Заряд и разряд конденсатора

Для того чтобы зарядить конденсатор, необходимо включить его в цепь постоянного тока. На рис. 1 показана схема заряда конденсатора. Конденсатор С присоединен к зажимам генератора. При помощи ключа можно замкнуть или разомкнуть цепь. Рассмотрим подробно процесс заряда конденсатора.

Генератор обладает внутренним сопротивлением. При замыкании ключа конденсатор зарядится до напряжения между обкладками, равного э. д. с. генератора: Uс = Е. При этом обкладка, соединенная с положительным зажимом генератора, получает положительный заряд (+ q ), а вторая обкладка получает равный по величине отрицательный заряд ( -q ). Величина заряда q прямо пропорциональна емкости конденсатора С и напряжению на его обкладках: q = CUc

P ис. 1 . Схема заряда конденсатора

Для того чтобы обкладки конденсатора зарядились, необходимо, чтобы одна из них приобрела, а другая потеряла некоторое количество электронов. Перенос электронов от одной обкладки к другой совершается по внешней цепи электродвижущей силой генератора, а сам процесс перемещения зарядов по цепи есть не что иное, как электрический ток, называемый зарядным емкостным током I зар.

Зарядный ток в цени протекает обычно тысячные доли секунды до тех пор, пока напряжение на конденсаторе достигнет величины, равной э. д. с. генератора. График нарастания напряжения на обкладках конденсатора в процессе его заряда представлен на рис. 2,а, из которого видно, что напряжение Uc плавно увеличивается, сначала быстро, а затем все медленнее, пока не станет равным э. д. с. генератора Е. После этого напряжение на конденсаторе остается неизменным.

Рис. 2. Графики напряжения и тока при заряде конденсатора

Пока конденсатор заряжается, по цепи проходит зарядный ток. График зарядного тока показан на рис. 2,б. В начальный момент зарядный ток имеет наибольшую величину, потому что напряжение на конденсаторе еще равно нулю, и по закону Ома io зар = E/ R i , так как вся э. д. с. генератора приложена к сопротивлению R i.

По мере того как конденсатор заряжается, т. е. возрастает напряженно на нем, для зарядного тока уменьшается. Когда напряженно па конденсаторе уже имеется, падение напряжения на сопротивление будет равно разности между э. д. с. генератора и напряжением на конденсаторе, т. е. равно Е — U с. Поэтому i зар = (E-Uс)/R i

Отсюда видно, что с увеличением Uс уменьшается i зар и при Uс = E зарядный ток становится равным нулю.

Про закон Ома подробнее смотрите здесь: закон Ома для участка цепи

Продолжительность процесса заряда конденсатора зависит от двух величии:

1) от внутреннего сопротивления генератора R i ,

2) от емкости конденсатора С.

На рис. 2 показаны графики нарядных токов для конденсатора емкостью 10 мкф: кривая 1 соответствует процессу заряда от генератора с э. д. с. Е = 100 В и с внутренним сопротивлением R i = 10 Ом, кривая 2 соответствует процессу заряда от генератора с такой же э. д. с, но с меньшим внутренним сопротивлением: R i = 5 Ом.

Из сравнения этих кривых видно, что при меньшем внутреннем сопротивлении генератора сила нарядного тока в начальный момент больше, и поэтому процесс заряда происходит быстрее.

Рис. 2. Графики зарядных токов при разных сопротивлениях

На рис. 3 дается сравнение графиков зарядных токов при заряде от одного и того же генератора с э. д. с. Е = 100 В и внутренним сопротивлением R i = 10 ом двух конденсаторов разной емкости: 10 мкф (кривая 1) и 20 мкф (кривая 2).

Величина начального зарядного тока io зар = Е/ Ri = 100/10 = 10 А одинакова для обоих конденсаторов, по так как конденсатор большей емкости накапливает большее количество электричества, то зарядный его ток должен проходить дольше, и процесс заряда получается более длительным.

Рис. 3. Графики зарядных токов при разных емкостях

Отключим заряженный конденсатор от генератора и присоединим к его обкладкам сопротивление.

На обкладках конденсатора имеется напряжение U с, поэтому в замкнутой электрической цепи потечет ток, называемый разрядным емкостным током i разр.

Ток идет от положительной обкладки конденсатора через сопротивление к отрицательной обкладке. Это соответствует переходу избыточных электронов с отрицательной обкладки на положительную, где их недостает. Процесс рам ряда происходит до тех пор, пока потенциалы обеих обкладок не сравняются, т. е. разность потенциалов между ними станет равном нулю: Uc=0 .

На рис. 4, а показан график уменьшения напряжения на конденсаторе при разряде от величины Uc о =100 В до нуля, причем напряжение уменьшается сначала быстро, а затем медленнее.

На рис. 4,б показан график изменения разрядного тока. Сила разрядного тока зависит от величины сопротивления R и по закону Ома i разр = Uc / R

Рис. 4. Графики напряжения и токов при разряде конденсатора

В начальный момент, когда напряжение па обкладках конденсатора наибольшее, сила разрядного тока также наибольшая, а с уменьшением Uc в процессе разряда уменьшается и разрядный ток. При Uc=0 разрядный ток прекращается.

Продолжительность разряда зависит:

1) от емкости конденсатора С

2) от величины сопротивления R , на которое конденсатор разряжается.

Чем больше сопротивление R , тем медленнее будет происходить разряд. Это объясняется тем, что при большом сопротивлении сила разрядного тока невелика и величина заряда на обкладках конденсатора уменьшается медленно.

Это можно показать на графиках разрядного тока одного и того же конденсатора, имеющего емкость 10 мкф и заряженного до напряжения 100 В, при двух разных величинах сопротивления (рис. 5): кривая 1 — при R = 40 Ом, i оразр = Uc о/ R = 100/40 = 2,5 А и кривая 2 — при 20 Ом i оразр = 100/20 = 5 А.

Рис. 5. Графики разрядных токов при разных сопротивлениях

Разряд происходит медленнее также тогда, когда емкость конденсатора велика. Получается это потому, что при большей емкости на обкладках конденсатора имеется большее количество электричества (больший заряд) и для стекания заряда потребуется больший промежуток времени. Это наглядно показывают графики разрядных токов для двух конденсаторов раиной емкости, заряженных до одного и того же напряжения 100 В и разряжающихся на сопротивление R =40 Ом (рис. 6 : кривая 1 — для конденсатора емкостью 10 мкф и кривая 2 — для конденсатора емкостью 20 мкф).

Рис. 6. Графики разрядных токов при разных емкостях

Из рассмотренных процессов можно сделать вывод, что в цепи с конденсатором ток проходит только в моменты заряда и разряда, когда напряжение на обкладках меняется.

Объясняется это тем, что при изменении напряжения изменяется величина заряда на обкладках, а для этого требуется перемещение зарядов по цепи, т. е. по цепи должен проходить электрический ток. Заряженный конденсатор не пропускает постоянный ток, так как диэлектрик между его обкладками размыкает цепь.

В процессе заряда конденсатор накапливает энергию, получая ее от генератора. При разряде конденсатора вся энергия электрического поля переходит в тепловую энергию, т. е. идет на нагрев сопротивления, через которое разряжается конденсатор. Чем больше емкость конденсатора и напряжение на его обкладках, тем больше будет энергия электрического поля конденсатора. Величина энергии, которой обладает конденсатор емкостью С, заряженный до напряжения U, равна: W = W с = С U 2 /2

Пример. Конденсатор С=10 мкф заряжен до напряжении U в = 500 В. Определить энергию, которая выделится в вило тепла на сопротивлении, через которое разряжается конденсатор.

Решение. Пpи разряде вся энергия, запасенная конденсатором, перейдет в тепловую. Поэтому W = W с = С U 2 /2 = (10 х 10 -6 х 500)/2 = 1,25 дж.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Зарядка и разрядка конденсатора

Пишу для школьников (для лучшего понимания ими основ физики). Материал излагаю в соответствии с признанной ныне научной трактовкой физических явлений.

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость С .

Под ёмкостью конденсатора понимается его способность накопить на своих обкладках и удержать на них электрический заряд.

Чем больший электрический заряд соберёт на себе конденсатор, тем больший заряд при разряде он отдаст во внешнюю электрическую цепь.

Ёмкость плоского конденсатора тем больше, чем больше площадь его пластин, чем меньше расстояние между ними и чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между его обкладками (объяснение дано в Занятии 53 ):

На практике конденсатор заряжают, присоединив его обкладки к полюсам источника постоянного напряжения.

Как происходит процесс зарядки конденсатора?

До зарядки каждая обкладка конденсатора имела одинаково е количество положительных и отрицательных зарядов, то есть не была заряжена.

Чтобы зарядить конденсатор надо, чтобы какое-то количество свободных электронов перешло с одной обкладки на другую. Поэтому обкладки и получают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды.

• чтобы зарядить конденсатор, надо разъединит ь заряды;
• чтобы разрядить конденсатор, надо соединить разъединённые заряды.

Проведём мысленный эксперимент.

Имеются две металлические пластинки . Каждая из них не заряжена . Это значит, что в них содержится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.

Перемещаться в металле могут только свободные (оторвавшиеся от атомов валентные) электроны.

Представим, что эти пластинки привели в очень тесное соприкосновение, при котором часть свободных электронов перешла, например, с верхней пластинки на нижнюю.

Тогда на поверхности верхней пластинки появится положительный заряд (там будет недостаток электронов). Поверхность же нижней пластинки зарядится отрицательно (на ней избыток электронов).

Пластинки, имеющие противоположные знаки, притягиваются друг к другу. Чтобы их разъединить, надо совершить механическую работу против силы притяжения.

После перемещения пластинок на некоторое расстояние друг от друга (после совершения механической работы), они окажутся заряженными разноимёнными равными по модулю зарядами.

Совершив работу, мы разделили заряды и зарядили пластинки. Совершённая механическая работа перешла в энергию электрического поля, образовавшегося между пластинками, которые можно считать обкладками плоского конденсатора.

Рассуждая так, мы представили процесс зарядки конденсатора.

Теперь представим процесс разрядки конденсатора.

Чтобы разрядить конденсатор, надо соединить разъединённые заряды, то есть вернуть электроны, перешедшие с верхней пластинки на нижнюю, на верхнюю пластинку. Тогда обе пластинки опять окажутся незаряженными.

Для этого надо заряженные пластинки соединить проводом. Тогда свободные электроны с отрицательно заряженной пластинки, отталкиваясь от неё, станут перемещаться в ближайший к пластинке участок провода. В результате заряд отрицательно заряженной пластинки уменьшается.

Количество электронов в этом участке провода ( прилегающего к отрицательно заряженной пластинке) увеличится . Эти электроны передадут движение (энергию) электронам соседнего участка провода и так далее.

Одновременно с другого конца провода, соединённого с положительно заряженной пластинкой, свободные электроны переходят на пластинку , уменьшая её положительный заряд . Направленное движение электронов и здесь передаётся от участка к участку провода.

Перераспределение электронов от участка к участку в проводе (электрический ток) происходит до тех пор, пока количество положительных и отрицательных зарядов в каждой пластинке не станет одинаковым ( пока разъединённые при зарядке пластин заряды не соединятся).

Процесс разрядки конденсатора — это процесс соединения разъединённых зарядов .

Так можно представить процессы зарядки и разрядки конденсатора.

Теперь рассмотрим качественно процесс зарядки конденсатора от источника постоянного тока.

Источник

Как правильно зарядить конденсатор?

Зарядить конденсатор очень просто. Конденсатор заряжается, подключая его к источнику постоянного напряжения. Это может быть аккумулятор или источник постоянного тока. Как только конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, он будет заряжаться до напряжения, которое выдает источник постоянного напряжения.

Как заряжать конденсатор?

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрической цепи. Когда вы включаете питание, на пластинах постепенно накапливается электрический заряд. Одна пластина получает положительный заряд, а другая пластина — равный и противоположный (отрицательный) заряд.

Как зарядить конденсатор дома?

1. Подключите один конец батареи к переключателю. …
2. Присоедините резистор или контрольную лампу к другому концу переключателя.
3. Прикрепите один конец конденсатора к резистору или контрольной лампе. …
4. Установите мультиметр на настройку считывания напряжения. …
5. Поместите батарею в держатель батареи и замкните переключатель.

Можно ли зарядить конденсатор без резистора?

Чтобы конденсатор заряжался, он должен быть помещен в замкнутую цепь, которая должна включать в себя источник питания, тракт и нагрузку. … Вместо использования резистора в качестве нагрузки для зарядки конденсатора можно использовать любую другую нагрузку. Если резистора нет, можно использовать лампочку соответствующего напряжения.

Можно ли зарядить конденсатор зарядным устройством?

Зарядить конденсатор очень просто. Когда источник постоянного напряжения выдает больше, чем может зарядить источник постоянного напряжения, конденсатор заряжается. … Конденсаторы будут заряжаться до 9 вольт, если их подключить к 9-вольтовой батарее.

Когда следует использовать конденсатор?

Конденсаторы широко используются в электронных схемах для блокировки постоянного тока и пропускания переменного тока. В сетях аналоговых фильтров они сглаживают выходной сигнал источников питания. В резонансных цепях они настраивают радио на определенные частоты.

В каких предметах обихода используется конденсатор?

Некоторые из применений включают;

• Лучшее использование конденсаторов в повседневной жизни.
• Хранилище энергии.
• Коррекция коэффициента мощности.
• Используется в датчиках.
• Кондиционирование питания.
• Связь.
• Тюнинг.
• Используется в импульсной силе и оружии.

Как узнать, полностью ли заряжен конденсатор?

Напряжение на конденсаторе 100 мкФ в этот момент равно нулю, и зарядный ток (i) начинает течь, заряжая конденсатор, пока напряжение на пластинах не станет равным напряжению питания 12 В. Зарядный ток перестает течь, и конденсатор считается «полностью заряженным».

Как узнать, заряжен ли конденсатор?

Один из способов проверить, работает ли конденсатор, — это зарядить его напряжением, а затем измерить напряжение на аноде и катоде. Для этого необходимо зарядить конденсатор напряжением и подать напряжение постоянного тока на выводы конденсатора.

Зачем нужен резистор для зарядки конденсатора?

1 ответ. Резистор снижает скорость заряда (или разряда), ограничивая ток, который может течь в конденсатор или из него.

Что будет, если не использовать резистор с конденсатором?

Подключение конденсатора без резистора к источнику питания в работающей цепи обычно вызывает неисправность, поскольку конденсатор «ломает» напряжение (представьте, что напряжение сбрасывается железным стержнем!) На мгновение.

Резистор какого размера использовать для зарядки конденсатора?

Использование резистора: вам понадобится резистор на 1 ватт, 30 — 1000 Ом (1 кОм) для зарядки вашего конденсатора, если не указано иное (ваш конденсатор может иметь резистор в комплекте).

Сколько времени нужно для полной зарядки конденсатора?

Время, необходимое для полной зарядки конденсатора, эквивалентно примерно 5 постоянным времени или 5Т. Таким образом, переходная характеристика или последовательная RC-цепь эквивалентна 5 постоянным времени.

Как заряжать конденсатор 450 в?

При зарядке крышек начните с 0 В, подключив мультиметр к клеммам крышки. Медленно увеличивайте выходное напряжение вариака, пока ваш конденсаторный блок не достигнет желаемого напряжения. ЗАПРЕЩАЕТСЯ заряжать колпачки при максимальном напряжении.

Можно ли использовать конденсатор в качестве аккумулятора?

Таким образом, вместо батареи схема в приставке вспышки использует конденсатор для хранения энергии. … Поскольку конденсаторы хранят свою энергию в виде электрического поля, а не в химических веществах, которые вступают в реакцию, их можно заряжать снова и снова. Они не теряют способность удерживать заряд, как это обычно происходит с батареями.

Как заряжать большой конденсатор?

Перед включением источника питания поверните ручку напряжения источника питания на минимальное значение. Включите блок питания и медленно увеличивайте напряжение не выше 25 вольт. Повышение напряжения, подаваемого на конденсатор, за пределы его номинального значения, приведет к его повреждению и, возможно, к взрыву.

Источник