Princip činnosti

Kondenzátor v obvodu střídavého nebo stejnosměrného proudu, který se často jednoduše nazývá kondenzátor, se skládá z dvojice desek pokrytých vrstvou izolace. Pokud je tomuto zařízení přiváděn proud, nabije se a nějakou dobu si jej udrží. Jeho kapacita do značné míry závisí na mezeře mezi deskami.

Princip činnosti

Popis stejnosměrného kondenzátoru

Kondenzátor může být vyroben různými způsoby, ale podstata práce a její hlavní prvky zůstávají v každém případě nezměněny. Abychom pochopili princip fungování, je nutné zvážit jeho nejjednodušší model.

Nejjednodušší zařízení má dvě desky: jedna z nich je nabitá kladně, druhá naopak záporně. Tyto poplatky, i když jsou opačné, jsou stejné. Jsou přitahovány určitou silou, která závisí na vzdálenosti. Čím blíže jsou desky k sobě, tím větší je síla přitažlivosti mezi nimi. Díky této přitažlivosti se nabité zařízení nevybíjí.

Stačí však mezi obě desky položit jakýsi vodič a zařízení se okamžitě vybije. Všechny elektrony ze záporně nabité desky okamžitě přejdou na kladně nabitou desku, v důsledku čehož se náboj vyrovná. Jinými slovy, k odstranění náboje z kondenzátoru je nutné uzavřít pouze dvě jeho desky.

Popis stejnosměrného kondenzátoru

Elektrické obvody jsou dvojího druhu − trvalý nebo proměnné. Vše závisí na tom, jak v nich proudí elektrický proud. Zařízení v těchto obvodech se chovají odlišně.

Chcete-li zvážit, jak se bude kondenzátor chovat ve stejnosměrném obvodu, musíte:

  1. Vezměte stejnosměrný zdroj a určete hodnotu napětí. Například „12 voltů“.
  2. Nainstalujte žárovku dimenzovanou na stejné napětí.
  3. Nainstalujte do sítě kondenzátor.

Vlastnosti zařízení se střídavým proudem

Nebude to mít žádný účinek: žárovka se nerozsvítí, ale pokud vyjmete kondenzátor z obvodu, světlo se objeví. Pokud je zařízení připojeno na střídavou síť, jednoduše se nezavře, a tudíž tudy nebude moci procházet žádný elektrický proud. Trvalý – není schopen projít sítí, ve které je zapojen kondenzátor. Je to všechno kvůli deskám tohoto zařízení, nebo spíše dielektriku, které tyto desky odděluje.

Existují další způsoby, jak zajistit, aby ve stejnosměrné síti nebylo žádné napětí. Do sítě můžete připojit cokoli, hlavní je, že v obvodu je zařazen zdroj konstantního elektrického proudu. Prvkem, který bude signalizovat nepřítomnost napětí v síti nebo naopak jeho přítomnost, může být i jakýkoli elektrický spotřebič. Pro tyto účely je nejlepší použít žárovku: bude svítit, pokud dojde k elektrickému proudu, a nebude hořet, pokud nebude síťové napětí.

READ
Jaký je jiný název pro geotextilie?

Kondenzátor ve střídavém obvodu

Lze dojít k závěru, že kondenzátor není schopen vést stejnosměrný proud přes sebe, ale tento závěr je nesprávný. Ve skutečnosti se elektrický proud objeví okamžitě po přivedení napětí, ale okamžitě zmizí. V tomto případě projde během pouhých několika zlomků sekundy. Přesná doba trvání závisí na tom, jak je zařízení prostorné, ale to se obvykle nebere v úvahu.

Vlastnosti zařízení se střídavým proudem

Kondenzátor ve stejnosměrném obvodu

K určení, zda projde střídavý elektrický proud, musí být zařízení připojeno k příslušnému obvodu. Hlavním zdrojem elektřiny by v tomto případě mělo být zařízení, které generuje přesně střídavý elektrický proud.

Kondenzátorem neprotéká stejnosměrný elektrický proud, ale naopak proud střídavý a zařízení neustále odolává procházejícímu elektrickému proudu. Velikost tohoto odporu souvisí s frekvencí. Závislost je zde nepřímo úměrná: čím nižší frekvence, tím vyšší odpor. Pokud k zdroj střídavého proudu připojte konder, pak zde bude nejvyšší hodnota napětí záviset na síle proudu.

Aby bylo zajištěno, že kondenzátor může vést střídavý elektrický proud, nejjednodušší obvod se skládá z:

  • Aktuální zdroj. Musí být variabilní.
  • Kondenzátor.
  • Elektrický spotřebič. Nejlepší je použít lampu.

Kondenzátor

Je však třeba si zapamatovat jednu věc: lampa se rozsvítí pouze v případě, že má zařízení poměrně velkou kapacitu. Střídavý proud má na kondenzátor takový vliv, že se zařízení začne nabíjet a vybíjet. A proud, který prochází sítí během dobíjení, zvyšuje teplotu vlákna lampy. Ve výsledku svítí.

Dobíjecí proud do značné míry závisí na kapacitě zařízení připojeného k elektrické síti. Závislost je přímo úměrná: čím větší kapacita, tím větší hodnota charakterizující sílu dobíjecího proudu. Abyste to viděli, stačí pouze zvýšit kapacitu. Ihned poté začne lampa svítit jasněji, protože její vlákna budou více zahřátá. Jak vidíte, kondenzátor, který funguje jako jeden z prvků střídavého obvodu, se chová jinak než pevný rezistor.

Po připojení střídavého kondenzátoru začnou probíhat složitější procesy. Nástroj, jako je vektor, vám pomůže lépe jim porozumět. Hlavní myšlenkou vektoru v tomto případě bude, že můžete reprezentovat hodnotu časově proměnného signálu jako součin komplexního signálu, který je funkcí osy představující čas a komplexního čísla, které na naopak nesouvisí s časem.

Protože vektory jsou reprezentovány určitou velikostí a určitým úhlem, lze je kreslit ve formě šipky, která se otáčí v souřadnicové rovině. Napětí na zařízení mírně zaostává za proudem a oba vektory, kterými jsou označeny, se v rovině otáčejí proti směru hodinových ručiček.

Kondenzátor v obvodu

Kondenzátor v síti střídavého proudu se může periodicky dobíjet: buď získává nějaký druh náboje, nebo jej naopak dává pryč. To znamená, že kondér a zdroj střídavého proudu v síti si neustále navzájem vyměňují elektrickou energii. Tento typ elektřiny v elektrotechnice se nazývá reaktivní.

Kondenzátor neumožňuje průchod stejnosměrného proudu sítí. V tomto případě bude mít odpor rovný nekonečnu. Tímto zařízením je schopen procházet střídavý elektrický proud. V tomto případě má odpor konečnou hodnotu.

Víme, že kondenzátorem neprochází stejnosměrný proud. Proto v elektrickém obvodu, ve kterém je kondenzátor zapojen do série se zdrojem proudu, nemůže protékat stejnosměrný proud.

READ
Co odstraní zápach kočičí moči z pohovky?

Chová se úplně jinak AC kondenzátor (Obrázek 1, a).

Kondenzátor ve schématu zapojení střídavého proudu

Obrázek 1. Porovnání kondenzátoru v obvodu střídavého proudu s pružinou, na kterou působí vnější síla.

Během první čtvrtiny období, kdy se střídavé emf zvyšuje, je kondenzátor nabitý, a proto obvodem prochází nabíjecí elektrický proud i, jehož síla bude největší na začátku, kdy kondenzátor není nabitý. Jak se nabíjení blíží ke konci, nabíjecí proud se snižuje. Nabíjení kondenzátoru končí a nabíjecí proud se zastaví v okamžiku, kdy se střídavý EMF přestane zvyšovat po dosažení své hodnoty amplitudy. Tento okamžik odpovídá konci první čtvrtiny období.

Poté se střídavé EMF začne snižovat a současně se začne vybíjet kondenzátor. V důsledku toho bude během druhé čtvrtiny periody obvodem protékat vybíjecí proud. Vzhledem k tomu, že pokles EMF nastává nejprve pomalu a pak rychleji a rychleji, síla vybíjecího proudu, která má malou hodnotu na začátku druhé čtvrtiny období, se bude postupně zvyšovat.

Takže na konci druhé čtvrtiny období bude kondenzátor vybitý, EMF se bude rovnat nule a proud v obvodu dosáhne své maximální hodnoty amplitudy.

Na začátku třetí čtvrtiny období se EMF po změně směru začne znovu zvyšovat a kondenzátor se začne znovu nabíjet. Kondenzátor se nyní bude nabíjet v opačném směru, což odpovídá změněnému směru EMF. Proto se směr nabíjecího proudu během třetí čtvrtiny období bude shodovat se směrem vybíjecího proudu ve druhé čtvrtině, tj. při přechodu z druhé čtvrtiny období do třetího bude proud v obvodu nemění svůj směr.

Nejprve, když kondenzátor není nabitý, nabíjecí proud je největší. S rostoucím nábojem na kondenzátoru se nabíjecí proud snižuje. Nabíjení kondenzátoru se ukončí a nabíjecí proud se zastaví na konci třetí čtvrtiny období, kdy EMF dosáhne své hodnoty amplitudy a jeho nárůst se zastaví.

Takže do konce třetí čtvrtiny období se kondenzátor znovu nabije, ale v opačném směru, tedy na desce, kde bylo dříve plus, bude mínus a kde bylo mínus, bude plus. V tomto případě EMF dosáhne hodnoty amplitudy (v opačném směru) a proud v obvodu bude nulový.

Během poslední čtvrtiny období se EMF opět začne snižovat a kondenzátor se vybije; současně se v obvodu objevuje postupně se zvyšující vybíjecí proud. Směr tohoto proudu se shoduje se směrem proudu v první čtvrtině období a je opačný než směr proudu ve druhé a třetí čtvrtině.

READ
Jak funguje ochrana proti chodu nasucho?

Ze všeho uvedeného vyplývá, že obvodem s kondenzátorem prochází střídavý proud a že síla tohoto proudu závisí na hodnotě kapacity kondenzátoru a na frekvenci proudu. Navíc z Obr. 1,a, který jsme zkonstruovali na základě naší úvahy, je zřejmé, že v čistě kapacitním obvodu předbíhá fáze AC před fází napětí o 90°.

Všimněte si, že v obvodu s indukčností proud zaostává za napětím a v obvodu s kapacitou proud vede k napětí. V obou případech dochází k posunu mezi fázemi proudu a napětí, ale znaky těchto posunů jsou opačné

Kapacita kondenzátoru

Již jsme si všimli, že proud v obvodu s kondenzátorem může téct pouze tehdy, když se změní napětí na něj aplikované, a síla proudu procházejícího obvodem při nabíjení a vybíjení kondenzátoru bude tím větší, čím větší bude kapacita kondenzátoru. a tím rychleji dochází ke změnám EMF

Kondenzátor zapojený do obvodu střídavého proudu ovlivňuje sílu proudu procházejícího obvodem, chová se tedy jako odpor. Čím větší je kapacita a čím vyšší je frekvence střídavého proudu, tím menší je hodnota kapacity. Naopak odpor kondenzátoru vůči střídavému proudu se zvyšuje, když se jeho kapacita snižuje a frekvence klesá.

Závislost kapacity na frekvenci

Obrázek 2. Závislost kapacity kondenzátoru na frekvenci.

Pro stejnosměrný proud, tedy když je jeho frekvence nulová, je odpor kapacity nekonečně velký; stejnosměrný proud proto nemůže procházet obvodem s kapacitou.

Hodnota kapacity je určena následujícím vzorcem:

Kapacita kondenzátoru

kde Xc je kapacita kondenzátoru v ohmech;

f – frekvence střídavého proudu v Hz;

ω — úhlová frekvence střídavého proudu;

C je kapacita kondenzátoru v f.

Když je kondenzátor připojen k obvodu střídavého proudu, tento, stejně jako indukčnost, nespotřebovává energii, protože fáze proudu a napětí jsou vůči sobě posunuty o 90°. Energie během jedné čtvrtiny periody – když je kondenzátor nabitý – je uložena v elektrickém poli kondenzátoru a během druhé čtvrtiny periody – když je kondenzátor vybitý – je vrácena zpět do obvodu. Proto je kapacitní reaktance, stejně jako indukční, reaktivní nebo bezvodá.

Je však třeba poznamenat, že téměř u každého kondenzátoru se při průchodu střídavého proudu vynakládá větší či menší činný výkon v důsledku změn, ke kterým dochází ve stavu dielektrika kondenzátoru. Navíc mezi deskami kondenzátoru není nikdy absolutně dokonalá izolace; Netěsnost izolace mezi deskami vede k tomu, že se zdá, že nějaký činný odpor je připojen paralelně ke kondenzátoru, kterým protéká proud a ve kterém je tedy spotřebován určitý výkon. Jak v prvním, tak v druhém případě je výkon zcela zbytečně vynaložen na ohřev dielektrika, proto se tomu říká ztrátový výkon.

READ
Jak nemůžete ostříhat kočce drápy?

Ztráty způsobené změnami stavu dielektrika se nazývají dielektrikum a ztráty způsobené nedokonalou izolací mezi deskami se nazývají ztráty svodem.

Dříve jsme porovnávali elektrickou kapacitu s kapacitou hermeticky (těsně) uzavřené nádoby nebo s plochou dna otevřené nádoby se svislými stěnami.

Je vhodné porovnat kondenzátor v obvodu střídavého proudu s pružností pružiny. Abychom předešli případným nedorozuměním, domluvme se zároveň, že pružností nemáme na mysli pružnost („tvrdost“) pružiny, ale její převrácenou hodnotu, tedy „měkkost“ či „poddajnost“ pružiny. .

Představme si, že periodicky stlačujeme a natahujeme spirálovou pružinu, pevně připevněnou na jednom konci ke stěně. Doba, po kterou provedeme celý cyklus stlačení a vytažení pružiny, bude odpovídat periodě střídavého proudu.

Během prvního čtvrtletí období tedy pružinu stlačíme, během druhé čtvrtiny období ji uvolníme, během třetí čtvrtiny období ji natáhneme a během čtvrtého čtvrtletí ji opět uvolníme.

Shodněme se navíc na tom, že naše úsilí během období bude nerovnoměrné, a to: během prvního a třetího čtvrtletí období vzroste z nuly na maximum a během druhého a čtvrtého čtvrtletí klesne z maxima na nulu.

Stlačováním a natahováním pružiny tímto způsobem si všimneme, že na začátku první čtvrtiny období se uvolněný konec pružiny bude pohybovat poměrně rychle s relativně malým úsilím z naší strany.

Na konci první čtvrtiny období (kdy je pružina stlačena) se naopak přes zvýšené úsilí bude uvolněný konec pružiny pohybovat velmi pomalu.

Během druhé čtvrtiny období, kdy postupně uvolňujeme tlak na pružinu, se její volný konec bude vzdalovat od stěny směrem k nám, ačkoli naše zdržovací úsilí směřuje ke stěně. V tomto případě bude naše úsilí na začátku druhé čtvrtiny období největší a rychlost pohybu volného konce jara nejmenší. Na konci druhé čtvrtiny období, kdy je naše úsilí nejmenší, bude rychlost jara největší atd.

Pokračujeme-li v podobném uvažování pro druhou polovinu období (pro třetí a čtvrté čtvrtletí) a sestavování grafů (obr. 1, b) změn našeho úsilí a rychlosti pohybu volného konce pružiny, přesvědčíme se že tyto grafy přesně odpovídají grafům emf a proudu v kapacitním obvodu (obrázek 1,a) a graf síly bude odpovídat grafu EMF a graf rychlosti bude odpovídat aktuálnímu grafu.

READ
Jak se zbavit starého základu?

Obrázek 3. a) Procesy v obvodu střídavého proudu s kondenzátorem a b) porovnání kondenzátoru s pružinou.

Není těžké si všimnout, že pružina, podobně jako kondenzátor, během jedné čtvrtiny periody akumuluje energii a ve druhé čtvrtině periody ji uvolňuje zpět.

Je také zcela zřejmé, že čím je pružina méně pružná, tedy čím je pružnější, tím větší odpor bude klást našemu úsilí. Totéž platí v elektrickém obvodu: čím menší je kapacita, tím větší je odpor obvodu při dané frekvenci.

A konečně, čím pomaleji pružinu stlačujeme a natahujeme, tím nižší bude rychlost jejího volného konce. Podobně, čím nižší je frekvence, tím nižší je síla proudu pro dané emf.

Při konstantním tlaku se pružina pouze stlačí a zastaví svůj pohyb, stejně jako při konstantním EMF se kondenzátor pouze nabije a tím se zastaví další pohyb elektronů v obvodu.

A nyní můžete vidět, jak se chová kondenzátor v obvodu střídavého proudu v následujícím videu:

LÍBÍ SE ČLÁNEK? SDÍLEJTE SE SVÝMI PŘÁTELI NA SOCIÁLNÍCH SÍTÍCH!