Kondenzátor ve střídavém obvodu – kapacita, výkon, vzorec a definice stručně (třída 11)

Jak víte z kurzu fyziky v 11. třídě, kondenzátor jsou dva vodiče umístěné v těsné blízkosti a oddělené dielektrikem. Kondenzátor je důležitou součástí mnoha elektronických obvodů, zejména těch, které pracují se střídavým proudem. Pojďme si krátce promluvit o mechanismu činnosti kondenzátoru a jeho roli v obvodech střídavého proudu.

Kondenzátorové zařízení

Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých povrchů oddělených dielektrickou vrstvou. Obvykle jsou tyto povrchy vyrobeny z tenké měděné nebo hliníkové fólie, někdy svinuté do role. Jako dielektrika se používá papír, keramika a některé druhy plastů. Z každé z vodivých ploch (nazývají se desky) je vyveden elektrický kontakt – svorka. Celá konstrukce je umístěna v pouzdře, které zajišťuje mechanickou pevnost.

Činnost kondenzátoru

Zdálo by se, že z hlediska elektrického proudu představuje kondenzátor otevřený obvod. Není to však tak úplně pravda. Pokud na jedné z desek kondenzátoru vytvoříte přebytek volných nosičů elektrického náboje, začnou volné nosiče stejného znaménka opouštět druhou desku a nosiče opačného znaménka se na ní budou naopak hromadit. To znamená, že nosiče na druhé desce se začnou pohybovat.

Ukazuje se, že kondenzátor není úplným přerušením elektrického obvodu. Pokud se změny náboje na první desce provádějí střídavě, pak v jednom směru, pak v druhém směru (přivedením střídavého proudu na desku), pak se na druhé desce budou náboje také střídavě pohybovat.

Kondenzátor je schopen přenášet střídavý proud, stejně jako jakékoli změny proudu obecně. Je to otevřený obvod pouze pro stejnosměrný proud.

Kapacita kondenzátoru

Hlavní charakteristikou kondenzátoru je jeho elektrická kapacita (často se vynechává předpona „elektro-“). Čím větší je kapacita kondenzátoru, tím méně práce je třeba vykonat, aby se na jeho deskách vytvořily náboje.

Ale vytvořením náboje na jedné z desek vytváříme, jak je ukázáno výše, pohyb nosičů na druhé desce. Ukazuje se, že čím větší je kapacita kondenzátoru, tím snazší je vytvořit takový pohyb.

Kapacita kondenzátoru v obvodu střídavého proudu tedy hraje roli odporu. Tento odpor přímo závisí na velikosti kapacity, proto se u kondenzátoru nazývá „kapacitní“.

Přes kapacitu se neuvolňuje žádná energie. To se děje proto, že energie vynaložená na nabíjení kondenzátoru se vrací do obvodu, když je následně vybit.

Dalším důležitým faktorem ovlivňujícím tento odpor je frekvence střídavého proudu. Při vysokých frekvencích totiž akumulace náboje na deskách kondenzátoru netrvá dlouho a velmi brzy je nahrazena výbojem. Maximální nabití kondenzátoru bude malé, nebude těžké ho vytvořit. Pokud je frekvence elektrického proudu nízká, pak nabití kondenzátoru vydrží dlouho, dosáhne větších hodnot a bude třeba vykonat více práce. Proto bude kapacita při nízké frekvenci větší.

Kapacita je označena symbolem $X_c$ a k jejímu určení se používá vzorec:

• $C$ je elektrická kapacita kondenzátoru (Ф);
• $omega$ — frekvence kruhového proudu (rad/s);
• $nu$ — aktuální frekvence (Hz).

co jsme se naučili?

Kondenzátor v obvodu střídavého proudu hraje roli odporu, který se nazývá kapacitní. Přes takový odpor se neuvolňuje žádná síla. Kondenzátor je také schopen přenášet jakékoli změny proudu. Pro stejnosměrný proud je to otevřený obvod.

Téměř ve všech elektronických zařízeních, od těch nejjednodušších až po ty nejmodernější, jako jsou základní desky počítačů, můžete najít jeden vždy přítomný prvek, kterým je pasivní součástka. Ale bohužel málokdo ví, jak kondenzátor funguje, k čemu je potřeba a jaké typy tohoto úložného zařízení existují.

Prostě komplexně

Takže toto malé zařízení na akumulaci elektrického pole nebo náboje je podobné obyčejné sklenici, ve které se nakládají rajčata nebo se skladuje mouka. Akumuluje také sušinu nebo kapalinu, která je v ní umístěna. Přirovnání je jednoduché: Elektrony běží po obvodu a na své cestě se setkávají s vodiči, které je vedou do „nádoby“, kde se hromadí a zvyšují náboj.

Abychom zjistili, kolik elektroniky lze tímto způsobem shromáždit a v jakém okamžiku se akumulace zastaví (nádoba praskne), je elektrický proces obvykle přirovnáván k přívodu vody. Pokud si představíte potrubí, ve kterém proudí voda, čerpaná do něj čerpadlem, pak si někde ve středu potrubí musíte představit měkkou membránu natahující se pod tlakem kapaliny. Je zřejmé, že se natáhne do určité hranice, dokud se nezlomí, nebo pokud je velmi silný, nevyrovná sílu čerpadla.

Tento příklad ukazuje, jak funguje kondenzátor, pouze membrána je nahrazena elektrickým polem, které se zvyšuje s nabíjením zásobníku (čerpadlo pracuje), čímž se vyrovnává napětí zdroje energie. Je zřejmé, že tento proces není nekonečný a existuje maximální nabití, po jehož dosažení „plechovka“ selže a přestane plnit své funkce.

Zařízení a princip činnosti

Kondenzátor je zařízení sestávající ze dvou desek (desek) s dutinou mezi nimi. Napětí je k němu přiváděno pomocí vodičů připojených k deskám. Moderní zařízení se v podstatě příliš neliší od modelů v hodinách fyziky, skládají se také z dielektrika a desek. Je třeba poznamenat, že právě látka nebo její nepřítomnost (vakuum), která špatně vede elektrický proud, mění vlastnosti akumulačního zařízení.

Podstata principu činnosti kondenzátoru je jednoduchá: je aplikováno napětí a náboj se začíná hromadit. Jako příklad zvažte jak se paměťové zařízení chová ve dvou verzích elektrického obvodu:

• DC. Pokud přivedete proud do obvodu s připojeným kondenzátorem, můžete vidět, že se šipka na ampérmetru začne pohybovat a poté se rychle vrátí do své původní polohy. To je vysvětleno jednoduše: zařízení se rychle nabilo, to znamená, že zdroj energie byl vyvážen deskami úložného zařízení a nebyl žádný proud. Proto se často říká, že za stejnosměrných podmínek kondenzátor nefunguje. Toto tvrzení je chybné, vše funguje, ale na velmi krátkou dobu.
• Střídavý proud – to je, když se elektrony pohybují nejprve jedním a poté druhým směrem. Představíme-li si takový obvod s připojeným paměťovým zařízením, pak se na obou deskách kondenzátoru budou střídavě hromadit kladné a záporné náboje. To znamená, že zařízením volně protéká střídavý proud.

Vzhledem k tomu, že kondenzátor zadržuje stejnosměrný proud, ale propouští střídavý proud, jsou zde vytvořeny oblasti jeho použití, například pro zařízení, ve kterých je nutné odstranit stejnosměrnou složku signálu. Je zcela zřejmé, že akumulační zařízení má odpor, ale neuvolňuje se na něj proud, takže se nezahřívá.

Základní pohledy

Běžný uživatel vždy neví, jakým kondenzátorem je jeho zařízení vybaveno. Ale každý typ má své výhody a nevýhody, stejně jako provozní vlastnosti. Existují dvě velké skupiny těchto zařízení, určené pro elektrické obvody se střídavým a stejnosměrným proudem. Ale přesto je hlavní klasifikace založena na typu dielektrika, které se nachází mezi vrstvami kondenzátoru. Hlavní typy:

• Keramický. Mají malé rozměry, nízký svodový proud a nízkou indukčnost. Pracují výborně ve vysokofrekvenčních podmínkách, v obvodech s pulzujícím, stejnosměrným a střídavým proudem. Dostupné v různých napěťových a kapacitních rozsazích v závislosti na tom, k čemu je kondenzátor určen.
• Slída. V dnešní době se téměř nepoužívají ani nevyrábějí. V úložných zařízeních tohoto typu slouží slída jako dielektrikum. Provozní napětí takových kondenzátorů je v rozmezí 200-1500 V.
• Papír. Kondenzační papír je uzavřen v hliníkových destičkách. Odolné napětí 160-1500V.
• Polyester. Maximální kapacita nepřesahuje 15 mF, provozní napětí je 50-1500 V.
• Polypropylen. Od svých protějšků se odlišují dvěma přednostmi. První je malá tolerance kapacity (+/- 1%), druhá je do 3 kV pracovního napětí.

Zvláštní zmínku si zaslouží elektrolytické kondenzátory. Jejich hlavní rozdíl od ostatních typů spočívá v tom, že je lze připojit pouze k obvodu stejnosměrného nebo pulzního proudu. Takové disky mají polaritu – to je vlastnost jejich konstrukce, takže nesprávné připojení vede k bobtnání nebo explozi zařízení. Mají velkou kapacitu, díky čemuž je elektrolytický kondenzátor vhodný pro použití v usměrňovacích obvodech.

Сферы применения

S jistotou lze říci, že kondenzátory se používají téměř ve všech elektronických a radiotechnických obvodech. Abyste měli představu o tom, kde a proč je kondenzátor potřeba, měli byste si pamatovat jeho schopnost ukládat nabíjení a vybíjení ve správný čas, stejně jako procházet střídavým proudem a neprocházet stejnosměrným proudem. A to znamená, že Taková zařízení se používají v mnoha technických oborech, např.

• telefonie;
• při výrobě počítacích a skladovacích zařízení;
• automatizace;
• při tvorbě měřicích přístrojů a mnoha dalších.

Elektrická akumulační zařízení najdeme jak v televizích, tak v radarových zařízeních, kde je potřeba generovat vysoce výkonný puls, k čemuž slouží kondenzátor. Bez těchto zařízení nebo síťového filtru je nemožné najít zdroj napájení.

Je třeba říci, že akumulační zařízení se používají i v oblastech nesouvisejících s elektřinou, například v kovovýrobě a těžbě uhlí, kde se používají kondenzátorové elektrické lokomotivy.