Знання сила! Основи електрики (частина 5)
Спершу однофазний. Маса (нуль). Висота води в ємностях чи висота гребенів різних хвиль однієї частоти чи хвилі щільності.
Конденсатор - два ізольовані один від одного провідники (їх називають обкладками), перекачуючи між якими електрони, можна запасти енергію.
Тобто,конденсатор зберігає не самі електрони,не надмірна їх кількість,а різницю - на одній обкладці їх скільки-то не вистачає, на другий такий самий надлишок. Конденсатор зберігає енергію, витрачену на перенос електронів з однієї обкладки на іншу.
Зарядити конденсатор можна, підключивши його до джерела струму (1). При цьому від плюса джерела до мінуса потече короткочасний зарядний струм (блакитна лінія показує шлях зарядного струму). Після закінчення заряду конденсатора (коли напруга на ньому стане рівним напрузі джерела), струм припиниться. Тепер енергію зарядженого конденсатора можна використати. Перевівши перемикач S1 у праве положення (4), ми підключаємо конденсатор до лампи, яка швидко загориться струмом розряду конденсатора. Гідро аналоги конденсатора - розрядженого (2) та зарядженого (3) допоможуть зрозуміти суть. Заряджаючи гідроконденсатор, ми деформуємо його гнучку мембрану. А потім енергія деформації мембрани дозволить нам здійснити якусь роботу.
Чим більша площа обкладок, і чим ближче вони один до одного, тим більша ємність конденсатора.
У чому вимірюється ємність конденсатора?
Одиниця ємності – фарад.
Чим більший діаметр вертикальної водонапірної труби, тим на меншу висоту підніметься вода, що закачується до неї. З конденсатором така ж картина - чим більша його ємність (а вона залежить від площі пластин), тим до меншої напруги він зарядиться однаковою кількістю електронів, "перекачаних" з однієї обкладки наіншу. Якщо площа пластин більша, електрони "розтечуться" по ній "тонким шаром".
Місткість водонапірної труби - здатність накопичувати воду. Місткість конденсатора - здатність накопичувати заряд.
Якщо ми переженемо з однієї обкладки конденсатора на іншу один кулон - 6,25*10^18 електронів, підключимо до нього вольтметр і той покаже різницю потенціалів (напруга) 1 (один вольт), значить, ємність цього конденсатора дорівнює 1 Ф - один фарад.Якщо ж вольтметр покаже, припустимо, 100 В, це означатиме, що ємність конденсатора 0,01 Ф - одна сота фарад - вузьким виявився наш посуд для електронів. І тому їхній рівень піднявся високо.
Потенційна енергія води у вертикальній трубі має квадратичну залежність від її висоти. Справді: якщо рівень води у трубі піднявся вдвічі, висота центру її тяжкості збільшилася вдвічі. Але й обсяг запасеної води теж зріс у два рази! Вдвічі вище і вдвічі більше (важче). Підставимо ці двійки у формулу потенційної енергії: Ep = 2 m*g** 2 h = 4 *m*g*h.
(Ep-потенційна енергія, m – маса, g – прискорення вільного падіння, приблизно 10, h – висота центру тяжкості водного стовпа). Виходить, що потенційна енергія подвоєного стовпа води вчетверо більша.
У конденсаторі те саме. Йогопотенційна енергія дорівнює добутку ємності та квадрата напруги, поділеному на два: Wp = C*U^2/2. Подвоїмо напругу на конденсаторі - запасемо вчетверо більше енергії.
Чим зумовлена потенційна енергія конденсатора? Тим, що на одиниці площі однієї його обкладки збирається надлишок електронів і тим більша, чим більша напруга, якою конденсатор заряджають. Оскільки електрони заряджені однаково (негативно), вони відштовхуються друг від друга. На протилежнійОбкладинки напружена ситуація обумовлена навпаки, дефіцитом електронів.
Уявіть собі два села на протилежних берегах річки. У кожній із них - однакова кількість будинків, і в кожному будинку живе одна сімейна пара - чоловік та жінка. Через річку перекинутий міст. І ось в якийсь момент, частина чоловіків з одного села переганяють в інше, жінки ж залишаються в будинках. Це і є аналогом заряду конденсатора. Соціальна напруга, що виникає за такого перерозподілу - аналог електричної напруги. Зрозуміло, якщо наш міст не перекрити, чоловіки перетечуть назад. Перекритий міст – аналог відключеного від мережі конденсатора. Якщо потрібно виконати якусь роботу, ми відкриваємо міст, не забувши встановити на шляху потоку чоловіків-електронів вертушку (підключаємо конденсатор до навантаження), щоб енергія не зникла даремно. Рушійних сил тут дві: відштовхування чоловіків (одноіменних зарядів) один від одного, і привабливість дам на тому березі (притягнення різноіменних зарядів).
До речі, схожа формула описує потенційну енергію пружини:
E = K * X ^ 2/2. Енергія пружини дорівнює добутку її жорсткості та квадрата деформації, поділеному на два.
Як відрахувати цей кулон? Звідки ми дізнаємося, що саме 6,25 * 10 ^ 18 електронів перейшло з однієї обкладки на іншу? Це не складно. Нам відомо, що 1 Кл протікає через провідник за секунду при струмі один ампер (1 А). Якщо наш конденсатор повністю зарядився за одну секунду, і середній струм заряду становив один ампер заряд його і є один кулон.
Як дізнатися, що зарядка конденсатора закінчилася - на око не видно?
Воно стосується конденсаторів із полярним діелектриком. Такий діелектрик складається із молекул, різні кінці яких мають протилежний заряд. В електричномуполе такі молекули розвертаються позитивними кінцями до мінусової обкладки конденсатора, негативними – до плюсової. За рахунок цього конденсатор може зберігати в кілька разів більше енергії, ніж такий самий конденсатор без полярного діелектрика.
Є такий термін – діелектрична проникність діелектрика. Вона якраз і показує, скільки разів конденсатор може зберігати більше енергії. Наприклад, діелектрична проникність дистильованої води дорівнює 81. Якщо між обкладками конденсатора помістити таку воду, ємність конденсатора зросте в 81 раз. І він зможе запасати у 81 раз більше енергії.
У гідравлічному аналогу подібне можна зімітувати, збільшивши жорсткість пружин. Аналог зможе запасати більше енергії в стільки разів, скільки збільшилася жорсткість.
Навіщо потрібен конденсатор?
Конденсатор здатний згладжувати стрибокінапруги. Пояснимо на гідравлічному аналогу:
Ліворуч джерело пульсуючого тиску - ручний насос. Смикаємо його рукоятку вгору - вниз, і, якби не клапан у поршні, вода бігала б то годинниковою, то проти. Але наявність клапана "випрямляє" потік - спрямовує його в один бік. Коли поршень рухається нагору, вода теж. Коли поршень донизу, клапан у ньому відкривається, і руху води немає. Таким чином, ми поштовхами проганяємо воду за годинниковою стрілкою через навантаження (правий кружечок). Але! У моменти підвищення тиску у верхній трубі зміщується вниз поршень у нашому гідроконденсаторі. У моменти ж спокою, коли поршень насоса йде вниз, тиск у верхній частині підтримується поршнем конденсатора, що повертається (під дією пружин). І тоді на навантаженні ми отримуємо згладжений тиск.
Так само, електричний конденсатор служить для згладжування стрибків напруг - "вбирає" електронидля підвищення напруги, і дає при його зниженні.
Через конденсатор може текти змінний струм.
Як це? Конденсатор є дві залізки (пластини) розділені діелектриком?
Покажемо з прикладу аналога. З'єднаємо ті ж штуки в іншому порядку:
Прибраний клапан у насосі, тому що нам необхідний змінний струм рідини. Смикаємо рукоятку насоса вгору-вниз, так само буде зміщуватися поршень в аналогу конденсатора. І такий самий потік проходитиме через навантаження. Виходить, "гідроконденсатор" не перешкоджає потоку, що рухається туди, то сюди. Зрозуміло, що потік одного напряму через нього неможливий.
Така сама картина з електричним конденсатором. При подачі на нього змінної напруги надлишок електронів збирається то на одній обкладці, то на іншій. А переходять вони через навантаження (на рис.10 – через лампу). А це означає, що через неї тече змінний струм. Детальніше.
Чим більша ємність конденсатора, тим менший опір він надає змінному струму. Крім того, опір конденсатора залежить і від частоти струму - чим частіше змінюється напрямок (вище частота) струму, тим нижчий опір конденсатора. Аналог допоможе зрозуміти чому – зміщуючи поршень частіше, ми перекачуємо більший об'єм рідини за одиницю часу, майже не деформуючи поворотні пружини. А більший обсяг рідини відповідає більшому струму через конденсатор. Більший струм означає менший опір. От і все.
Формула ємнісного опору конденсатора (опір змінному струму):Xc=1/2Пі*f*c, де Xc - опір конденсатора, Пі - 3,14, f - частота струму, c - ємність даного конденсатора.
Наприклад, опір конденсатора Xc ємністю 1 мкФ (1*10^-6 Ф), підключеного до побутової мережі (частота 50 Гц), дорівнює1/2*3,14*50*1*10^-6 = приблизно 1500 Ом. Такий же конденсатор, підключений до мережі з частотою, припустимо, 500 Гц, матиме в 10 разів менший опір. У скільки разів більша частота, у стільки разів менше опір.