7.6. Kondensatory
7.6.3. Zmiana mocy elektrycznej kondensator i kondensator
Pojemność kondensatora można zmienić, zwiększając lub zmniejszając odległość między jego płytkami, zastępując dielektryk w przestrzeni między nimi itp. W tym przypadku czynnikiem decydującym jest to, czy kondensator jest odłączony, czy podłączony do źródła napięcia.
Baterie litowo-jonowe zasilają prawie wszystkie nowoczesne urządzenia mobilne. Chociaż zazwyczaj nie są niebezpieczne, przechowują dużą ilość energii, co może doprowadzić do poważnych obrażeń, jeśli zostaną nagle uwolnione. Nigdy nie przekłuwaj baterii. Nie naciskaj baterii za pomocą śrubokrętów lub innych ostrych narzędzi. Uszkodzona bateria może szybko się nagrzać, zapalić, a nawet gwałtownie wybuchnąć.
Nie zginaj ani nie odkształcaj baterii zbyt mocno. Jednak nadmierne zginanie może spowodować pęknięcie ogniwa i pożar. Zachowaj ostrożność i staraj się minimalizować deformacje. Jeśli zauważysz, że bateria pali się lub pęcznieje do dużego rozmiaru, przestań pracować i wycofaj się.
Jeśli kondensator (lub bateria kondensatorów):
U = const;
Q = const.
Aparaty cyfrowe są zasilane przez kondensatory, które mogą spowodować silny wstrząs elektryczny. Mogą wyglądać niewinnie, ale nawet małe aparaty fotograficzne zawierają kondensatory wypełnione ścianą. Pamiętaj, aby wyjąć baterię przed otwarciem aparatu lub próbą rozładowania kondensatora. Po otwarciu komory unikaj dotykania wewnętrznych elementów, dopóki nie będziesz pewny, że kondensator jest bezpiecznie rozładowany. Kondensator przechowuje ładunek naładowany z akumulatora kamery. . Przed demontażem lub serwisowaniem sprężarki powietrza.
Po połączeniu ze sobą z tych samych tabliczek z nazwami dwa naładowane kondensatory mają miejsce połączenie równoległe.
U = Q łącznie C ogółem
gdzie Q to całkowity ładunek baterii kondensatora; C ogółem - pojemność elektryczna baterii;
C ogółem = C 1 + C 2,
gdzie C 1 - pojemność elektryczna pierwszego kondensatora; C 2 oznacza pojemność elektryczną drugiego kondensatora;
Nigdy nie uruchamiaj sprężarki powietrza, gdy elementy są pod ciśnieniem.
Unikaj smarów o niskiej temperaturze zapłonu, które mogą się zapalić podczas pracy i spowodować pożar lub wybuch. W niektórych przypadkach może to pomóc w rozładowaniu kondensatorów, które w przeciwnym razie mogłyby zaoszczędzić ładunek. Przed przystąpieniem do pracy przy wewnętrznych komponentach zasilacza można bezpiecznie uziemić lub rozładować wszystkie duże kondensatory.
Q ogółem = Q 1 + Q 2,
Po połączeniu ze sobą przeciwległe pokrywy dwa naładowane kondensatory mają miejsce (jak w przypadku połączenia podobnych płytek) z ich połączenie równoległe.
Parametry takiego banku kondensatorów są obliczane w następujący sposób:
U = Q łącznie C ogółem
Kondensator: co to jest, co robi, jak to działa. Chociaż wiele ich pomysłów było błędnych, byli bardzo blisko tego, co zamierzali zrobić. Współczesny kondensator jest dziś dostępny w tysiącach różnych rozmiarów, kształtów i kolorów. Jest to niezbędne do eksploatacji wszystkiego, od samochodu rodzinnego po pociski kierowane; ale robi to samo i działa na tej samej zasadzie, co jego daleki przodek, odkryty w laboratorium Uniwersytetu w Lejdzie ponad dwa wieki temu.
Opłata za magazynowanie - czym jest kondensator? Ogromna błyskawica spada na ziemię z głośnym grzmotem. To jest możliwe. Najbardziej dramatyczna demonstracja wydajności w pracy. Pocisk kierowany przenika niebo w kolumnę płomienia. Bez kondensatorów wykonujących setki różnych zadań w jego systemach sterowania, monitorowania i strzelania, nigdy nie opuści Ziemi.
gdzie Q to całkowity ładunek baterii kondensatora; C ogółem - pojemność baterii;
C ogółem = C 1 + C 2,
gdzie C 1 - pojemność elektryczna pierwszego kondensatora; C 2 - pojemność elektryczna drugiego kondensatora;
Q ogółem = | Q 1 - Q 2 |,
gdzie Q 1 to ładunek początkowy pierwszego kondensatora, Q 1 = C 1 U 1; U 1 - napięcie (różnica potencjałów) między płytami pierwszego kondensatora a złączem; Q 2 - początkowy ładunek drugiego kondensatora, Q 2 = C 2 U 2; U 2 - napięcie (różnica potencjałów) między płytami drugiego kondensatora a złączem.
Twoje włókno radiowe i telewizyjne jest wyposażone w kondensatory używane na dziesiątki różnych sposobów. Ani twoja elektryczna lodówka, ani twój samochód nie zacznie działać bez skraplaczy; twoje świetlówki pozostaną ciemne. Kondensatory wysyłają lampy błyskowe fotografów, pomagają skutecznie dostarczać energię elektryczną do domu, automatycznie uruchamiają fontanny i otwierają drzwi w miarę zbliżania się do nich.
Co to za dziwne zjawisko pojemnościowe, które nas otacza po obu stronach? Odpowiedź brzmi prawie zbyt łatwo. Kondensator to urządzenie, które można przechowywać ładunek elektryczny. Z powodu tego pozornie skromnego osiągnięcia, może on wykonać niesamowitą różnorodność zadań i jest jednym z naszych najważniejszych elektrycznych i elektronicznych pracowników.
Przykład 17. Dwa kondensatory o tej samej pojemności elektrycznej są ładowane odpowiednio do różnicy potencjałów wynoszącej 120 i 240 V, a następnie są połączone podobnymi płytami. Jaka będzie różnica potencjałów między płytkami kondensatorów po określonym połączeniu?
Decyzja. Przed podłączeniem płyt kondensatorów o tej samej nazwie każdy z nich miał opłatę:
Operacja pojemnościowa - jak działa kondensator? Czy kiedykolwiek chodziłeś po dywanie w chłodnym, suchym dniu i czułeś iskrę skacząc z palców do klamki, kiedy dotarłeś do drzwi? Czy to wiesz, czy nie, twoje ciało było częścią naładowanego kondensatora; ściany pokoju - w tym drzwi i klamka - stanowiły kolejną część. Stworzyłeś ładunek elektryczny, przechodząc przez dywan. Tarcie między twoimi butami a matą nadało Twojemu ciału nadmiar elektronów, z których każdy pomógł stworzyć wyższy i wyższy ładunek ujemny.
Podłączając podobne płytki, uzyskujemy równoległe połączenie kondensatorów. Różnica potencjałów między płytami banku kondensatorów jest określona wzorem
U = Q łącznie C ogółem
Całkowity ładunek baterii dwóch kondensatorów, uzyskany przez połączenie ich podobnych płyt, jest określony przez sumę ładunków każdego z nich:
Jednocześnie ładunek dodatni dokładnie takiej samej siły nagromadził się na ścianach. Kiedy zbliżyłeś się do drzwi, skraplacz został rozładowany. Nadmiar elektronów w twoim ciele przeszedł przez przestrzeń pomiędzy twoimi palcami a klamką, aby zneutralizować ładunek.
Kondensator utworzony przez twoje ciało i pokój znacznie różni się od tych używanych w radiu, ale działa w ten sam sposób. Kondensator radiowy zwykle składa się z dwóch lub więcej metalowych płyt, które są równoległe do siebie, ale nie stykają się ze sobą. Ładują bez wycierania ich na dywan, ale podłączając je do baterii za pomocą przełącznika, jak pokazano na schemacie po prawej stronie.
Q ogółem = Q 1 + Q 2,
U = Q całkowita C całkowita = Q 1 + Q 2 2 C = C U 1 + C U 2 2 C = U 1 + U 2 2.
Oblicz:
U = 120 + 240 2 = 180 V.
Różnica potencjałów między płytkami kondensatorów po określonym połączeniu będzie wynosić 180 V.
Przykład 18. Dwa identyczne płaskie kondensatory są ładowane do różnicy potencjałów wynoszącej 200 i 300 V. Określ różnicę potencjałów między płytkami kondensatorów po połączeniu ich przeciwległych płytek.
Kiedy przełącznik jest otwarty, płyty nie są ładowane. Kiedy przełącznik jest zamknięty, dodatnia końcówka baterii zaczyna przyciągać wolne elektrony z płytki połączonej z nią, podczas gdy końcówka ujemna zaczyna wymuszać połączenie dużej liczby nadmiarowych elektronów z płytką. elektrony gromadzą się na płytce, dlatego bateria staje się coraz trudniejsza, aby działała bardziej na nią. Tak więc jedna płytka pobiera ładunek ujemny, a druga ładunek dodatni.
Decyzja. Przed podłączeniem przeciwległych płyt kondensatorów, każdy z nich miał opłatę:
Q 1 = C 1 U 1 = CU 1,
gdzie C 1 to pojemność elektryczna pierwszego kondensatora, C 1 = C; U 1 - różnica potencjałów między płytami pierwszego kondensatora;
Q 2 = C 2 U 2 = CU 2,
gdzie C 2 jest pojemnością elektryczną drugiego kondensatora, C 2 = C; U 2 - różnica potencjałów między płytami drugiego kondensatora.
Wkrótce bateria poruszyła wszystkie elektrony. Przepływ zatrzymuje się; kondensator jest w pełni naładowany. Jeśli był odłączony, a napięcie na jego powierzchni mierzone przy użyciu licznika o bardzo wysokiej impedancji, odpowiadałoby to napięciu akumulatora. Kondensator faktycznie magazynuje energię w dielektryku, to jest w materiale izolacyjnym pomiędzy metalowymi płytami. Dielektryk może być powietrzem lub innym izolatorem.
Praktyczne kondensatory są produkowane z dziesiątkami różnych typów dielektryków. Ta teoretyczna reprezentacja pokazuje sposób przechowywania ładunku. W nie naładowanym kondensatorze liczba wolnych elektronów w obu płytach jest taka sama. Elektrony w molekułach dielektrycznych można zobaczyć wokół ich jąder.
Przy łączeniu przeciwległych płyt uzyskujemy równoległe połączenie kondensatorów. Różnica potencjałów między płytami banku kondensatorów jest określona wzorem
U = Q łącznie C ogółem
gdzie Q suma to całkowite naładowanie baterii; C ogółem - całkowita pojemność elektryczna akumulatora.
Całkowity ładunek baterii dwóch kondensatorów, uzyskany przez połączenie ich przeciwległych płytek, jest określony przez moduł różnicy ładunków każdego z nich:
Podczas korzystania z ładowania obraz zmienia się. Wszystkie wolne elektrony znajdują się teraz na ujemnej płytce. Ponieważ jest to podstawowe prawo elektryczności, która, podobnie jak ładunki, odpycha się nawzajem i, w odróżnieniu od ładunków, przyciąga, elektrony orbitalne w dielektryku są odpychane przez negatywną płytkę i przyciągane przez pozytyw. Poruszają się jak najdalej do dodatniej płyty, która ciągnie cząstki dielektryczne w kształt. Te zdeformowane cząsteczki są jak naprężone sprężyny: próbują powrócić do normalnej formy.
Q ogółem = | Q 1 - Q 2 |,
a całkowita pojemność elektryczna baterii dwa identyczne kondensatorypołączone równolegle, -
C ogółem = C 1 + C 2 = 2C.
Dlatego różnica potencjałów między płytami akumulatora jest określona przez wyrażenie
U = Q całkowita C całkowita = | Q 1 - Q 2 | 2 C = | C U 1 - C U 2 | 2 C = | U 1 - U 2 | 2
Oblicz:
U = | 200 - 300 | 2 = 50 V.
Podczas gdy napięcie ładowania nie jest stosowane, nie mogą nic zrobić. Jeśli jednak między dwiema płytami zostanie przewodzona ścieżka przewodząca, cząsteczki dielektryczne zostaną ściśnięte, wypychając nadmiar elektronów z płytki ujemnej i wyładowując kondensator.
Zdolność do zapamiętania napięcia kondensatora nazywana jest kapacytacją. Czasami można usłyszeć, jak nazywa się pojemność, ale pojemność jest poprawna gramatycznie. Jakie jest praktyczne zastosowanie - zdolność kondensatora do przechowywania ładunku? Fotografowie używają go na jeden z najprostszych i najbardziej oczywistych sposobów. W jednym typie lampy błyskowej ładują kondensator, a następnie podłączają żarową lampę przez naładowane płyty. Wszystkie elektrony przechowywane po stronie ujemnej, spróbuj natychmiast spieszyć się z dodatnią płytką przez lampę błyskową.
Różnica potencjałów między płytkami kondensatorów po określonym połączeniu będzie wynosić 50 V.
Przykład 19. Płaski skraplacz powietrza Zasilany do 180 V i odłączony od źródła napięcia. Nienaładowana metalowa płyta jest umieszczana w przestrzeni między jej płytami, równolegle do nich, której grubość jest 3 razy mniejsza niż odległość między płytami. Biorąc pod uwagę, że blacha jest umieszczona symetrycznie względem płyt kondensatora, należy określić różnicę potencjałów, która zostanie ustalona między nimi.
Ten wzrost prądu wyzwala lampę. Dlaczego nie podłączyć akumulatora bezpośrednio do lampy? Można to zrobić, jeśli użyto wystarczająco dużej baterii. Tak duża bateria może dostarczyć wystarczającą ilość prądu, aby wyzwolić błysk. Ale można wykonać znacznie lżejszą, bardziej kompaktową jednostkę o wadze zaledwie kilku uncji, aby wykonać tę samą pracę za pomocą kondensatora.
Można użyć baterii zdolnej do uwolnienia tylko niewielkiej ilości prądu - znacznie mniej niż jest to wymagane do wyłączenia lampy. Z upływem czasu struga gromadzi potężny ładunek przez skraplacz, tak jak niewielki strumień wody może ostatecznie wypełnić duży zbiornik. Gdy kondensator jest w pełni naładowany, może dostarczać impuls prądowy, nawet mocniejszy niż ciężka bateria, a zatem wyzwalanie błysku jest łatwe.
Decyzja. Podczas wkładania metalowej płyty płaski kondensator jak pokazano na rysunku, wolne elektrony w metalu są redystrybuowane:
W wyniku redystrybucji ładunku płyta pozostaje neutralna:
Wiele już powiedziano na temat "pozytywnych" i "negatywnych" oskarżeń. Ale czy kiedykolwiek przestałeś myśleć, dlaczego jeden biegun baterii nazywa się dodatnim, a drugi ujemnym? Ale może powinniśmy zacząć od początku. Pierwotny błąd popełnił stary Ben Franklin. Nikt nie wiedział dokładnie, w którym kierunku płyną prądy. Nazwał jeden biegun dodatni, drugi ujemny, oparty na argumencie, że prąd pochodzi z bieguna dodatniego, który wizualizował jako mający nadmiar prądu, na biegun ujemny, który miał wadę.
Q = q 1 + q 2 = -q + q = 0.
Redystrybucja ładunku w metalowej płytce prowadzi do powstania baterii dwóch kondensatorów:
C 1 = ε 0 S d 1,
Miał pięćdziesiąt pięć szans na odgadnięcie, ale szczęście było przeciwko niemu. Wiele lat później okazało się, że prąd rzeczywiście płynie w innym kierunku. Do tego czasu została ustalona pozytywna i negatywna terminologia i zdecydowano, że nie będzie żadnych zmian.
Niezależnie od tego, czy etykiety są poprawne, czy nie, polaryzacja jest ważnym czynnikiem w wielu obwodach kondensatorów. Na przykład kondensatory elektrolitycznestosowane w zasilaczach zostaną zniszczone, jeśli zostaną podłączone do niewłaściwej biegunowości.
gdzie ε 0 jest stałą elektryczną, ε0 = 8,85 ⋅ 10 -12 Cl 2 / (H ⋅ m 2); S to pole powierzchni kondensatora; d 1 jest odległością między dodatnio naładowaną płytką kondensatora a ujemnie naładowaną płaszczyzną metalowej płyty;
C 2 = ε 0 S d 2,
gdzie d 2 jest odległością pomiędzy ujemnie naładowaną płytą kondensatora a dodatnio naładowaną płaszczyzną metalowej płyty.
Oba kondensatory mają taki sam ładunek i tworzą połączenie szeregowe. Pojemność elektryczna baterii dwóch kondensatorów w połączenie szeregowe określony przez formułę
1 C ogółem = 1 C 1 + 1 C 2 lub C ogółem = C 1 C 2 C 1 + C 2.
Przy symetrycznym ułożeniu płytki w przestrzeni między płytami kondensatora (d 1 = d 2 = d), pojemności elektryczne kondensatorów są takie same:
C 1 = C 2 = ε 0 S d,
całkowita pojemność elektryczna akumulatora jest podana przez
C ogółem = C 1 C 2 C 1 + C 2 = C 2 = ε 0 S 2 d,
gdzie d = (d 0 - a) / 2; d 0 - odległość między płytkami kondensatora przed wprowadzeniem płytki; a to grubość metalowej płyty.
Potencjalna różnica między płytami baterii
U = Q całkowita C ogółem = 2 d q ε 0 S = q (d 0 - a) ε 0 S,
gdzie Q suma jest ładunkiem baterii połączonych szeregowo kondensatorów, Q suma = q.
Początkowa różnica potencjałów jest określona przez formułę
U 0 = Q 0 C 0 = Q 0 d 0 ε 0 S,
gdzie Q 0 jest ładunkiem kondensatora przed wprowadzeniem płytki, Q 0 = q (kondensator jest odłączony od źródła napięcia); C 0 oznacza pojemność elektryczną kondensatora przed wprowadzeniem płytki.
Stosunek różnicy potencjału przed i po wprowadzeniu płytki metalowej jest określony przez wyrażenie
U U 0 = d 0 - a d 0.
Stąd możemy znaleźć pożądaną różnicę potencjałów.
U = U 0 d 0 - a d 0.
Biorąc pod uwagę d 0 = 3a, wyrażenie przyjmuje postać:
U = U 0 3 a - a 3 a = 2 3 U 0.
Oblicz:
U = 2 3 ⋅ 180 = 120 V.
W wyniku wprowadzenia metalowej płytki do kondensatora, różnica potencjałów między jego płytami spadła i wyniosła 120 V.
Przykład 20. Skraplacz z płaskim powietrzem naładowany do 240 V i odłączony od źródła napięcia. Jest on pionowo zanurzony w jakiejś cieczy ze stałą dielektryczną wynoszącą 2,00 na jedną trzecią objętości. Znajdź różnicę potencjałów między płytami kondensatora.
Decyzja. Kiedy płaski kondensator powietrza jest częściowo zanurzony w ciekłym dielektryku, jak pokazano na rysunku, wolne elektrony na jego płytach są redystrybuowane w taki sposób, że:
W wyniku redystrybucji ładunku na obszarze płyt kondensatora na jego płytkach nalicza się opłatę:
Q ogółem = q 1 + q 2.
Obszar płyt kondensatora podczas jego częściowego zanurzenia w ciekłym dielektryku jest podzielony na dwie części:
C 1 = ε 0 ε S 1 d,
gdzie ε 0 jest stałą elektryczną, ε0 = 8,85 10 -12 Cl 2 / (H ⋅ m 2); ε - stała dielektryczna kondensator; d jest odległością pomiędzy płytkami kondensatora;
C 2 = ε 0 S 2 d.
Oba kondensatory mają tę samą różnicę potencjałów między płytami i tworzą połączenie równoległe. Pojemność elektryczna baterii dwóch kondensatorów w połączenie równoległe określony przez formułę
C ogółem = C 1 + C 2 = ε 0 ε S 1 d + ε 0 S 2 d = ε 0 d (ε S 1 + S 2),
a ładowanie na pokrywach baterii jest
Q suma = C całkowita U = ε 0 d (ε S 1 + S 2) U,
gdzie U jest różnicą potencjałów między płytami akumulatora.
Pojemność kondensatora zanurzającego go w dielektryku określa się za pomocą wyrażenia
C 0 = ε 0 S 0 d,
a ładunek na jego talerzach jest
Q 0 = C 0 U 0 = ε 0 S 0 d U 0,
gdzie U 0 - różnica potencjałów między płytkami kondensatora przed wprowadzeniem płytki; S 0 - pole powierzchni.
Kondensator jest odłączony od źródła napięcia, więc jego ładunek po częściowym zanurzeniu w dielektryku nie ulega zmianie:
Q 0 = Q ogółem
lub, wprost,
ε 0 S 0 d U 0 = ε 0 d (ε S 1 + S 2) U.
Po uproszczeniu mamy:
S 0 U 0 = (εS 1 + S 2) U.
Wynika z tego, że pożądana różnica potencjałów jest określona przez wyrażenie
U = U 0 S 0 ε S 1 + S 2.
Biorąc pod uwagę fakt, że część płytek kondensatora jest zanurzona w dielektryku, tj.
S 1 = ηS 0, S 2 = S 0 - S 1 = S 0 - η S 0 = S 0 (1 - η), η = 1 3,
U = U 0 S 0 ε η S 0 + S 0 (1 - η) = U 0 ε η + 1 - η.
Stąd możemy znaleźć pożądaną różnicę potencjałów:
U = 240 2,00 ⋅ 1 3 + 1 - 1 3 = 180 V.
