Procesy ładowania i rozładowania skraplacza

Podłączyć obwód składający się z nie naładowanego kondensatora o pojemności C i rezystora o rezystancji R do źródła zasilania o stałym napięciu U (rys. 16-4).

Ponieważ w momencie włączenia kondensator nie jest jeszcze naładowany, napięcie na nim, dlatego w obwodzie w początkowym momencie spadek napięcia na rezystancji R jest równy U i powstaje prąd, którego siła jest

Ryc. 16-4. Ładowanie kondensora.

Przepływowi prądu i towarzyszy stopniowe gromadzenie ładunku Q na kondensatorze, pojawia się na nim napięcie, a spadek napięcia na rezystancji R maleje:

jak wynika z drugiej ustawy Kirchhoffa. Dlatego obecna siła

szybkość kumulacji ładunku Q maleje wraz ze spadkiem prądu w obwodzie

Z biegiem czasu kondensator nadal się ładuje, ale ładunek Q i napięcie na nim rosną coraz wolniej (Rys. 16-5), a prąd w obwodzie stopniowo maleje proporcjonalnie do różnicy - napięcie

Ryc. 16-5. Wykres prądu i napięcia podczas ładowania kondensatora.

Po wystarczająco dużym odstępie czasu (teoretycznie nieskończenie duży) napięcie na kondensatorze osiąga wartość równą napięciu źródła zasilania, a prąd staje się zerowy - proces ładowania końców kondensatora.

Proces ładowania kondensatora jest dłuższy, tym większa jest rezystancja obwodu R, ograniczająca natężenie prądu i większa pojemność kondensatora C, ponieważ przy dużej pojemności musi się gromadzić większy ładunek. Szybkość procesu charakteryzuje się stałą czasową obwodu

im więcej, tym wolniejszy proces.

Stała czasowa obwodu ma wymiar czasu, ponieważ

Po upływie czasu od momentu włączenia obwodu napięcie na kondensatorze osiąga około 63% napięcia zasilania, a po pewnym czasie proces ładowania kondensatora można uznać za zakończony.

Napięcie kondensatora podczas ładowania

to znaczy, zmniejsza się zgodnie z prawem funkcji wykładniczej (ryc. 16-7).

Prąd rozładowania kondensatora

to znaczy, podobnie jak stres, zmniejsza się zgodnie z tym samym prawem (ryc. 6-7).

Cała energia zgromadzona podczas ładowania kondensatora w polu elektrycznym po rozładowaniu jest uwalniana jako ciepło w rezystancji R.

Pole elektryczne naładowanego kondensatora, odłączonego od źródła zasilania, nie może pozostać niezmienione przez długi czas, ponieważ dielektryk kondensatora i izolacja pomiędzy zaciskami mają pewną przewodność.

Wyładowanie kondensatora z powodu niedoskonałego dielektryka i izolacji nazywa się samorozładowaniem. Stała czasowa dla samorozładowania kondensatora nie zależy od kształtu płytek i odległości między nimi.

Procesy ładowania i rozładowania kondensatora nazywane są przejściami.

§ 6. Ładowanie i rozładowywanie kondensatora

Aby naładować kondensator, konieczne jest, aby wolne elektrony zostały przeniesione z jednej płyty na drugą. Przejście elektronów z jednej płyty kondensatora na drugą odbywa się pod działaniem źródła napięcia poprzez przewody łączące to źródło z płytami kondensatora.

W momencie włączenia kondensatora na jego płytach nie ma ładunków, a napięcie na nim wynosi zero μ с = 0. Dlatego prąd ładowania jest określany przez rezystancję wewnętrzną źródła r i ma największą wartość:

I C max = E / r in.

Przy nagromadzeniu ładunków na płytach kondensatora wzrasta napięcie na nim, a spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej źródła będzie równy różnicy między wartością źródła energii a napięciem na kondensatorze (E - μs). dlatego prąd ładowania

i ç = (Е- μ с) / r в.

Tak więc, wraz ze wzrostem napięcia na kondensatorze, prąd ładowania zmniejszy się i przy μ C = E staje się równy zeru. Proces zmiany napięcia na kondensatorze i prądu ładowania w czasie pokazano na rys. 1. Na samym początku ładowania napięcie na kondensatorze wzrasta gwałtownie, ponieważ prąd ładowania ma najwyższą wartość, a nagromadzenie ładunków na płytach kondensatora odbywa się intensywnie. Gdy napięcie na kondensatorze wzrasta, prąd ładowania zmniejsza się i akumulacja ładunku na płytach zwalnia. Czas ładowania kondensatora zależy od jego pojemności i rezystancji obwodu, którego wzrost prowadzi do wydłużenia czasu ładowania. Wraz ze wzrostem pojemności kondensatora wzrasta liczba ładunków zgromadzonych na jego płytach, a jeśli opór obwodu wzrasta, prąd ładowania zmniejsza się, co spowalnia akumulację ładunków na tych płytkach.

Jeżeli płyty naładowanego kondensatora są podłączone do dowolnej oporności R, wówczas prąd rozładowania kondensatora będzie płynął z powodu napięcia na kondensatorze. Kiedy kondensator płyty elektronowej zostanie rozładowany (z ich nadmiarem), przejdzie na inny (jeśli występuje niedobór) i będzie kontynuowany aż do wyrównania potencjałów płyt, to znaczy, że napięcie na kondensatorze osiągnie zero. Zmiana napięcia podczas rozładowania kondensatora pokazana jest na rys. 2. Prąd rozładowania kondensatora jest proporcjonalny do napięcia na kondensatorze (i đ = μs / R), a jego zmiana w czasie jest podobna do zmiany napięcia.

W początkowym momencie rozładowania napięcie na kondensatorze jest najwyższe (μs = E), a prąd rozładowania jest maksymalny (I pmax = E / R), dzięki czemu rozładowanie następuje szybko. Wraz ze spadkiem napięcia prąd rozładowujący maleje, a proces transferu ładunku z jednej płyty na drugą zostaje spowolniony.

Czas procesu rozładowania kondensatora zależy od rezystancji obwodu i pojemności kondensatora, a wzrost zarówno rezystancji jak i pojemności zwiększa czas trwania rozładowania. Wraz ze wzrostem rezystancji zmniejsza się prąd wyładowczy, proces transferu ładunku z jednej do drugiej płyt zwalnia; wraz ze wzrostem pojemności kondensatora zwiększa ładunek na płytach.

Tak więc, w obwodzie zawierającym kondensator, prąd przepływa tylko podczas jego ładowania i rozładowania, to znaczy, gdy napięcie na płytach ulega zmianie w czasie. Gdy napięcie jest stałe, prąd nie przechodzi przez kondensator, tj. Kondensator nie przepuszcza prądu stałego, ponieważ dielektryk jest umieszczony między jego płytami, w wyniku czego obwód jest otwarty.

Podczas ładowania kondensatora, ten ostatni może gromadzić energię elektryczną, pobierając ją ze źródła energii. Zgromadzona energia jest przechowywana przez pewien czas. Kiedy kondensator jest rozładowany, energia ta przenosi się do opornika rozładowczego, ogrzewając go, tj. Energia pola elektrycznego zamienia się w ciepło. Im wyższa pojemność kondensatora i napięcie na jego płytach, tym większa będzie energia na nim przechowywana. Energia pola elektrycznego kondensatora jest określona następującym wyrażeniem

W = CU 2/2.

Jeżeli kondensator o pojemności 100 μF zostanie naładowany do napięcia 200 V, wówczas energia zmagazynowana w polu elektrycznym kondensatora wynosi W = 100 · 10 -6 · 200 2/2 = 2 J.

Okładka

Poradnik dydaktyczny dotyczący pracy w laboratorium numer 3.3

o dyscyplinie "Fizyka"

Władywostok

Tytuł

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

Szkoła Nauk Przyrodniczych

STUDIUM ŁADOWANIA I ROZŁADOWANIA PODKŁADÓW. OZNACZANIE ZDOLNOŚCI CAPACITORA

Władywostok

Dalekowschodni Uniwersytet Federalny

____________________________________________________________________________________________________________

Obrót tytułem

UDC 53 (o 76,5)

Opracował: O.V.Plotnikova

Badanie procesów ładowania i rozładowywania kondensatora. Pojemność pojemności kondensatora:podręcznik szkoleniowy podręcznik do pracy laboratoryjnej numer 3.3 na temat "Fizyka" / Dalekowschodni Uniwersytet Federalny, Szkoła Przyrodnicza [komp. O.V.Plotnikova]. - Władywostok: Dal'nevost. federalny Univ., 2013. - str.

Podręcznik, przygotowany na Wydziale Fizyki Ogólnej w Szkole Nauk Przyrodniczych FEFU, zawiera krótki teoretyczny materiał na temat "Zdolności elektrycznej. Kondensatory "i instrukcje dotyczące wykonywania prac laboratoryjnych" Badanie procesów ładowania i rozładowania kondensatora. Określenie pojemności kondensatora "w dyscyplinie" Fizyka ".

Dla studentów studiów licencjackich FEFU.

UDC 53 (o 76,5)

© FSAEI HPE "FEFU", 2013

Cel pracy:eksperymentalne sprawdzanie praw opisujące procesy ładowania i rozładowywania kondensatora, określanie stałej czasowej obwodu elektrycznego, wyznaczanie nieznanej pojemności kondensatora.

Krótka teoria

Pojemność elektryczna.

Przewodniki to substancje zawierające dużą ilość wolnych cząstek naładowanych. W przewodach metalicznych takie cząstki są wolnymi elektronami, w elektrolitach - dodatnimi i ujemnymi jonami, w zjonizowanych gazach - jonami i elektronami.

Jeśli weźmiemy pod uwagę przewodnika, obok którego nie ma innych przewodników, wówczas nazywa się to samotnikiem. Doświadczenie pokazuje, że potencjał samotnego przewodnika jest wprost proporcjonalny do ładunku na nim. Stosunek ładunku przekazanego przewodnikowi do jego potencjału nazywany jest pojemnością elektryczną przewodu (lub po prostu pojemnością):

Tak więc pojemność jest określona przez ilość ładunku, którą należy zgłosić konduktorowi, aby zwiększyć jego potencjał o jeden.

Wydajność zależy od wielkości i kształtu przewodu, od stałej dielektrycznej medium, od obecności szeregu innych przewodników i nie zależy od ładunku ani od potencjału. Tak więc, dla pojedynczej, przewodzącej piłki o promieniu R, pojemność wynosi:

C = 4πεε 0 R. (od potencjału φ =

).

Tutaj ε jest stałą dielektryczną ośrodka, ε 0 jest stałą elektryczną.

Jednostka pojemności w układzie SI nosi nazwę Farada (F). 1F = 1 .

Kondensatory.

Pojemność ma nie tylko pojedyncze przewodniki, ale także układy przewodów. Układ składający się z dwóch przewodów rozdzielonych warstwą dielektryczną nazywany jest kondensatorem. Przewody w tym przypadku nazywane są płytkami kondensatora. Ładunki na płytach mają przeciwne znaki, ale mają taką samą wielkość. Prawie całe pole kondensatora jest skoncentrowane pomiędzy płytami i.

Zostaje wywołana pojemność kondensatora

C = , (1)

gdzie q jest wartością bezwzględną ładunku jednej z płytek, U jest różnicą potencjałów (napięcia) między płytami.

W zależności od kształtu płyt kondensatory są płaskie, kuliste, cylindryczne.

Zauważmy, że pojemność płaskiego kondensatora, którego płyty mają pole S, znajduje się w odległości d, a przestrzeń między płytami jest wypełniona dielektrykiem ze stałą dielektryczną ε.

Jeżeli gęstość ładunku powierzchniowego na płytkach wynosi σ (σ =), wówczas siła pola kondensatora (pole uważa się za jednolite) jest równa:

E = =

Różnica potencjałów między płytami jest związana z siłą pola: E =   gdzie otrzymamy U = Ed = =

Używając wzoru (1), uzyskujemy wyrażenie dla pojemności płaskiego kondensatora:

C = (2)

Połączenie kondensatora.

Stosowane są dwa główne rodzaje połączeń: szeregowe i równoległe.

Przy połączeniu równoległym (rysunek 1) całkowita pojemność baterii jest równa sumie kondensatorów wszystkich kondensatorów:

Razem = С 1 + С 2 + С 3 + ... = ΣСi. (3)

Przy połączeniu szeregowym (rys. 2) odwrotność całkowitej pojemności jest równa sumie odwrotności kondensatorów wszystkich kondensatorów:

. (4)

Jeżeli kondensatory n są połączone szeregowo o tej samej pojemności C, to całkowita pojemność: C ogółem. =

Ryc. 1. Połączenie równoległe. Ryc. 2. Połączenie sekwencyjne

Kondensator energii

Jeśli proces ładowania kondensatora jest powolny (quasi-stacjonarny), możemy przyjąć, że w każdym momencie potencjał dowolnej z płytek kondensatora jest taki sam we wszystkich punktach. Gdy ładunek wzrasta o dq, wykonywana jest praca.

gdzie u jest chwilową wartością napięcia między płytami kondensatora. Biorąc to pod uwagę

otrzymujemy:

. Jeżeli pojemność nie zależy od napięcia, praca ta polega na zwiększeniu energii kondensatora. Zintegrowanie tego wyrażenia daje:

,

gdzie W jest energią kondensatora, U jest napięciem między płytkami naładowanego kondensatora.

Wykorzystując zależność pomiędzy ładunkiem, pojemnością kondensatora i napięciem, można sobie wyobrazić wyrażenie dla energii naładowanego kondensatora w innych postaciach:

. (5)

Prądy quasistacyjne. Procesy ładowania i rozładowywania kondensatora.

Podczas ładowania lub rozładowywania kondensatora prąd płynie w obwodzie kondensatora. Jeśli obecne zmiany następują bardzo wolno, to znaczy w czasie ustalania równowagi elektrycznej w obwodzie zmiany prądów i emf. są małe, wtedy prawa prądu stałego można wykorzystać do określenia ich chwilowych wartości. Takie wolno zmieniające się prądy nazywane są quasi-stacjonarnymi.

Ponieważ tempo ustanawiania równowagi elektrycznej jest wysokie, proces prądów quasi-stacjonarnych obejmuje również procesy, które są dość szybkie w zwykłym znaczeniu: prąd przemienny, wiele oscylacji elektrycznych stosowanych w inżynierii radiowej. Quasi-stacjonarne są prądy ładowania lub rozładowania kondensatora.

Rozważmy obwód elektryczny, którego całkowity opór jest oznaczony przez R. Obwód zawiera kondensator o pojemności C, podłączony do źródła zasilania z emf. ε (ryc. 3).

Ryc. 3. Procesy ładowania i rozładowywania kondensatora.

Kondensator ładowania. Zastosowanie do konturu ε RC1ε druga reguła Kirchhoffa, otrzymujemy:

,

gdzie I, U - chwilowe wartości prądu i napięcia na kondensatorze (kierunek obwodu obejścia jest wskazywany przez strzałkę).

Biorąc to pod uwagę

,

, możesz przynieść równanie do jednej zmiennej:

.

Wprowadzamy nową zmienną:

. Następnie równanie jest napisane:

.

Dzieląc zmienne i integrując, otrzymujemy:

.

Aby określić stałą I użyć warunków początkowych:

t = 0, U = 0, u = - ε. Otrzymujemy: A = - ε. Wracając do zmiennej

, w końcu uzyskujemy wyrażenie dla napięcia kondensatora:

. (6)

Z biegiem czasu napięcie na kondensatorze wzrasta, asymptotycznie zbliżając się do emf. źródło (ryc. 4, I.).

Zrzut kondensatora.Dla konturu CR2C zgodnie z drugą regułą Kirchhoffa: RI = U. Używamy również:

i

(prąd płynie w przeciwnym kierunku).

Biorąc pod uwagę zmienną U, otrzymujemy:

. Integracja, otrzymujemy:

.

Stała całkowania B jest określana na podstawie warunków początkowych: t = 0, U = ε. Otrzymujemy: B = ε.

Dla napięcia na kondensatorze, w końcu dostajemy:

. (7)

Z biegiem czasu napięcie spada, zbliżając się do 0 (rys. 4, II).

Ryc. 4. Wykresy ładowania (I) i rozładowania (II) kondensatora.

Stała czasowa. Charakter procesów ładowania i rozładowania kondensatora (ustalenie równowagi elektrycznej) zależy od wartości:

, (8)

który ma wymiar czasu i jest nazywany stałą czasową obwodu elektrycznego. Stała czasowa pokazuje, jak długo po rozpoczęciu rozładowania kondensatora napięcie maleje o współczynnik e (e = 2,71).

Teoria metod

Przetłumaczmy wyrażenie (7):

(rozważmy, że RC = τ).

Wykres lnU versus t (zależność liniowa) wyrażony jest linią prostą (rys. 5) przecinającą oś y (lnU) w punkcie o współrzędnych (0; lnε). Współczynnik kątowy K tego wykresu określi stałą czasową obwodu:

, skąd

. (9)

Ryc. 5. Zależność naturalnego logarytmu napięcia w czasie podczas rozładowania kondensatora

Używanie formuł:

  i

, można uzyskać to w tym samym przedziale czasowym

:

.

Od tego miejsca:

. (10)

Konfiguracja eksperymentalna

Instalacja składa się z jednostki głównej - modułu pomiarowego, który ma końcówki do podłączenia dodatkowych elementów, źródła zasilania, multimetru cyfrowego oraz zestawu mini modułów o różnych wartościach rezystancji i pojemności.

Aby wykonać pracę, obwód elektryczny jest montowany zgodnie ze schematem pokazanym na górnym panelu modułu. Miniaturowy moduł o wartości nominalnej 1M jest podłączony do gniazd "R 1", a mini-moduł o wartości nominalnej 100 Ω jest podłączony do gniazd "R 2". Parametry badanego kondensatora podłączonego do gniazd "C" ustala nauczyciel. Zworka jest zainstalowana w gnieździe amperomierza. Multimetr cyfrowy jest podłączony do gniazda woltomierza w trybie woltomierza.

Należy zauważyć, że rezystancja rezystorów ładowania-rozładowania (mini-modułów) R i cyfrowy woltomierz RV tworzą dzielnik napięcia, co prowadzi do faktu, że rzeczywiste maksymalne napięcie na kondensatorze nie jest równe ε, ale

,

gdzie r 0 - rezystancja źródła zasilania. Przy obliczaniu stałej czasowej należy wprowadzić korekty. Jeśli jednak rezystancja wejściowa woltomierza (10 7 Ω) znacznie przewyższa rezystancję rezystorów, a rezystancja źródła jest niewielka, wówczas można pominąć te poprawki.

Kolejność pracy

Tabela 1

Tabela 2

Tabela 3

Przetwarzanie wyników pomiarów

Zgodnie z wynikami pomiarów uczniowie wykonują jedno z następujących zadań (zgodnie z instrukcją nauczyciela).

Zadanie 1. Budowa krzywych rozładowania kondensatora i eksperymentalne potwierdzenie prawa opisującego ten proces.

Korzystając z danych z tabel 1 i 3, skonstruuj wykresy napięcia w funkcji czasu podczas rozładowania kondensatorów C 1 i C 2. Przeanalizuj je, porównaj z teoretycznymi (ryc. 4).

Sporządzić wykresy rozładowania kondensatorów C 1 i C 2 w osiach (lnU, t). Przeanalizuj je, porównaj z teoretycznymi (ryc. 5).

Wyznacz z wykresów współczynniki kątowe K 1 i K 2. Średnią wartość współczynnika kątowego określa się jako stosunek określający styczną kąta prostej:

.

Błędy losowe można oszacować graficznie przez odchylenie punktów eksperymentalnych względem linii prostej. Błąd względny współczynnika kątowego można znaleźć według wzoru:

,

gdzie δ (lnU) jest odchyleniem (w rzucie na oś lnU) od prostej najbardziej odległego punktu doświadczalnego,

- przedział, w którym dokonywane są pomiary.

Zadanie 2. Określenie nieznanej pojemności kondensatora.

Korzystając z danych z tabel 1 i 2, skonstruuj wykresy napięcia w funkcji czasu dla kondensatorów rozładowujących С 1 i С x. Przeanalizuj je, porównaj z teoretycznymi (ryc. 4).

Sporządzić wykresy rozładowania kondensatorów C 1 i C x w osiach (lnU, t). Porównaj je i wyciągnij wnioski na temat stosunku stałych czasowych (patrz ryc. 5).

Określić za pomocą wzoru (10) nieznaną pojemność, korzystając z wykresów i danych z tabel 1 i 2.

Znajdź względne błędy kątowych współczynników ε К1 i ε кх (patrz p. 4 zadania 1).

Określ względną i bezwzględną pojemność błędu:

,

.

Porównaj uzyskaną wartość С x z wartością zmierzoną za pomocą multimetru cyfrowego w trybie pomiaru pojemności. Podsumuj.

Dodatkowe zadanie.

Oblicz energię naładowanego kondensatora za pomocą wzoru (5).

Pytania testowe

Co to jest kondensator? Jak nazywa się pojemność kondensatora?

Wykazać, że pole elektryczne płaskiego kondensatora jest skoncentrowane między jego płytami.

2. Ile kondensatorów o pojemności 2 μF należy pobrać i jak je podłączyć,

uzyskać łączną pojemność 5 mikrofaradów?

Jak mogę znaleźć energię naładowanego kondensatora?

Jakie prądy nazywane są quasi-stacjonarnymi? Dlaczego prądy ładowania i rozładowania kondensatora można zaklasyfikować jako quasi-stacjonarne?

Według jakiego prawa napięcie na kondensatorze zmienia się w procesach a) ładowania i b) rozładowania?

Co pokazuje stała czasowa obwodu? Od czego to zależy?

Dlaczego ta praca tworzy wykres LnU versus t?

Jak w tej pracy jest określona stała czasowa obwodu elektrycznego?

LITERATURA

1.Trofimova T.I. Kurs fizyki. / T.I. Trofimova. - M .: Szkoła wyższa, 2006-2009, rok - 544.

2 Saveliev I.V. Kurs fizyki. W 3 tomach. Tom 2. Energia elektryczna. Oscylacje i fale. Optyka falowa. Ed. 3., stereotyp. / I.V. Saveliev - M.: Lan, 2007. - 480 str.

3. Grabovsky R. I. Kurs fizyki / R.I. Grabovsky - St. Petersburg: Lan publishing, 2012. - 608с.

4 Zisman G. A., Todes O. M. Kurs z fizyki ogólnej. W 3 tomach. Tom 2. Elektryczność i magnetyzm / G.А. Zisman, O.M. Todes - St. Petersburg: "Lan", 2007. - 352c.

Tytuł przyczepy

Edycja edukacyjna

Opracowane przez:

PlotnikovaOlga Vasilyevna

STUDIUM ŁADOWANIA I ROZŁADOWANIA PODKŁADÓW. OZNACZANIE ZDOLNOŚCI CAPACITORA

Podręcznik dydaktyczny do pracy laboratoryjnej numer 3.3 na temat "Fizyka"

Układ komputera

Podpisano, aby wydrukować

Formatuj 60x84 / 16. Usl. Uch.-iz.d.

Kopie w obiegu. Zamówienie

Dalekowschodni Uniwersytet Federalny

Wydrukowano na Wydziale Fizyki Ogólnej SHEN FEFU

690091, Władywostok, ul. Sukhanova, 8

Napełnienie kondensatora

Aby naładować kondensator, należy go włączyć do obwodu prądu stałego. Na rys. 1 przedstawia obwód ładowania kondensatora. Kondensator C jest podłączony do zacisków generatora. Za pomocą klucza można zamknąć lub otworzyć obwód. Rozważ szczegółowo proces ładowania kondensatora.

Generator ma rezystancję wewnętrzną. Gdy klucz jest zamknięty, kondensator jest ładowany do napięcia między płytami równego e. d. generator: Uc = E. W tym przypadku płyta, podłączona do dodatniego zacisku generatora, odbiera ładunek dodatni (+ q), a druga płyta otrzymuje ładunek ujemny równy wielkości (-q). Wielkość ładunku q jest wprost proporcjonalna do pojemności kondensatora C i napięcia na jego płytach: q = CUc

P jest. 1

Aby naładować płytki kondensatora, konieczne jest, aby jeden z nich zyskał, a drugi stracił trochę elektronów. Przenoszenie elektronów z jednej płytki na drugą odbywa się na obwodzie zewnętrznym przez siłę elektromotoryczną generatora, a proces przesuwania ładunków wzdłuż obwodu jest niczym innym jak prądem elektrycznym, zwanym ładowanie prądu pojemnościowego  Ładuję

Prąd ładowania w cenie zwykle płynie w tysięcznych częściach sekundy, aż napięcie na kondensatorze osiągnie wartość równą e. d. generator Wykres wzrostu napięcia na płytach kondensatora podczas jego ładowania pokazano na rys. 2, i od którego widać, że napięcie Uc płynnie wzrasta, najpierw szybko, a następnie wolniej, aż staje się równe e. d. generator E. Po tym napięcie na kondensatorze pozostaje niezmienione.

Ryc. 2. Wykresy napięcia i prądu podczas ładowania kondensatora

Podczas ładowania kondensatora prąd ładowania przepływa przez obwód. Wykres prądu ładowania pokazano na rys. 2, b. W chwili początkowej prąd ładowania ma najwyższą wartość, ponieważ napięcie na kondensatorze nadal wynosi zero i zgodnie z prawem Ohma, io zar = E / Ri, ponieważ wszystkie e. d. Generator jest stosowany do rezystancji Ri.

W miarę ładowania się kondensatora, to znaczy intensywnego jego zwiększania, zmniejsza się on dla prądu ładowania. Gdy napięcie jest już na kondensatorze, spadek napięcia na rezystancji będzie równy różnicy między e. d. generator i napięcie na kondensatorze, tj. równe E - U c. Dlatego i zar = (E-Uc) / Ri

Pokazuje to, że wraz ze wzrostem Uc, ładunek i zmniejsza się, a przy Uc = E prąd ładowania staje się równy zeru.

Czas trwania ładowania kondensatora zależy od dwóch wielkości:

1) z wewnętrznej rezystancji generatora Ri,

2) z kondensatora kondensatora C.

Na rys. 2 pokazuje wykresy eleganckich prądów dla kondensatora o pojemności 10 mikrofaradów: krzywa 1 odpowiada procesowi ładowania z generatora za pomocą e. d. E = 100 V i rezystancja wewnętrzna Ri = 10 Ohm, krzywa 2 odpowiada procesowi ładowania z generatora o tym samym e. D. s, ale z mniejszą rezystancją wewnętrzną: Ri = 5 Ohm.

Z porównania tych krzywych można zauważyć, że przy mniejszym wewnętrznym oporze generatora moc eleganckiego prądu jest większa w początkowej chwili, a zatem proces ładowania jest szybszy.

Ryc. 2. Wykresy prądów ładowania dla różnych rezystancji

Na rys. 3 porównuje wykresy prądów ładowania przy ładowaniu z tego samego generatora za pomocą e. d. Е = 100 V i rezystancja wewnętrzna Ri = 10 omów dwóch kondensatorów o różnej pojemności: 10 mikrofaradów (krzywa 1) i 20 mikrofaradów (krzywa 2).

Wartość początkowego prądu ładowania io zar = E / Ri = 100/10 = 10 A jest taka sama dla obu kondensatorów, ale ponieważ większy kondensator gromadzi więcej energii elektrycznej, jego prąd ładowania powinien trwać dłużej, a proces ładowania będzie dłuższy.

Ryc. 3. Wykresy prądu ładowania o różnych pojemnościach

Zrzut kondensatora

Odłącz naładowany kondensator od generatora i przytwierdź opór do jego płytek.

Na płytach kondensatora znajduje się napięcie Uc, dlatego w zamkniętym obwodzie elektrycznym przepływa prąd, nazywany prądem pojemnościowym prądu rozładowania.

Prąd płynie z dodatniej płyty kondensatora przez rezystancję do płyty ujemnej. Odpowiada to przejściu nadmiaru elektronów z płytki ujemnej do pozytywnej, gdzie ich brakuje. Proces ramek serii odbywa się do momentu, w którym potencjały dwóch płytek są równe, to znaczy różnica potencjałów między nimi staje się równa zero: Uc = 0.

Na rys. 4, a przedstawia wykres spadku napięcia na kondensatorze podczas wyładowania z Uc o = 100 V do zera, przy czym napięcie zmniejsza się najpierw szybko, a następnie wolniej.

Na rys. 4, b pokazuje wykres prądu rozładowania. Wytrzymałość prądu rozładowania zależy od wielkości rezystancji R i zgodnie z prawem Ohma i Bit = Uc / R

Ryc. 4. Wykresy napięcia i prądu dla rozładowania kondensatora

W chwili początkowej, gdy napięcie na płytach kondensatora jest największe, prąd wyładowczy jest również największy, a wraz ze spadkiem Uc podczas procesu rozładowania, prąd rozładowania maleje. Gdy Uc = 0, prąd rozładowania zatrzymuje się.

Czas trwania rozładowania zależy od:

1) z kondensatora C

2) o wielkości rezystancji R, do której kondensator jest rozładowany.

Im większa rezystancja R, tym wolniejsze będzie rozładowanie. Wyjaśnia to fakt, że przy dużej rezystancji moc prądu rozładowania jest niewielka, a ładunek na płytach kondensatora zmniejsza się powoli.

Można to przedstawić na wykresie prądu rozładowania tego samego kondensatora, mającego pojemność 10 mikrofaradów i naładowanego do napięcia 100 V, z dwiema różnymi wartościami rezystancji (rys. 5): krzywa 1 - przy R = 40 Ω, i op = Uc о / R = 100/40 = 2,5 A i krzywa 2 - przy 20 Ohm i lub = 100/20 = 5 A.

Ryc. 5. Wykresy prądów rozładowania dla różnych rezystancji

Wyładowanie jest wolniejsze, gdy kondensator jest duży. Okazuje się, że przy większej pojemności jest większa ilość energii elektrycznej na płytach kondensatora (więcej opłaty) i dłuższy czas będzie wymagany, aby ładunek spłynął. Wyraźnie pokazują to wykresy prądów rozładowania dla dwóch kondensatorów o szerokości kondensatora naładowanych do tego samego napięcia 100 V i rozładowanych dla rezystancji R = 40 Ω (rys. 6: krzywa 1 dla kondensatora o pojemności 10 μf i krzywa 2 dla kondensatora o pojemności 20 Ω) uf).

Ryc. 6. Wykresy prądów rozładowania dla różnych wydajności

Z rozważanych procesów można wywnioskować, że w obwodzie z prądem kondensatora płynie tylko w momentach ładowania i rozładowania, gdy zmienia się napięcie na płytkach.

Wyjaśnia to fakt, że gdy zmienia się napięcie, ładunek na płytkach zmienia się, a to wymaga przemieszczania ładunków wzdłuż obwodu, to znaczy prąd elektryczny musi przejść przez obwód. Obciążony kondensator nie dopuszcza prądu stałego, ponieważ dielektryk między jego płytami otwiera obwód.

Energia kondensatora

W procesie ładowania kondensator gromadzi energię, pobierając ją z generatora. Gdy kondensator jest rozładowany, cała energia pola elektrycznego jest przekształcana w energię cieplną, to znaczy idzie do ogrzewania rezystancji, przez którą kondensator jest rozładowywany. Im większa pojemność kondensatora i napięcie na jego płytach, tym większa będzie energia pola elektrycznego kondensatora. Ilość energii, jaką kondensator ma pojemność C, naładowana do napięcia U, jest równa: W = W c = C 2/2

Przykład. Kondensator C = 10 μF ładowany do napięcia U w = 500 V. Wyznacz energię, która będzie uwalniana w cieple przy rezystancji, przez którą kondensator jest rozładowywany.

Decyzja. Po rozładowaniu cała energia zmagazynowana przez kondensator przechodzi w ciepło. Dlatego W = W c = CU 2/2 = (10 x 10 -6 x 500) / 2 = 1,25 j.