Що таке змінний струм
Якщо розглядати постійний струм, він не завжди може бути ідеально постійним: напруга на виході джерела може залежати від навантаження або від ступеня розряду акумулятора або гальванічної батареї. Навіть при постійному стабілізованому напрузі струм у зовнішньому ланцюзі залежить від навантаження, що підтверджує закон Ома. Виходить, що це теж не зовсім постійний струм, але змінним такий струм назвати також не можна, оскільки напрямки він не змінює.
Змінним зазвичай називають напругу чи струм, напрям і величина якого змінюються не під впливом зовнішніх чинників, наприклад навантаження, а цілком «самостійно»: саме його виробляє генератор. До того ж, ці зміни мають бути періодичними, тобто. такими, що повторюються через певний проміжок часу, званий періодом.
Якщо ж напруга або струм змінюється абияк, не дбаючи про періодичність та іншу закономірність, такий сигнал називається шумом. Класичний приклад- Сніг на екрані телевізора при слабкому ефірному сигналі. Приклади деяких періодичних електричних сигналів показано малюнку 1.
Для постійного струмує лише дві характеристики: це полярність та напруга джерела. У разі змінного струму цих двох величин явно недостатньо, тому з'являються ще кілька параметрів: амплітуда, частота, період, фаза, миттєве та діюче значення.
Малюнок 1.
Найчастіше у техніці доводиться зіштовхуватися з коливаннями синусоїдальної форми, причому, у електротехніці. Уявіть автомобільне колесо. При рівномірному русіпо хорошій рівній дорозі центр колеса описує пряму, паралельну дорожньому покриттю. У той же час, будь-яка точка на периферії колеса переміщається по синусоїді відносно щойно згаданої прямої.
Сказане може підтвердити малюнок 2, на якому показаний графічний метод побудови синусоїди: хто добре вчив креслення, той чудово уявляє, як виконуються такі побудови.
Малюнок 2.
З шкільного курсуФізики відомо, що синусоїда є найбільш поширеною та придатною для вивчення періодичної кривої. В точності також синусоїдальні коливання утворюються в генераторах змінного струму, що обумовлено їх механічним пристроєм.
На малюнку 3 показаний графік синусоїдального струму.
Малюнок 3.
Неважко помітити, що величина струму змінюється за часом, тому вісь ординат позначена малюнку як i(t), - функція струму від часу. Повний періодструму позначений суцільною лінією і має період T. Якщо розпочати розгляд від початку координат, то видно, що спочатку струм збільшується, доходить до Imax, переходить через нуль, зменшується до -Imax, після чого збільшується і доходить до нуля. Далі починається наступний період, що показано пунктирною лінією.
У вигляді математичної формулиповедінка струму записується так: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).
Тут i(t) - миттєве значення струму, залежить від часу, Imax -амплітудне значення (максимальне відхилення стану рівноваги), ω - кругова частота (2*π*f), φ - фазовий кут.
Кругова частота вимірюється в радіанах в секунду, фазовий кут φ - в радіанах або градусах. Останній має сенс лише в тому випадку, коли є два синусоїдальні струми. Наприклад, в ланцюгах з струм випереджає напругу на 90?
Малюнок 4. У ланцюгах з конденсатором струм випереджає напругу на чверть періоду
Фізичний зміст кругової частоти в тому, який кут в радіанах «пробіжить» синусоїда за одну секунду.
Період - T час, протягом якого синусоїда зробить одне повне коливання. Те саме стосується і коливань іншої форми, наприклад, прямокутним або трикутним. Період вимірюється в секундах або менших одиницях: мілісекундах, мікросекундах або наносекундах.
Ще один параметр будь-якого періодичного сигналу, у тому числі й синусоїди, це частота, скільки коливань проробить сигнал за 1 секунду. Одиницею виміру частоти є герц (Гц), названий на ім'я вченого ХІХ століття Генріха Герца. Отже, частота 1Гц це ні що інше, як одне коливання/секунду. Наприклад, частота освітлювальної мережі 50Гц, тобто за секунду проходить рівно 50 періодів синусоїди.
Якщо відомий період струму (можна ), частоту сигналу допоможе дізнатися формула: f=1/T. При цьому, якщо час виражений у секундах, то результат вийде у Герцах. І навпаки, T=1/f, частота Гц, час виходить у секундах. Наприклад, при період вийде 1/50 = 0,02 сек, або 20 мілісекунд. В електриці частіше застосовуються більш високі частоти: КГц – кілогерці, МГц – мегагерці (тисячі та мільйони коливань на секунду) тощо.
Все сказане для струму справедливе та для змінної напруги: достатньо на рис 6 просто поміняти букву I на U. Формула виглядатиме ось так: u(t)=Umax*sin(ω*t±φ).
Цих роз'яснень цілком достатньо для того, щоб повернутися до дослідам з конденсаторамиі пояснити їхній фізичний зміст.
Конденсатор проводить змінний струм, що було показано у схемі малюнку 3 (див. статтю - ). Яскравість світла лампи збільшується при підключенні додаткового конденсатора. При паралельному включенні конденсаторів їх ємності складаються, тому можна припустити, що ємнісний опір Xc залежить від ємності. Крім того, воно залежить ще від частоти струму, і тому формула виглядає так: Xc=1/2*π*f*C.
З формули випливає, що зі збільшенням ємності конденсатора та частоти змінної напруги реактивний опір Xc зменшується. Ці залежності показані малюнку 5.
Рисунок 5. Залежність реактивного опоруконденсатора від ємності
Якщо підставити у формулу частоту в Герцах, а ємність у Фарадах, то результат вийде в Омах.
Чи грітиметься конденсатор?
Тепер пригадаємо досвід із конденсатором та електролічильником, чому він не крутиться? Справа в тому, що лічильник вважає активну енергію, коли споживачем є чисто активне навантаження, наприклад, лампи розжарювання, електрочайник або електроплита. У таких споживачів напруга та струм збігаються по фазі, мають один знак: якщо перемножити два негативні числа (напруга і струм під час негативного напівперіоду) результат за законами математики все одно позитивний. Тому потужність таких споживачів завжди позитивна, тобто. йде у навантаження та виділяється у вигляді тепла, як показано на малюнку 6 пунктирною лінією.
Малюнок 6.
У випадку, коли в ланцюг змінного струму включений конденсатор струм і напруга по фазі не збігаються: струм випереджає по фазі напруга на 90?, що призводить до того, що виходить поєднання, коли струм і напруга мають різні знаки.
Малюнок 7.
У ці моменти потужність виходить негативною. Іншими словами, коли потужність позитивна, конденсатор заряджається, а коли негативна – запасена енергія віддається назад у джерело. Тому в середньому виходить по нулях і рахувати тут просто нічого.
Конденсатор, якщо він справний, не буде навіть ніскільки нагріватися. Тому часто конденсатор називають безватним опоромщо дозволяє застосовувати його в безтрансформаторних малопотужних блоках живлення. Хоча такі блоки не рекомендується використовувати через їхню небезпеку, все-таки іноді це робити доводиться.
Перед тим, як встановлювати такий блок конденсатор, що гасить, його слід перевірити простим включенням у мережу: якщо за півгодини конденсатор не нагрівся, його сміливо можна включати в схему. В іншому випадку його доведеться просто без жалю викинути.
Що вказує вольтметр?
При виготовленні та ремонті різних пристроїв, хоч і не дуже часто, але доводиться міряти змінну напругу і навіть струми. Якщо синусоїда поводиться так неспокійно, то вгору, то вниз, що показуватиме звичайний вольтметр?
Середнє значення періодичного сигналу, у разі синусоїди, підраховується як площа, обмежена віссю абсцис і графічним зображенням сигналу, поділена на 2*π радіан чи період синусоїди. Оскільки верхня і нижня частина абсолютно однакові, але мають різні знаки, середнє значення синусоїди дорівнює нулю, і міряти його не потрібно, і навіть просто безглуздо.
Тому вимірювальний прилад показує нам середньоквадратичне значення напруги чи струму. Середньоквадратичним називається таке значення періодичного струму, при якому на тому самому навантаженні виділяється та ж кількість теплоти, що і на постійному струмі. Іншими словами, лампочка світить з тією ж яскравістю.
Формулами це описується так: Iсрк=0,707*Imax= Imax/√2 для напруги формула та сама, досить поміняти одну букву Uсрк=0,707*Umax=Umax/√2. Саме це значення показує вимірювальний прилад. Їх можна підставляти у формули при розрахунку за законом Ома або при розрахунку потужності.
Але це далеко не все, на що здатний конденсатор у мережі змінного струму. У наступній статті буде розглянуто використання конденсаторів у імпульсних схемах, фільтрах верхніх та нижніх частот, у генераторах синусоїди та прямокутних імпульсів.
Чи багато написано про конденсатори, чи варто додавати ще кілька тисяч слів до тих мільйонів, що вже є? Такі додам! Вірю, що мій виклад принесе користь. Адже воно буде зроблено з урахуванням.
Що таке електричний конденсатор
Якщо говорити російською, то конденсатор можна обізвати "накопичувач". Так навіть зрозуміліше. Тим більше саме так перекладається наша мова ця назва. Склянку теж можна обізвати конденсатором. Тільки він накопичує рідину. Або мішок. Так, мішок. Виявляється також накопичувач. Накопичує у собі все, що ми туди засунемо. До чого тут електричний кондесатор? Він такий самий як склянка або мішок, але тільки накопичує електричний заряд.
Уяви собі картину: ланцюгом проходить електричний струм, його шляху зустрічаються резистори, провідники і, бац, виник конденсатор (стакан). Що станеться? Як ти знаєш, струм це потік електронів, а кожен електрон має електричний заряд. Таким чином, коли хтось каже, що ланцюгом проходить струм, ти уявляєш собі як ланцюгом біжать мільйони електронів. Саме ось ці самі електрончики, коли на їхньому шляху виникає конденсатор, і накопичуються. Чим більше запхнемо в конденсатор електронів, тим більше буде його заряд.
Виникає питання, а скільки можна таким чином нагромадити електронів, скільки влізе в конденсатор і коли він "наїсться"? Давай з'ясовувати. Дуже часто для спрощеного пояснення простих електричних процесів використовують порівняння з водою та трубами. Скористаємося таким підходом також.
Уяви, трубу, якою тече вода. На одному кінці труби насос, який із силою закачує воду у цю трубу. Потім поперек труби подумки постав гумову мембрану. Що станеться? Мембрана буде розтягуватися і напружуватися під впливом сили тиску води в трубі (тиск створюється насосом). Вона буде розтягуватися, розтягуватися, розтягуватися і в результаті сила пружності мембрани або врівноважить силу насоса і потік води зупиниться, або мембрана порветься (Якщо так незрозуміло, то уяви собі повітряну кульку, яка лусне, якщо її накачати занадто сильно)! Те саме відбувається і в електричних конденсаторах. Тільки там замість мембрани використовується електричне поле, яке росте в міру заряджання конденсатора і поступово врівноважує напругу джерела живлення.
Таким чином, конденсатор має певний граничний заряд, який він може накопичити і після перевищення якого відбудеться пробою діелектрика в конденсаторі він зламається і перестане бути конденсатором. Саме час, мабуть, розповісти, як влаштований конденсатор.
Як влаштований електричний конденсатор
У школі тобі розповідали, що конденсатор – це така штуковина, яка складається з двох пластин та порожнечі між ними. Ці пластини називали обкладками конденсатора і до них підключали проводки, щоб подати напругу на конденсатор. Так ось сучасні конденсатори не дуже відрізняються. Вони також мають обкладки і між обкладками знаходиться діелектрик. Завдяки наявності діелектрика покращуються характеристики конденсатора. Наприклад, його ємність.
У сучасних конденсаторах використовуються різні види діелектриків (про це нижче), які запихаються між обкладками конденсаторів найвитонченішими способами для досягнення певних характеристик.
Принцип роботи
Загальний принцип роботи досить простий: подали напругу - заряд накопичився. Фізичні процеси, які при цьому відбуваються зараз, тебе не сильно повинні цікавити, але якщо захочеш, то можеш про це прочитати в будь-якій книзі з фізики в розділі електростатики.
Конденсатор у ланцюгу постійного струму
Якщо помістити наш конденсатор у електричний ланцюг(Рис. нижче), включити послідовно з ним амперметр і подати в ланцюг постійний струм, то стрілка амперметра коротко смикнеться, а потім замре і буде показувати 0А - відсутність струму в ланцюзі. Що трапилося?
Вважатимемо, що до того, як був поданий струм у ланцюг, конденсатор був порожній (розряджений), а коли подали струм, то він дуже швидко став заряджатися, а коли зарядився (ел. поле між обкладками конденсатора врівноважено джерело живлення), то струм припинився (тут графік заряду конденсатора).
Саме тому кажуть, що конденсатор не пропускає постійний струм. Насправді пропускає, але дуже короткий час, який можна порахувати за формулою t = 3*R*C (Час зарядки конденсатора до об'єму 95% від номінального. R-опір ланцюга, C - ємність конденсатора) Так конденсатор поводиться в ланцюгу постійного струму. Зовсім інакше він поводиться в ланцюзі змінного!
Конденсатор у ланцюгу змінного струму
Що таке змінний струм? Це коли електрони "біжать" спочатку туди, потім назад. Тобто. напрямок їх руху постійно змінюється. Тоді, якщо по ланцюгу з конденсатором побіжить змінний струм, то на кожній його обкладці накопичуватиметься то "+" заряд, то "-". Тобто. фактично протікатиме змінний струм. А це означає, що змінний струм "безперешкодно" проходить через конденсатор.
Весь цей процес можна змоделювати методом гідравлічних аналогій. На зображенні нижче аналог ланцюга змінного струму. Поршень штовхає рідину вперед, то назад. Це змушує крутиться крильчатку вперед-назад. Виходить хіба що змінний потік рідини (читаємо змінний струм).
Давай тепер помістимо між джерелом сили (поршнем) та крильчаткою меодель конденсатора у вигляді мембрани та проаналізуємо, що зміниться.
Схоже, нічого не зміниться. Як рідина здійснювала коливальні рухи, так вона їх і робить, як через це коливалася крильчатка, так і коливатиметься. Отже наша мембрана не є перешкодою для змінного потоку. Також буде для електронного конденсатора.
Річ у тім, що хоч електрони, які біжать почепи і перетинають діелектрик (мембрану) між обкладками конденсатора, але поза конденсатора їх рух коливальний (туди-сюди), тобто. протікає змінний струм. Ех!
Таким чином, конденсатор пропускає змінний струм і затримує постійний. Це дуже зручно, коли потрібно прибрати постійну складову сигналу, наприклад, на виході/вході аудіопідсилювача або, коли потрібно подивитися тільки змінну частину сигналу (пульсації на виході джерела) постійної напруги).
Реактивний опір конденсатора
Конденсатор має опір! В принципі, це можна було припустити вже з того, що через нього не проходить постійний струм, як би це був резистор з дуже великим опором.
Інша справа струм змінний - він проходить, але відчуває з боку конденсатора опір:
f – частота, С – ємність конденсатора. Якщо уважно подивитися на формулу, то стане видно, що якщо постійний струм, то f = 0 і тоді (хай вибачать мене войовничі математики!) X c = нескінченність.І постійного струму через конденсатор немає.
А ось опір змінному струму змінюватиме залежно від його частоти та ємності конденсатора. Чим більша частота струму і ємність конденсатора, тим менше він пручається цьому струму і навпаки. Чим швидше змінюється напряже-
напруга, тим більше струм через конденсатор, цим пояснюється зменшення Хс зі зростанням частоти.
До речі, ще однією особливістю конденсатора є те, що на ньому не виділяється потужність, він не нагрівається! Тому його іноді використовують для гасіння напруги там, де резистор задимився б. Наприклад зниження напруги мережі з 220В до 127В. І ще:
Струм у конденсаторі пропорційний швидкості прикладеної до його висновків напруги
Де використовуються конденсатори
І скрізь де потрібні їх властивості (не пропускати постійний струм, уміння накопичувати електричну енергіюі змінювати свій опір залежно від частоти), у фільтрах, коливальних контурах, у помножувачах напруги і т.д.
Які бувають конденсатори
Промисловість випускає безліч різних видівконденсаторів. Кожен з них має певні переваги і недоліки. В одних малий струм витоку, в інших велика ємність, у третіх щось ще. Залежно від цих показників вибирають конденсатори.
Радіоаматори, особливо як ми - початківці - особливо не морочаться і ставлять, що знайдуть. Проте слід знати, які основні види конденсаторів існують у природі.
На зображенні показано досить умовний поділ конденсаторів. Я його склав на свій смак і подобається воно мені тим, що відразу зрозуміло, чи існують змінні конденсатори, які бувають постійні конденсатори і які діелектрики використовуються в поширених конденсаторах. Загалом все, що потрібно радіоаматору.
Мають малий струм витоку, малими габаритами, малу індуктивність, здатні працювати на високих частотахі в ланцюгах постійного, пульсуючого та змінного струму.
Випускаються в широкому діапазоні робочих напруг і ємностей: від 2 до 20 000 пФ і в залежності від виконання витримують напругу до 30кВ. Але найчастіше ти зустрінеш керамічні конденсаториз робочою напругою до 50В.
Чесно скажу не знаю чи випускають їх зараз. Але раніше в таких конденсаторах як діелектрик використовувалася слюда. А сам конденсатор складався з пачки слюдяних, на кожній з яких з обох боків наносилися обкладки, а потім такі платсинки збиралися в пакет і запаковувалися в корпус.
Зазвичай вони мали ємність від кількох тисяч до десятків тисяч пікофорад і працювали в діапазоні напруг від 200 до 1500 В.
Паперові конденсатори
Такі конденсатори як діелектрика мають конденсаторний папір, а як обкладки - алюмінієві смужки. Довгі стрічки алюмінієвої фольги з прокладеною між ними стрічкою паперу згортаються в рулон і пакуються в корпус. Ось і весь фокус.
Такі конденсатори бувають ємністю від тисяч пікофорад до 30 мікрофорад і можуть витримувати напругу від 160 до 1500 В.
Подейкують, що зараз цінуються аудіофіалами. Не здивований - у них і дроти односторонньої провідності бувають...
У принципі звичайні кондесатори з поліестером як діелектрик. Розкид ємностей від 1 нФ до 15 мФ при робочій напрузі від 50 до 1500 В.
У конденсаторів цього типу є дві незаперечні переваги. Перше - можна їх робити з дуже маленьким допуском лише в 1%. Отже, якщо на такому написано 100 пФ, то його ємність 100 пФ +/- 1%. І друге - це те, що їхня робоча напруга може досягати до 3 кВ (а ємність від 100 пФ, до 10 мФ)
Електролітичні кондесатори
Ці конденсатори відрізняються від інших тим, що їх можна включати тільки ланцюг постійного або пульсуючого струму. Вони полярні. Мають плюс та мінус. Пов'язано це з їхньою конструкцією. І якщо такий конденсатор увімкнути навпаки, то він швидше за все здується. А раніше вони ще й весело, але небезпечно вибухали. Бувають електролітичні конденсаториалюмінієві та танталові.
Алюмінієві електролітичні конденсатори влаштовані майже як паперові з тією різницею, що обкладками такого конденсатора є паперова та алюмінієві смуги. Папір просочений електролітом, а на алюмінієву смугу нанесений тонкий шар оксиду, який виступає в ролі діелектрика. Якщо подати на такий конденсатор змінний струм або включити полярностям виводу, то електроліт закипає і конденсатор виходить з ладу.
Електролітичні конденсатори мають досить велику ємність, завдяки чому їх, наприклад, часто використовують у випрямлювальних ланцюгах.
На цьому, напевно, все. За кадром залишилися конденсатори з діелектриком з півкарбонату, полістиролу і ще багато інших видів. Але гадаю, що це вже буде зайвим.
Далі буде...
У другій частині я планую показати приклади типового використання конденсаторів.
>>Фізика 11 клас >> Конденсатор у ланцюгу змінного струму
§ 33 КОНДЕНСАТОР У ЛАНЦЮГУ ЗМІННОГО СТРУМУ
Постійний струм не може йти ланцюгом, що містить конденсатор. Адже фактично при цьому ланцюг виявляється розімкнутим, тому що обкладки конденсатора розділені діелектриком.
Змінний струм може йти по ланцюгу, що містить конденсатор. У цьому вся можна переконатися з допомогою простого досвіду.
Нехай у нас є джерела постійної та змінної напруги, причому постійна напруга на затискачах джерела дорівнює чинному значенню змінної напруги. Ланцюг складається з конденсатора та лампи розжарювання (рис. 4.13), з'єднаних послідовно. При включенні постійної напруги (перемикач повернутий вліво, ланцюг підключений до точок АА") лампа не світиться. Але при включенні змінної напруги (перемикач повернутий вправо, ланцюг підключений до точок ВВ") лампа загоряється, якщо ємність конденсатора досить велика.
Як же змінний струм може йти ланцюгом, якщо він фактично розімкнений (між пластинами конденсатора заряди переміщатися не можуть)? Вся справа в тому, що відбувається періодичне заряджання і розряджання конденсатора під дією змінної напруги. Струм, що йде в ланцюги при перезарядженні конденсатора, нагріває нитку лампи.
Встановимо, як змінюється з часом сила струму в ланцюзі, що містить лише конденсатор, якщо опором проводів та обкладок конденсатора можна знехтувати (рис. 4.14).
Напруга на конденсаторі
Сила струму, що є похідною заряду за часом, дорівнює:
Отже, коливання сили струму випереджають по фазі коливання напруги на конденсаторі (рис. 4.15). 
Амплітуда сили струму дорівнює:
I m = U m C. (4.29)
Якщо ввести позначку
і замість амплітуд сили струму та напруги використовувати їх діючі значення, то отримаємо
Величину X c , зворотну добутку циклічної частоти на електричну ємністьконденсатора називають ємнісним опором. Роль цієї величини аналогічна ролі активного опору R у законі Ома (див. формулу (4.17)). Чинне значення сили струму пов'язане з чинним значенням напруги на конденсаторі так само, як пов'язані згідно із законом Ома сила струму і напруга для ділянки ланцюга постійного струму. Це дозволяє розглядати величину Х як опір конденсатора змінному струму (ємнісний опір).
Чим більша ємність конденсатора, тим більше струм перезаряджання. Це легко виявити збільшення накалу лампи при збільшенні ємності конденсатора. У той час як опір конденсатора постійному струму нескінченно велике, його опір змінному струму має кінцеве значення X c . Зі збільшенням ємності воно зменшується. Зменшується воно і зі збільшенням частоти.
На закінчення відзначимо, що протягом чверті періоду, коли конденсатор заряджається до максимальної напруги, енергія надходить у ланцюг та запасається у конденсаторі у формі енергії електричного поля. У наступну чверть періоду при розрядці конденсатора ця енергія повертається в мережу.
Опір ланцюга з конденсатором обернено пропорційно добутку циклічної частоти на електроємність. Коливання сили струму випереджають фазою коливання напруги на .
1. Як пов'язані між собою діючі значення сили струму та напруги на конденсаторі в ланцюзі змінного струму!
2. Чи виділяється енергія в ланцюгу, що містить тільки конденсатор, якщо активним опором ланцюга можна знехтувати!
3. Вимикач ланцюга є свого роду конденсатор. Чому ж вимикач надійно розмикає ланцюг!
Швидка зміна сили струму та його напрями, що характеризує змінний струм, призводить до ряду найважливіших особливостей, що відрізняють дію змінного струму від постійного струму. Деякі з цих особливостей чітко виступають за наступних дослідів.
1. Проходження змінного струму через конденсатор. Нехай у нашому розпорядженні є джерело постійного струму з напругою 12 В (акумуляторна батарея) і джерело змінного струму з напругою 12 В. Приєднавши до кожного з цих джерел маленьку лампочку розжарювання, ми побачимо, що обидві лампочки горять однаково яскраво (рис. 298, а). Включимо тепер у ланцюг як першої, так і другої лампочки конденсатор великої ємності (рис. 298, б). Ми виявимо, що у разі постійного струму лампочка не розжарюється зовсім, а у разі змінного струму розжарення її залишається майже таким самим, як раніше. Відсутність розжарювання в ланцюгу постійного струму легко зрозуміти: між обкладками конденсатора є ізолюючий прошарок, так що ланцюг розімкнений. Напруження ж лампочки в ланцюгу змінного струму здається вражаючим.
Рис. 298. Проходження змінного струму через конденсатор: а) лампочки, включені в ланцюг постійного струму (праворуч) або змінного (ліворуч), розжарюються однаково; б) при включенні в ланцюг конденсатора ємності постійний струм припиняється, змінний струм продовжує йти і розжарювати лампочку
Однак, якщо вдуматися, то в цьому немає нічого загадкового. Ми маємо тут лише часте повторення добре знайомого нам процесу зарядки та розрядки конденсатора. Коли ми приєднуємо (рис. 299,а) конденсатор до джерела струму (повернувши важіль перемикача наліво), то проводами йде струм доти, поки заряди, що накопичилися на обкладках конденсатора, не створять різницю потенціалів, що врівноважує напругу джерела. У конденсаторі у своїй створюється електричне полі, у якому зосереджений певний запас енергії. Коли ж ми з'єднаємо обкладки зарядженого конденсатора провідником, від'єднавши джерело струму (повернувши важіль перемикача направо), заряд стікатиме по провіднику з однієї обкладки на іншу, і в провіднику, що включає лампочку, пройде короткочасний струм. Поле в конденсаторі зникає, і запасена в ньому енергія витрачається на розпалювання лампочки.
Рис. 299. При кожній перезарядці конденсатора лампочка спалахує: а) зарядка конденсатора (ключ – ліворуч) та його розрядка через лампочку (ключ – праворуч); б) швидка зарядката розрядка конденсатора при поворотах ключа, лампочка спалахує; в) конденсатор і лампочка в ланцюзі змінного струму
Те, що відбувається при проходженні змінного струму через конденсатор, наочно пояснює досвід, зображений на рис. 299,б. Повертаючи важіль перемикача праворуч, ми з'єднуємо конденсатор із джерелом струму, причому обкладка 1 заряджається позитивно, а обкладка 2 негативно. При середньому положенні перемикача, коли ланцюг розімкнений, конденсатор розряджається через лампочку. При повороті ручки перемикача ліворуч конденсатор знову заряджається, але цього разу обкладка 1 заряджається негативно, а обкладка 2 позитивно. Рухаючи швидко важіль перемикача то в один бік, то в інший, ми побачимо, що при кожній зміні контакту лампочка на мить спалахує, тобто через неї проходить короткочасний струм. Якщо робити перемикання досить швидко, то спалахи лампочки йдуть настільки швидко один за одним, що вона горітиме безперервно; при цьому через неї тече струм, що часто змінює свій напрямок. У конденсаторі при цьому весь час змінюватиметься електричне поле: воно буде створюватися, то зникати, то знову створюватися зі зворотним напрямком. Те саме відбувається і тоді, коли ми включаємо конденсатор у ланцюг змінного струму (рис. 299, в).
2. Проходження змінного струму через котушку з великою індуктивністю. Включимо в ланцюг, зображений на рис. 298,б замість конденсатора котушку з мідного дроту з великим числом витків, всередину яких вміщений залізний сердечник (рис. 300). Такі котушки мають, як відомо, велику індуктивність (§ 144). Опір такої котушки при постійному струмі буде невеликим, оскільки вона зроблена з досить товстого дроту. У разі постійного струму (рис. 300, а) лампочка горить яскраво, а у разі змінного струму (рис. 300, б) напруження майже непомітно. Досвід із постійним струмом зрозумілий: оскільки опір котушки мало, то присутність її майже не змінює струму, і лампочка світиться яскраво. Чому ж котушка послаблює змінний струм? Будемо поступово витягувати з котушки залізний сердечник. Ми виявимо, що лампочка розжарюється все сильніше і сильніше, тобто що в міру висування сердечника струм у ланцюзі зростає. При повному видаленні осердя розжарювання лампочки може дійти майже до нормального, якщо число витків котушки не дуже велике. Але висування сердечника зменшує індуктивність котушки. Таким чином, бачимо, що котушка з малим опором, але з великою індуктивністю, включена в ланцюг змінного струму, може значно послабити цей струм.
Рис. 300. Лампочка включена в ланцюг постійного (а) та змінного (б) струму. Послідовно з лампочкою включена котушка. При постійному струмі лампочка світиться яскраво, при змінному – тьмяно
Вплив котушки з великою індуктивністю на змінний струм легко пояснити. Змінний струм є струмом, сила якого швидко змінюється, то збільшуючись, то зменшуючись. При цих змінах у ланцюзі виникає е. д. с. самоіндукції, яка залежить від індуктивності ланцюга Напрямок цієї е. д. с. (Як ми бачили в § 139) таке, що її дія перешкоджає зміні струму, тобто зменшує амплітуду струму, а отже, і його значення, що діє. Поки індуктивність проводів мала, ця додаткова е. д. с. теж мала і її практично непомітно. Але за наявності великої індуктивності ця додаткова е. д. с. може впливати на силу змінного струму.
Про заряд конденсатора.
Замкнемо ланцюг. У ланцюзі піде струм заряду конденсатора. Це означає, що з лівої обкладки конденсатора частина електронів піде у провід, а з дроту на праву обкладку зайде така сама кількість електронів. Обидві обкладки будуть заряджені різними зарядами однакової величини.
Між обкладками у діелектриці буде електричне поле.
А тепер розімкнемо ланцюг. Конденсатор залишиться зарядженим. Закоротимо шматком дроту його обкладки. Конденсатор миттєво розрядиться. Це означає, що з правої обкладки піде в провід надлишок електронів, а з дроту на ліву обкладку увійде нестача електронів. На обох обкладках електронів буде однаково, розрядиться конденсатор.
До якої напруги заряджається конденсатор?
Він заряджається до такої напруги, яка до нього прикладена з джерела живлення.
Опір конденсатора.
Замкнемо ланцюг. Конденсатор почав заряджатися і відразу став джерелом струму, напруги, Е. Д. С.. На малюнку видно що Е. Д. С. конденсатора спрямована проти джерела струму, що заряджає його.
Протидія електрорушійної сили конденсатора, що заряджається, заряду цього конденсатора називається ємнісним опором.
Вся енергія, що витрачається джерелом струму на подолання ємнісного опору, перетворюється на енергію електричного поля конденсатора. Коли конденсатор розряджається вся енергія електричного поля повернеться назад у ланцюг у вигляді енергії електричного струму. Отже ємнісний опір є реактивним, тобто. що не викликає безповоротних втрат енергії.
Чому постійний струм не проходить через конденсатор, а змінний струм проходить?
Увімкнемо ланцюг постійного струму. Лампа спалахне і згасне, чому? Тому що в ланцюзі пройшов струм заряду конденсатора. Як тільки конденсатор зарядиться до напруги батареї, струм у ланцюгу припиниться.
А тепер замкнемо ланцюг змінного струму. У першій чверті періоду напруга на генераторі зростає від 0 до максимуму. У ланцюзі йде струм заряду конденсатора. У ІІ чверті періоду напруга на генераторі зменшується до нуля. Конденсатор розряджається через генератор. Після цього конденсатор знову заряджається та розряджається. Таким чином у ланцюзі йдуть струми заряду та розряду конденсатора. Лампочка горітиме постійно.
У ланцюзі з конденсатором струм проходить у всьому замкнутому ланцюзі, в тому числі і в діелектриці конденсатора. У конденсаторі, що заряджається, утворюється електричне поле яке поляризує діелектрик. Поляризація це обертання електронів у атомах на витягнутих орбітах.
Одночасна поляризація величезної кількості атомів утворює струм, званий струмом усунення. Таким чином у проводах йде струм і в діелектриці, причому однакової величини.
Ємнісний опірконденсатора визначається за формулою
Розглядаючи графік робимо висновок: Струм у ланцюгу з чисто ємнісним опором випереджає напругу на 90 0 .
Виникає питання, яким чином струм у ланцюгу може випереджати напругу на генераторі? У ланцюзі йде струм від двох джерел струму по черзі, від генератора та від конденсатора. Коли напруга на генераторі дорівнює нулю струм у ланцюзі максимальний. Це струм розряду конденсатора.
Про реальний конденсатор
Реальний конденсатор має одночасно два опори: активне та ємнісне.Їх слід вважати послідовно включеними.
Напруга прикладена генератором до активного опору і струм, що йде по активному опору, збігаються по фазі.
Напруга прикладена генератором до ємнісного опору і струм, що йде по ємнісному опору, зсунуті по фазі на 90 0 . Результуючу напругу, прикладену генератором до конденсатора, можна визначити за правилом паралелограма.
на активному опорінапруга U акт і струм I збігаються по фазі. На ємнісному опорі напруга U c відстає від струму I на 90 0 . Результуюча напруга, прикладена генератором до конденсатора, визначається за правилом паралелограма. Ця результуюча напруга відстає від струму I на якийсь кут φ завжди менший 90 0 .
Визначення результуючого опору конденсатора
Результуючий опір конденсатора не можна знаходити підсумовуючи величини його активного та ємнісного опорів. Це робиться за формулою