Laden und Entladen des Kondensators

Kondensatorladung

Um den Kondensator aufzuladen, müssen Sie ihn an den Gleichstromkreis anschließen. In Abb. 1 zeigt die Kondensatorladeschaltung. Kondensator C ist an die Klemmen des Generators angeschlossen. Mit dem Schlüssel kann der Stromkreis geschlossen oder geöffnet werden. Schauen wir uns den Ladevorgang eines Kondensators genauer an.

Der Generator hat einen Innenwiderstand. Wenn der Schalter geschlossen ist, lädt sich der Kondensator auf eine Spannung zwischen den Platten auf, die e entspricht. usw. v. Generator: Uc = E. In diesem Fall erhält die mit dem Pluspol des Generators verbundene Platte eine positive Ladung (+q) und die zweite Platte erhält eine gleiche negative Ladung (-q). Die Größe der Ladung q ist direkt proportional zur Kapazität des Kondensators C und der Spannung an seinen Platten: q = CUc

Sport. 1… Kondensatorladekreis

Um die Kondensatorplatten aufzuladen, ist es notwendig, dass eine von ihnen eine bestimmte Menge an Elektronen aufnimmt und die andere abgibt.Die Übertragung von Elektronen von einer Platte zur anderen erfolgt entlang des externen Stromkreises durch die elektromotorische Kraft des Generators, und der Prozess der Ladungsbewegung entlang des Stromkreises ist nichts anderes als ein elektrischer Strom, der als kapazitiver Ladestrom einer Ladung bezeichnet wird

Der Wert des Ladestroms fließt normalerweise in Tausendstelsekunden, bis die Spannung am Kondensator einen Wert von e erreicht. usw. V. Generator. Das Diagramm des Spannungsanstiegs an den Platten des Kondensators während des Ladevorgangs ist in Abb. 1 dargestellt. 2, a, woraus ersichtlich ist, dass die Spannung Uc gleichmäßig ansteigt, zunächst schnell und dann immer langsamer, bis sie gleich e wird. usw. v. Generator E. Danach bleibt die Spannung am Kondensator unverändert.

Reis. 2. Spannungs- und Stromdiagramme beim Laden eines Kondensators

Beim Laden des Kondensators fließt ein Ladestrom durch den Stromkreis. Das Ladestromdiagramm ist in Abb. dargestellt. 2, geb. Im Anfangsmoment hat der Ladestrom den größten Wert, da die Spannung im Kondensator noch Null ist und nach dem Ohmschen Gesetz iotax = E /Ri ist, da alle e. usw. c Generator wird an den Widerstand Ri angelegt.

Wenn sich der Kondensator auflädt, also die Spannung an ihm erhöht, verringert sich der Ladestrom. Wenn am Kondensator bereits Spannung anliegt, ist der Spannungsabfall am Widerstand gleich der Differenz zwischen z. usw. v. Generator- und Kondensatorspannung, also gleich E — U s. Daher ist itax = (E-Us) / Ri

Daraus ist ersichtlich, dass mit steigendem Uc icharge ansteigt und bei Uc = E der Ladestrom Null wird.

Lesen Sie hier mehr über das Ohmsche Gesetz: Ohmsches Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises

Die Dauer des Kondensatorladevorgangs hängt von zwei Größen ab:

1) aus dem Innenwiderstand des Generators Ri,

2) aus der Kapazität des Kondensators C.

In Abb. In Abb. 2 zeigt die Diagramme der eleganten Ströme für einen Kondensator mit einer Kapazität von 10 Mikrofarad: Kurve 1 entspricht dem Ladevorgang von einem Generator mit z. usw. Bei E = 100 V und einem Innenwiderstand Ri= 10 Ohm entspricht Kurve 2 dem Ladevorgang von einem Generator mit gleichem e. pr. mit, aber mit geringerem Innenwiderstand: Ri = 5 Ohm.

Aus einem Vergleich dieser Kurven lässt sich erkennen, dass bei einem geringeren Innenwiderstand des Generators die Stärke des eleganten Stroms im Anfangsmoment größer ist und daher der Ladevorgang schneller abläuft.

Reis. 2. Diagramme der Ladeströme bei verschiedenen Widerständen

In Abb. 3 vergleicht die Diagramme der Ladeströme beim Laden vom gleichen Generator mit e. usw. mit E = 100 V und Innenwiderstand Ri= 10 Ohm von zwei Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten: 10 Mikrofarad (Kurve 1) und 20 Mikrofarad (Kurve 2).

Anfänglicher Ladestrom iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Beide Kondensatoren sind gleich, da ein Kondensator mit größerer Kapazität mehr Strom speichert, sollte sein Ladestrom länger dauern und der Ladevorgang dauert länger.

Reis. 3. Tabellen der Ladeströme bei unterschiedlichen Kapazitäten

Kondensatorentladung

Trennen Sie den geladenen Kondensator vom Generator und befestigen Sie einen Widerstand an seinen Platten.

An den Platten des Kondensators Us liegt eine Spannung an, daher fließt in einem geschlossenen Stromkreis ein Strom, der als kapazitiver Entladestrom ires bezeichnet wird.

Strom fließt von der positiven Platte des Kondensators durch den Widerstand zur negativen Platte. Dies entspricht dem Übergang überschüssiger Elektronen von der negativen zur positiven Platte, wo sie fehlen.Der Prozess der Reihenrahmen erfolgt so lange, bis die Potentiale der beiden Platten gleich sind, d. h. die Potentialdifferenz zwischen ihnen Null wird: Uc = 0.

In Abb. In Abb. 4a zeigt das Diagramm des Spannungsabfalls im Kondensator während der Entladung vom Wert Uco = 100 V auf Null, wobei die Spannung zunächst schnell und dann langsamer abnimmt.

In Abb. In Abb. 4, b zeigt das Diagramm der Änderungen des Entladestroms. Die Stärke des Entladestroms hängt vom Wert des Widerstands R ab und nach dem Ohmschen Gesetz ist ires = Uc/R

Reis. 4. Spannungs- und Stromdiagramme während der Kondensatorentladung

Im Anfangsmoment, wenn die Spannung an den Platten des Kondensators am größten ist, ist auch der Entladestrom am größten, und mit einer Abnahme von Uc während der Entladung nimmt auch der Entladestrom ab. Bei Uc = 0 stoppt der Entladestrom.

Die Dauer der Entsorgung ist abhängig von:

1) aus der Kapazität des Kondensators C

2) vom Wert des Widerstands R, auf den sich der Kondensator entlädt.

Je größer der Widerstand R, desto langsamer erfolgt die Entladung. Dies liegt daran, dass bei einem großen Widerstand die Stärke des Entladestroms gering ist und die Ladungsmenge auf den Platten des Kondensators langsam abnimmt.

Dies kann in den Diagrammen des Entladestroms desselben Kondensators mit einer Kapazität von 10 μF und geladen auf eine Spannung von 100 V bei zwei verschiedenen Widerstandswerten dargestellt werden (Abb. 5): Kurve 1 – bei R =40 Ohm, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A und Kurve 2 – bei 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

Reis. 5. Diagramme der Entladeströme bei verschiedenen Widerständen

Auch die Entladung erfolgt langsamer, wenn die Kapazität des Kondensators groß ist.Dies liegt daran, dass mit größerer Kapazität auf den Kondensatorplatten mehr Strom (mehr Ladung) vorhanden ist und es länger dauert, bis die Ladung abfließt. Dies wird durch die Diagramme der Entladeströme für zwei Kondensatoren gleicher Kapazität deutlich, die auf die gleiche Spannung von 100 V geladen und auf einen Widerstand R= 40 Ohm entladen werden (Abb. 6: Kurve 1 – für einen Kondensator mit einer Kapazität). von 10 Mikrofarad und Kurve 2 – für Kondensator mit einer Kapazität von 20 Mikrofarad).

Reis. 6. Diagramme der Entladeströme bei verschiedenen Leistungen

Aus den betrachteten Vorgängen lässt sich schließen, dass in einem Stromkreis mit einem Kondensator der Strom nur in den Momenten des Ladens und Entladens fließt, wenn sich die Spannung an den Platten ändert.

Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass sich bei einer Spannungsänderung die Ladungsmenge auf den Platten ändert und dies die Bewegung von Ladungen entlang des Stromkreises erfordert, d. h. ein elektrischer Strom muss durch den Stromkreis fließen. Ein geladener Kondensator lässt keinen Gleichstrom durch, da das Dielektrikum zwischen seinen Platten den Stromkreis öffnet.

Kondensatorenergie

Während des Ladevorgangs speichert der Kondensator Energie, indem er diese vom Generator erhält. Beim Entladen eines Kondensators wird die gesamte Energie des elektrischen Feldes in Wärmeenergie umgewandelt, das heißt, sie erwärmt den Widerstand, über den der Kondensator entladen wird. Je größer die Kapazität des Kondensators und die Spannung an seinen Platten ist, desto größer ist die Energie des elektrischen Feldes des Kondensators. Die Energiemenge, die ein auf eine Spannung U aufgeladener Kondensator mit der Kapazität C besitzt, ist gleich: W = Wc = CU2/2

Ein Beispiel. Kondensator C = 10 μF aufgeladen auf Spannung Uc = 500 V.Bestimmen Sie die Energie, die am Widerstand, über den der Kondensator entladen wird, in Form von Wärme freigesetzt wird.

Antworten. Beim Entladen wird die gesamte im Kondensator gespeicherte Energie in Wärme umgewandelt. Daher ist W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.