Электрическая цепь. Как накапливается и распределяется энергия
Вадим Муранов, победитель всероссийского конкурса «Учитель года», преподаватель физики с 24-летним опытом работы.
Добрый день! Мы снова с вами в месте!
Точно, что электромагнитная энергия — это то, что обеспечивает нашу с вами комфортную жизнь. Исчезни она, и неизвестно, во что бы превратилась наша цивилизация, которая целиком и полностью зависит от электромагнитной энергии.
У нас сегодня будут задачи, в которых электромагнитная энергия преобразуется во внутреннюю, то есть в тепловую энергию. И в данном случае эту электромагнитную энергию способны накапливать два устройства: конденсатор и катушка. Конденсатор – это устройство, которое накапливает электрическую энергию, а катушка – это устройство, которое способно накапливать энергию магнитного поля.
«В электрической цепи, показанной на рисунке, ЭДС источника тока равна 20 В; индуктивность катушки 8 мГн; сопротивление лампы 4 Ом и сопротивление резистора 6 Ом. В начальный момент времени ключ К замкнут. Какой должна быть ёмкость конденсатора, чтобы после размыкания ключа в лампе выделилась энергия 120 мДж? Внутренним сопротивлением источника, а также сопротивлением проводов и катушки пренебречь.
Необходимо посмотреть, что будет происходить в нашей схеме при замкнутом ключе. При замкнутом ключе конденсатор будет, конечно, через какое-то время заряжен, но, так как этот ключ будет замкнут довольно долго, заряженный конденсатор через себя ток не пропускает, поэтому ток протекает только по катушке и лампочке.
Ток протекает, конечно, от + к – и не протекает через конденсатор, то есть вот таким образом
Это значит, что силу тока мы можем найти на основании закона Ома для полной цепи .
Внутренним сопротивлением источника нам предлагают пренебречь. В этом случае r = 0, получается и получается 5 Ампер – это сила тока, которая протекает по нашей цепи.
Эта же сила тока протекает и через катушку, а мы с вами знаем, что катушка, по которой протекает ток, накапливает внутри себя энергию магнитного поля, которую мы вычисляем по формуле .
Кроме того, мы с вами знаем, что, раз ток протекает по лампе, то можно найти напряжение на этой лампе по закону Ома .
Но так как нет внутреннего сопротивления, мы получим тоже самое, что и ЭДС, то есть те же 20 В. При этом мы замечаем, что напряжение на лампе, на которой напряжение не 0, а на катушке напряжение 0, потому что она не обладает своим собственным сопротивлением, будет таким же, как напряжение на конденсаторе, потому что ток по этой ветке не течет, но, по сути, конденсатор является подключенным к лампочке с катушкой. Значит, напряжение на конденсаторе такое же, как и напряжение на лампе, ведь они подключены параллельно.
Так же параллельно он подключен еще и к источнику, поэтому .
Конденсатор, который находится под напряжение, накопил внутри себя энергию электрического поля, которое вычисляется по формуле .
Мы видим, что у нас два элемента в цепи, которые способны накапливать электромагнитную энергию, но при этом всю накопившуюся энергию они отдадут в тот момент, когда ключ будет разомкнут.
Теперь приступаем ко второй части этой задачи, когда ключ К разомкнут.
Если разомкнуть ключ, то все, что накопили катушка и конденсатор, будет выделено в лампе и резисторе. То есть .
При этом неизвестно, какое именно количество теплоты выделяется на каждом из них, но зато известно, какое количество теплоты выделяется именно в лампе. Но мы с вами знаем, что при размыкании цепи источник у нас отключается и соединение лампы, резистора, катушки и конденсатора становится замкнутым контуром
Ток в этой цепи будет протекать по замкнутому кругу, и это означает, что соединение между лампой и резистором будет последовательным. А при последовательном соединении . Запомните, пожалуйста, эту пропорцию. Если бы было соединение параллельное, то пропорция была бы обратная. В данном случае она прямая, и мы выражаем из нее Qr
И делаем вывод, что .
Это получилось, потому что .
Убираем знаменатели, домножив наше равенство на 2 .
А уже из этого выражения выражаем емкость конденсатора .
В эту формулу подставляем все, что нам изместно .
Получается очень простой ответ Ф = 1 мФ.
Все видео по физике
Благодарим за то, что пользуйтесь нашими публикациями. Информация на странице «Электрическая цепь. Как накапливается и распределяется энергия» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.
Публикация обновлена: 08.05.2023
Конденсаторы. Что это и для чего они нужны.
Конденсатор – распространенное двухполюсное устройство, применяемое в различных электрических цепях.
Он имеет постоянную или переменную ёмкость и отличается малой проводимостью, он способен накапливать в себе заряд электрического тока и передавать его другим элементам в электроцепи.
Простейшие примеры состоят из двух пластинчатых электродов, разделенных диэлектриком и накапливающих противоположные заряды. В практических условиях мы используем конденсаторы с большим числом разделенных диэлектриком пластин.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Назначение конденсатора и принцип его работы – это распространенные вопросы, которыми задаются новички в электротехнике. В электрических схемах данные устройства могут использоваться с различными целями, но их основной функцией является сохранение электрического заряда, то есть, такое устройство получает электрический ток, сохраняет его и впоследствии передает в цепь. Для лучшего понимания принципа работы посмотрите статью про то, как сделать простой конденсатор своими руками.
Заряд конденсатора начинается при подключении электронного прибора к сети.
В момент подключения прибора на электродах конденсатора много свободного места, потому электрический ток, поступающий в цепь, имеет наибольшую величину. По мере заполнения, электроток будет уменьшаться и полностью пропадет, когда ёмкость устройства будет полностью наполнена.
В процессе получения заряда электрического тока, на одной пластине собираются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы (частицы с положительным зарядом). Разделителем между положительно и отрицательно заряженными частицами выступает диэлектрик, в качестве которого могут использоваться различные материалы.
В момент подключения электрического устройства к источнику питания, напряжение в электрической цепи имеет нулевое значение. По мере заполнения ёмкостей напряжение в цепи увеличивается и достигает величины, равной уровню на источнике тока.
При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам.
Нагрузка образует цепь между его пластинами, потому в момент отключения питания положительно заряженные частицы начнут двигаться по направлению к ионам.
Начальный ток в цепи при подключении нагрузки будет равняться напряжению на отрицательно заряженных частицах, разделенному на величину сопротивления нагрузки. При отсутствии питания конденсатор начнет терять заряд и по мере убывания заряда в ёмкостях, в цепи будет снижаться уровень напряжения и величины тока. Этот процесс завершится только тогда, когда в устройстве не останется заряда.
На рисунке выше представлена конструкция бумажного конденсатора:
а) намотка секции;
б) само устройство.
На этой картинке:
1. Бумага;
2. Фольга;
3. Изолятор из стекла;
4. Крышка;
5. Корпус;
6. Прокладка из картона;
7. Оберточная бумага;
8. Секции.
Ёмкость конденсатора считается важнейшей его характеристикой, от него напрямую зависит время полной зарядки устройства при подключении прибора к источнику электрического тока.
Время разрядки прибора также зависит от ёмкости, а также от величины нагрузки. Чем выше будет сопротивление R, тем быстрее будет опустошаться ёмкость конденсатора.
В качестве примера работы конденсатора можно рассмотреть функционирование аналогового передатчика или радиоприемника. При подключении прибора к сети, конденсаторы, подключенные к катушке индуктивности, начнут накапливать заряд, на одних пластинах будут собираться электроды, а на других – ионы. После полной зарядки ёмкости устройство начнет разряжаться. Полная потеря заряда приведет к началу зарядки, но уже в обратном направлении, то есть, пластины имевшие положительный заряд в этот раз будут получать отрицательный заряд и наоборот.
НАЗНАЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ
В настоящее время их используют практически во всех радиотехнических и различных электронных схемах.
В электроцепи переменного тока они могут выступать в качестве ёмкостного сопротивления. К примеру, при подключении конденсатора и лампочки к батарейке (постоянный ток), лампочка светиться не будет.
Если же подключить такую цепь к источнику переменного тока, лампочка будет светиться, причем интенсивность света будет напрямую зависеть от величины ёмкости используемого конденсатора. Благодаря этим особенностям, они сегодня повсеместно применяются в цепях в качестве фильтров, подавляющих высокочастотные и низкочастотные помехи.
Конденсаторы также используются в различных электромагнитных ускорителях, фотовспышках и лазерах, благодаря способности накапливать большой электрический заряд и быстро передавать его другим элементам сети с низким сопротивлением, за счет чего создается мощный импульс.
Во вторичных источниках электрического питания их применяют для сглаживания пульсаций при выпрямлении напряжения.
Способность сохранять заряд длительное время дает возможность использовать их для хранения информации.
Использование резистора или генератора тока в цепи с конденсатором позволяет увеличить время заряда и разряда ёмкости устройства, благодаря чему эти схемы можно использовать для создания времязадающих цепей, не предъявляющих высоких требований к временной стабильности.
В светильниках применяется для компенсации реактивной мощности.
Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности(ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.
Реактивная мощность снижает эффективность использования всей энергосистемы, ее пытаются максимально снизить с помощью конденсаторных установок.
Engineering and Technology History Wiki
Из ETHW
Перейти к:навигация, поиск
Это примеры современных конденсаторов. Они имеют длину около дюйма и могут быть найдены в радиоприемниках или телевизорах. Конденсаторы бывают всех размеров, от автомобильных, которые используются в распределении электроэнергии, до микроскопических, встроенных в интегральные схемы. Конденсатор — это устройство для временного накопления электрического заряда. То, что считается самым первым конденсатором, называлось лейденской банкой, которую изобрел Питер ван Мусшенбрук в 1746 году в Лейденском университете (или Лейдене) в Голландии. Это была стеклянная банка, обернутая внутри и снаружи тонкой металлической фольгой. Внешняя фольга была подключена к земле, а внутренняя фольга была подключена к источнику электричества, такому как электростатический генератор. Хотя в то время не было понятно, как это работает, экспериментаторы обнаружили, что лейденская банка, по-видимому, сохраняет электрический заряд даже после того, как она была отключена от генератора.
Конденсаторы, такие как лейденская банка, состоят из слоев, изготовленных из электропроводящего материала (например, металлической фольги), разделенных слоями непроводящего материала (стекло в случае лейденской банки, но это также может быть воск , слюда, масло, бумага, тантал, пластик, керамический материал или даже воздух). Если к слоям конденсатора приложить электрическое напряжение, пластины зарядятся, одна положительно, а другая отрицательно. Если внешнее напряжение затем удаляется, пластины конденсатора остаются заряженными, а наличие электрического заряда индуцирует электрический потенциал между пластинами.
Конденсаторам часто дают имена, соответствующие их применению, например:
- Шунтирующие конденсаторы для короткого замыкания переменного тока, импульсных помех
- Конденсатор, название, используемое для конденсаторов в цепях до 1950-х годов.
- Настроечные конденсаторы, также типы вакуумных переменных; изменять частоту настроенного контура
- Коррекция коэффициента мощности, используемая для снижения реактивных токов в сетях распределения электроэнергии
- Машина Уимхерста для выработки высокого напряжения за счет поддержания постоянного электрического заряда, но с перемещением пластин конденсатора дальше друг от друга для выработки очень высокого напряжения (квадратичная зависимость)
- Радиоантенны могут проявлять емкость (а также индуктивность и сопротивление) на определенных частотах.
- Радиоантенны для низких частот часто используют «емкостную шляпу» для достижения практического согласования импеданса с передатчиками.
Содержание
- 1 Изобретатели
- 2 единицы измерения
- 3 Математическая обработка
- 4 Для дальнейшего чтения
Изобретатели
В 1745 году Эвальд Юрген фон Клейст на конкурсе изобрел лейденскую банку — 4 ноября 1745 года. Питер ван Мусшенбрук создал первый рабочий образец в январе 1746 года, название которого происходит от Лейденского университета. В 1747 году Уильям Уотсон разрядил лейденскую банку через электрическую цепь и понял, что такое электрический ток.
Единицы измерения
Единица измерения емкости была известна как «Банка» до 1872 года, когда была присвоена единица СИ «Фарад». (В то время использовались и другие единицы измерения: вольт, ампер, кулон, ом и фарад.) Термин «конденсатор» стал популярным только в 1950-х годах, а до этого он был известен как конденсатор.
Все практические реализации конденсатора имеют некоторое последовательное сопротивление, а также сопротивление утечки, которые вместе образуют «эквивалентную схему», используемую в подробном анализе схемы. Влияние этих сопротивлений измеряется как «коэффициент потерь» и может проявляться как нагрев компонента. В настроенной цепи эти сопротивления вносят вклад в коэффициент добротности (добротность).
Математическая обработка
Электрический ток через конденсатор определяется и подробно описывается как ток смещения, первоначально теоретизированный Максвеллом.
Для дальнейшего чтения
Sprague Electric: Взлет, падение и жизнь после смерти электронного гиганта — история компании по производству конденсаторов с большим количеством подробностей о том, как работают конденсаторы, конденсаторы и другая электроника
Основная электроника: Что такое емкость?
Конденсатор — это устройство, способное накапливать электрический заряд.
Емкость — это мера количества электрического заряда, который может хранить конденсатор. Электрический ток – это движение электронов. Все содержит электроны, но если они не движутся, это не электрический ток. Неважно, что тот же самый электрон, покидающий источник напряжения, действительно «выполняет работу», пока …Автор Wendell S. Rice, инженер по приборам и системам управления, Parsons Infrastructure & Technology, Пасадена, Калифорния Январь 10, 2004
Конденсатор — это устройство, способное накапливать электрический заряд. Емкость — это мера количества электрического заряда, который может хранить конденсатор.
Электрический ток — это движение электронов. Все содержит электроны, но если они не движутся, это не электрический ток. Неважно, что тот же самый электрон, покидающий источник напряжения, действительно «выполняет работу», пока он заставляет двигаться какой-то другой электрон.
Проще говоря, конденсатор — это два проводника, находящихся в непосредственной близости, но электрически не связанных.
Материал, называемый диэлектриком, изолирует проводники. Если один проводник подключен к источнику электронов, например к отрицательному полюсу батареи, эти электроны могут собираться на этом проводнике. Если другой проводник находится очень близко к первому, поверхностные электроны на нем отталкиваются, потому что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, придавая второму проводнику положительный заряд. Если цепь замыкается подключением второго проводника к положительному полюсу той же батареи, отталкиваемые электроны могут течь обратно в батарею. В результате повышенный положительный заряд на втором проводнике притягивает больше электронов к поверхности первого проводника, вытягивая их из батареи. В цепи течет ток, хотя электроны не пересекают диэлектрик конденсатора (рис. 1).
После замыкания цепи на мгновение течет ток — до тех пор, пока первый проводник не соберет все электроны, которые он может удержать. Если это небольшой проводник, он не может удерживать очень много электронов; его способность удерживать заряд — или емкость — невелика.
Формирование обоих проводников в виде пластин увеличивает площадь поверхности внутри конденсатора. Чем больше эти пластины, тем дольше будет течь ток, пока они не заполнятся, потому что на них может быть собрано больше электронов. Их способность удерживать заряд выше.
Чем ближе эти пластины друг к другу, тем большее влияние электроны на первой пластине будут оказывать на электроны второй пластины. Отрицательный заряд на первой пластине отталкивает больше электронов от второй пластины, придавая второй пластине более высокий положительный заряд. Кроме того, способность удерживать заряд выше, когда пластины расположены ближе друг к другу, как и в случае с более крупными пластинами. И наоборот, разделение пластин уменьшает емкость.
Чтобы увеличить емкость, пластины должны быть как можно больше и как можно ближе друг к другу, помня, что они не должны электрически соприкасаться. Если они соприкасаются, это как дыра в плотине. Весь заряд, накопленный на первой пластине, стекает на вторую пластину, и в итоге мы получаем причудливую проволоку.
Часто пластины изготавливаются из листов фольги, а изолятором может быть какой-либо тонкий пластик, например майлар. Если эти материалы свернуть в трубку, большая площадь поверхности может содержаться в относительно небольшом объеме. Чем выше напряжение, используемое для создания заряда, тем больше вероятность возникновения дуги, вызывающей короткое замыкание. По этой причине конденсаторы более высокого напряжения должны иметь более толстую изоляцию и, соответственно, большие физические размеры.
Количественная оценка емкости
Емкость измеряется в фарадах (Ф). Конденсатор 1-Ф будет иметь 1 вольт (В) на своих пластинах, когда он заряжен электричеством в 1 кулон. Кулон — это количество электрического заряда, которое проходит через любое поперечное сечение проводника за 1 секунду при подаче силы тока в 1 ампер (А). Это составляет примерно 6,25 квинтиллионов, или 6,25 х 1018 электронов. Чтобы представить эти абстрактные величины в реальной перспективе, 1 Кулон — это примерно количество электричества, которое проходит через автомобильную лампочку мощностью 12 Вт за 1 секунду.
Пятьдесят лет назад конденсатор 1-Ф был физически слишком большим, чтобы его можно было использовать, из-за доступных материалов и высоких напряжений, необходимых в современных цепях. Спекуляции и преувеличения относительно размера конденсатора 1-F варьировались от размера банки с тунцом до куба размером с городской квартал, в зависимости от номинального напряжения. Сегодня, с новыми диэлектрическими материалами и снижением требований к напряжению, полезный конденсатор 1-F может быть меньше, чем батарея C-элемента.
Конденсаторы параллельно увеличивают эффективную площадь пластин и увеличивают общую емкость (рис. 2). Однако последовательные конденсаторы эффективно отдаляют пластины друг от друга и уменьшают способность удерживать заряд (рис. 3).
Конденсаторы в цепях переменного тока
В цепях постоянного тока ток течет до тех пор, пока пластины конденсатора не зарядятся полностью. Если изменить полярность батареи, электроны перейдут на другую сторону конденсатора, и в течение некоторого времени снова будет течь ток.
Это то, что происходит с конденсатором в цепи переменного тока. Каждый раз, когда меняется полярность источника напряжения, ток меняется на противоположный. Если полярность меняется достаточно быстро, на протекание тока практически не влияет наличие конденсатора в цепи. Это порождает мнение, что конденсаторы блокируют постоянный ток, но пропускают переменный. Это в основном верно для более высоких значений частоты и емкости.
При любой частоте ток в емкостной цепи течет только до тех пор, пока пластины конденсатора не будут полностью заряжены; это зарядный ток, который течет. Когда пластины насыщаются электронами, ток прекращается. В цепи постоянного тока, очевидно, частота равна нулю. По мере зарядки конденсатора поток электронов уменьшается. Противодействие потоку тока, или импеданс, находится на самом высоком уровне.
С увеличением частоты переполюсовка происходит чаще, поэтому зарядка пластин происходит за меньшее время. Если частота достаточно высока, количество времени для зарядки и, следовательно, количество электронов, собранных на пластине, настолько мало, что почти полный ток течет в течение всего периода, потому что пластины никогда не заряжаются полностью.
Теоретически конденсатор на этой частоте имеет такое низкое значение импеданса, что фактически его даже нет. Точно так же, если значение емкости достаточно велико, способность удерживать электроны настолько высока, что пластины никогда не заряжаются полностью. Опять же, в течение всего периода протекает почти полный ток, а импеданс настолько низок, что конденсатор фактически находится вне цепи.
Резюме
Зная это, правила использования конденсаторов таковы:
Параллельное соединение конденсаторов увеличивает площадь пластин, позволяет удерживать более высокий заряд и увеличивает емкость.
Последовательное соединение конденсаторов увеличивает эффективное расстояние между пластинами, уменьшает влияние одной пластины на другую и уменьшает емкость.
Чем выше емкость, тем больше времени требуется для зарядки конденсатора и тем ниже импеданс.
Чем выше частота, тем меньше время зарядки и меньше импеданс.
Конденсаторы используются в электронных схемах, промышленном оборудовании и системах управления питанием. Они помогают обеспечить плавный постоянный ток с низкой пульсацией при использовании в источниках питания. Они помогают устранить нежелательные сигналы в аналоговых и цифровых схемах. Они обеспечивают частотно-зависимую работу многих электронных схем. Конденсаторы часто используются для коррекции коэффициента мощности, подавления гармоник и других улучшений качества электроэнергии.
Информация об авторе Венделл Райс, инженер по КИПиА, Parsons Infrastructure & Technology, Пасадена, Калифорния, работает инженером по системам управления более 25 лет. С ним можно связаться по телефону 765-245-5357 или [email protected]. Райс в настоящее время назначена на проект в Ньюпорте, штат Индиана, чтобы обеспечить поддержку программы армии США по нейтрализации химического оружия.
