Wechselstromkondensator

Lassen Sie uns die Schaltung zusammenbauen Kondensator, wobei der Generator eine sinusförmige Spannung erzeugt. Lassen Sie uns nacheinander analysieren, was im Stromkreis passiert, wenn wir den Schalter schließen. Wir betrachten den ersten Moment, in dem die Generatorspannung gleich Null ist.

Während des ersten Viertels des Zeitraums steigt die Spannung an den Generatorklemmen beginnend bei Null an und der Kondensator beginnt sich aufzuladen. Im Stromkreis entsteht jedoch im ersten Moment des Ladens des Kondensators ein Strom, obwohl die Spannung an seinen Platten gerade erst aufgetreten ist und noch sehr klein ist, wird der Strom im Stromkreis (Ladestrom) am größten sein . Wenn die Ladung des Kondensators zunimmt, nimmt der Strom im Stromkreis ab und erreicht Null, sobald der Kondensator vollständig geladen ist. In diesem Fall wird die Spannung an den Platten des Kondensators, die streng der Spannung des Generators folgt, in diesem Moment maximal, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, dh sie ist auf die Spannung des Generators gerichtet.

Reis. 1. Änderung von Strom und Spannung in einem Stromkreis mit Kapazität

Auf diese Weise strömt der Strom mit der größten Kraft kostenlos in einen Kondensator, beginnt jedoch sofort abzunehmen, wenn die Platten des Kondensators mit Ladungen gefüllt sind, und fällt auf Null, wodurch er vollständig aufgeladen wird.

Vergleichen wir dieses Phänomen mit dem Wasserfluss in einem Rohr, das zwei kommunizierende Gefäße verbindet (Abb. 2), von denen eines voll und das andere leer ist. Man muss lediglich auf das Ventil drücken, das den Wasserweg blockiert, da strömt das Wasser sofort unter großem Druck aus dem linken Gefäß durch das Rohr in das leere rechte Gefäß. Ab sofort wird der Wasserdruck in der Leitung jedoch durch den Pegelausgleich in den Gefäßen allmählich schwächer und sinkt auf Null. Der Wasserfluss stoppt.

Reis. 2. Die Änderung des Wasserdrucks in der Verbindungsleitung zwischen den Kommunikationsgefäßen ähnelt der Stromänderung im Stromkreis während des Ladens des Kondensators

In ähnlicher Weise fließt der Strom zunächst in einen ungeladenen Kondensator und wird dann beim Laden allmählich schwächer.

Zu Beginn des zweiten Viertels der Periode, wenn die Generatorspannung zunächst langsam anläuft und dann immer schneller abnimmt, entlädt sich der geladene Kondensator zum Generator, wodurch ein Entladestrom im Stromkreis entsteht. Mit abnehmender Generatorspannung entlädt sich der Kondensator immer mehr und der Entladestrom im Stromkreis steigt. Die Richtung des Entladestroms in diesem Viertel der Periode ist entgegengesetzt zur Richtung des Ladestroms im ersten Viertel der Periode. Dementsprechend liegt die aktuelle Kurve, die den Nullwert überschritten hat, nun unterhalb der Zeitachse.

Am Ende der ersten Halbwelle gehen die Generatorspannung sowie die Kondensatorspannung schnell gegen Null und der Kreisstrom erreicht langsam seinen Maximalwert. Da der Wert des Stroms im Stromkreis umso größer ist, je größer der Wert der im Stromkreis transportierten Ladung ist, wird klar, warum der Strom sein Maximum erreicht, wenn die Spannung an den Platten des Kondensators und damit die Ladung ansteigt Kondensator, nimmt schnell ab.

Mit Beginn des dritten Viertels der Periode beginnt sich der Kondensator wieder aufzuladen, aber die Polarität seiner Platten sowie die Polarität des Generators ändern sich und umgekehrt, und der Strom fließt weiterhin in derselben Richtung, beginnt mit der Aufladung des Kondensators abzunehmen. Am Ende des dritten Viertels der Periode, wenn die Generator- und Kondensatorspannungen ihr Maximum erreichen, geht der Strom auf Null.

Während des letzten Viertels der Periode fällt die abnehmende Spannung auf Null und der Strom erreicht, nachdem er seine Richtung im Stromkreis geändert hat, seinen Maximalwert. Hier endet der Zeitraum, danach beginnt der nächste, der den vorherigen genau wiederholt und so weiter.

Unter Einwirkung der Wechselspannung des Generators wird der Kondensator also während der Periode zweimal geladen (erstes und drittes Viertel der Periode) und zweimal entladen (zweites und viertes Viertel der Periode). Aber da wechseln sie sich nacheinander ab Kondensator lädt und entlädt jedes Mal begleitet vom Durchgang des Lade- und Entladestroms durch den Stromkreis, dann können wir daraus schließen Wechselstrom.

Dies können Sie im folgenden einfachen Experiment überprüfen. Schließen Sie einen 4-6 Mikrofarad-Kondensator über eine 25-W-Glühbirne an das Stromnetz an.Das Licht geht an und erlischt erst, wenn der Stromkreis unterbrochen ist. Dies deutet darauf hin, dass ein Wechselstrom durch den Stromkreis mit der Kapazität geflossen ist. Natürlich durchläuft er nicht das Dielektrikum des Kondensators, sondern stellt zu jedem Zeitpunkt entweder einen Ladestrom oder einen Entladestrom des Kondensators dar.

Wie wir wissen, wird das Dielektrikum unter der Einwirkung eines darin entstehenden elektrischen Feldes beim Laden des Kondensators polarisiert und verschwindet beim Entladen des Kondensators.

In diesem Fall dient das Dielektrikum mit dem darin entstehenden Verschiebungsstrom für den Wechselstrom als eine Art Fortsetzung des Stromkreises, für den Konstantstrom unterbricht es den Stromkreis. Der Verschiebungsstrom entsteht jedoch nur innerhalb des Dielektrikums des Kondensators und daher findet keine Ladungsübertragung entlang des Stromkreises statt.

Der Widerstand, den ein Wechselstromkondensator bietet, hängt vom Wert der Kapazität des Kondensators und der Frequenz des Stroms ab.

Je größer die Kapazität des Kondensators ist, desto größer ist die Ladung im Stromkreis beim Laden und Entladen des Kondensators und desto größer ist dementsprechend der Strom im Stromkreis. Ein Anstieg des Stroms im Stromkreis zeigt an, dass sein Widerstand abgenommen hat.

Daher nimmt mit zunehmender Kapazität der Widerstand des Stromkreises gegenüber Wechselstrom ab.

Es wächst aktuelle Frequenz erhöht die im Stromkreis transportierte Ladungsmenge, da das Laden (und Entladen) des Kondensators schneller erfolgen muss als bei niedriger Frequenz. Gleichzeitig ist eine Erhöhung der pro Zeiteinheit übertragenen Ladungsmenge gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Stroms im Stromkreis und damit einer Verringerung seines Widerstands.

Wenn wir die Frequenz des Wechselstroms irgendwie allmählich verringern und den Strom auf Gleichstrom reduzieren, erhöht sich der Widerstand des im Stromkreis enthaltenen Kondensators allmählich und wird unendlich groß (Unterbrechung des Stromkreises), bis er erscheint Konstantstromkreis.

Daher nimmt mit zunehmender Frequenz der Widerstand des Kondensators gegenüber Wechselstrom ab.

So wie der Widerstand einer Spule gegenüber einem Wechselstrom als induktiv bezeichnet wird, wird der Widerstand eines Kondensators als kapazitiv bezeichnet.

Daher ist der kapazitive Widerstand umso größer, je geringer die Kapazität des Stromkreises und die Frequenz des Stroms ist, der ihn speist.

Der kapazitive Widerstand wird als Xc bezeichnet und in Ohm gemessen.

Die Abhängigkeit des kapazitiven Widerstands von der Frequenz des Stroms und der Kapazität des Stromkreises wird durch die Formel Xc = 1 /ωC bestimmt, wobei ω eine Kreisfrequenz gleich dem Produkt von 2πe ist, C die Kapazität des Stromkreises in Farad.

Der kapazitive Widerstand ist wie der induktive Widerstand reaktiver Natur, da der Kondensator nicht die Energie der Stromquelle verbraucht.

Formel Ohm'sches Gesetz für einen kapazitiven Stromkreis hat es die Form I = U / Xc, wobei I und U die Effektivwerte von Strom und Spannung sind; Xc ist der kapazitive Widerstand des Stromkreises.

Die Eigenschaft von Kondensatoren, niederfrequenten Strömen einen hohen Widerstand zu bieten und hochfrequente Ströme problemlos durchzulassen, wird häufig in Schaltkreisen von Kommunikationsgeräten genutzt.

Mit Hilfe von Kondensatoren wird beispielsweise die Trennung von Konstantströmen und niederfrequenten Strömen von hochfrequenten Strömen, die für den Betrieb der Schaltkreise notwendig sind, erreicht.

Wenn es erforderlich ist, den Weg des niederfrequenten Stroms im hochfrequenten Teil des Stromkreises zu blockieren, wird ein kleiner Kondensator in Reihe geschaltet. Es bietet einen hohen Widerstand gegen niederfrequenten Strom und lässt gleichzeitig hochfrequenten Strom problemlos durch.

Wenn Hochfrequenzströme beispielsweise im Stromkreis eines Radiosenders verhindert werden müssen, wird ein Kondensator mit großer Kapazität verwendet, der parallel zur Stromquelle geschaltet ist. In diesem Fall fließt der Hochfrequenzstrom durch den Kondensator und umgeht den Stromversorgungskreis des Radiosenders.

Aktiver Widerstand und Kondensator im Wechselstromkreis

In der Praxis werden häufig Fälle beobachtet, bei denen es sich um eine Reihenschaltung mit einer Kapazität handelt Aktiver Widerstand ist enthalten. Der Gesamtwiderstand des Stromkreises wird in diesem Fall durch die Formel bestimmt

Daher ist der Gesamtwiderstand eines Stromkreises bestehend aus aktivem und kapazitivem Wechselstromwiderstand gleich der Quadratwurzel der Summe der Quadrate des aktiven und kapazitiven Widerstands dieses Stromkreises.

Auch für diese I = U / Z-Schaltung bleibt das Ohmsche Gesetz gültig.

In Abb. In Abb. 3 zeigt die Kurven, die die Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung in einem Stromkreis mit kapazitivem und aktivem Widerstand charakterisieren.

Reis. 3. Strom, Spannung und Leistung in einem Stromkreis mit einem Kondensator und einem aktiven Widerstand

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, erhöht der Strom in diesem Fall die Spannung nicht um eine Viertelperiode, sondern um weniger, da der aktive Widerstand die rein kapazitive (reaktive) Natur des Stromkreises verletzt, was durch die reduzierte Phase belegt wird Schicht. Nun ist die Spannung an den Stromkreisanschlüssen als die Summe zweier Komponenten definiert: Die Blindkomponente der Spannung überwindet den kapazitiven Widerstand des Stromkreises und die Wirkkomponente der Spannung überwindet ihren Wirkwiderstand.

Je größer der Wirkwiderstand des Stromkreises ist, desto geringer ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.

Die Kurve der Leistungsänderung im Stromkreis (siehe Abb. 3) erhielt während der Periode zweimal ein negatives Vorzeichen, was, wie wir bereits wissen, eine Folge der reaktiven Natur des Stromkreises ist. Je weniger reaktiv der Stromkreis ist, desto kleiner ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und desto mehr Stromquellenleistung verbraucht der Stromkreis.

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