شحن وتفريغ المكثف

تهمة مكثف

لشحن المكثف ، تحتاج إلى توصيله بدائرة التيار المستمر. في التين. يوضح الشكل 1 دائرة شحن المكثف. مكثف C متصل بأطراف المولد. يمكن استخدام المفتاح لإغلاق أو فتح الدائرة. دعنا نلقي نظرة مفصلة على عملية شحن مكثف.

المولد لديه مقاومة داخلية. عندما يكون المفتاح مغلقًا ، سيشحن المكثف إلى جهد بين الألواح يساوي e. إلخ. v. المولد: Uc = E. في هذه الحالة ، تتلقى اللوحة المتصلة بالطرف الموجب للمولد شحنة موجبة (+ q) ، وتتلقى اللوحة الثانية شحنة سالبة متساوية (-q). حجم الشحنة q يتناسب طرديًا مع سعة المكثف C والجهد على ألواحه: q = CUc

بي. 1 ... دائرة شحن مكثف

من أجل شحن ألواح المكثف ، من الضروري أن يكتسب أحدهما والآخر أن يفقد قدرًا معينًا من الإلكترونات.يتم نقل الإلكترونات من لوحة إلى أخرى على طول الدائرة الخارجية بواسطة القوة الدافعة الكهربائية للمولد ، وعملية تحريك الشحنات على طول الدائرة ليست أكثر من تيار كهربائي ، يُطلق عليه تيار شحن سعوي شحنة A

يتدفق تيار الشحن في القيمة عادةً بألف من الثانية حتى يصل الجهد عبر المكثف إلى قيمة تساوي e. إلخ. الخامس. المولد. يظهر الرسم البياني لارتفاع الجهد على ألواح المكثف أثناء شحنه في الشكل. 2 ، أ ، حيث يمكن ملاحظة أن الجهد Uc يزداد بسلاسة ، أولاً بسرعة ، ثم ببطء أكثر فأكثر ، حتى يصبح مساوياً لـ e. إلخ. v. المولد E. بعد ذلك ، يظل الجهد عبر المكثف دون تغيير.

أرز. 2. الرسوم البيانية للجهد والتيار عند شحن مكثف

أثناء شحن المكثف ، يتدفق تيار الشحن عبر الدائرة. يظهر الرسم البياني الحالي للشحن في الشكل. 2 ، ب. في اللحظة الأولى ، يكون لتيار الشحن أكبر قيمة ، نظرًا لأن الجهد في المكثف لا يزال صفراً ، ووفقًا لقانون أوم iotax = E / Ri ، نظرًا لأن كل e. ، إلخ. يتم تطبيق المولد c على المقاومة Ri.

نظرًا لأن المكثف يشحن ، أي يزيد الجهد عبره ، فإنه يتناقص بالنسبة لتيار الشحن. عندما يكون هناك بالفعل جهد عبر المكثف ، فإن انخفاض الجهد عبر المقاومة سيكون مساويًا للفرق بين e. إلخ. v. جهد المولد والمكثف ، أي يساوي E - U s. لذلك itax = (E-Us) / Ri

من هنا يمكن ملاحظة أنه مع زيادة Uc ، يتم الشحن وعند Uc = E يصبح تيار الشحن صفرًا.

اقرأ المزيد عن قانون أوم هنا: قانون أوم لقسم من الدائرة

تعتمد مدة عملية شحن المكثف على كميتين:

1) من المقاومة الداخلية للمولد Ri ،

2) من سعة المكثف C.

في التين. يوضح الشكل 2 الرسوم البيانية للتيارات الأنيقة لمكثف بسعة 10 ميكروفاراد: المنحنى 1 يتوافق مع عملية الشحن من مولد مع e. إلخ. مع E = 100 V ومع مقاومة داخلية Ri = 10 Ohm ، يتوافق المنحنى 2 مع عملية الشحن من مولد بنفس e. العلاقات العامة مع ، ولكن مع مقاومة داخلية أقل: Ri = 5 أوم.

من خلال مقارنة هذه المنحنيات ، يمكن ملاحظة أنه مع وجود مقاومة داخلية أقل للمولد ، تكون قوة التيار الأنيق في اللحظة الأولى أكبر وبالتالي تكون عملية الشحن أسرع.

أرز. 2. رسوم بيانية لتيارات الشحن بمقاومات مختلفة

في التين. يقارن الشكل 3 الرسوم البيانية لتيارات الشحن عند الشحن من نفس المولد مع e. إلخ. مع E = 100 V والمقاومة الداخلية Ri = 10 أوم من مكثفين بسعة مختلفة: 10 ميكروفاراد (منحنى 1) و 20 ميكروفاراد (منحنى 2).

تيار الشحن الأولي iotax = E / Ri = 100/10 = 10 كلا المكثفين متماثلان ، نظرًا لأن مكثفًا بسعة أكبر يخزن المزيد من الكهرباء ، فإن تيار الشحن الخاص به يجب أن يستغرق وقتًا أطول ، وتكون عملية الشحن أطول.

أرز. 3. جداول شحن التيارات بسعات مختلفة

تصريف مكثف

افصل المكثف المشحون عن المولد وأرفق مقاومة بألواحه.

يوجد جهد على ألواح المكثف Us ، لذلك ، في دائرة مغلقة ، يتدفق تيار يسمى حرائق التيار السعوي التفريغ.

يتدفق التيار من الصفيحة الموجبة للمكثف عبر المقاومة للوحة السالبة. هذا يتوافق مع انتقال الإلكترونات الزائدة من اللوحة السالبة إلى الموجبة ، حيث تكون غائبة.تتم عملية إطارات الصفوف حتى تتساوى إمكانات الصفيحتين ، أي أن الفرق المحتمل بينهما يصبح صفرًا: Uc = 0.

في التين. يوضح الشكل 4 أ الرسم البياني لانخفاض الجهد في المكثف أثناء التفريغ من القيمة Uco = 100 فولت إلى الصفر ، وينخفض ​​الجهد أولاً بسرعة ، ثم ببطء أكثر.

في التين. 4 ، ب يوضح الرسم البياني للتغييرات في تيار التفريغ. تعتمد قوة تيار التفريغ على قيمة المقاومة R ووفقًا لقانون أوم ires = Uc / R

أرز. 4. الرسوم البيانية للجهد والتيارات أثناء تفريغ مكثف

في اللحظة الأولى ، عندما يكون الجهد على ألواح المكثف هو الأكبر ، يكون تيار التفريغ هو الأكبر أيضًا ، ومع انخفاض في Uc أثناء التفريغ ، ينخفض ​​تيار التفريغ أيضًا. عند Uc = 0 ، يتوقف تيار التفريغ.

مدة التخلص تعتمد على:

1) من سعة المكثف ج

2) على قيمة المقاومة R التي يقوم المكثف بتفريغها.

كلما زادت المقاومة R ، كلما كان التفريغ أبطأ. هذا يرجع إلى حقيقة أنه مع وجود مقاومة كبيرة ، تكون قوة تيار التفريغ صغيرة وتقل كمية الشحن على ألواح المكثف ببطء.

يمكن إظهار ذلك في الرسوم البيانية لتيار التفريغ لنفس المكثف ، بسعة 10 μF ومشحون بجهد 100 فولت ، عند قيمتين مختلفتين للمقاومة (الشكل 5): المنحنى 1 - عند R = 40 أوم ، ioresr = UcО / R = 100/40 = 2.5 A والمنحنى 2 - عند 20 أوم ioresr = 100/20 = 5 أ.

أرز. 5. رسوم بيانية لتيارات التفريغ بمقاومات مختلفة

يكون التفريغ أبطأ أيضًا عندما تكون سعة المكثف كبيرة.هذا لأنه مع زيادة السعة على ألواح المكثف ، هناك المزيد من الكهرباء (المزيد من الشحن) وسيستغرق تفريغ الشحنات وقتًا أطول. يتضح هذا بوضوح من خلال الرسوم البيانية لتيارات التفريغ لمكثفين لهما نفس السعة ، مشحونين بنفس الجهد البالغ 100 فولت ويتم تفريغهما عند المقاومة R = 40 أوم (الشكل 6: المنحنى 1 - لمكثف بسعة من 10 ميكروفاراد ومنحنى 2 - لمكثف بسعة 20 ميكروفاراد).

أرز. 6. رسوم بيانية لتيارات التفريغ عند قوى مختلفة

من خلال العمليات المدروسة ، يمكن استنتاج أنه في الدائرة ذات المكثف ، يتدفق التيار فقط في لحظات الشحن والتفريغ ، عندما يتغير الجهد على الألواح.

ويفسر ذلك حقيقة أنه عندما يتغير الجهد ، تتغير كمية الشحنة على الألواح ، وهذا يتطلب حركة الشحنات على طول الدائرة ، أي أن التيار الكهربائي يجب أن يمر عبر الدائرة. المكثف المشحون لا يمرر تيارًا مباشرًا لأن العازل بين لوحاته يفتح الدائرة.

طاقة مكثف

أثناء عملية الشحن ، يقوم المكثف بتخزين الطاقة عن طريق استلامها من المولد. عندما يتم تفريغ مكثف ، يتم تحويل كل طاقة المجال الكهربائي إلى طاقة حرارية ، أي أنها تذهب لتسخين المقاومة التي يتم من خلالها تفريغ المكثف. كلما زادت سعة المكثف والجهد عبر ألواحه ، زادت طاقة المجال الكهربائي للمكثف. كمية الطاقة التي يمتلكها مكثف السعة C مشحونة بجهد U يساوي: W = Wc = CU2 / 2

مثال. مكثف C = 10 μF مشحون بجهد Uc = 500 فولت.حدد الطاقة التي ستنطلق بفعل الحرارة عند المقاومة التي يتم من خلالها تفريغ المكثف.

إجابة. أثناء التفريغ ، سيتم تحويل كل الطاقة المخزنة بواسطة المكثف إلى حرارة. لذلك W = Wc = CU2 / 2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1.25 J.