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 Q_r

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

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Электрическая цепь. Как накапливается и распределяется энергия» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими материалами из данного раздела.

Публикация обновлена: 25.12.2022

Исследовательская работа «Конденсатор в цепи переменного тока» • Наука и образование ONLINE

Главная Работы на конкурс Предметное образование Естественно-научные дисциплины Исследовательская работа «Конденсатор в цепи переменного тока»

Автор: Клипа Константин

Место работы/учебы (аффилиация): МБОУ Табулгинская СОШ им. П.Д. Слюсарева, Новосибирская область, 11 класс

Научный руководитель: Жарикова Светлана Семеновна

Актуальность работы заключается в том, что конденсаторы применяют в настоящее время в различных отраслях науки и техники. Конденсаторы с ёмкостью в несколько фарад — ионисторы, используются в электромобилях, как источники питания двигателя. Трудно представить, как конструируют автоматику и релейную защиту без конденсаторов. Некоторые логики защит учитывают кратность перезаряда прибора. Ёмкостные элементы используются в схемах устройств мобильной связи, радио и телевизионной техники. Конденсаторы применяют в: усилителях высоких и низких частот, блоках питания, частотных фильтрах, усилителях звука, процессорах и других микросхемах.

Проблема: как осуществляется на практике зарядка, разрядка конденсатора; экспериментально изучить характеристики конденсатора.

Цель исследования: изучение свойств и характеристик конденсатора.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу и интернет-ресурсы о конденсаторе (зарядка и разрядка конденсаторов, виды соединения конденсаторов).
2. Провести ряд исследований по изучению свойств и характеристик конденсатора.
3. Систематизировать теоретические знания и экспериментальные результаты.
4. Анализ результатов исследований.

Гипотеза: при включении конденсатора в цепь постоянного тока характеристики цепи останутся неизменными.

Объект исследования: постоянный электрический ток, проходящий через конденсатор. Так же будет часто использоваться мультиметр.

Предмет исследования: электрическая цепь с конденсатором.

Методы исследования: изучение литературы, эксперименты, наблюдение, анализ и сравнение.

Практическая значимость моего исследования заключается в понимании принципа действия конденсатора, а также его характеристик. Знания и умения, полученные на основе моей работы, помогут мне при решении задач и при дальнейшем изучении физики и электроники, и вообще в жизни, потому что в наше время мы пользуемся современными приборами, в которых есть конденсаторы, выполняющие определённые функции.

Загрузка…

Индивидуальный итоговый проект «Термос- это просто»

Люди часто пользуются термосом , не задумываясь о том, как он работает. Ведь даже через несколько часов обычный чай в термосе остаётся такой же горячий. На его температуру не влияет даже погода на улице. Что же помогает сохранить чай горячим? Из чего…

Посмотреть работу

Проект «Автономный источник электроэнергии»

В современном мире очень легко купить любой прибор/аппарат, который тебе нужен. Существует множество интернет-магазинов с большим ассортиментом товаров и множество видеороликов и форумов, которые помогут сделать правильный выбор. Это существенно упро…

Посмотреть работу

Исследовательская работа «Мобильный телефон в учебном физическом эксперименте»

Доступна к просмотру полнотекстовая версия работы

Мы сталкиваемся с ситуацией, когда ребенок на уроке увлечен не объяснением учителя или выполнением задания, а компьютерной игрой, социальной сетью и т.п. Можно конечно все запретить, но можно пойти и другим путем, когда эти устройства, благодаря свои…

Посмотреть работу

Проект «Исследование свойств неньютоновской жидкости»

Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоят из жидкости, вода дает нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся. Мы все время сталкиваемся с использованием жидкостей, пьем чай, моем руки…

Посмотреть работу

Мероприятие завершено

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• Нихил де Нихило подходят

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

Базовый прорыв SparkFun FTDI — 5 В

В наличии DEV-09716

$16,50

122

Избранное Любимый 78

Список желаний

Адаптер SparkFun SSOP-DIP — 16-контактный

В наличии ЛПП-13994

Избранное Любимый 6

Список желаний

Светодиодная матрица SparkFun LuMini — 8×8 (64 x APA102-2020)

Нет в наличии COM-15047

27,95 $

1

Избранное Любимый 11

Список желаний

Журнал Elektor — март/апрель 2021 г.

(на английском языке)

В наличии БОК-17986

$13,95 3,49 доллара США

1

Избранное Любимый 1

Список желаний

Опрос клиентов SparkFun 2020

6 октября 2020 г.

Расскажите о нас!

Избранное Любимый 0

Конусы Qwiic для живых треков Mario Kart

10 декабря 2020 г.

Добавьте немного мерцания и свечения в свои гонки Mario Kart Live, используя Qwiic Quad Relay, чтобы взломать дешевый хлам из магазина за доллары.

Избранное Любимый 0

• Электроника SparkFun®
• 6333 Dry Creek Parkway, Niwot, Colorado 80503
• Настольный сайт

• Ваш счет
• Авторизоваться
• регистр

Что такое конденсаторные цепи?

До сих пор мы познакомились с источниками питания, резисторами и переключателями и изучили значения напряжения, тока, сопротивления и рассеиваемой мощности в цепях. В этой статье рассматривается еще один тип электронного компонента: конденсатор.

Ключевые термины

o Конденсатор

o емкость

o Farad

Цели

o Распознайте функцию концентрации

olightsiots articiots circuitiots circuitiots circuitiots cumpitsiots. не пытайтесь воспроизвести схемы, иллюстрации или инструкции из этой статьи в реальном сценарии. Это может привести к поражению электрическим током, травме или смерти. Эти примеры приведены только для теоретического обсуждения, а не для фактического/физического использования.

Резисторы являются важными электронными компонентами, но во многих сложных электронных схемах есть гораздо больше. Сети резисторов довольно «статичны», то есть их параметры не сильно меняются с течением времени. Это нормально в случае, скажем, с лампочкой — обычно вам нужен постоянный источник света, а не мерцание или мигание. Но что, если мы хотим сделать что-то более интересное, например, создать падение напряжения, которое со временем уменьшается или увеличивается? Нам нужно нечто большее, чем просто резисторы. В этой статье мы обсудим один такой компонент: конденсатор.

Что такое конденсатор?

Заряд может двигаться в проводнике, и он движется под действием электрической силы. Как правило, провода электрически нейтральны, но они могут проводить заряд, и заряд может также накапливаться в частях материала в ответ на электрические силы. Представьте сценарий ниже, где у нас есть наш обычный источник питания (напряжения). Каждая клемма соединена с металлической пластиной, но эти две пластины разделены изолятором (например, воздухом), что означает, что между ними не может перемещаться заряд. Также мы добавим переключатель, который начинается в положении «открыто».

Хотите узнать больше? Почему бы не пройти онлайн-курс по электронике?

Когда переключатель разомкнут, ничего не происходит — нижняя металлическая пластина находится на «земле», а верхняя металлическая пластина отключена от любого источника напряжения. (Мы также предполагаем, что он находится на «земле».) Таким образом, между пластинами не существует электрических сил. Теперь давайте замкнем переключатель и посмотрим, что произойдет. цепи, на двух пластинах нет разности напряжений, но положительный заряд перемещается от положительной клеммы источника питания к верхней пластине и начинает накапливаться (нижняя пластина находится на земле, и положительный заряд притягивается к ней электрической силой) Обратите внимание, что ток не может течь между этими пластинами, потому что они разделены. Поскольку положительный заряд накапливается в верхней пластине, положительный заряд отталкивается от нижней пластины, оставляя на ней эквивалентный отрицательный заряд.

Заряд будет накапливаться до тех пор, пока падение напряжения между двумя пластинами не станет эквивалентным напряжению питания, В. Обратите внимание, что существование электрической силы между пластинами (и, следовательно, разность электрических потенциалов) ясно видно потому что одна пластина заряжена положительно, а другая отрицательно. По сути, эти пластины похожи на источник питания, который «заряжается» или «запитывается» от батареи (или другого источника) в цепи. Другими словами, эти пластины способны накапливать электрическую энергию за счет накопления заряда. Такое устройство, включающее в себя проводящие пластины, какой бы ни была их форма, называется конденсатор. Мы будем использовать следующий интуитивно понятный символ схемы для конденсатора.

Как вы могли догадаться, большие пластины оставляют больше места для накопления заряда. Кроме того, чем ближе пластины, тем сильнее сила между аккумулирующими зарядами. Способность конденсатора удерживать заряд называется его емкостью , , которую мы будем обозначать как C. (единицей емкости в системе СИ является фарад ). — Впрочем, мы не будем много заниматься этим отрядом. Тем не менее, один фарад равен одному кулону на вольт, что довольно интуитивно, если подумать!) Если конденсатор может удерживать больший заряд при данном падении напряжения на нем, то его емкость выше.

Практическая задача : Конденсатор имеет емкость 1 фарад. Если падение напряжения на нем составляет 10 вольт, сколько кулонов заряда он может удерживать?

Решение : Используйте определение фарад: это то, сколько заряда может удерживать конденсатор, измеряемый в кулонах на вольт падения напряжения. Таким образом, если конденсатор имеет падение напряжения 10 В, он будет удерживать заряд 10 Кл. (Умножьте падение напряжения на «емкость» заряда — это должно быть то же самое, что и емкость в фарадах. Другими словами, используйте соотношение Q = CV, где Q — заряд, хранящийся в конденсаторе, C — емкость, V — напряжение.)

Что могут конденсаторы?

Вам может быть не сразу очевидно, как можно использовать конденсаторы. А пока давайте посмотрим на схему ниже, чтобы увидеть, на что способен конденсатор.

Сначала замкните переключатель S ₁ , чтобы зарядить конденсатор; поскольку S ₂ остается разомкнутым, на резисторе нет падения напряжения, поэтому он не участвует в функционировании схемы.

Как мы обсуждали выше, конденсатор будет «заряжаться» до тех пор, пока не достигнет напряжения В . (Время, необходимое для осуществления этого процесса, зависит от ряда факторов: если провода действительно являются идеальными проводниками, то процесс происходит мгновенно, но если провод имеет некоторое сопротивление, как это имеет место в действительности, то этот процесс занимает некоторое конечное время. количество времени.) Как только конденсатор заряжен, мы размыкаем переключатель S ₁ ; Верхняя пластина сохраняет свой заряд (поскольку она не заземлена), поэтому напряжение на C остается В вольт.

Теперь замкните переключатель S ₂ . Положительный заряд на верхней пластине конденсатора теперь имеет путь к земле через резистор R. Следуя принципам анализа цепей, мы знаем, что (первоначально) падение напряжения на резисторе составляет В.

 

Но когда избыточный заряд в верхней пластине конденсатора стекает на землю, конденсатор теряет накопленную энергию, а это означает, что его напряжение уменьшается. Таким образом, по закону Ома уменьшается и сила тока. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не истощится заряд конденсатора; в этот момент цепь «мертвая» (просто это означает, что больше нет напряжения или тока через R и C ). (Кстати, положительный заряд в этом случае лучше всего рассматривать как движение к нижней пластине конденсатора, где он «нейтрализует» отрицательный ток, накопленный при зарядке конденсатора.)

В этот момент конденсатор должен быть перезарядить, чтобы повторить процесс. Если в этой цепи одновременно замкнуты оба ключа, то конденсатор также заряжается, но как только он достигает максимальной емкости, ток течет только через резистор 9.0127 R. Этот ток можно найти с помощью закона Ома.

Таким образом, при полной зарядке в этой цепи конденсатор фактически аналогичен открытому выключателю!

В этой статье конденсатор представлен лишь вкратце, и сделано это с минимумом математики. Чтобы по-настоящему понять, что происходит с конденсаторами, нам потребуется сложная математика и более сложная электрическая теория. Но, как вы можете видеть из краткого обсуждения выше, конденсаторы — это электронные компоненты, которые могут накапливать электрическую энергию за счет накопления заряда.