مكثف التيار المتردد

دعونا نجمع الدائرة مع مكثف، حيث يولد المولد جهدًا جيبيًا. دعنا نحلل بالتسلسل ما سيحدث في الدائرة عندما نغلق المفتاح. سننظر في اللحظة الأولية عندما يكون جهد المولد مساويًا للصفر.

خلال الربع الأول من الفترة ، سيزداد الجهد عبر أطراف المولد ، بدءًا من الصفر ، وسيبدأ المكثف في الشحن. سيظهر تيار في الدائرة ، ومع ذلك ، في اللحظة الأولى لشحن المكثف ، على الرغم من حقيقة أن الجهد على لوحاته قد ظهر للتو ولا يزال صغيرًا جدًا ، فإن التيار في الدائرة (تيار الشحن) سيكون الأكبر . مع زيادة شحنة المكثف ، ينخفض ​​التيار في الدائرة ويصل إلى الصفر في الوقت الذي يكون فيه المكثف مشحونًا بالكامل. في هذه الحالة ، يصبح الجهد على ألواح المكثف ، باتباعًا صارمًا لجهد المولد ، أقصى حد في هذه اللحظة ، ولكن مع الإشارة المعاكسة ، أي أنه يتم توجيهه إلى جهد المولد.

أرز. 1. تغيير التيار والجهد في دائرة ذات سعة

بهذه الطريقة ، يندفع التيار بأكبر قوة إلى مكثف مجانًا ، لكنه يبدأ فورًا في الانخفاض عندما تمتلئ ألواح المكثف بالشحنات وينخفض ​​إلى الصفر ، مشحونًا بالكامل.

دعونا نقارن هذه الظاهرة بما يحدث لتدفق الماء في أنبوب يربط بين وعاءين متصلين (الشكل 2) ، أحدهما ممتلئ والآخر فارغ. على المرء فقط الضغط على الصمام الذي يسد مسار الماء ، حيث يندفع الماء على الفور من الوعاء الأيسر تحت ضغط كبير عبر الأنبوب إلى الوعاء الأيمن الفارغ. ومع ذلك ، على الفور ، سيبدأ ضغط الماء في الأنبوب في الضعف تدريجياً بسبب معادلة المستويات في الأوعية وسوف ينخفض ​​إلى الصفر. سيتوقف تدفق المياه.

أرز. 2. التغيير في ضغط الماء في الأنبوب الذي يربط أوعية الاتصالات مشابه للتغير في التيار في الدائرة أثناء شحن المكثف

وبالمثل ، يندفع التيار أولاً إلى مكثف غير مشحون ثم يضعف تدريجياً أثناء شحنه.

مع بدء الربع الثاني من الفترة ، عندما يبدأ جهد المولد في البداية ببطء ثم ينخفض ​​بسرعة أكبر وأكثر سرعة ، فإن المكثف المشحون سوف يتم تفريغه إلى المولد ، مما يتسبب في حدوث تيار تفريغ في الدائرة. مع انخفاض جهد المولد ، يفرغ المكثف أكثر فأكثر ويزداد تيار التفريغ في الدائرة. اتجاه تيار التفريغ في هذا الربع من الفترة هو عكس اتجاه تيار الشحن في الربع الأول من الفترة. وفقًا لذلك ، يقع المنحنى الحالي الذي تجاوز القيمة الصفرية الآن أسفل محور الوقت.

بحلول نهاية نصف الدورة الأولى ، يقترب جهد المولد ، وكذلك جهد المكثف ، بسرعة من الصفر ويصل تيار الدائرة ببطء إلى قيمته القصوى. بالنظر إلى أن قيمة التيار في الدائرة أكبر ، فكلما زادت قيمة الشحنة المحمولة في الدائرة ، سيتضح سبب وصول التيار إلى الحد الأقصى عندما يكون الجهد على ألواح المكثف ، وبالتالي الشحنة قيد التشغيل مكثف ، ينخفض ​​بسرعة.

مع بداية الربع الثالث من الفترة ، يبدأ المكثف في الشحن مرة أخرى ، لكن قطبية لوحاته ، وكذلك قطبية المولد ، تتغير "والعكس صحيح ، والتيار مستمر في التدفق في نفس الوقت الاتجاه ، يبدأ في الانخفاض مع شحن المكثف.في نهاية الربع الثالث من الفترة ، عندما يصل المولد والجهد المكثف إلى أقصى حد لهما ، يذهب التيار إلى الصفر.

خلال الربع الأخير من الفترة ، ينخفض ​​الجهد ، وينخفض ​​إلى الصفر ، ويصل التيار ، بعد أن غيّر اتجاهه في الدائرة ، إلى قيمته القصوى. هنا تنتهي الفترة ، وبعدها تبدأ المرحلة التالية ، وتكرار الفترة السابقة بالضبط ، وهكذا.

وهكذا ، تحت تأثير الجهد المتناوب للمولد ، يتم شحن المكثف مرتين خلال الفترة (الربع الأول والثالث من الفترة) ويتم تفريغه مرتين (الربع الثاني والرابع من الفترة). لكن بما أنهم يتناوبون واحدًا تلو الآخر شحنات المكثف والتفريغ يرافقه في كل مرة مرور تيار الشحن والتفريغ عبر الدائرة ، ثم يمكننا استنتاج ذلك التيار المتناوب.

يمكنك التحقق من ذلك في التجربة البسيطة التالية. قم بتوصيل مكثف 4-6 ميكرو فاراد بالتيار الكهربائي عبر لمبة 25 واط.سيضيء الضوء ولن ينطفئ حتى تنكسر الدائرة. يشير هذا إلى أن تيارًا متناوبًا قد مر عبر الدائرة بالسعة. بالطبع ، لا يمر عبر عازل المكثف ، ولكنه يمثل في أي وقت تيار شحنة أو تيار تفريغ مكثف.

كما نعلم ، يتم استقطاب العازل تحت تأثير مجال كهربائي ينشأ فيه عندما يكون المكثف مشحونًا ، ويختفي استقطابه عند تفريغ المكثف.

في هذه الحالة ، يعمل العازل مع تيار الإزاحة الناشئ فيه للتيار المتردد كنوع من استمرار الدائرة ، وبالنسبة للثابت فإنه يكسر الدائرة. لكن تيار الإزاحة يتشكل فقط داخل عازل المكثف ، وبالتالي لا يحدث نقل الشحنات على طول الدائرة.

تعتمد المقاومة التي يقدمها مكثف التيار المتردد على قيمة سعة المكثف وتردد التيار.

كلما زادت سعة المكثف ، زادت شحنة الدائرة أثناء شحن وتفريغ المكثف ، وبالتالي زاد التيار في الدائرة. تشير الزيادة في التيار في الدائرة إلى انخفاض مقاومتها.

لذلك ، مع زيادة السعة ، تقل مقاومة الدائرة للتيار المتردد.

انه ينمو التردد الحالي يزيد من كمية الشحنة المحمولة في الدائرة لأن الشحن (وكذلك التفريغ) للمكثف يجب أن يحدث بشكل أسرع من التردد المنخفض. في الوقت نفسه ، فإن الزيادة في مقدار الشحنة المنقولة لكل وحدة زمنية تعادل زيادة التيار في الدائرة ، وبالتالي انخفاض مقاومتها.

إذا قللنا بشكل تدريجي تردد التيار المتردد وقمنا بتقليل التيار إلى تيار مباشر ، فإن مقاومة المكثف المتضمن في الدائرة ستزداد تدريجياً وتصبح كبيرة بشكل لا نهائي (كسر الدائرة) حتى تظهر في دارة تيار مستمر.

لذلك ، مع زيادة التردد ، تقل مقاومة المكثف للتيار المتردد.

مثلما تسمى مقاومة الملف للتيار المتردد بالحث ، فإن مقاومة المكثف تسمى بالسعة.

لذلك ، تكون المقاومة السعوية أكبر ، وكلما انخفضت سعة الدائرة وتردد التيار الذي يغذيها.

يشار إلى المقاومة السعوية على أنها Xc وتقاس بالأوم.

يتم تحديد اعتماد المقاومة السعوية على تردد التيار وسعة الدائرة بواسطة الصيغة Xc = 1 / ωC ، حيث ω تردد دائري يساوي ناتج 2πe ، C هي سعة الدائرة في فاراد.

المقاومة السعوية ، مثل المقاومة الاستقرائية ، لها طبيعة تفاعلية ، لأن المكثف لا يستهلك طاقة المصدر الحالي.

معادلة قانون أوم بالنسبة للدائرة السعوية ، يكون لها الشكل I = U / Xc ، حيث I و U - القيم الفعالة للتيار والجهد ؛ Xc هي المقاومة السعوية للدائرة.

تُستخدم خاصية المكثفات لتوفير مقاومة عالية للتيارات منخفضة التردد ولتمرير التيارات عالية التردد بسهولة على نطاق واسع في دوائر معدات الاتصالات.

بمساعدة المكثفات ، على سبيل المثال ، يتم فصل التيارات الثابتة والتيارات منخفضة التردد عن التيارات عالية التردد ، اللازمة لتشغيل الدوائر.

إذا كان من الضروري منع مسار التيار منخفض التردد في الجزء عالي التردد من الدائرة ، يتم توصيل مكثف صغير في سلسلة. إنه يوفر مقاومة كبيرة لتيار التردد المنخفض وفي نفس الوقت يمر بسهولة تيار عالي التردد.

إذا كان من الضروري منع تيار التردد العالي ، على سبيل المثال ، في دائرة الطاقة لمحطة الراديو ، فسيتم استخدام مكثف كبير السعة ، متصل بالتوازي مع المصدر الحالي. في هذه الحالة ، يمر التيار عالي التردد عبر المكثف ، متجاوزًا دائرة إمداد الطاقة لمحطة الراديو.

المقاومة النشطة والمكثف في دائرة التيار المتردد

في الممارسة العملية ، غالبًا ما يتم ملاحظة الحالات عندما تكون في دائرة متسلسلة ذات سعة يتم تضمين المقاومة النشطة. يتم تحديد المقاومة الإجمالية للدائرة في هذه الحالة من خلال الصيغة

لذلك ، فإن المقاومة الإجمالية لدائرة تتكون من مقاومة التيار المتردد النشطة والسعة تساوي الجذر التربيعي لمجموع مربعات المقاومة النشطة والسعة لهذه الدائرة.

يظل قانون أوم صالحًا لدائرة I = U / Z أيضًا.

في التين. يوضح الشكل 3 المنحنيات التي تميز علاقة الطور بين التيار والجهد في دائرة تحتوي على مقاومة سعوية ونشطة.

أرز. 3. التيار والجهد والطاقة في دائرة ذات مكثف ومقاومة نشطة

كما يتضح من الشكل ، فإن التيار في هذه الحالة يزيد الجهد ليس بمقدار ربع الفترة ، ولكن بنسبة أقل ، لأن المقاومة النشطة تنتهك الطبيعة السعوية البحتة (التفاعلية) للدائرة ، كما يتضح من المرحلة المخفضة يحول. الآن يتم تعريف الجهد عند أطراف الدائرة على أنه مجموع مكونين: المكون التفاعلي للجهد ، سيتغلب على المقاومة السعوية للدائرة والمكون النشط للجهد ، متغلبًا على مقاومته النشطة.

كلما زادت المقاومة النشطة للدائرة ، كلما قل تحول الطور بين التيار والجهد.

حصل منحنى تغير القدرة في الدائرة (انظر الشكل 3) مرتين خلال هذه الفترة على إشارة سلبية ، والتي ، كما نعلم بالفعل ، هي نتيجة للطبيعة التفاعلية للدائرة. كلما كانت الدائرة أقل تفاعلًا ، كلما قل تحول الطور بين التيار والجهد ، وزادت طاقة المصدر الحالية التي تستهلكها الدائرة.

اقرأ أيضا: صدى الجهد