Работа конденсатора в цепи постоянного тока: Конденсатор в цепи постоянного тока

Конденсатор в цепи постоянного тока

Заряд конденсатора через резистор

При подключении конденсатора к источнику постоянного тока под действием электрического поля на нижнюю обкладку движутся электроны. В следствии, явления электростатической индукции с верхней обкладки конденсатора заряды уходят к положительному выводу источника питания в цепи возникает ток – ток заряда по мере накопления зарядов в конденсаторе, растёт напряжение , а ток заряда уменьшается, и так, – конденсатор подключённый к источнику тока, заряжается до Uист.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Кратковременный ток в цепи называется ток заряда, а так как он существует короткое время, то говорят, конденсатор постоянный ток не пропускает.

Считается что конденсатор заряжается если напряжение на нём составляет

Ес – ЭДС ёмкости

Τ заряда – постоянная времени заряда конденсатора в секундах

Одна секунда – 1с = 103мс = 106мкс =1012нс

Rзар – сопротивление в Омах

С – ёмкость в Фарадах

Τ = Rзар × С

График заряда конденсатора

Разряд конденсатора через резистор

Работа конденсатора в цепи постоянного тока

Считается, что конденсатор разрядится если напряжение на нём составляет 0,37 от напряжения источника и это происходит за время Τ разряда.

Τразр = Rразр × С

График разряда конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока для чего

При подключении конденсатора к источнику постоянного тока под действием электрического поля на нижнюю обкладку движутся электроны. В следствии, явления электростатической индукции с верхней обкладки конденсатора заряды уходят к положительному выводу источника питания в цепи возникает ток – ток заряда по мере накопления зарядов в конденсаторе, растёт напряжение , а ток заряда уменьшается, и так, – конденсатор подключённый к источнику тока, заряжается до U_ист .

Конденсатор в цепи постоянного тока

Кратковременный ток в цепи называется ток заряда, а так как он существует короткое время, то говорят, конденсатор

Считается что конденсатор заряжается если напряжение на нём составляет 0,63 от U_ист и это происходит за время
равное Τ

Τ заряда – постоянная времени заряда конденсатора в секундах

Одна секунда – 1с = 10 3 мс = 10 6 мкс =10 12 нс

R_зар – сопротивление в Омах

График заряда конденсатора

Работа конденсатора в цепи постоянного тока

Считается, что конденсатор разрядится если напряжение на нём составляет 0,37 от напряжения источника и это происходит за время Τ разряда.

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой – станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S – площадь пластин в квадратных метрах, d – расстояние между пластинами в метрах, C – емкость в фарадах, ε – диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или электрического кабеля. Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод–лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC – цепочка, показанная на рисунке 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки – тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Электролитический конденсатор

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают электролитические конденсаторы. Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда – разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор – ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый ионистор. По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе – изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье – Конденсаторы для электроустановок переменного тока.

Практически во всех электронных устройствах, от самых простых до высокотехнологичных, таких как материнские платы компьютеров, можно встретить один неизменно присутствующий элемент, являющийся пассивным компонентом. Но к сожалению, мало кто знает как устроен и для чего нужен конденсатор, и какие виды этого накопителя бывают.

Просто о сложном

Итак, это небольшое устройство для накопления электрического поля или заряда похоже на обычную банку, ту, в которой маринуют помидоры или хранят муку. Она точно так же в себе накапливает сухое вещество или жидкость, которую в неё поместят. Аналогия проста: по цепи бегут электроны, а на своей дороге встречают проводников, которые ведут их в «банку», где они и накапливаются, усиливая заряд.

Для того чтобы выяснить, много ли элекрончиков так можно собрать, и в какой момент накопление прекратится (банка лопнет), электрический процесс обычно сравнивают с водопроводом. Если представить трубу, в которой течёт вода, закачиваемая туда насосом, то где-то в центре трубопровода нужно вообразить мягкую мембрану, растягивающуюся под давлением жидкости. Очевидно, что она будет растягиваться до определённого предела, пока не разорвётся или, если попалась очень крепкая, не уравновесит силу насоса.

Такой пример показывает, как работает конденсатор, только мембрана заменяется электрическим полем, которое увеличивается по мере зарядки накопителя (работы насоса), уравновешивая напряжение источника питания. Очевидно, что этот процесс не бесконечный, и предельный заряд существует, по достижении которого «банка» выйдет из строя и перестанет выполнять свои функции.

Устройство и принцип работы

Конденсатор — устройство, состоящее из двух пластин (обкладок), имеющих между собой пустоту. Напряжение к нему подаётся через проводки, подсоединённые к пластинкам. Современные приборы, по сути, не сильно отличаются от макетов на уроках физики, они также состоят из диэлектрика и обкладок. Следует отметить, что именно вещество или его отсутствие (вакуум), плохо проводящее электричество, изменяет характеристики накопителя.

Суть принципа работы конденсатора проста: дали напряжение, и заряд начал накапливаться. Для примера следует рассмотреть как ведёт себя накопитель в двух вариантах электрической цепи:

• Постоянный ток. Если в цепь с подключённым к ней конденсатором подать ток, то можно увидеть, что стрелка на амперметре начнёт двигаться, а потом быстро вернётся в исходное положение. Это объясняется просто: устройство быстро зарядилось, то есть источник питания был уравновешен обкладками накопителя, и тока не стало. Поэтому часто говорят, что в условиях постоянного тока конденсатор не работает. Такое утверждение неправильное, всё функционирует, но очень непродолжительное время.
• Переменный ток — это когда электроны двигаются сначала в одну, а затем в другую сторону. Если представить такую цепь с подключённым к ней накопителем, то на обеих обкладках конденсатора будут попеременно накапливаться положительные и отрицательные заряды. Это говорит о том, что переменный ток свободно протекает через устройство.

Поскольку конденсатор задерживает постоянный ток, но пропускает переменный, отсюда формируются и сферы его назначения, например, для устройств, в которых нужно убрать постоянную составляющую в сигнале. Вполне очевидно, что накопитель обладает сопротивлением, а вот мощность на нём не выделяется, поэтому он не греется.

Основные виды

Рядовой пользователь не всегда знает о том, каким конденсатором снабжено его устройство. А ведь каждый вид имеет свои недостатки и преимущества, а также эксплуатационные особенности. Существуют две большие группы этих устройств, предназначенные для электрической цепи с переменным и постоянным током. Но всё-таки основная классификация ведётся по типу диэлектрика, который находится между облатками конденсатора. Основные виды:

• Керамические. Имеют маленький размер, малый ток утечки и небольшую индуктивность. Отлично работают в условиях высоких частот, в цепях пульсирующего, постоянного и переменного тока. Представлены в различном диапазоне напряжений и ёмкостей, в зависимости от того, для чего конденсатор предназначен.
• Слюдяные. В настоящее время почти не используются и не выпускаются. В накопителях такого типа диэлектриком служит слюда. Рабочее напряжение таких конденсаторов в диапазоне — 200−1500 В.
• Бумажные. В алюминиевых облатках заключена конденсаторная бумага. Выдерживают напряжение 160−1500 В.
• Полиэстеровые. Максимальная ёмкость не превышает 15 мФ, рабочее напряжение — 50−1500 В.
• Полипропиленовые. Выгодно выделяются на фоне остальных собратьев двумя преимуществами. Первое — маленький допуск ёмкости (+/- 1%), второе — до 3 кВ рабочего напряжения.

Отдельно стоит отметить электролитические конденсаторы. Главное их отличие от других видов — подключения только к цепи постоянного или пульсирующего тока. Такие накопители имеют полярность — это особенность их конструкции, поэтому неправильное подключение ведёт к вздутию или взрыву устройства. Они обладают большой ёмкостью, что делает конденсатор электролитический пригодным для применения в выпрямительных цепях.

Сферы применения

Можно смело сказать, что конденсаторы используют практически во всех электронных и радиотехнических схемах. Чтобы иметь представление о том, где и зачем нужен конденсатор, следует вспомнить его способность сохранять заряд и разряжаться в нужное время, а также пропускать переменный ток и не пропускать постоянный. А это значит, что такие устройства используются во многих технических сферах, например:

• телефонии;
• в производстве счётных и запоминающих устройств;
• автоматике;
• при создании измерительных приборов и многих других.

Электрические накопители можно встретить как в телевизорах, так и в приборах радиолокации, где необходимо формировать импульс большой мощности, для чего и служит конденсатор. Невозможно встретить блок питания без этих устройств или сетевой фильтр.

Нужно сказать, что накопители применяют и в сферах, не связанных с электрикой, например, в производстве металла и добыче угля, где используют конденсаторные электровозы.

capasitor

Но прежде, чем расстаться с постоянным током, я хочу немного рассказать о конденсаторе. Любая схема (или почти любая) электронного устройства содержит хотя бы один конденсатор. Что он собой представляет?

Возьмем две металлические пластины, положим между ними тонкую пластину из изолятора и получим конденсатор. На схеме конденсатор так, примерно, и изображают: две пластины (в профиль), к которым подходят два проводника. Поскольку между пластинами изолятор, не проводящий постоянный электрический ток, то зачем бы нам конденсатор в цепи постоянного тока?

Рис. 1.7. Конденсатор в цепи постоянного тока

Несколько предвосхищая события, я вместо источника напряжения на схеме использовал нечто вроде его комбинации с выключателем. Но, если вы, как люди воспитанные, сделаете вид, что не заметили этого и повторите эксперимент, используя обычную батарейку и выключатель, то результат должен быть таким, как показано на графике I1, то есть ток в цепи, как показывает амперметр, равен нулю. Цепь постоянного тока разрывается изолятором конденсатора и ток через конденсатор не протекает. Что и зачем я использовал в схеме вместо батарейки? Это генератор ступенчатого напряжения. В начальный момент напряжение на его выводах равно нулю, затем сразу становится равным 10В, как если бы был включен выключатель между цепью из батарейки, конденсатора, амперметра и резистора 1 Ом. Я так и хотел сделать, но не нашел в программе выключателя. В некоторых программах он есть, здесь я не нашел. Но это не существенно.

Зачем мне понадобился выключатель? Если присмотреться к графику, то в самом его начале в момент времени близкий к начальному, на графике видна небольшая размытость. Увеличим ее, поскольку программа PSIM в окне просмотра результатов симуляции Simview позволяет манипулировать с изображением. Сразу хочу предупредить, что теоретический вид результата эксперимента должен отличаться от приведенного ниже, а реальный результат эксперимента будет зависеть от нескольких факторов, о которых, возможно, речь пойдет дальше, когда мы, и если, будем говорить о линиях, паразитных параметрах цепей и т.п.

Рис. 1.8. Цепь постоянного тока с конденсатором в начальный момент времени

Как видно, небольшая размытость – это некоторое изменение тока. То есть, хотя постоянный ток в цепи, вообще говоря, не течет, в небольшой промежуток времени при включении, он все таки умудряется протекать. Такие процессы в короткие промежутки времени при резком изменении параметров (скачком) называются переходными.

Как можно себе представить, что происходит, когда мы включаем выключатель (которого нет на рисунке)? Мы подключаем источник ЭДС к пластинам конденсатора. В металле, из которого эти пластины состоят, электроны смещаются к поверхности пластины, удаленной от полюса источника, образуя электрическое поле, которое проходит через изолятор к другой металлической пластине, вызывая смещение ее электронов к другому полюсу источника питания. Вот эти-то перемещения (или смещения), как любое направленное движение зарядов, и образуют кратковременный ток, при этом конденсатор заряжается от источника питания.

Конденсатор не пропускает постоянный ток, но может реагировать на изменения напряжения. Оставим себе это на заметку. А так же вспомним, что мы говорили о переменном токе, как токе изменяющемся по величине, в отличие от постоянного. Именно такой ток, изменяющийся по величине (в самом начале) мы наблюдаем на рис. 1.8. И это заставляет думать, что в цепи переменного тока конденсатор может себя вести иначе, чем в цепи постоянного тока. Чтобы закончить с конденсатором в цепи постоянного тока немного уточним, что я имел в виду, когда выше написал: конденсатор заряжается… Буквально то, что написал. Конденсатор накапливает (конденсирует) заряд. Если после его подключения к батарейке отключить батарейку и измерить напряжение на конденсаторе, то прибор покажет напряжение равное напряжению батарейки (в идеальном случае). Если конденсатор очень большой емкости, то к нему можно подключить лампочку, и лампочка будет какое-то время светиться. Пока конденсатор не разрядится. И, кстати, отчего светится лампочка? То самое рассеивание мощности на резисторе, в данном случае на спирали, от которого резистор может разогреться до «красного каления», а лампочка разогревается до «белого каления».

Емкость конденсатора измеряется в фарадах, но на практике применяют конденсаторы значительно меньшей емкости: мкФ (одна миллионная фарады, микрофарада), нФ (одна тысячная микрофарады, нанофарада), пФ (одна тысячная нанофарады, пикофарада). Емкость конденсатора зависит от площади пластин, чем она больше, тем больше емкость, и толщины изолятора (и материала изолятора), чем он тоньше, тем больше емкость конденсатора. Конденсаторы в виде пластин с изолятором применяют только при изготовлении конденсаторов переменной емкости. В зависимости от необходимой емкости конденсатора используют разные технологии изготовления, так в конденсаторах большой емкости, в десятки и тысячи микрофарад, применяют электролит, а такие конденсаторы называют электролитическими. Как правило они полярны, один из выводов помечен плюсом, и его следует подключать к плюсу постоянного напряжения. Вообще, допустимое напряжение очень важный для конденсатора параметр. Если напряжение на конденсаторе превышает это значение, то конденсатор выходит из строя.

Самый простой способ получить переменное напряжение – это подключить батарейку, скажем, как в схеме на рис. 1.7, но через переключатель, чтобы в одном положении переключателя батарейка была подключена как на рисунке, а в другом полярность ее подключения менялась на противоположную. Мы получим изменяющееся по величине (в какой-то момент схема отключена от батарейки) и по направлению напряжение, а в цепи пропорционально меняющийся ток, то есть, переменный ток.

Под переменным током будем понимать такой ток, который меняется по величине или/и по направлению.

Если переключателем щелкать очень равномерно, то получится периодический переменный ток. А если описать его с помощью математического выражения, то можно говорить о законе, по которому меняется ток. На практике очень часто используется переменный ток, меняющийся по закону синуса – синусоидальный переменный ток. Математическое выражение для него выглядит просто: y=A*Sin(x). Конечно, получить из батарейки с помощью переключателя такой вид переменного тока слишком сложно, но такой вид имеет бытовое силовое напряжение, и такой вид переменного напряжения дают многие генераторы, используемые при работе с электронными приборами.

На рисунке ниже я использовал источник синусоидального переменного напряжения V1. Функция синуса периодическая, то есть, существует отрезок времени, через который график функции повторяет свою форму, вновь и вновь. В электротехнике период измеряют в секундах. Величина, обратная к периоду, показывающая количество колебаний в секунду, называется частотой и измеряется в герцах.

Рис. 1.9. Вид синусоидального переменного тока

Период переменного тока на рисунке чуть меньше двух миллисекунд, это соответствует частоте около 500 Гц.

Мы подозревали, что конденсатор ведет себя по отношению к переменному току иначе, чем к постоянному. И действительно, если постоянный ток конденсатор не пропускает, то переменный ток проходит через него. Этим свойством конденсатора часто пользуются для того, чтобы отделить, как говорят, постоянную составляющую от переменной, и вы можете встретить такое название конденсатора, как разделительный конденсатор, что относится к функции, выполняемой конденсатором.

Если в программе PSIM воспользоваться не амперметром, а осциллографом, прибором для наблюдения за переменным напряжением, который подключить параллельно резистору R1, то мы сможем наблюдать переменный ток и более высоких частот. Дело в том, что многие амперметры, измеряющие переменный ток, хорошо работают только с токами низких частот. А осциллограф отображает процессы и очень высоких частот. Современные осциллографы, доступные любителю, могут работать до частот в сотни мегагерц.

Рис. 1.10. Наблюдение переменного напряжения в цепи конденсатор-резистор

Если посмотреть на осциллограмму напряжения и по виду осциллографа (по надписям) понять, что каждое вертикальное деление сетки на экране – это напряжение в 50 В, то амплитуда – наибольший «размах» напряжения от нуля или середины – получается около 100 В, тогда как амплитуда напряжения источника переменного тока V1 равна, как это показано на схеме, 110 В. Похоже, что как резистор оказывает сопротивление постоянному току, так и конденсатор оказывает сопротивление прохождению переменного тока, и на нем появляется падение напряжения. От чего зависит это сопротивление?

Проведем несколько экспериментов. Я использую программу PSIM для их описания, а макетную плату для проверки этого описания. Правда, в отличие от программы, мой низкочастотный генератор позволяет получить напряжение на выходе только 2 вольта, но мультиметр может измерять переменное напряжение такой величины. Если между компьютерным и «живым» экспериментом появятся различия, я о них скажу.

Попробуем изменить частоту (уменьшить) источника тока:

Рис. 1.11. Изменение осциллограммы при уменьшении частоты в 10 раз

На рисунке видно, что амплитуда напряжения уменьшилась существенно, став менее 50 В. Значит, сопротивление зависит от частоты переменного тока. А увеличив значение конденсатора в 10 раз (до 10 мкФ, микрофарад) мы почти восстановим амплитуду. Значит, сопротивление конденсатора зависит от его величины.

И действительно, сопротивление конденсатора синусоидальному переменному току равно 1/2πfC, где f – частота в Гц, C – емкость в Ф (фарадах). Если сопротивление резистора называют активным сопротивлением, то сопротивление конденсатора переменному току называют реактивным (реакция на изменения тока).

В электронике, как правило, нельзя обойтись без источника постоянного тока – источника питания любой электрической схемы, будет ли это схема автоматики или радиоприемника. А переменный ток, чаще играет роль сигналов, несущих полезную информацию. Чаще переменный ток бывает током, изменяющимся по величине, чем током изменяющимся по направлению. Работа электронного устройства в целом связана с преобразованиями сигналов для придания им либо необходимой величины при заданной форме, либо необходимой формы и величины, например, для переноса информации. Когда вы отправляете с компьютера письмо своему приятелю (или подруге), то по электрической цепи (возможно, местами в виде радиоволны) вы отправляете сигнал очень сложной формы, который и переносит ваше письмо к компьютеру приятеля (или подруги), где сигнал преобразовывается в понятные тому буквы и цифры, и даже рожицы в конце фраз. Когда вы разговариваете по мобильному телефону, ваша речь преобразуется телефоном в радиосигналы, долетающие до телефона приятеля (или подруги), где они вновь преобразуются в звук, несущий вашему приятелю информацию о том, что вы скучаете, не зная, чем заняться. Если ваш приятель радиолюбитель, он посоветует вам заняться этим увлекательным делом.

Но о сигналах мы поговорим позже.

А сейчас вспомним, что закон Ома для цепи постоянного тока был весьма полезен. Нельзя ли использовать его для цепей переменного тока. В простейшем виде, напомню, закон Ома звучит так: напряжение на участке цепи равно произведению тока, протекающего по этому участку, на сопротивление этого участка постоянному току. Однако как быть с переменным током, если его величина все время меняется? Можно сказать, что закон Ома будет справедлив для каждого мгновения, но удобнее ввести понятие действующего значения переменного тока.

Под действующим значением переменного тока будем понимать такое его значение, которое оказывает такое же действие, как и постоянный ток той же величины.

Выше я упоминал о лампочке, доведенной до «белого каления». Довести ее до этого можно с помощью батарейки, дающей постоянный ток. Но если мы доведем ее до того же состояния с помощью переменного тока, то его величина будет иметь действующее значение, тоже измеряемое в амперах, численно равное величине постоянного тока. А напряжение (действующее), измеряемое тоже в вольтах, численно будет равно постоянному напряжению. И закон Ома будет звучать также, как для постоянного тока. И оба полезных закона Кирхгофа будут иметь место для переменного тока. Я не буду уверять вас, что я абсолютно прав, напротив, советую вам проверить это, используя либо программу PSIM (или аналогичную программу САПР), что удобнее и спокойнее всего на «первых порах», или проверьте это на макетной плате, используя мультиметр и генератор синусоидального напряжения в качестве источника переменного тока. Я не советую использовать силовое напряжение по причине опасности работы с ним, даже если вы примените понижающий трансформатор. Лучше собрать простейший генератор, взяв схему из этой книги дальше или из другой книги, на цифровой микросхеме. Он не будет генератором синусоидального напряжения, скорее всего генератором прямоугольных импульсов, и мультиметр будет показывать не вполне правильные значения, но уверен, что проделанные эксперименты, каковы бы ни были результаты, доставят вам удовольствие. Используя генератор, мультиметр, несколько конденсаторов и резисторов вы можете придумать множество интересных экспериментов, помимо тех, о которых шла речь.

Когда я заговорил о законе Ома для переменного тока, я упоминал мгновенные значения переменного тока. Можно сказать, что в каждое мгновение переменный ток находится в определенной фазе своего изменения: вот он равен нулю, затем растет, достигает наибольшей величины, начинает уменьшаться и т.д. И одним из отличий активного сопротивления от реактивного будет то, как изменяются напряжение на них и ток через них. Я немного изменю схему, применив двухканальный осциллограф, есть такая возможность в программе PSIM, возможно у вас есть «физический» двухканальный осциллограф, для наблюдения за напряжением на конденсаторе и напряжением на резисторе (пропорциональном току через конденсатор), что заменит мне наблюдение за током через конденсатор. На рисунке ниже канал A показывает напряжение, а канал B ток через конденсатор. Кстати, на схеме осциллограф подключен только одним проводом, что удобно при работе с программой. При этом подразумевается, но не отображается, что общий провод осциллографа соединяется с общим проводом схемы. Кроме того, на схеме я уменьшил величину резистора R1 до 10 Ом, с тем чтобы получить наиболее яркую иллюстрацию того, что хочу отметить по поводу фаз.

Рис. 1.12. Наблюдение напряжения и тока через конденсатор

Два сигнала в центре экрана осциллографа, как видно на рисунке, находятся в разных фазах изменения: напряжение на конденсаторе и ток через него находятся в разных состояниях в любой момент времени. Говорят, что они не совпадают по фазе. Если вы замените конденсатор обычным резистором того же сопротивления, то оба сигнала совпадут по фазе. Напряжение и ток в случае активного сопротивления совпадают по фазе. Для проведения эксперимента на макетной плате мне приходится включать осциллограф, да еще придумать, как на одноканальном осциллографе увидеть сдвиг фаз. Это не так наглядно, как на двухканальном. Когда мы будем разговаривать о схемах, сигналах, обратной связи, я постараюсь не забыть и расскажу, как это сделать. Или приведу схему, которую сам некогда собрал, чтобы превратить одноканальный осциллограф в двухканальный.

Еще одним представителем реактивного сопротивления является индуктивность. Хотя индуктивностью, впрочем как и емкостью, обладают многие элементы схем, обычно индуктивность – это катушка с проводом. Если такая катушка имеет сердечник из специального материала, например, феррита, то ее индуктивность больше. Как и конденсатор, индуктивность обладает сопротивлением переменному току, но в отличие от конденсатора это сопротивление растет с ростом частоты, то есть, индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте и индуктивности. Раньше для получения индуктивности на цилиндрический каркас наматывали провод, сегодня появились новые технологии изготовления индуктивностей, в основном из-за того, что частоты устройств стали очень высокими. Технология намотки провода на каркас сохранилась там, где индуктивность применяется на низких частотах, да при изготовлении трансформаторов. Трансформатор – устройство, использующее тот факт, что две катушки на одном каркасе оказываются связаны индуктивно, и если на одну, их называют обмотками, если на одну обмотку трансформатора подать переменный ток, то вторая обмотка ведет себя как источник переменного тока. Если количество витков обоих обмоток трансформатора одинаково, то и напряжение на второй обмотке будет равно напряжению на первой. Если количество витков второй обмотки меньше, чем первой, то напряжение на ней будет меньше. Таким образом, мы получаем понижающий трансформатор.

В сегодняшних бытовых устройствах все чаще используют импульсные блоки питания. Они много легче старых трансформаторных, отчего меньше весит телевизор или DVD-проигрыватель, но и они, как правило, имеют в своем составе трансформатор. Суть перемен в схемотехнике блоков питания в преобразовании частоты питающей сети, 50 Гц в нашей стране, в более высокую частоту. Поскольку индуктивное сопротивление зависит от частоты, трансформатор, работающий на более высокой частоте, имеет меньшие габариты и вес, чем пятидесятигерцовый. Так используется зависимость индуктивного сопротивления от частоты. Но не только так.

И конденсатор, и индуктивность реагируют на изменение частоты. Изменяется их сопротивление переменному току. Но у конденсатора сопротивление уменьшается с ростом частоты, а у индуктивности сопротивление увеличивается. А что, если включить их вместе, конденсатор и индуктивность? Вместе их можно включить либо последовательно, либо параллельно. В любом случае возникает некая особая ситуация, когда на какой-то частоте их сопротивления переменному току будут равны. Проведем такой эксперимент:

Рис. 1.13. Параллельное включение конденсатора и индуктивности

Поскольку меня в данный момент интересует сопротивление параллельно включенных конденсатора и индуктивности, на схеме они включены (параллельно друг другу) последовательно с резистором 10 кОм. Их сопротивление я отслеживаю по падению напряжения на них с помощью вольтметра. Источник переменного тока (или, точнее, напряжения) V1 позволяет мне менять частоту, которая в данный момент равна 100 Гц. Напряжение источника 10 В. При емкости конденсатора 1 мкФ и индуктивности катушки 100 мГн (генри – единица индуктивности) напряжение на паре конденсатор-индуктивность, как видно из графика, порядка 0.1 В.

Изменив частоту источника переменного напряжения, кстати, синусоидального, до 1000 Гц, я получу новый график:

Рис. 1.14. График напряжения на контуре при частоте 1000 Гц

А повторив эту операцию для частоты 500 Гц, получу такой вид графика:

Рис. 1.15. График напряжения на частое 500 Гц

Как видно из рисунка, напряжение на частоте 500 Гц возрастает до 4 В, а это означает, что сопротивление на частоте 500 Гц резко увеличивается. Именно эту особенность – реакцию на определенную частоту – я и хотел отметить. Свойство выделять определенную частоту переменного тока у пары конденсатор-индуктивность называют резонансом. Для каждого значения конденсатора и индуктивности есть своя резонансная частота. Ее значение равно единице, деленной на корень квадратный из произведения этих значений, умноженный на коэффициент 2π. Я не буду приводить расчетную формулу, которую легко получить из исходной предпосылки равенства емкостного и индуктивного сопротивлений, но отмечу, что это свойство достаточно широко применяется для выделения определенной частоты из множества других, особенно в радиотехнических схемах.

Я использовал параллельное включение конденсатора и индуктивности (иногда я сам оговариваюсь, называя индуктивность катушкой индуктивности), в этом случае говорят о параллельном резонансе, но можно включить их последовательно, получив последовательный резонанс. Выше я говорил о том, что напряжение на конденсаторе и ток через него не совпадают по фазе. Посмотрите, что происходит с напряжением и током резонансного контура (так называют пару конденсатор-индуктивность), используя схему аналогичную той, что я приводил для конденсатора. Очень интересный эксперимент.

Вопрос №1

Конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменится заряд на обкладках конденсатора, если расстояние между ними увеличить в 2 раза?

Вопрос №2

Плоский конденсатор зарядили от источника постоянного тока и отключили от него, а затем заполнили диэлектриком с ε = 2 и увеличили расстояние между обкладками конденсатора вдвое. Как изменится разность потенциалов на конденсаторе?

Вопрос №3

Батареи одинаковых конденсаторов, подключена следующим образом: два параллельно друг другу и один последовательно им обоим. Чему равна емкость батареи?

Вопрос №4

Какова электроемкость батареи из 10 конденсаторов с C = 10 мкФ, включенных параллельно?

Вопрос №5

N конденсаторов с емкостью C каждый соединены параллельно. Чему равен заряд батареи конденсаторов при подключении к источнику постоянного тока?

Вопрос №6

N конденсаторов с емкостью C каждый соединены последовательно. Чему равно напряжение на батарее конденсаторов при подключении ее к источнику постоянного тока?

Задача №1

Определить напряжение на конденсаторе, включенном в схему, показанную на рисунке. Лампочки рассматривать как резисторы с одинаковым сопротивлением.
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте ваш ответ.

Задача №2

Между двумя последовательно включенными как показано на рисунке источниками постоянного тока размещены конденсатор и лампочка. Какое напряжение будет показывать вольтметр после замыкания ключа?
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте ваш ответ.

Задача №3

Два конденсатора и четыре лампочки подключены к источнику постоянного тока U = 5 В как показано на схеме. Лампочки рассматривать как резисторы с одинаковым сопротивлением.

Что покажут вольтметры, включенные в цепь параллельно конденсаторам?
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте ваш ответ.

Задача №4

В схему включены три одинаковых конденсатора и три источника постоянного тока, подключенных, как показано на схеме. Какое напряжение покажет вольтметр после замыкания ключа?

Проведите компьютерный эксперимент и проверьте ваш ответ.

Задача №5

В схему включены три одинаковые лампочки, три источника постоянного тока с ЭДС ₁ = 5 В, ₂ = –3 В, ₃ = 4 В и конденсатор C. Что покажет вольтметр при замыкании ключа? Лампочки рассматривать как резисторы с одинаковым сопротивлением.
Проведите компьютерный эксперимент и проверьте ваш ответ.

Переходные процессы в цепях постоянного тока с конденсатором

ПЕРЕХОДНЫМ ПРОЦЕССОМ называется процесс перехода от одного установившегося в цепи режима к другому. Примером такого процесса является зарядка и разрядка конденсатора. В ряде случаях законы постоянного тока можно применять и к изменяющимся токам, когда изменение тока происходит не слишком быстро. В этих случаях мгновенное значение силы тока будет практически одно и то же во всех поперечных сечениях цепи. Такие токи называют квазистационарными

РАЗРЯДКА КОНДЕНСАТОРА. Если обкладки заряженного конденсатора ёмкости С замкнуть через сопротивление R, то через это сопротивление потечёт ток. Согласно закону Ома для однородного участка цепи

IR=U,

где I и U – мгновенные значения силы тока в цепи и напряжения на обкладках конденсатора. Учитывая, что и , преобразуем закон Ома к виду

(1)

В этом дифференциальном уравнении переменные разделяются, и после интегрирования получим закон изменения заряда конденсатора со временем

, (2)

где q₀ – начальный заряд конденсатора, е – основание натурального логарифма. Произведение RC, имеющее размерность времени, называется время релаксации t . Продифференцировав выражение (2) по времени, найдём закон изменения тока:

, (3)

где I₀ – сила тока в цепи в момент времени t = 0. Из уравнения (3) видно, что t есть время, за которое сила тока в цепи уменьшается в е раз.

Зависимость от времени количества теплоты, выделившегося на сопротивлении R при разряде конденсатора можно найти из закона Джоуля-Ленца:

(4)

ЗАРЯДКА КОНДЕСАТОРА.

Считаем, что первоначально конденсатор не заряжен. В момент времени t = 0 ключ замкнули, и в цепи пошёл ток, заряжающий конденсатор. Увеличивающиеся заряды на обкладках конденсатора будут всё в большей степени препятствовать прохождению тока, постепенно уменьшая его. Запишем закон Ома для этой замкнутой цепи:

.

После разделения переменных уравнение примет вид:

Проинтегрировав это уравнение с учётом начального условия

q = 0 при t = 0 и с учётом того, что при изменении времени от 0 до t заряд изменяется от 0 до q, получим

, или после потенцирования

q = . (4)

Анализ этого выражения показывает, что заряд приближается к своему максимальному значению, равному С, асимптотически при t ® ?.

Подставляя в формулу (4) функцию I(t) = dq/dt, получим

. (5)

Из закона сохранения энергии следует, что при зарядке конденсатора для любого момента времени работа источника тока dА_ист рана сумме количества джоулевой теплоты dQ, выделившейся на резисторе R и изменению энергии конденсатора dW:

dA_ист= dQ + dW,

где dA_ист =Idt, dQ =I²Rdt, dW =d. Тогда для произвольного момента времени t имеем:

А_ист(t)===С. (6)

Q(t)==С. (7)

W(t) ==. (8)

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

В реальных электрических цепях постоянного тока, содержащих конденсаторы, переходные процессы разрядки и зарядки конденсаторов проходят за время порядка 10^–6 – 10^-3 с. Для того,чтобы сделать доступными для наблюдения и измерения электрические параметры при переходных процессах в настоящей компьютерной модели это время значительно увеличено за счёт увеличения ёмкости конденсатора.

ЭКСПЕРИМЕНТ 1

Определение ёмкости конденсатора методом разрядки

1.Соберите на рабочей части экрана замкнутую электрическую цепь, показанную ниже на рис.2. Для этого сначала щёлкните мышью на кнопке э.д.с.,расположенной в правой части окна эксперимента. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки, и щёлкните маркером мыши в виде вытянутого указательного пальца в том месте, где должен быть расположен источник тока. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора э.д.с., нажмите на левую кнопку мыши, удерживая её в нажатом состоянии, меняйте величину э.д.с. и установите 10 В. Аналогичным образом включите в цепь 4 других источника тока. Суммарная величина э.д.с. батареи должна соответствовать значению, указанному в таблице 1 для вашего варианта.

Таким же образом разместите далее на рабочей части экрана 7 ламп Л1-Л7 ( кнопка ), Ключ К (кнопка ), вольтметр (кнопка ), амперметр (кнопка ), конденсатор (кнопка ). Все элементы электрической цепи соедините по схеме рис.1 с помощью монтажных проводов (кнопка ).

2. Щёлкните мышью на кнопке «Старт». Должна засветиться лампа Л7, а надпись на кнопке измениться на «Стоп». Курсором мыши замкните ключ К.

3. После установления в цепи стационарного тока ( должны погаснуть лампы Л5 и Л6 и светиться лампы Л1-Л4) запишите показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.

4. Нажмите на кнопку «Стоп» и курсором мыши разомкните ключ К.

5. Двумя короткими щелчками мыши на кнопке «Старт» запустите и остановите процесс разрядки конденсатора. Показания амперметра будут соответствовать начальному току разрядки конденсатора I₀. Запишите это значение в таблицу 3.

6. Вновь замкните ключ, зарядите конденсатор и повторите п.п. 5, 6 ещё 4 раза.

7. Для каждого опыта рассчитайте I_t= I₀/2,7- силу тока, которая должна быть в цепи разрядки конденсатора через время релаксации t и запишите эти значения в таблицу 3.

8. При разомкнутом ключе нажатием кнопки «Старт» запустите процесс разрядки конденсатора и одновременно включите секундомер.

9. Внимательно наблюдайте за изменением показаний амперметра в процессе разрядки конденсатора. Остановите секундомер и синхронно нажмите кнопку «Стоп» при показании амперметра, равном или близким к I_t. Запишите это значение времени t₁ в таблицу 3.

10. Проделайте опыты п.п.8, 9 ещё 4 раза.

Таблица 1. Суммарное значение э.д.с. источников тока

Таблица 2. Определение сопротивления лампы.

Таблица 3. Результаты измерений и расчётов.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. По закону Ома для участка цепи Л1-Л4: и результатам измерений, приведённым в таблице 2, определите сопротивление одной лампы.

2. По формуле (при разрядке конденсатора квазистационарный ток протекает по 6 последовательно соединённым лампам) определите ёмкость конденсатора и запишите эти значения в таблицу 3.

3. Рассчитайте погрешности измерений и сформулируйте выводы по результатам проделанной работы.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2

Изучение зависимости от времени количества тепла, выделившегося на нагрузке при разряде конденсатора

1. Выполняя действия, аналогичные описанным в эксперименте 1, зарядите конденсатор до напряжения, соответствующего суммарному значению э.д.с. для вашего варианта.
2. Нажмите кнопку «Стоп» и отключите ключ К.
3. Проведите 5-ти секундный процесс частичного разряда конденсатора через подключённые лампы. Для этого нажмите синхронно кнопку «Старт» и кнопку запуска секундомера и через 5 секунд нажатием кнопки «Стоп» остановите процесс разрядки конденсатора.
4. Запишите показания амперметра в таблицу 4 и вновь зарядите конденсатор до первоначального напряжения.
5. Последовательно увеличивая длительность процесса разрядки конденсатора на 5 с, проделайте эти опыты до времени разрядки, соответствующему полному исчезновению заряда на конденсаторе. (Напряжение на конденсаторе и ток разрядки через лампы должен быть близким к нулю). Результаты измерений тока разрядки запишите в соответствующие ячейки таблицы 4.

Таблица 4. Результаты измерений и расчетов

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. Для каждого времени разрядки вычислите по формуле (4) количество тепла, выделившегося на шести лампах и запишите эти значения в соответствующие ячейки третьей строки табл.4. Полезный совет: для расчёта Q воспользуйтесь программой MS Exсel.
2. Постройте график зависимости количества выделившегося тепла Q к данному моменту времени от длительности процесса разрядки конденсатора t.
3. Сравните рассчитанное количество тепла, выделившееся к моменту полного разряда конденсатора с его теоретическим значением, равным .
4. Сделайте выводы по графику и ответу и проведите расчёт погрешностей измерений.

ЭКСПЕРИМЕНТ 3

Проверка закона сохранения энергии в процессе зарядки конденсатора через сопротивление

Рис.3

1. Соберите в рабочей части экрана опыта схему, показанную на рис.3. Вольтметр, включённый параллельно 5-ти лампам, будет показывать напряжение на внешнем сопротивлении, а амперметр – силу тока через нагрузку и источники тока. Напряжение на конденсаторе определяется программой автоматически и указывается в вольтах на экране монитора над конденсатором.
2. Установите суммарную э.д.с. источников тока, соответствующую значению, приведённому в табл.1 для вашего варианта.
3. При разомкнутом ключе К нажмите кнопку «Старт».
4. Нажатием кнопки мыши замкните ключ К и начните процесс зарядки конденсаторов. Одновременно с замыканием ключа включите секундомер.
5. Через время релаксации t = RС нажатием кнопки «Стоп» остановите процесс и запишите показания электроизмерительных приборов в таблицу 5.
6. Нажмите кнопку «Выбор» и обнулите показания напряжений на всех конденсаторах и на электроизмерительных приборах.
7. Повторите эти измерения ещё 4 раза и заполните две верхних строки таблицы 5.

Таблица 5. Результаты измерений и расчетов

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. По формулам 6, 7, 8 и измеренным значениям напряжения на конденсаторе U_c рассчитайте величины работу источника тока А_ист, изменение энергии конденсатора DW и выделившегося на нагрузке количества тепла Q через время заряда, равного времени релаксации.
2. Проверьте выполнение закона сохранения энергии в процессе зарядки конденсатора по формуле: А_ист =DW + Q.
3. Сделайте выводы по итогам работы.

Вопросы и задания для самоконтроля

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что представляет собой конденсатор и от чего зависит его ёмкость?
2. Выведите формулы ёмкости плоского, цилиндрического и сферического конденсаторов.
3. Как изменяется разность потенциалов на обкладках конденсатора при его зарядке и разрядке?
4. Какой ток называется квазистационарным?
5. Выведите формулы электроёмкости батареи последовательно и параллельно соединённых конденсаторов
6. Что такое время релаксации?
7. Объясните принцип работы экспериментальной установки.
8. Нарисуйте графики зависимости силы тока и напряжения от времени при зарядке и разрядке конденсатора.
9. Соберите на мониторе такую цепь, состоящую из источника тока, двух ламп, выключателя и соединительных проводов, чтобы с выключением лампы в одной цепи загоралась лампа в другой.
10. Определите заряд, который пройдёт через гальванометр в схеме, показанной на рис. 2, при замыкании ключа.
11. Конденсатор ёмкости С = 300 пФ подключается через сопротивление R =500 Ом к источнику постоянного напряжения U₀. Определите: а) время, по истечению которого напряжение на конденсаторе составит 0,99 U₀; в) количество тепла, которое выделится на этом сопротивлении при разрядке конденсатора за это же время.
12. Имеется ключ, соединительные провода и две электрические лампочки. Составьте на мониторе электрическую схему включения в сеть этих лампочек, которая должна удовлетворять следующему условию: при замкнутом ключе горит только первая лампочка, при размыкании ключа первая гаснет, а вторая загорается.
13. Конденсатору ёмкостью С сообщают заряд q, после чего обкладки конденсатора замыкают через сопротивление R. Определите: а) закон изменения силы тока, текущего через сопротивление; б) заряд, прошедший через сопротивление за время t; в) количество тепла, выделившееся в сопротивлении за это время.
14. Определите количество тепла, выделившегося в цепи (рис. 4-6) при переключении ключа К из положения 1 в положение 2. Параметры цепи обозначены на рисунках.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Калькуляторы рассчитывают параметры разрядки и зарядки конденсатора от источника постоянной ЭДС через сопротивление. Формулы, по которым идет расчет, приведены под калькуляторами.

Заряд конденсатора от источника постоянной ЭДС

Схема зарядки конденсатора v1 1 0 dc 6 r1 1 2 1k c1 2 0 1000u ic = 0 .tran 0,1 5 uic .plot tran v (2,0).конец