ICF).

Fig. 6. Grafieken van ontlaadstromen voor verschillende capaciteiten

Uit de overwogen processen kan worden geconcludeerd dat in een circuit met een condensatorstroom alleen stroomt op de momenten van laden en ontladen, wanneer de spanning op de platen verandert.

Dit wordt verklaard door het feit dat wanneer de spanning verandert, de lading op de platen verandert, en dit vereist de beweging van ladingen langs de schakeling, d.w.z. een elektrische stroom moet door de schakeling gaan. Een geladen condensator staat geen gelijkstroom toe, omdat het diëlektricum tussen zijn platen het circuit opent.

Condensator energie

Tijdens het opladen laadt de condensator energie op en haalt deze uit de generator. Wanneer een condensator wordt ontladen, wordt alle energie van het elektrische veld omgezet in thermische energie, d.w.z. het gaat naar het verwarmen van de weerstand, waardoor de condensator wordt ontladen. Hoe groter de capaciteit van de condensator en de spanning op zijn platen, hoe groter de energie van het elektrische veld van de condensator. De hoeveelheid energie die een condensator heeft met een capaciteit C, geladen tot een spanning U, is gelijk aan: W = W c = C 2/2

Een voorbeeld. Condensator C = 10 μF geladen tot een spanning van U in = 500 V. Bepaal de energie die vrijkomt in de hitte bij de weerstand waardoor de condensator wordt ontladen.

De beslissing. Wanneer ontladen, gaat alle energie opgeslagen door de condensator in warmte. Daarom is W = W c = CU 2/2 = (10 x 10 -6 x 500) / 2 = 1,25 j.