Condensator - fizica liceului
introducere
Condensatoare sunt componente electrice pasive cu capacitatea de a stoca sarcina electrică și energia aferentă.
funcționalitate
Stânga este o schemă a unuia Condensator de placă. Aceasta constă din două plăci metalice, care sunt fixate de un izolator, așa-numitul dielectric, (de ex. aer sau ceramică) sunt separate.
Va condensatorul taxat, adică de exemplu. Când sarcinile opuse sunt aplicate plăcilor de către o sursă de tensiune, a câmp electric construit. Energia utilizată pentru încărcarea condensatorului este stocată în acest câmp.
Fiecare condensator are un maxim Rezistență dielectrică, care determină cu câtă tensiune poate fi încărcat condensatorul. Dacă este încărcat cu o tensiune prea mare, așa că el lovește, adică dielectricul este deteriorat și plăcile metalice sunt scurtcircuitate.
Capacitate \ (C \)
capacitate a unui condensator indică câtă încărcare poate stoca un condensator la o tensiune de \ (1 V \) și este specificată în Farad. Se calculează după cum urmează:
$$ C = \ dfrac \ qquad \ qquad \ mathrm \ qquad \ left [1 F = \ dfrac \ right] $$
Dacă un condensator încărcat are sarcina \ (Q_1 = 5 \ cdot 10 ^ C \) la tensiunea \ (U_1 = 5 V \), are o capacitate de:
$$ C = \ dfrac = \ dfrac C> = 10 ^ F = 100 \ mu F $$
Calcul pe baza suprafeței plăcii și a distanței
Capacitatea unui condensator de placă depinde puternic de aria \ (A \) a plăcilor și de distanța lor \ (d \). Cu cât este mai mare \ (A \) și mai mică \ (d \), cu atât este mai mare capacitatea \ (C \).
De asemenea, este relevant pentru capacitatea dielectrică care este utilizată. Constantă dielectrică \ (\ epsilon_r \), indică factorul prin care crește capacitatea de stocare a unui condensator prin utilizarea dielectricului. Pentru aer, se aplică \ (\ epsilon_r = 1 \). Pe de altă parte, materialele ceramice speciale măresc capacitatea de stocare a unui condensator cu un factor de \ (100 - 10 \, 000 \).
Constanta dielectrică a unor materiale:
| Chihlimbar | 2.8 | Polistiren | 2.6 |
| Sticlă | 5. 16 | porţelan | 4.5. 6.5 |
| Hârtie tare | 3.5. 5 | Ulei de transformator | 2.5 |
| Ceramică specială | 100. 10.000 | vid | 1 |
| aer | 1.0006 | apă | 81 |
| parafină | 2.3 |
Energie de câmp \ (E \)
În timpul procesului de încărcare, încărcarea este adăugată la plăcile condensatorului. Se construiește un câmp electric, a cărui energie este crescută cu fiecare schimbare a sarcinii \ (\ Delta Q \). Se aplică următoarele:
$$ \ Delta E_i = \ Delta Q \ cdot U_i $$
Adunarea acestor energii parțiale dă energia totală a câmpului electric. În acest caz:
$$ E = \ dfrac \ cdot Q \ cdot U $$
$$ E = \ dfrac \ cdot C \ cdot U ^ 2 $$
Proces de încărcare/descărcare
Următorul experiment constă dintr-o sursă de tensiune, un rezistor și un condensator și un comutator care controlează conexiunea la sursa de tensiune. În funcție de poziția comutatorului, condensatorul este încărcat sau descărcat de sursa de tensiune. (Porniți simularea și apoi faceți clic pe comutator pentru a comuta între încărcare și descărcare.)
La Procesul de încărcare tensiunea crește rapid la început și apoi crește mai încet. Acest lucru se datorează faptului că câmpul electric creat în condensator contracarează procesul de încărcare. Pe măsură ce tensiunea condensatorului crește, este necesară din ce în ce mai multă energie pentru o creștere suplimentară a tensiunii.
După procesul de încărcare, toată energia este stocată ca energie de câmp. La descărcare, acest lucru devine din nou gratuit.
La Proces de descărcare tensiunea scade rapid la început și apoi scade din ce în ce mai încet. Acest lucru se datorează faptului că câmpul electric existent în condensator devine din ce în ce mai slab pe măsură ce se descarcă.
În timpul procesului de încărcare a unui condensator, curbele de tensiune și curent pot fi afișate după cum urmează e funcții descrie:
Următoarele se aplică în timpul procesului de descărcare a unui condensator:
Constanta de timp \ (\ tau \) se calculează după cum urmează:
Pentru valorile din animația de mai sus, obținem:
$$ \ tau = R_> \ cdot C = 1000 k \ omega \ cdot 2 \ mu F = 2 s $$
| \ (1 \ cdot \ tau \) | \ (0.632 \ cdot U_0 \) |
| \ (2 \ cdot \ tau \) | \ (0,865 \ cdot U_0 \) |
| \ (3 \ cdot \ tau \) | \ (0.950 \ cdot U_0 \) |
| \ (4 \ cdot \ tau \) | \ (0.982 \ cdot U_0 \) |
| \ (5 \ cdot \ tau \) | \ (0.993 \ cdot U_0 \) |
După un timp de încărcare de \ (\ tau \) un condensator atinge o tensiune de \ (0,632 \ cdot U_0 \) și după un timp de încărcare de aproximativ \ (0,69 \ cdot \ tau \) are deja 50% din tensiunea sa finală Tensiunea a ajuns. După un timp de încărcare de \ (t_> \ aproximativ 5 \ tau \) se încarcă la aproximativ 99%, deci în practică se presupune că este încărcat complet după acest timp.
Condensatorul din animația de mai sus se încarcă după aprox. \ (T_> \ approx 5 \ cdot \ tau = 5 \ cdot 2 s = 10 s \), care poate fi văzut și pe grafic.
Determinarea timpului de încărcare trecut
Pentru a determina timpul de încărcare/descărcare până la o anumită tensiune, formulele de încărcare/descărcare sunt convertite în \ (t \).
\ begin U & = U_0 \ cdot \ left (1 - e ^> \ right) \\ & \\ \ dfrac & = 1 - e ^> \\ & \\ \ dfrac - 1 & = - e ^> \\ & \\ 1 - \ dfrac & = e ^> \\ & \\ \ ln \ left (1 - \ dfrac \ right) & = - \ frac \\ & \\ - \ tau \ cdot \ ln \ left (1 - \ dfrac \ right) & = t \\ \ end