Заряд и разряд конденсатора

Если соединить пластины с источником энергии постоянного тока, то будет происходить заряд конденсатора.

При зарядке конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным. На одной пластине будет накапливаться положительный, а на другой отрицательный заряды. В результате протекания зарядного тока на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды, и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т.е. прохождение по ней тока прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.

При отключении от источникаконденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э.д.с.

Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником, то конденсатор начнет разряжаться. При этом по цепи пойдет ток разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т.е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь.

В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным 0. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т.е. он отдал накопленную им электрическую энергию.

Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его ёмкостью.

Ёмкость С определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (приложенному напряжению) U: C= . Измеряется в фарадах.

Ёмкостью в 1Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда в 1 Кл (Кулон) разность потенциалов изменяется на 1 В.

Ёмкость конденсатора зависит от формы и размера электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды.

Ёмкость в цепи переменного тока

В цепи постоянного тока ёмкость после процесса зарядки не пропускает электрический ток.

При подключении ёмкости к источнику переменного тока, происходит непрерывный процесс заряда-разряда, при этом через ёмкость проходит переменный ток

Рисунок 5.11. Схема включения в цепь переменного тока ёмкости (а), кривые тока i, напряжения U (б) и векторная диаграмма (в)

i = i =

Кривая мощности представляет собой синусоиду, которая изменяется с двойной частотой по сравнению с частотой изменения тока и напряжения. Мощность имеет положительные и отрицательные значения, т.е. возникает непрерывный колебательный процесс обмена энергией между источником и ёмкостью.

В течение первой четверти периода происходит заряд ёмкости и в цепи течёт ток заряда, который считается положительным. При этом по мере заряда ёмкости и увеличения разности потенциалов на электродах, а ток i уменьшается. При ωt = 90° ёмкость полностью разряжается. Разность потенциалов на электродах становится равной напряжению u источника и ток i =0.

Во второй четверти периода ёмкость начнёт разряжаться и ток i изменяет своё направление (становится отрицательным). При ωt=180°, когда U=0, ток i разряда достигнет максимального значения. В этот момент изменяется полярность напряжения U источника и начинается процесс перезаряда ёмкости при противоположном (отрицательном) направлении тока i. При ωt=270 ° заряд прекращается, ток i становится равным нулю и начинается разряд при первоначальном (положительном) направлении тока.

Таким образом, ёмкость в течение одного периода изменения напряжения u дважды заряжается и дважды разряжается. Следовательно, в цепи непрерывно протекает переменный ток i.

Этот ток опережает напряжение по фазе на 90^О. Сопротивление, которое ёмкость оказывает переменному току, называется ёмкостным Х.

Для характеристики процесса обмена энергией между источником и ёмкостью введено понятие реактивной мощности ёмкости.

Способы соединения конденсаторов:

· Последовательное соединение.

· Параллельное соединение.

На электроподвижном составе и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания трехфазного симметричного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин.

Контрольные вопросы

1. Что такое конденсатор?

2. Принцип работы конденсатора.

3. Дайте определение ёмкости конденсатора.

4. Что происходит в течение первой четверти периода?

5. Что происходит в течение второй четверти периода?

6. Сколько раз ёмкость в течение одного периода заряжается и разряжается?

7. Дайте определение ёмкостного сопротивления.

8. Какие способы соединения конденсаторов Вы знаете?

9. В чём заключается смысл последовательного соединении конденсаторов?

10. В чём смысл параллельного соединении конденсаторов?