Càrrega i descàrrega del condensador

Càrrega del condensador

Per carregar el condensador, cal connectar-lo al circuit de CC. A la fig. 1 mostra el circuit de càrrega del condensador. El condensador C està connectat als terminals del generador. La clau es pot utilitzar per tancar o obrir el circuit. Fem una ullada detallada al procés de càrrega d'un condensador.

El generador té resistència interna. Quan l'interruptor està tancat, el condensador es carregarà a una tensió entre les plaques igual a e. etc. v. generador: Uc = E. En aquest cas, la placa connectada al terminal positiu del generador rep una càrrega positiva (+q), i la segona placa rep una càrrega negativa igual (-q). La mida de la càrrega q és directament proporcional a la capacitat del condensador C i la tensió a les seves plaques: q = CUc

Pe. 1... Circuit de càrrega de condensadors

Per carregar les plaques del condensador, cal que una d'elles guanyi i l'altra perdi una certa quantitat d'electrons.La transferència d'electrons d'una placa a una altra es realitza al llarg del circuit extern per la força electromotriu del generador, i el procés de moviment de càrregues al llarg del circuit no és més que un corrent elèctric, anomenat corrent capacitiu de càrrega A càrrega.

El valor del corrent de càrrega sol fluir en mil·lèsimes de segon fins que la tensió a través del condensador arriba a un valor igual a e. etc. v. generador. A la fig. 2, a, de la qual es pot veure que la tensió Uc augmenta suaument, primer ràpidament, i després cada cop més lentament, fins a ser igual a e. etc. v. generador E. Després d'això, la tensió a través del condensador es manté sense canvis.

Arròs. 2. Gràfics de voltatge i corrent en carregar un condensador

A mesura que el condensador es carrega, un corrent de càrrega flueix pel circuit. El gràfic del corrent de càrrega es mostra a la Fig. 2, b. En el moment inicial, el corrent de càrrega té el valor més gran, ja que la tensió del condensador encara és zero, i segons la llei d'Ohm iotax = E /Ri, ja que tots els e., etc. El generador c s'aplica a la resistència Ri.

A mesura que el condensador es carrega, és a dir, augmenta la tensió a través d'ell, disminueix pel corrent de càrrega. Quan ja hi ha una tensió a través del condensador, la caiguda de tensió a través de la resistència serà igual a la diferència entre e. etc. v. voltatge del generador i del condensador, és a dir, igual a E — U s. Per tant itax = (E-Us) / Ri

A partir d'aquí es pot veure que a mesura que Uc augmenta, i carrega i a Uc = E el corrent de càrrega es torna zero.

Llegeix més sobre la llei d'Ohm aquí: Llei d'Ohm per a una secció d'un circuit

La durada del procés de càrrega del condensador depèn de dues magnituds:

1) a partir de la resistència interna del generador Ri,

2) a partir de la capacitat del condensador C.

A la fig. 2 mostra els gràfics dels corrents elegants per a un condensador amb una capacitat de 10 microfarads: la corba 1 correspon al procés de càrrega d'un generador amb e. etc. amb E = 100 V i amb una resistència interna Ri= 10 Ohm, la corba 2 correspon al procés de càrrega d'un generador amb la mateixa e. pr. amb, però amb una resistència interna més baixa: Ri = 5 ohms.

A partir d'una comparació d'aquestes corbes, es pot observar que amb una menor resistència interna del generador, la força del corrent elegant en el moment inicial és més gran i, per tant, el procés de càrrega és més ràpid.

Arròs. 2. Gràfics de corrents de càrrega a diferents resistències

A la fig. 3 compara els gràfics de corrents de càrrega quan es carrega des del mateix generador amb e. etc. amb E = 100 V i resistència interna Ri= 10 ohms de dos condensadors de diferents capacitats: 10 microfarads (corba 1) i 20 microfarads (corba 2).

Corrent de càrrega inicial iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Els dos condensadors són iguals, ja que un condensador amb una capacitat més gran emmagatzema més electricitat, llavors el seu corrent de càrrega hauria de trigar més temps i el procés de càrrega és més llarg.

Arròs. 3. Taules de corrents de càrrega amb diferents capacitats

Descàrrega del condensador

Desconnecteu el condensador carregat del generador i connecteu una resistència a les seves plaques.

Hi ha una tensió a les plaques del condensador Us, per tant, en un circuit tancat, circularà un corrent anomenat corrent capacitiu de descàrrega ires.

El corrent flueix des de la placa positiva del condensador a través de la resistència a la placa negativa. Això correspon a la transició de l'excés d'electrons de la placa negativa a la positiva, on estan absents.El procés de trames de fila té lloc fins que els potencials de les dues plaques són iguals, és a dir, la diferència de potencial entre elles esdevé zero: Uc = 0.

A la fig. La figura 4a mostra el gràfic de la disminució de la tensió del condensador durant la descàrrega des del valor Uco = 100 V a zero, i la tensió primer disminueix ràpidament i després més lentament.

A la fig. 4, b mostra la gràfica dels canvis en el corrent de descàrrega. La força del corrent de descàrrega depèn del valor de la resistència R i segons la llei d'Ohm ires = Uc/R

Arròs. 4. Gràfics de voltatge i corrents durant la descàrrega del condensador

En el moment inicial, quan la tensió a les plaques del condensador és més gran, el corrent de descàrrega també és el més gran, i amb una disminució de Uc durant la descàrrega, el corrent de descàrrega també disminueix. A Uc = 0, el corrent de descàrrega s'atura.

La durada de l'eliminació depèn de:

1) a partir de la capacitat del condensador C

2) sobre el valor de la resistència R a la qual es descarrega el condensador.

Com més gran sigui la resistència R, més lenta es produirà la descàrrega. Això es deu al fet que amb una gran resistència, la força del corrent de descàrrega és petita i la quantitat de càrrega a les plaques del condensador disminueix lentament.

Això es pot mostrar en els gràfics del corrent de descàrrega del mateix condensador, amb una capacitat de 10 μF i carregat a una tensió de 100 V, a dos valors diferents de resistència (Fig. 5): corba 1 — a R =40 ohms, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A i corba 2 — a 20 ohms ioresr = 100/20 = 5 A.

Arròs. 5. Gràfics dels corrents de descàrrega a diferents resistències

La descàrrega també és més lenta quan la capacitat del condensador és gran.Això es deu al fet que amb més capacitat a les plaques del condensador, hi ha més electricitat (més càrrega) i es necessitarà més temps perquè la càrrega s'esgoti. Això ho mostren clarament els gràfics dels corrents de descàrrega de dos condensadors de la mateixa capacitat, carregats a la mateixa tensió de 100 V i descarregats a una resistència R= 40 ohms (Fig. 6: corba 1 — per a un condensador amb una capacitat). de 10 microfaradis i corba 2 — per a un condensador amb una capacitat de 20 microfaradis).

Arròs. 6. Gràfiques dels corrents de descàrrega a diferents potències

Dels processos considerats, es pot concloure que en un circuit amb un condensador, el corrent només flueix en els moments de càrrega i descàrrega, quan canvia la tensió a les plaques.

Això s'explica pel fet que quan canvia la tensió, la quantitat de càrrega a les plaques canvia, i això requereix el moviment de les càrregues al llarg del circuit, és a dir, un corrent elèctric ha de passar pel circuit. Un condensador carregat no passa corrent continu perquè el dielèctric entre les seves plaques obre el circuit.

Energia del condensador

Durant el procés de càrrega, el condensador emmagatzema energia rebent-la del generador. Quan es descarrega un condensador, tota l'energia del camp elèctric es converteix en energia tèrmica, és a dir, va a escalfar la resistència a través de la qual es descarrega el condensador. Com més gran sigui la capacitat del condensador i la tensió a través de les seves plaques, més gran serà l'energia del camp elèctric del condensador. La quantitat d'energia que posseeix un condensador de capacitat C carregat a una tensió U és igual a: W = Wc = CU2/2

Un exemple. Condensador C = 10 μF carregat a tensió Uc = 500 V.Determineu l'energia que s'alliberarà per la força de la calor a la resistència a través de la qual es descarrega el condensador.

Respon. Durant la descàrrega, tota l'energia emmagatzemada pel condensador es convertirà en calor. Per tant, W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.