Opladen en ontladen van de condensator

Condensator lading

Om de condensator op te laden, moet u deze aansluiten op het gelijkstroomcircuit. In afb. 1 toont het laadcircuit van de condensator. Condensator C is verbonden met de klemmen van de generator. De sleutel kan worden gebruikt om het circuit te sluiten of te openen. Laten we het proces van het opladen van een condensator eens nader bekijken.

De generator heeft interne weerstand. Wanneer de schakelaar gesloten is, zal de condensator opladen tot een spanning tussen de platen gelijk aan e. enz. v. generator: Uc = E. In dit geval krijgt de plaat die is aangesloten op de positieve pool van de generator een positieve lading (+q), en de tweede plaat krijgt een gelijke negatieve lading (-q). De grootte van de lading q is rechtevenredig met de capaciteit van de condensator C en de spanning op de platen: q = CUc

Pe. 1… Condensator laadcircuit

Om de condensatorplaten op te laden, moet de ene een bepaalde hoeveelheid elektronen winnen en de andere verliezen.De overdracht van elektronen van de ene plaat naar de andere wordt langs het externe circuit uitgevoerd door de elektromotorische kracht van de generator, en het proces van het verplaatsen van ladingen langs het circuit is niets meer dan een elektrische stroom, een laadcapacitieve stroom genoemd.

De laadstroom in waarde vloeit gewoonlijk in duizendsten van een seconde totdat de spanning over de condensator een waarde bereikt die gelijk is aan e. enz. v. generator. De grafiek van de spanningsstijging op de platen van de condensator tijdens het opladen wordt getoond in Fig. 2, a, waaruit blijkt dat de spanning Uc geleidelijk toeneemt, eerst snel, dan steeds langzamer, totdat hij gelijk wordt aan e. enz. v. generator E. Daarna blijft de spanning over de condensator ongewijzigd.

Rijst. 2. Grafieken van spanning en stroom bij het opladen van een condensator

Terwijl de condensator oplaadt, vloeit er een laadstroom door het circuit. De laadstroomgrafiek wordt getoond in Fig. 2, geb. Op het beginmoment heeft de laadstroom de grootste waarde, aangezien de spanning in de condensator nog nul is, en volgens de wet van Ohm iotax = E /Ri, aangezien alle e., etc. c generator wordt toegepast op weerstand Ri.

Naarmate de condensator oplaadt, dat wil zeggen, de spanning erover verhoogt, neemt deze af voor de laadstroom. Als er al spanning over de condensator staat, zal de spanningsval over de weerstand gelijk zijn aan het verschil tussen e. enz. v. generator- en condensatorspanning, d.w.z. gelijk aan E — U s. Daarom itax = (E-Us) / Ri

Hieruit is te zien dat naarmate Uc toeneemt, icharge en bij Uc = E de laadstroom nul wordt.

Lees hier meer over de wet van Ohm: De wet van Ohm voor een deel van een circuit

De duur van het laadproces van de condensator is afhankelijk van twee grootheden:

1) van de interne weerstand van de generator Ri,

2) van de capaciteit van de condensator C.

In afb. 2 toont de grafieken van de elegante stromen voor een condensator met een capaciteit van 10 microfarad: curve 1 komt overeen met het laadproces van een generator met e. enz. bij E = 100 V en bij een inwendige weerstand Ri= 10 Ohm komt curve 2 overeen met het laadproces van een generator met dezelfde e. pr. met, maar met een lagere interne weerstand: Ri = 5 ohm.

Uit een vergelijking van deze curves blijkt dat bij een lagere interne weerstand van de generator de sterkte van de elegante stroom op het beginmoment groter is en het laadproces daardoor sneller verloopt.

Rijst. 2. Grafieken van laadstromen bij verschillende weerstanden

In afb. 3 vergelijkt de grafieken van laadstromen bij laden vanaf dezelfde generator met e. enz. met E = 100 V en interne weerstand Ri= 10 ohm van twee condensatoren met verschillende capaciteiten: 10 microfarad (curve 1) en 20 microfarad (curve 2).

Initiële laadstroom iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Beide condensatoren zijn hetzelfde, aangezien een condensator met een grotere capaciteit meer elektriciteit opslaat, moet de laadstroom langer duren en duurt het laadproces langer.

Rijst. 3. Tabellen met laadstromen met verschillende capaciteiten

Condensator ontlading

Ontkoppel de geladen condensator van de generator en bevestig een weerstand aan de platen.

Er staat een spanning op de platen van de condensator Us, daarom zal er in een gesloten circuit een stroom vloeien die de ontladingscapacitieve stroom wordt genoemd.

Stroom vloeit van de positieve plaat van de condensator door de weerstand naar de negatieve plaat. Dit komt overeen met de overgang van overtollige elektronen van de negatieve plaat naar de positieve, waar ze afwezig zijn.Het proces van rijframes vindt plaats totdat de potentialen van de twee platen gelijk zijn, d.w.z. het potentiaalverschil ertussen wordt nul: Uc = 0.

In afb. 4a toont de grafiek van de afname van de spanning in de condensator tijdens ontlading van de waarde Uco = 100 V naar nul, en de spanning neemt eerst snel af en daarna langzamer.

In afb. 4, b toont de grafiek van de veranderingen in de ontlaadstroom. De sterkte van de ontlaadstroom hangt af van de waarde van de weerstand R en volgens de wet van Ohm is ires = Uc/R

Rijst. 4. Grafieken van spanning en stroom tijdens condensatorontlading

Op het beginmoment, wanneer de spanning op de platen van de condensator het grootst is, is de ontlaadstroom ook het grootst, en met een afname van Uc tijdens het ontladen neemt ook de ontlaadstroom af. Bij Uc = 0 stopt de ontlaadstroom.

De duur van de verwijdering hangt af van:

1) van de capaciteit van de condensator C

2) op de waarde van de weerstand R waarnaar de condensator ontlaadt.

Hoe groter de weerstand R, hoe langzamer de ontlading zal plaatsvinden. Dit komt door het feit dat met een grote weerstand de sterkte van de ontlaadstroom klein is en de hoeveelheid lading op de platen van de condensator langzaam afneemt.

Dit kan worden weergegeven in de grafieken van de ontlaadstroom van dezelfde condensator, met een capaciteit van 10 μF en opgeladen tot een spanning van 100 V, bij twee verschillende weerstandswaarden (Fig. 5): curve 1 - bij R =40 ohm, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A en curve 2 — bij 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

Rijst. 5. Grafieken van de ontlaadstromen bij verschillende weerstanden

De ontlading is ook langzamer wanneer de capaciteit van de condensator groot is.Dit komt omdat met meer capaciteit op de condensatorplaten er meer elektriciteit is (meer lading) en het langer zal duren voordat de lading leeg is. Dit wordt duidelijk weergegeven door de grafieken van de ontlaadstromen voor twee condensatoren met dezelfde capaciteit, opgeladen tot dezelfde spanning van 100 V en ontladen tot een weerstand R= 40 ohm (Fig. 6: curve 1 - voor een condensator met een capaciteit van 10 microfarad en curve 2 - voor condensator met een capaciteit van 20 microfarad).

Rijst. 6. Grafieken van de ontlaadstromen bij verschillende vermogens

Uit de beschouwde processen kan worden geconcludeerd dat in een circuit met een condensator de stroom alleen vloeit op de momenten van opladen en ontladen, wanneer de spanning op de platen verandert.

Dit wordt verklaard door het feit dat wanneer de spanning verandert, de hoeveelheid lading op de platen verandert, en dit vereist de beweging van ladingen langs het circuit, dat wil zeggen dat er een elektrische stroom door het circuit moet gaan. Een geladen condensator laat geen gelijkstroom door omdat het diëlektricum tussen de platen het circuit opent.

Condensator energie

Tijdens het laadproces slaat de condensator energie op door deze van de generator te ontvangen. Wanneer een condensator wordt ontladen, wordt alle energie van het elektrische veld omgezet in warmte-energie, dat wil zeggen, het gaat de weerstand verwarmen waardoor de condensator wordt ontladen. Hoe groter de capaciteit van de condensator en de spanning over de platen, hoe groter de energie van het elektrische veld van de condensator. De hoeveelheid energie van een condensator met capaciteit C opgeladen tot een spanning U is gelijk aan: W = Wc = CU2/2

Een voorbeeld. Condensator C = 10 μF opgeladen tot spanning Uc = 500 V.Bepaal de energie die vrijkomt in de kracht van warmte bij de weerstand waardoor de condensator wordt ontladen.

Antwoord. Tijdens het ontladen wordt alle door de condensator opgeslagen energie omgezet in warmte. Dus W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.