Когда-то давно, когда мне впервые учитель сказал, что конденсатор проводит переменный ток, я была озадачена. Как же этот пусть и переменный ток может протекать через диэлектрик??? О_О Тогда я это просто приняла как данность. Ну, протекает и протекает, раз сказали, что протекает. Но чуть позже, когда я сама хорошо разобралась с тем, как ведёт себя конденсатор, я поняла! Никуда этот переменный ток не протекает прямо через диэлектрик! Просто переменный ток постоянно заряжает конденсатор, а потом разряжает и заряжает уже в другой полярности, затем снова разряжает и заряжает уже опять в первоначальной. И так до бесконечности. Переменный ток течет не ЧЕРЕЗ конденсатор, а К КОНДЕНСАТОРУ ЛИБО ОТ НЕГО для его заряда или перезаряда! Дело в том, что переменный ток течёт за счёт переменного напряжения, которое меняет свою полярность с определённой частотой (от слова чАсто, а не чИсто):
Здесь красным условно нарисовали положительное напряжение, а синим отрицательное. Видно, что в одно время напряжение положительное, а в другое отрицательное. Время, пока напряжение остаётся положительным, называется ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПЕРИОД и измеряется в секундах, как и любое время в физике. Не пугайтесь названия, сейчас всё поймёте! Соответственно, время, пока напряжение остаётся отрицательным, называется ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПЕРИОД. Время между началом положительного полупериода и началом следующего такого же полупериода, называется ПЕРИОД. А вот сейчас наверное, начинает становиться с названиями всё на места? Ну конечно же, время положительного и время отрицательного полупериодов одинаковы по длительности, и каждое из них составляет половину периода, а отсюда и название ПОЛУПЕРИОД! Понятно так же и почему отрицательный полупериод, или положительный. А вот с периодом, я немного не всё сказала. Период не обязательно отмерять от начала положительного полупериода, можно и от начала отрицательного, но тогда отмерять его надо до начала следующего отрицательного полупериода, то есть до следующей такой же точки на графике, время периода будет тем же самым. Введём ещё один важный термин – количество периодов в секунду, называют ЧАСТОТА. Частота показывает частоту периодов (как ЧАСТО они повторяются). Так вот, известно, что в России в розетках, частота переменного тока (это не совсем правильно, на самом деле частота переменного напряжения, но… так привыкли говорить), так вот в розетках частота переменного тока 50 Hz, а это значит, что в розетках 50 раз за секунду возникает положительный полупериод или 50 раз отрицательный. Период в формулах обозначается T, а частота F.
Итак, F = 1 / T
Ну, или T = 1 / F
Если частота в розетке равна 50 Hz, то это значит, что у переменного напряжения там период равен
T = 1 / 50 Hz = 0,02 S
То есть каждые 20 миллисекунд, в розетке появляется положительное напряжение, которое через десять миллисекунд (половину периода) сменится на отрицательное напряжение, которое в свою очередь продлится ещё десять миллисекунд и период закончится, наступит новый.
Вернёмся к конденсатору в цепи переменного тока
При наступлении положительного полупериода, на фазном проводе L (напоминаю, здесь он помечен у источника питания звёздочкой) возникнет «+» напряжения, а снизу у источника питания (провод N) появится «–» этого напряжения. Традиционно на выводах источника питания напряжение принято называть ЭЛЕКТОДВИЖУЩАЯ СИЛА, сокращённо ЭДС. Я этот термин до сих пор не вводила, чтобы излишне не путать. Но, в общем-то всё равно, как вы напряжение ни назовите, а оно по сути всегда будет разностью потенциалов. Итак, на L плюс, на N минус. Положительные и отрицательные заряды стремятся установить пары на обкладках конденсатора. Сверху через резистор на конденсаторе копятся положительные заряды, снизу отрицательные (если быть точной, то на верхней обкладке копятся положительные ионы, то есть у атомов, которые там располагаются отсутствуют свободные электроны, а снизу на обкладке в атомах начинают появляться свободные электроны). Плюсы копятся напротив соответствующих минусов и замирают в таком положении. Ток появления плюсов на верхней обкладке ограничивается резистором, поэтому, и ток появления минусов будет таким же. Зачем минусам фиксироваться на нижней обкладке, если на верхней им ещё нет соответствующей пары? Напряжение в положительном полупериоде нарастает, и на конденсаторе напряжение на обкладках тоже становится всё больше и больше, но не факт, что оно успеет нарасти до максимального значения. Напомню, что в наших розетках напряжение в свеем максимуме, или пике, нарастает до примерно 310 V в каждом полупериоде. Говорят, что пиковое напряжение в полупериоде равно Up = 310 V . В предыдущей статье я писала, что время заряда конденсатора равно
5t = 5 (R * C) = 5 (1000 Om * 0,00001 F) = 0,05 S
Стоп, мы же чуть выше выяснили, что время одного полупериода переменного напряжения при частоте 50 Hz равно 0,01 S, а за это время, как я тоже в прошлой статье объяснила, конденсатор зарядится только до 63 %, На самом деле, наш конденсатор не успеет зарядиться даже и до этого уровня напряжения, так как в конце положительного полупериода, напряжение в розетке в какой-то момент станет меньше чем успело накопиться на конденсаторе и в таком случае, зарядам на конденсаторе станет неуютно и они начнут у ходить с конденсатора на источник питания. Так как там потенциал становится всё меньше и меньше и, в конце концов, в момент смены полупериода на отрицательный, напряжение на выходе источника питания вообще обнулится. Заряды с конденсатора начнут стекать еще активнее. После начала отрицательного полупериода, напряжение на выходе источника питания вообще меняет знак, после чего конденсатор буде всё активнее разряжаться и после полного разряда перезаряжаться, но, зарядиться обратным напряжением он полностью опять не успеет и начнёт опять перезаряжаться и так далее. В общем на конденсаторе получиться тоже синусоидальные по форме колебания напряжения, но из-за недозаряда конденсатора, пиковые напряжения на конденсаторе будут намного меньше чем в розетке и колебания на конденсаторе будут несколько задержаны по времени относительно колебаний в розетке. Правильно говорить, что они будут сдвигаться по фазе на сколько-то там градусов. Чуть позже объясню как это. Давайте я в симуляции сниму одну осциллограмму практически на проводе L, а вторую на верхней обкладке конденсатора, и сопоставлю эти осциллограммы во времени.
Здесь синими стрелками показаны входы виртуальных осциллографов, которые я обещала подключить в симуляции. Ниже представлены осциллограммы одна над дугой, я их совместила по времени. Та осциллограмма (так получилось, что верхняя), где пиковое напряжение (красные стрелки) равно 94,369 V, это и есть колебания напряжения на конденсаторе. То есть в максимуме конденсатор в нашей RC цепи успевает заряжаться до примерно 94 V. Красными вертикальными линиями на скриншоте, я «огородила» один произвольный период на нижней осциллограмме. Внутри этого ограждения видно, что на верхней осциллограмме периоды колебаний напряжения начинаются как бы правее по времени (позже), чуть меньше чем на четверть периода. Правильно говорить, что верхняя осциллограмма, отстаёт по фазе чуть меньше 90 градусов. Откуда ЭТО взялось??? А вот из представленного на рисунке ниже.
Весь период периодически повторяющихся колебаний принято разбивать на 360 градусов как будто рисуется окружность, тогда отрицательный полупериод возникает от начала периода через 180 градусов, а вершина положительного периода отстаёт от начала на 90 градусов. Так принято сравнивать сдвиг сигналов друг от друга не по времени, а по фазе. А помните, я писала, что вывод L в розетке называется фаза? Дело в том, что к нам в бытовую розетку приходит только одна из трёх фаз ТРЁХФАЗНОГО напряжения производимого и используемого в промышленности. В трёхфазном напряжении есть три фазы, сдвинутые по фазе друг от друга на 120 градусов. Их обозначают L1, L2, L3. Три раза по 120 градусов, будет 360. Кому-то в квартиру поступает фаза L1, а кому-то из их соседей L2 или L3. Ну, впрочем, это мы уже отвлеклись в область энергетики.
Вернёмся к нашему конденсатору и его поведению. Через ограничительный резистор при заряде и разряде конденсатора ток протекает? Конечно! И производит работу! Здесь она выражается в виде тепла на резисторе. Сам конденсатор при этом нагреваться не должен, так как реального тока через него нет, есть только чередующиеся зарядно/разрядные токи. Конечно же сам конденсатор должен иметь подходящее предельное напряжение – в данном случае, я бы на всякий случай выбрала бы его значение 400 V или больше. Так же НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ нельзя устанавливать в такую цепь полярный конденсатор, так как он не терпит обратных напряжений и тут же выйдет из строя. Хотя… в симуляции конечно интересно даже попробовать это как-нибудь сделать, но особого смысла иметь не будет. А вот что полезно сделать в качестве эксперимента в симуляции, так это посмотреть, как именно будет меняться поведение конденсатора в этой цепи в случае изменения параметров RC цепочки! Тем более, что это очень легко делать, используя не паяльник, а мышку с клавиатурой.
Первое, что я сделаю, это увеличу ёмкость, скажем в 10 раз. Установлю конденсатор, на 100 uF. В реальности такой конденсатор найти было бы очень сложно, так как он должен быть неполярным, а полярными конденсаторы делают, прежде всего, с целью уменьшения размеров конденсатора при большой его ёмкости.
Разберёмся! Во первых, на таком конденсаторе пиковое напряжение уже не превышает
10 V . С конденсатором 10 uF это значение не превышало 95 V . Так получается потому, что данный конденсатор почти СОВСЕМ не успевает заряжаться. Сдвиг по фазе напряжения на конденсаторе практически равен 90 градусов. А что на счёт тока через резистор? Поскольку зарядный и разрядный токи конденсатора наибольшие в тот момент, пока конденсатор еще почти совсем НЕ ЗАРЯЖЕН, а эти токи протекают именно через резистор, то на резисторе будет выделяться гораздо большая энергия в виде тепла. То есть конденсатор в этом случае позволяет пропускать через резистор гораздо большие токи. Говорят, что сопротивление конденсатора переменному току уменьшается при увеличении его ёмкости. На самом деле, просто увеличиваются зарядно/разрядные токи из-за постоянного недозаряда конденсатора.
Докажу это, сильно уменьшив ёмкость конденсатора – благодаря этому пусть УСПЕВАЕТ заряжаться наш конденсатор.
Итак, я установила конденсатор 100 nF . Напомню, что нанофарада, это единица измерения в 1000 раз меньше чем микрофарада. Таким образом, если выразить это в микрофарадах, то
100 nF = 0,1 uF
Что я получила в итоге? Ого! Напряжение на конденсаторе практически не сдвигается по фазе и оно почти такое же. как и на проводе L . Но это только и значит, что этот конденсатор практически не пропускает через себя зарядно/разрядные токи! Он зарядится или перезарядится почти моментально и больше не проводит никакой ток. На резисторе почти нет разности потенциалов – она меньше вольта, а следовательно никакой работы (почти) переменный ток НЕ ВЫПОЛНЯЕТ! Не верите? А давайте уберём совсем конденсатор и… получим практически тоже самое.
Итак, самые главные выводы: переменный ток через конденсатор протекает только за счёт его зарядно/разрядных токов, которые будут тем больше, чем меньше конденсатор будет успевать заряжаться. При увеличении ёмкости конденсатора, его сопротивление как бы уменьшается для переменного тока, так как зарядно/разрядные токи увеличиваются.
Интересно будет так же поиграть с изменением частоты переменного тока. В розетке этого конечно никак не сделать, но в симуляторе-то можно! Дело в том, что в электронных схемах можно часто встретить переменные токи и напряжения различных частот. Давайте сравним работу конденсатора 10 uF на частотах 50 Hz и 100 Hz и узнаем, как влияет частота на поведение конденсатора. Ну, при 50 Hz мы уже видели, но, чтобы ближе к глазам было, напомню. И следом приведу при 100 Hz:
Итак, какой вывод мы можем сделать из эксперимента? При увеличении частоты переменного напряжения, один и тот же конденсатор ещё больше не успевает зарядиться и, его зарядно/разрядные токи возрастают. Конденсатор как бы уменьшает сопротивление переменному току. На конденсаторе уменьшается пиковое напряжение, сдвиг по фазе становится ближе к 90 градусов.
Общий вывод статьи - чем выше ёмкость конденсатора, либо частота приложенного к нему переменного напряжения, тем меньше сопротивление зарядно/разрядным токам оказывает этот конденсатор!
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru