Что такое конденсатор, я уже рассказала, теперь разберёмся, как он ведёт себя в электрических цепях. При подключении к конденсатору напряжения через какое либо сопротивление (не обязательно резистор), возникнет ток заряда конденсатора. В самом начале этого процесса, пока конденсатор ещё не заряжен, этот ток достигает максимального значения, которое ограничивается только резистором. Зарядам настолько “хочется” разместиться на обкладках конденсатора, положительным напротив отрицательных, что они устремляются туда так, как будто это не конденсатор, а как бы проводник. Однако по мере появления первых зарядов на обкладках, вновь приходящие туда заряды с той же полярностью, начинают приходить уже несколько менее “охотно”, поскольку мы ведь помним, что одинаковые по знаку заряды отталкиваются друг от друга, а разные по знаку притягиваются. Но пока зарядов одинаковых по знаку на одной и той же обкладке конденсатора ещё много не накопилось, приток новых таких же по знаку, остаётся хоть и менее желательным, чем в самом начале процесса, но всё же пока ещё ОООчень желательным, ведь свободного места на обкладках конденсатора с обеих сторон ещё мнооого. Свободные места на обкладке по расстоянию расположены гораздо дальше от уже пришедших ранее зарядов с тем же знаком, чем вожделенные противоположные по знаку заряды на противоположной обкладке, которые точно так же накапливаются с другой стороны диэлектрика. Каждый заряд находит себе пару с противоположным зарядом на другой обкладке и замирает напротив неё “глотая слюни от вожделения”, а на противоположной обкладке происходит такой же точно процесс.
По мере накопления зарядов на обкладках, приток новых становится всё меньше по величине, так как свободного места на обкладках становится всё меньше и ток через последовательно включенный резистор конечно становится всё меньше и меньше по величине, но теоретически он ещё очень долго будет протекать. Хоть мизерный, но будет. Поскольку всё реже приходящие новые заряды ещё нет-нет, но находят себе на обкладках более-менее свободное место. Напряжение на конденсаторе в начале процесса заряда равно нулю, но начинает довольно резко нарастать, однако по мере накопления зарядов, скорость нарастания напряжения падает, так как там уже и так “напряжённо”, что хорошо видно из показаний осциллографа на рисунке.
Математики говорят в таком случае страшные слова, вроде “скорость нарастания напряжения уменьшается по экспоненциальному закону” О_О , но могли бы сказать и попроще… Нечего тут хлестаться умными словами… Например, скорость уменьшается по экспоненте. Ну, куда проще ведь, да? Экспонента здесь, это форма кривой линии на рисунке.
Согласно вышеописанному, в начале процесса заряда, конденсатор ведёт себя скорее как проводник, а потом как объект, у которого появляется сопротивление, которое всё время нарастает, причём в начале процесса довольно резко, а потом скорость нарастания становится всё меньше и меньше. То есть опять же, сопротивление конденсатора будет нарастать по экспоненте, от 0 Om до бесконечности в пределе. Важно ещё раз отметить, что в самом начале процесса заряда, пусть и на короткое время, сопротивление конденсатора 0 Om! Это означает, что конденсатор нельзя подключать непосредственно к блоку питания, без ограничивающего его ток заряда резистора, иначе, пусть и на короткое время мы вызовем короткое замыкание в цепи. Не всякий источник питания сможет выдержать без последствий такое. Чем больше ёмкость будет у конденсатора, тем дольше при его заряде он будет оставаться почти проводником. На практике, если конденсатор не слишком большой по ёмкости, всё же блок питания не разрушится, ведь мы знаем, что внутри источника питания всегда существует так называемое внутреннее сопротивление. Оно и будет ограничивать начальный ток заряда, но надо понимать, что внутреннее сопротивление будет преобразовывать при этом электрическую энергию в тепло, и это тепло останется внутри источника питания!
Если разомкнуть верхний выключатель в нашей цепи в момент, когда конденсатор зарядится почти до напряжения источника питания, то напряжении на нём может ещё довольно долго оставаться таким, каким оно было в момент отключения выключателя. В идеале хоть сколько, но поскольку идеальных диэлектриков в природе не существует, в реальности напряжение на конденсаторе, пусть и достаточно долго, будет теряться.
Если при отключенном верхнем выключателе нажать на кнопку справа на схеме, то возникнет электрическая цепь, где уже конденсатор будет выступать как источник питания, а правый резистор нагрузкой. Правда ненадолго. Пока конденсатор не разрядится. Вся энергия конденсатора преобразуется в тепло на правом резисторе.
Конденсатор будет разряжаться по экспоненте, отмеченной на рисунке красной стрелкой. Там на осциллограмме показано, что вначале процесса разряда, напряжение на нём уменьшается быстро, но потом всё медленней. После окончания разряда конденсатора, правую кнопку можно разомкнуть и замкнув верхний выключатель, повторить процесс заряда конденсатора.
Скорость заряда или разряда конденсатора, напрямую зависит как от самой ёмкости, так и от сопротивления резистора, через который заряжается или разряжается конденсатор. Существует даже такое понятие, как ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ RC ЦЕПОЧКИ. Зная эту постоянную времени, можно иметь представление, как быстро будет происходить заряд и ли разряд конденсатора при конкретных значениях сопротивления резистора R и ёмкости конденсатора C (так обозначается ёмкость – от англ. CAPACITY). Постоянная времени обозначается в расчётах греческой буквой тау τ и измеряется в секундах. Но в обиходе вместо буквы тау сойдёт и латинская t , ведь речь идёт о времени вроде бы.
t = R * C , где R в формулу подставляется в Омах, а C в Фарадах.
В наших RC цепочках заряда и разряда τ будет равна:
t = R * C = 1 KOm * 10 uF = 1000 Om * 0,00001 F = 0,01 S (Secunda)
И… что всё это значит??? Куда это можно приложить?
А это значит, что за 0,01 секунды, в наших RC цепочках, конденсатор зарядится или разрядится на 63,2 % за 0,01 секунды! О_О
ООО… а почему именно на 63,2 % ??? А почему не на 67,7 ??? Ну потому, что именно так получается, когда Омы на Фарады перемножишь. Опытным путём определили. Однако, если в одной RC цепочке при расчёте по этой формуле получается 0,01 S, а в другой 0,0001 S, то это означает, что во второй цепочке конденсатор заряжается или наоборот разряжается в 100 раз быстрее. Считается, что если умножить эту постоянную времени на пять, то конденсатор в RC цепочке ну почти зарядится/разрядится. Ну… какие-то там незначительные оставшиеся доли процента можно и не брать в расчёт. Они погоды не сделают. А давайте в нашей электрической цепи сделаем время разряда в десять раз меньше времени разряда. Да легко!
Итак, красными стрелками сверху показано, как теперь отличаются сопротивления резисторов: 1000 Om в зарядной цепочке и 100 Om в разрядной. Ёмкость конденсатора, как при заряде, так и при разряде остаётся одна и та же, Значит постоянная времени t при заряде останется прежним 0,01 S , а при разряде оно будет 10 раз меньше 100 Om * 0,00001 F = 0,001 S . Красными стрелками внизу рисунка, показано, как это выглядело бы на осциллографе. Справа напряжение опускается при разряде до нуля гораздо быстрее, чем слева оно нарастает при заряде. А насколько быстрее? Ну, здесь по графику определить точно довольно сложно, но ведь для этого и придумали формулу расчёта постоянной времени, чтобы определить ТОЧНО!
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru