Конденсатор в колі змінного струму

Зберемо ланцюг з конденсатором, в якій генератор змінного струму робить синусоїдальна напруга. Розберемо по черзі, що станеться в ланцюзі, коли ми замкнемо ключ. Вихідним будемо вважати той момент, коли напруга генератора дорівнює нулю.

Мал. 1. Зміна струму і напруги в колі з ємністю

Таким чином, струм з більшою силою спрямовується у вільний від заряду конденсатор, але тут же починає спадати в міру наповнення зарядами пластинок конденсатора і падає до нуля, стовідсотково зарядивши його.

Порівняємо це явище з тим, що відбувається з потоком води в трубі, що з`єднує дві сполучені посудини (рис. 2), один з яких заповнений, а інший порожній. Варто тільки висунути заслінку, що перегороджують шлях воді, як вода відразу з лівого судини під величезним напором кинеться по трубі в порожній правий посудину. Але одразу ж натиск води в трубі почне рівномірно слабшати, внаслідок вирівнювання рівнів в судинах, і звалиться до нуля. Перебіг води закінчиться.

Мал. 2. Зміна напору води в трубі, що з`єднує сполучені посудини, схоже з конфігурацією струму в ланцюзі під час заряду конденсатора

Подібно до цього і ток спочатку спрямовується в незаряджений конденсатор, а потім рівномірно слабшає у міру його заряду.

З початком 2-ий чверті періоду, коли напруга генератора почне спочатку повільно, а потім все швидше і швидше спадати, заряджений конденсатор буде розряджатися на генератор, що викличе в ланцюзі струм розряду. У міру зменшення напруги генератора конденсатор все більшою і більшою мірою розряджається і струм розряду в ланцюзі зростає. Напрямок струму розряду в цій чверті періоду назад напрямку струму заряду в першій чверті періоду. Відповідно до цього крива струму, пройшовши нульове значення, розміщується вже зараз нижче осі часу.

До кінця першого напівперіоду напруга на генераторі, також і на конденсаторі стрімко наближається до нуля, а струм в ланцюзі повільно досягає свого максимального значення. Згадавши, що величина струму в ланцюзі тим більше, чим більше величина переноситься по ланцюгу заряду, стане зрозумілим, чому ток досягає максимуму тоді, коли напруга на пластинках конденсатора, а як слід, і заряд конденсатора стрімко зменшуються.

З початком третьої чверті періоду конденсатор знову починає заряджатися, але полярність його платівок, так само як і полярність генератора, змінюється «а зворотний, а струм, продовжуючи текти в тому ж напрямку, починає в міру заряду конденсатора спадати, В кінці третьої чверті періоду, коли напруги на генераторі і конденсаторі досягають свого максимуму, ток стає рівним нулю.

В останню чверть періоду напруга, зменшуючись, падає до нуля, а струм, змінивши свій напрямок в ланцюзі, домагається найбільшої величини. На цьому і завершується період, за яким починається наступний, в точності повторює попередній, і т. Д.

Отже, під дією змінної напруги генератора два рази за період відбуваються заряд конденсатора (1-а і 3-тя чверть періоду) і два рази його розряд (2-а і 4-а чверті періоду). Але тому що чергуються один за одним заряди і розряди конденсатора супроводжуються щоразу проходженням по ланцюгу зарядного і розрядного струмів, то ми можемо зробити висновок, що по ланцюгу з ємністю проходить змінний струм.

Переконатися в цьому можна на наступному простому досвіді. Підключіть до мережі змінного струму через лампочку електронного освітлення потужністю 25 Вт конденсатор ємністю 4-6 МКФ. Лампочка загориться і не згасне до того часу, поки не буде розірвана ланцюг. Це свідчить про те, що по ланцюгу з ємністю проходив змінний струм. Але проходив він, природно, не через діелектрик конденсатора, а в кожен момент часу являв собою або струм заряду або струм розряду конденсатора.

Діелектрик ж, наскільки ми знаємо, поляризується під дією електричного поля, що виникає в ньому при заряді конденсатора, і поляризація його зникає, коли конденсатор розряджається.

При цьому діелектрик з виникаючим в ньому струмом зміщення служить для змінного струму свого роду продовженням ланцюга, а для постійного розриває ланцюг. Але струм зміщення з`являється виключно в межах діелектрика конденсатора, і тому наскрізного переносу зарядів по ланцюгу не відбувається.

Опір, який чиниться конденсатором змінному струмі, знаходиться в залежності від величини ємності конденсатора і від частоти струму.

Чим більше ємність конденсатора, тим більший заряд переноситься по ланцюгу за час заряду і розряду конденсатора, а як слід, і тим більший буде струм в ланцюзі. Підвищення ж струму в ланцюзі свідчить про те, що зменшилася її опір.

Отже, з підвищенням ємності зменшується опір ланцюга змінному струмі.

Підвищення частоти струму нарощує величину переноситься по ланцюгу заряду, тому що заряд (а також і розряд) конденсатора повинен відбутися швидше, ніж при низькій частоті. У той же час підвищення величини переноситься в одиницю часу заряду рівносильно підвищенню струму в ланцюзі, а як слід, зменшення її опору.

Якщо ж ми будь-яким методом будемо рівномірно зменшувати частоту змінного струму і зведемо ток до незмінного, то опір конденсатора, включеного в ланцюг, буде поступово збільшуватися і стане нескінченно величезним (розрив ланцюга) до моменту виникнення в ланцюзі постійного струму.

Отже, з підвищенням частоти зменшується опір конденсатора змінному струмі.

Подібно до того як опір котушки змінному струмі називають індуктивним, опір конденсатора прийнято називати ємнісним.

Таким чином, ємнісний опір тим більше, чим менше ємність ланцюга і частота живлячої її струму.

Ємнісний опір позначається через Хс і вимірюється в Омасі.

Залежність ємнісного опору від частоти струму і ємності ланцюга визначається формулою Хс = 1 / ωС, де ω - радіальна частота, яка дорівнює добутку 2πf, С-ємність ланцюга в Фарада.

Ємнісний опір, як і індуктивне, є реактивним за своїм характером, тому що конденсатор не споживає енергії джерела струму.

Формула закону Ома для ланцюга з ємністю має вигляд I = U / Xc, де I і U - діючі значення струму і напруги-Хс - ємнісний опір ланцюга.

Властивість конденсаторів робити величезний опір струмів низької частоти і просто пропускати струми високої частоти широко використовується в схемах апаратури зв`язку.

За допомогою конденсаторів, наприклад, досягається потрібне для роботи схем розділення незмінних струмів і струмів низької частоти від струмів високої частоти.

Якщо необхідно перегородити шлях току низької частоти в високочастотну частину схеми, по черзі включається конденсатор маленький ємності. Він має великий опір низькочастотному току і в той же час просто пропускає струм високої частоти.

Якщо ж потрібно не допустити ток високої частоти, наприклад, в ланцюг живлення радіостанції, то вживається конденсатор великої ємності, що включається паралельно джерела струму. Струм високої частоти в даному випадку проходить через конденсатор, минаючи ланцюг харчування радіостанції.

Активний опір і конденсатор в колі змінного струму

На практиці нерідко зустрічаються випадки, коли в ланцюзі послідовно з ємністю включено активний опір. Загальний опір кола в даному випадку визначається за формулою

Отже, повний опір ланцюга, що складається з активного і ємнісного опорів, змінному струмі дорівнює кореню квадратному із суми квадратів активного і ємнісного опорів цьому ланцюзі.

Закон Ома залишається справедливим і для цього ланцюга I = U / Z.

На рис. 3 наведені криві, що характеризують фазові співвідношення між струмом і напругою в ланцюзі, що містить ємнісний і активне опору.

Мал. 3. Струм, напруга і потужність в ланцюзі з конденсатором і активним опором

Як видно з малюнка, ток в даному випадку випереджає напруга вже не на чверть періоду, а менше, тому що активний опір порушило чисто ємнісний (реактивний) характер ланцюга, про що свідчить зменшений зрушення фаз. Зараз вже напруга на затискачах ланцюга визначиться як сума 2-ух складають: реактивної слагающей напруги uс, що йде на подолання ємнісного опору ланцюга, і активної слагающей напруги долає активну її опір.

Чим більше буде активний опір ланцюга, тим найменший зсув фаз вийде між струмом і напругою.

Крива конфігурації потужності в ланцюзі (див. Рис. 3) два рази за період придбала негативний символ, що є, як нам уже зрозуміло, наслідком реактивного характеру ланцюга. Чим менше реактивна ланцюг, тим менше зрушення фаз між струмом і напругою і тим більшу потужність джерела струму цей ланцюг споживає.