که در آن یک دینام یک ولتاژ سینوسی تولید می کند. بیایید ببینیم وقتی کلید را می بندیم در مدار چه اتفاقی می افتد. لحظه اولیه صفر بودن ولتاژ ژنراتور را در نظر می گیریم.

در سه ماهه اول دوره، ولتاژ در پایانه های ژنراتور افزایش می یابد و از صفر شروع می شود و خازن شروع به شارژ می کند. جریانی در مدار ظاهر می شود، اما در اولین لحظه شارژ خازن، با وجود این واقعیت که ولتاژ روی صفحات آن به تازگی ظاهر شده و هنوز بسیار کم است، جریان در مدار (جریان شارژ) بیشترین خواهد بود. با افزایش شارژ خازن، جریان در مدار کاهش می یابد و در لحظه شارژ کامل خازن به صفر می رسد. در این حالت، ولتاژ روی صفحات خازن، دقیقاً به دنبال ولتاژ ژنراتور، در این لحظه به حداکثر می رسد، اما علامت مخالف، یعنی به سمت ولتاژ ژنراتور هدایت می شود.

برنج. 1. تغییر در جریان و ولتاژ در مدار با ظرفیت

بنابراین، جریان با بیشترین نیرو به خازن بدون شارژ سرازیر می شود، اما بلافاصله با پر شدن صفحات خازن با شارژ شروع به کاهش می کند و به صفر می رسد و آن را کاملاً شارژ می کند.

بیایید این پدیده را با آنچه در جریان آب در لوله ای که دو مخزن ارتباطی را به هم متصل می کند، مقایسه کنیم (شکل 2)، که یکی از آنها پر و دیگری خالی است. فقط کافی است دریچه ای را که مسیر آب را مسدود می کند بیرون بکشید و آب بلافاصله از رگ سمت چپ تحت فشار زیاد از طریق لوله به داخل ظرف خالی سمت راست می رود. با این حال، بلافاصله فشار آب در لوله شروع به تضعیف تدریجی، به دلیل تسطیح سطوح در مخازن، می کند و به صفر می رسد. جریان آب متوقف خواهد شد.

برنج. 2. تغییر فشار آب در لوله اتصال مخازن ارتباطی مشابه تغییر جریان در مدار در هنگام شارژ خازن است.

به همین ترتیب، جریان ابتدا به یک خازن بدون شارژ می ریزد و سپس با شارژ شدن به تدریج ضعیف می شود.

با شروع سه ماهه دوم پریود که ولتاژ ژنراتور ابتدا به کندی شروع می شود و سپس با سرعت و سرعت بیشتری کاهش می یابد، خازن شارژ شده به ژنراتور تخلیه می شود که باعث ایجاد جریان تخلیه در مدار می شود. با کاهش ولتاژ ژنراتور، خازن بیشتر و بیشتر تخلیه می شود و جریان تخلیه در مدار افزایش می یابد. جهت جریان تخلیه در این ربع دوره برخلاف جهت جریان شارژ در سه ماهه اول دوره است. بر این اساس، منحنی جریان با عبور از مقدار صفر، اکنون در زیر محور زمان قرار دارد.

در پایان نیم چرخه اول، ولتاژ روی ژنراتور و همچنین خازن به سرعت به صفر نزدیک می شود و جریان در مدار به آرامی به حداکثر مقدار خود می رسد. با یادآوری اینکه مقدار جریان در مدار بیشتر است، هر چه مقدار بار منتقل شده در طول مدار بیشتر باشد، مشخص خواهد شد که چرا جریان به حداکثر خود می رسد زمانی که ولتاژ روی صفحات خازن و در نتیجه شارژ خازن، به سرعت کاهش می یابد.

با شروع سه ماهه سوم دوره، خازن دوباره شروع به شارژ می کند، اما قطبیت صفحات آن و همچنین قطبیت ژنراتور به عکس تغییر می کند و جریان در همان جهت ادامه می یابد. با شارژ شدن خازن شروع به کاهش می کند.در پایان ربع سوم دوره زمانی که ولتاژهای ژنراتور و خازن به حداکثر می رسد جریان صفر می شود.

در ربع آخر دوره، ولتاژ، کاهش می یابد، به صفر می رسد و جریان، با تغییر جهت خود در مدار، به حداکثر مقدار خود می رسد. این دوره به پایان می رسد، پس از آن دوره بعدی شروع می شود، دقیقا تکرار قبلی و غیره.

بنابراین، تحت تأثیر ولتاژ متناوب از ژنراتور، خازن دو بار در هر دوره شارژ می شود (چهارم اول و سوم دوره) و دو بار (چهارم دوم و چهارم دوره) تخلیه می شود.اما از آنجایی که متناوب شدن یکی پس از دیگری هر بار با عبور جریان های شارژ و تخلیه از مدار همراه است، می توان نتیجه گرفت که .

با استفاده از آزمایش ساده زیر می توانید این موضوع را تأیید کنید. یک خازن با ظرفیت 4-6 میکروفاراد را از طریق یک لامپ برق 25 وات به شبکه AC متصل کنید. چراغ روشن می شود و تا زمانی که مدار قطع نشود خاموش نمی شود. این نشان می دهد که جریان متناوب با ظرفیت خازن از مدار عبور کرده است. با این حال، البته، نه از طریق دی الکتریک خازن، بلکه در هر لحظه از زمان، جریان شارژ یا جریان تخلیه خازن را نشان می دهد.

همانطور که می دانیم دی الکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی که در هنگام شارژ شدن خازن در آن ایجاد می شود قطبی می شود و با تخلیه خازن قطبش آن از بین می رود.

در این حالت ، دی الکتریک با جریان بایاس که در آن ایجاد می شود به عنوان نوعی ادامه مدار برای جریان متناوب عمل می کند و مدار را برای جریان مستقیم می شکند. اما جریان جابجایی فقط در دی الکتریک خازن ایجاد می شود و بنابراین هیچ انتقال بار از طریق مدار اتفاق نمی افتد.

مقاومت ارائه شده توسط خازن در برابر جریان متناوب به مقدار ظرفیت خازن و فرکانس جریان بستگی دارد.

هرچه ظرفیت خازن بزرگتر باشد، بار بیشتری در مدار در طول شارژ و دشارژ خازن منتقل می شود و در نتیجه جریان در مدار بیشتر می شود. افزایش جریان در مدار نشان می دهد که مقاومت آن کاهش یافته است.

از این رو، با افزایش ظرفیت، مقاومت مدار در برابر جریان متناوب کاهش می یابد.

افزایش مقدار بار منتقل شده از طریق مدار را افزایش می دهد، زیرا شارژ (و همچنین تخلیه) خازن باید سریعتر از فرکانس پایین اتفاق بیفتد. در عین حال، افزایش مقدار بار منتقل شده در واحد زمان معادل افزایش جریان در مدار و در نتیجه کاهش مقاومت آن است.

اگر به نحوی فرکانس جریان متناوب را به تدریج کاهش دهیم و جریان را به ثابت برسانیم، در این صورت مقاومت خازن متصل به مدار به تدریج افزایش می یابد و تا زمانی که ظاهر می شود، بی نهایت بزرگ می شود (مدار باز).

از این رو، با افزایش فرکانس، مقاومت خازن در برابر جریان متناوب کاهش می یابد.

همانطور که مقاومت سیم پیچ در برابر جریان متناوب القایی نامیده می شود، مقاومت خازن نیز معمولاً خازنی نامیده می شود.

بدین ترتیب، ظرفیت خازنی بیشتر است، ظرفیت مدار و فرکانس جریان تامین کننده آن کمتر است.

ظرفیت خازنی با Xc نشان داده می شود و با اهم اندازه گیری می شود.

وابستگی ظرفیت خازن به فرکانس جریان و ظرفیت مدار با فرمول Xc = 1/ تعیین می شود.ωС، جایی که ω - فرکانس دایره ای برابر حاصلضرب 2π f، ظرفیت C مدار بر حسب فاراد.

راکتانس خازنی، مانند راکتانس القایی، ماهیت واکنشی دارد، زیرا خازن انرژی منبع جریان را مصرف نمی کند.

فرمول مدار با ظرفیت I = U/Xc است که در آن I و U مقادیر موثر جریان و ولتاژ هستند. Xc ظرفیت مدار است.

خاصیت خازن ها برای ایجاد مقاومت بالا در برابر جریان های فرکانس پایین و عبور آسان جریان های فرکانس بالا در مدارهای تجهیزات ارتباطی کاربرد زیادی دارد.

به عنوان مثال، با کمک خازن ها، جداسازی جریان های مستقیم و جریان های فرکانس پایین از جریان های فرکانس بالا لازم برای عملکرد مدارها حاصل می شود.

اگر لازم باشد مسیر جریان فرکانس پایین به قسمت فرکانس بالا مدار مسدود شود، یک خازن کوچک به صورت سری وصل می شود. مقاومت زیادی در برابر جریان فرکانس پایین دارد و در عین حال جریان فرکانس بالا را به راحتی عبور می دهد.

اگر لازم است از ورود جریان فرکانس بالا، به عنوان مثال، از ورود به مدار برق یک ایستگاه رادیویی جلوگیری شود، از یک خازن بزرگ استفاده می شود که به موازات منبع جریان متصل است. در این حالت، جریان فرکانس بالا از خازن عبور می کند و مدار منبع تغذیه ایستگاه رادیویی را دور می زند.

مقاومت فعال و خازن در مدار جریان متناوب

در عمل، اغلب مواردی وجود دارد که یک مدار در یک سری با ظرفیت خازنی قرار می گیرد.مقاومت کل مدار در این حالت با فرمول تعیین می شود.

از این رو، مقاومت کل مدار متشکل از مقاومت اکتیو و خازنی در برابر جریان متناوب برابر است با جذر مجموع مجذورهای مقاومت فعال و خازنی این مدار.

قانون اهم برای این مدار I = U/Z معتبر است.

در شکل شکل 3 منحنی هایی را نشان می دهد که روابط فاز بین جریان و ولتاژ را در یک مدار حاوی مقاومت خازنی و فعال نشان می دهد.

برنج. 3. جریان، ولتاژ و توان در مدار با خازن و مقاومت فعال

همانطور که از شکل مشخص است، جریان در این مورد نه یک چهارم دوره، بلکه کمتر ولتاژ را هدایت می کند، زیرا مقاومت فعال ماهیت صرفا خازنی (واکنشی) مدار را نقض کرده است، همانطور که فاز کاهش یافته نشان می دهد. تغییر مکان. اکنون ولتاژ در پایانه های مدار به صورت مجموع دو جزء تعیین می شود: جزء راکتیو ولتاژ u c ​​که برای غلبه بر ظرفیت مدار می رود و جزء فعال ولتاژ که بر مقاومت فعال آن غلبه می کند.

هرچه مقاومت فعال مدار بیشتر باشد، تغییر فاز بین جریان و ولتاژ کمتر خواهد بود.

منحنی تغییر توان در مدار (شکل 3 را ببینید) دو بار در طول دوره یک علامت منفی به دست آورد که همانطور که قبلاً می دانیم نتیجه ماهیت واکنشی مدار است. هرچه مدار راکتیو کمتر باشد، تغییر فاز بین جریان و ولتاژ کمتر است و منبع جریان انرژی بیشتری مصرف می کند.

این را می توان به راحتی با آزمایشات تأیید کرد. شما می توانید یک لامپ را با اتصال آن به منبع تغذیه AC از طریق یک خازن روشن کنید. بلندگو یا گوشی ها اگر نه مستقیم، بلکه از طریق خازن به گیرنده متصل شوند، به کار خود ادامه می دهند.

یک خازن از دو یا چند صفحه فلزی تشکیل شده است که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده اند. این دی الکتریک اغلب میکا، هوا یا سرامیک است که بهترین عایق ها هستند. کاملا طبیعی است که جریان مستقیم نمی تواند از چنین عایق عبور کند. اما چرا جریان متناوب از آن عبور می کند؟ این امر عجیب‌تر به نظر می‌رسد زیرا همان سرامیک‌ها به شکل مثلاً غلتک‌های چینی، سیم‌های جریان متناوب را کاملاً عایق می‌کنند و میکا کاملاً به عنوان یک عایق در اتوهای برقی و سایر وسایل گرمایشی که به درستی با جریان متناوب کار می‌کنند عمل می‌کند.

از طریق برخی آزمایش‌ها می‌توانیم حقیقت عجیب‌تری را «اثبات» کنیم: اگر در یک خازن، دی‌الکتریکی با خواص عایق نسبتاً ضعیف با دی‌الکتریک دیگری که عایق بهتری است جایگزین شود، آن‌گاه ویژگی‌های خازن به‌گونه‌ای تغییر می‌کند که عبور جریان متناوب. از طریق خازن مانع نمی شود، بلکه برعکس، تسهیل می شود. به عنوان مثال، اگر یک لامپ را از طریق یک خازن با یک دی الکتریک کاغذی به یک مدار جریان متناوب وصل کنید و سپس کاغذ را با چنین عایق عالی جایگزین کنید. مانند شیشه یا چینی با ضخامت یکسان، لامپ روشن‌تر می‌سوزد. چنین آزمایشی به این نتیجه می‌رسد که جریان متناوب نه تنها از خازن عبور می‌کند، بلکه هر چه راحت‌تر عبور کند، دی الکتریک عایق بهتری است.

با این حال، با وجود تمام قانع‌کننده‌های ظاهری چنین آزمایش‌هایی، جریان الکتریکی - نه مستقیم و نه متناوب - از خازن عبور نمی‌کند. دی الکتریک جداکننده صفحات خازن به عنوان یک مانع قابل اعتماد برای مسیر جریان، هر چه که باشد - متناوب یا مستقیم عمل می کند. اما این بدان معنا نیست که در کل مداری که خازن در آن وصل است جریانی وجود نخواهد داشت.

خازن خاصیت فیزیکی خاصی دارد که آن را خازن می نامیم. این خاصیت شامل توانایی تجمع بارهای الکتریکی بر روی صفحات است. یک منبع جریان الکتریکی را می توان تقریباً به پمپی تشبیه کرد که بارهای الکتریکی را به یک مدار پمپ می کند. اگر جریان ثابت باشد، بارهای الکتریکی همیشه در یک جهت پمپ می شوند.

یک خازن در مدار DC چگونه رفتار خواهد کرد؟

"پمپ الکتریکی" ما بارها را به یکی از صفحات خود پمپ می کند و آنها را از صفحه دیگر خارج می کند. توانایی خازن برای نگه داشتن اختلاف معینی در تعداد بارهای روی صفحات خود ظرفیت آن نامیده می شود. هرچه ظرفیت خازن بزرگتر باشد، بارهای الکتریکی بیشتری در یک صفحه نسبت به دیگری وجود دارد.

در لحظه روشن شدن جریان، خازن شارژ نمی شود - تعداد شارژ روی صفحات آن یکسان است. اما جریان روشن است. "پمپ الکتریکی" شروع به کار کرد. او بارها را روی یک صفحه ریخت و شروع به پمپاژ آنها از صفحه دیگر کرد. هنگامی که حرکت بارها در مدار شروع می شود، به این معنی است که جریان در آن شروع به جریان می کند. جریان تا زمانی که خازن به طور کامل شارژ شود جریان خواهد داشت. پس از رسیدن به این حد، جریان متوقف می شود.

بنابراین، اگر یک خازن در مدار DC وجود داشته باشد، پس از بسته شدن آن، تا زمانی که طول می کشد تا خازن به طور کامل شارژ شود، جریان در آن جریان می یابد.

اگر مقاومت مداری که از طریق آن خازن شارژ می شود نسبتاً کوچک باشد، زمان شارژ بسیار کوتاه است: کسری ناچیز از ثانیه طول می کشد و پس از آن جریان جریان متوقف می شود.

وضعیت در مدار جریان متناوب متفاوت است. در این مدار، "پمپ" بارهای الکتریکی را در یک جهت یا جهت دیگر پمپ می کند. پمپ با ایجاد بار اضافی در یک صفحه خازن در مقایسه با تعداد روی صفحه دیگر، پمپ شروع به پمپاژ آنها در جهت مخالف می کند. بارها به طور مداوم در مدار گردش می کنند، به این معنی که، با وجود وجود یک خازن غیر رسانا، جریانی در آن وجود خواهد داشت - جریان شارژ و تخلیه خازن.

بزرگی این جریان به چه چیزی بستگی دارد؟

منظور ما از بزرگی جریان، تعداد بارهای الکتریکی است که در واحد زمان از سطح مقطع یک هادی عبور می کنند. هرچه ظرفیت خازن بیشتر باشد، بارهای بیشتری برای "پر کردن" آن مورد نیاز خواهد بود، به این معنی که جریان در مدار قوی تر خواهد بود. ظرفیت خازن به اندازه صفحات، فاصله بین آنها و نوع دی الکتریک جدا کننده آنها، ثابت دی الکتریک آن بستگی دارد. پرسلن دارای ثابت دی الکتریک بیشتری نسبت به کاغذ است، بنابراین هنگام جایگزینی کاغذ با چینی در خازن، جریان در مدار افزایش می یابد، اگرچه چینی عایق بهتری نسبت به کاغذ است.

بزرگی جریان به فرکانس آن نیز بستگی دارد. هر چه فرکانس بیشتر باشد جریان بیشتر خواهد بود. با تصور اینکه ظرفی با ظرفیت مثلاً 1 لیتر آب را از طریق لوله ای پر می کنیم و سپس آن را از آنجا پمپ می کنیم، به راحتی می توان فهمید که چرا این اتفاق می افتد. اگر این فرآیند یک بار در ثانیه تکرار شود، در هر ثانیه 2 لیتر آب از لوله عبور می کند: 1 لیتر در یک جهت و 1 لیتر در جهت دیگر. اما اگر فرکانس فرآیند را دو برابر کنیم: ظرف را 2 بار در ثانیه پر و خالی کنیم، در هر ثانیه 4 لیتر آب از طریق لوله جریان می یابد - افزایش فرکانس فرآیند با همان ظرفیت ظرف منجر به یک افزایش متناظر در مقدار آب جاری در لوله.

از مجموع آنچه گفته شد، می توان نتایج زیر را به دست آورد: جریان الکتریکی - نه مستقیم و نه متناوب - از خازن عبور نمی کند. اما در مدار اتصال منبع AC به خازن جریان شارژ و دشارژ این خازن جریان می یابد. هر چه ظرفیت خازن بزرگتر و فرکانس جریان بیشتر باشد، این جریان قوی تر خواهد بود.

این ویژگی جریان متناوب به شدت در مهندسی رادیو استفاده می شود. انتشار امواج رادیویی نیز بر اساس آن است. برای انجام این کار، یک جریان متناوب با فرکانس بالا را در آنتن فرستنده تحریک می کنیم. اما چرا جریان در آنتن جریان دارد، زیرا مدار بسته نیست؟ به دلیل وجود ظرفیت خازنی بین آنتن و سیم های وزنه تعادل یا زمین جریان دارد. جریان در آنتن نشان دهنده جریان شارژ و دشارژ این خازن، این خازن است.

در مورد خازن ها مطالب زیادی نوشته شده است، آیا ارزش افزودن چند هزار کلمه دیگر به میلیون ها کلمه موجود را دارد؟ من آن را اضافه می کنم! من معتقدم که ارائه من مفید خواهد بود. پس از همه، با در نظر گرفتن انجام خواهد شد.

خازن الکتریکی چیست؟

به زبان روسی، یک خازن را می توان "دستگاه ذخیره سازی" نامید. اینجوری واضح تر هم هست علاوه بر این، این نام دقیقاً چگونه به زبان ما ترجمه شده است. لیوان را می توان خازن نیز نامید. فقط مایع را در خود جمع می کند. یا یک کیف. بله یک کیف معلوم است که این یک دستگاه ذخیره سازی نیز هست. همه چیزهایی را که ما در آنجا می گذاریم جمع می کند. خازن برقی چه ربطی بهش داره؟ این همان لیوان یا کیسه است، اما فقط بار الکتریکی را جمع می کند.

تصویری را تصور کنید: جریان الکتریکی از مدار عبور می کند، مقاومت ها و هادی ها در مسیر آن به هم می رسند و، بم، یک خازن (شیشه) ظاهر می شود. چه اتفاقی خواهد افتاد؟ همانطور که می دانید جریان جریانی از الکترون ها است و هر الکترون یک بار الکتریکی دارد. بنابراین، وقتی کسی می گوید که جریانی از مدار می گذرد، میلیون ها الکترون را تصور می کنید که از مدار عبور می کنند. هنگامی که یک خازن در مسیر آنها ظاهر می شود، همین الکترون ها هستند که انباشته می شوند. هر چه تعداد الکترون های بیشتری در خازن بگذاریم، بار آن بیشتر می شود.

این سوال مطرح می شود: چند الکترون را می توان به این روش انباشته کرد، چند الکترون در خازن قرار می گیرد و چه زمانی "به اندازه کافی" می شود؟ بیایید دریابیم. اغلب، برای توضیح ساده فرآیندهای الکتریکی ساده، از مقایسه با آب و لوله ها استفاده می شود. بیایید از این روش نیز استفاده کنیم.

لوله ای را تصور کنید که آب از آن عبور می کند. در یک انتهای لوله یک پمپ وجود دارد که آب را به زور به این لوله پمپ می کند. سپس به طور ذهنی یک غشای لاستیکی را در سراسر لوله قرار دهید. چه اتفاقی خواهد افتاد؟ غشا تحت تأثیر فشار آب در لوله (فشار ایجاد شده توسط پمپ) شروع به کشش و کرنش می کند. کشش، کشش، کشش و در نهایت نیروی کشسانی غشا یا نیروی پمپ را متعادل می کند و جریان آب متوقف می شود یا غشاء می شکند (اگر این واضح نیست، پس بادکنکی را تصور کنید که اگر بیش از حد پمپ شود ترکید! در خازن های الکتریکی هم همین اتفاق می افتد. فقط در آنجا به جای غشاء از میدان الکتریکی استفاده می شود که با شارژ شدن خازن رشد می کند و به تدریج ولتاژ منبع تغذیه را متعادل می کند.

بنابراین، خازن دارای یک بار محدود کننده خاص است که می تواند آن را جمع کند و پس از تجاوز از آن، این بار ایجاد می شود. شکست دی الکتریک در خازن می شکند و دیگر خازن نیست. احتمالاً زمان آن رسیده است که به شما بگوییم یک خازن چگونه کار می کند.

خازن الکتریکی چگونه کار می کند؟

در مدرسه به شما گفته شد که خازن چیزی است که از دو صفحه و یک فضای خالی بین آنها تشکیل شده است. این صفحات را صفحات خازن می نامیدند و سیم هایی برای تامین ولتاژ خازن به آنها وصل می کردند. بنابراین خازن های مدرن تفاوت چندانی با هم ندارند. همه آنها همچنین دارای صفحات هستند و یک دی الکتریک بین صفحات وجود دارد. به لطف وجود دی الکتریک، ویژگی های خازن بهبود می یابد. مثلا ظرفیتش.

خازن‌های مدرن از انواع مختلفی از دی الکتریک‌ها استفاده می‌کنند (در ادامه در این مورد بیشتر توضیح می‌دهیم)، که بین صفحات خازن به پیچیده‌ترین روش‌ها برای دستیابی به ویژگی‌های خاص پر می‌شوند.

اصل عملیات

اصل کلی کار بسیار ساده است: ولتاژ اعمال می شود و شارژ انباشته می شود. فرآیندهای فیزیکی که در حال حاضر اتفاق می‌افتند نباید زیاد مورد توجه شما قرار بگیرند، اما اگر بخواهید می‌توانید در هر کتابی در مورد فیزیک در بخش الکترواستاتیک در مورد آن مطالعه کنید.

خازن در مدار DC

اگر خازن خود را در یک مدار الکتریکی قرار دهیم (شکل زیر)، یک آمپر متر را به صورت سری به آن وصل کرده و جریان مستقیم را به مدار وارد کنیم، سوزن آمپرمتر برای مدت کوتاهی منقبض می شود و سپس یخ می زند و 0A را نشان می دهد - جریانی در مدار وجود ندارد. چه اتفاقی افتاده است؟

فرض می کنیم قبل از اعمال جریان به مدار، خازن خالی (دشارژ) بوده و زمانی که جریان وارد می شود، خیلی سریع شروع به شارژ شدن می کند و زمانی که شارژ می شود (میدان الکتریکی بین صفحات خازن منبع برق را متعادل می کند. ، سپس جریان متوقف شد (اینجا نمودار شارژ خازن است).

به همین دلیل است که می گویند خازن اجازه عبور جریان مستقیم را نمی دهد. در واقع می گذرد اما برای مدت زمان بسیار کوتاهی که با استفاده از فرمول t=3*R*C قابل محاسبه است (زمان شارژ خازن تا 95 درصد حجم اسمی. R مقاومت مدار است، C برابر است با ظرفیت خازن) به این صورت است که خازن در جریان مدار DC رفتار می کند. در مدار متغیر کاملاً متفاوت رفتار می کند!

خازن در مدار AC

جریان متناوب چیست؟ این زمانی است که الکترون‌ها ابتدا به آنجا می‌روند، سپس به عقب برمی‌گردند. آن ها جهت حرکت آنها همیشه تغییر می کند. سپس، اگر جریان متناوب از مدار با خازن عبور کند، در هر یک از صفحات آن یک بار "+" یا یک بار "-" جمع می شود. آن ها جریان AC در واقع جریان خواهد داشت. این بدان معنی است که جریان متناوب "بدون مانع" از خازن عبور می کند.

کل این فرآیند را می توان با استفاده از روش قیاس های هیدرولیکی مدل سازی کرد. تصویر زیر آنالوگ مدار AC را نشان می دهد. پیستون مایع را به جلو و عقب می راند. این باعث می شود که پروانه به جلو و عقب بچرخد. معلوم می شود که یک جریان متناوب مایع است (جریان متناوب را می خوانیم).

حال بیایید یک خازن به شکل غشاء بین منبع نیرو (پیستون) و پروانه قرار دهیم و آنچه را تغییر خواهد داد تجزیه و تحلیل کنیم.

به نظر می رسد چیزی تغییر نخواهد کرد. همانطور که مایع حرکات نوسانی انجام می دهد، به همین ترتیب ادامه می دهد، همانطور که پروانه به این دلیل نوسان کرد، به نوسان ادامه خواهد داد. این بدان معنی است که غشای ما مانعی برای جریان متغیر نیست. همین امر در مورد خازن های الکترونیکی نیز صادق خواهد بود.

واقعیت این است که حتی اگر الکترون هایی که در یک زنجیره حرکت می کنند از دی الکتریک (غشاء) بین صفحات خازن عبور نمی کنند، در خارج از خازن حرکت آنها نوسانی است (به جلو و عقب)، یعنی. جریان متناوب آه!

بنابراین، خازن جریان متناوب را عبور می دهد و جریان مستقیم را مسدود می کند. این بسیار راحت است زمانی که باید جزء DC را در سیگنال حذف کنید، به عنوان مثال، در خروجی/ورودی تقویت کننده صوتی یا زمانی که نیاز دارید فقط به بخش متغیر سیگنال نگاه کنید (ریپل در خروجی DC). منبع ولتاژ).

راکتانس خازن

خازن مقاومت دارد! در اصل، این را می توان از این واقعیت فرض کرد که جریان مستقیم از آن عبور نمی کند، گویی یک مقاومت با مقاومت بسیار بالا است.

جریان متناوب موضوع دیگری است - عبور می کند، اما مقاومت خازن را تجربه می کند:

f - فرکانس، C - ظرفیت خازن. اگر به فرمول دقت کنید، می بینید که اگر جریان ثابت باشد، f = 0 و سپس (ممکن است ریاضیدانان مبارز مرا ببخشند!) X c = بی نهایت.و جریان مستقیم از طریق خازن وجود ندارد.

اما مقاومت در برابر جریان متناوب بسته به فرکانس آن و ظرفیت خازن تغییر خواهد کرد. هر چه فرکانس جریان و ظرفیت خازن بیشتر باشد، مقاومت کمتری در برابر این جریان دارد و بالعکس. هر چه ولتاژ سریعتر تغییر کند
ولتاژ، هرچه جریان عبوری از خازن بیشتر باشد، این کاهش Xc با افزایش فرکانس را توضیح می دهد.

ضمنا یکی دیگر از ویژگی های خازن این است که برق نمی دهد و گرم نمی شود! بنابراین، گاهی اوقات برای کاهش ولتاژ در جایی که مقاومت دود می کند، استفاده می شود. به عنوان مثال، برای کاهش ولتاژ شبکه از 220 ولت به 127 ولت. و در ادامه:

جریان در خازن متناسب با سرعت ولتاژ اعمال شده به پایانه های آن است

خازن ها کجا استفاده می شوند؟

بله، در هر جایی که خواص آنها مورد نیاز است (عدم عبور جریان مستقیم، توانایی انباشته شدن انرژی الکتریکی و تغییر مقاومت آنها بسته به فرکانس)، در فیلترها، در مدارهای نوسانی، در ضرب کننده های ولتاژ و غیره.

چه نوع خازن هایی وجود دارد؟

این صنعت انواع مختلفی از خازن ها را تولید می کند. هر کدام از آنها مزایا و معایب خاصی دارند. برخی جریان نشتی کم دارند، برخی دیگر ظرفیت زیادی دارند و برخی دیگر چیز دیگری دارند. بسته به این شاخص ها، خازن ها انتخاب می شوند.

آماتورهای رادیویی، به خصوص مبتدیانی مانند ما، خیلی زحمت نمی کشند و روی چیزی که می توانند پیدا کنند شرط بندی می کنند. با این وجود، باید بدانید که چه نوع خازن های اصلی در طبیعت وجود دارند.

تصویر جداسازی بسیار معمولی خازن ها را نشان می دهد. من آن را به سلیقه خودم کامپایل کردم و دوستش دارم زیرا بلافاصله مشخص می شود که آیا خازن های متغیر وجود دارد یا خیر، چه نوع خازن های دائمی وجود دارد و چه دی الکتریک هایی در خازن های معمولی استفاده می شود. به طور کلی، همه چیزهایی که یک آماتور رادیو نیاز دارد.

دارای جریان نشتی کم، ابعاد کوچک، اندوکتانس کم و قادر به کار در فرکانس های بالا و در مدارهای جریان DC، ضربانی و جریان متناوب هستند.

آنها در طیف گسترده ای از ولتاژها و ظرفیت های عملیاتی تولید می شوند: از 2 تا 20000 pF و بسته به طراحی، ولتاژهای تا 30 کیلو ولت را تحمل می کنند. اما اغلب خازن های سرامیکی با ولتاژ کاری تا 50 ولت پیدا می کنید.

راستش نمی دانم الان آزاد می شوند یا نه. اما قبلاً از میکا به عنوان دی الکتریک در چنین خازن هایی استفاده می شد. و خود خازن شامل بسته ای از صفحات میکا بود که روی هر یک از آنها صفحاتی از دو طرف اعمال می شد و سپس چنین صفحاتی در یک "بسته" جمع آوری شده و در یک کیس بسته بندی می شدند.

آنها معمولاً ظرفیتی بین چند هزار تا ده ها هزار پیکوفوراد داشتند و در محدوده ولتاژ 200 ولت تا 1500 ولت کار می کردند.

خازن های کاغذی

چنین خازن هایی دارای کاغذ خازن به عنوان دی الکتریک و نوارهای آلومینیومی به عنوان صفحات هستند. نوارهای بلند فویل آلومینیومی با نوار کاغذی که بین آنها قرار داده شده است به صورت رول شده و در یک محفظه بسته بندی می شوند. این ترفند است.

چنین خازن هایی در ظرفیت های مختلف از هزاران پیکوفوراد تا 30 میکروفوراد هستند و می توانند ولتاژهای 160 تا 1500 ولت را تحمل کنند.

شایعات حاکی از آن است که آنها اکنون مورد توجه علاقه مندان به موسیقی هستند. من تعجب نمی کنم - آنها همچنین سیم های هادی یک طرفه دارند ...

در اصل، خازن های معمولی با پلی استر به عنوان دی الکتریک. محدوده خازن ها از 1 nF تا 15 mF در ولتاژ کاری از 50 ولت تا 1500 ولت است.

خازن های این نوع دو مزیت غیر قابل انکار دارند. اول، آنها را می توان با تحمل بسیار کمی تنها 1٪ ساخت. بنابراین، اگر می گوید 100 pF، پس ظرفیت آن 100 pF +/- 1٪ است. و دوم این است که ولتاژ کار آنها می تواند تا 3 کیلو ولت (و ظرفیت از 100 pF تا 10 mF) برسد.

خازن های الکترولیتی

این خازن ها با خازن های دیگر تفاوت دارند زیرا فقط می توانند به مدار جریان مستقیم یا ضربانی متصل شوند. قطبی هستند. آنها یک مثبت و یک منفی دارند. این به دلیل طراحی آنهاست. و اگر چنین خازنی به صورت معکوس روشن شود، به احتمال زیاد متورم می شود. و قبل از آن آنها نیز با خوشحالی، اما ناامن منفجر شدند. خازن های الکترولیتی ساخته شده از آلومینیوم و تانتالیوم وجود دارد.

خازن های الکترولیتی آلومینیومی تقریباً مانند خازن های کاغذی طراحی می شوند، تنها با این تفاوت که صفحات چنین خازن هایی کاغذ و نوارهای آلومینیومی هستند. کاغذ با الکترولیت آغشته می شود و یک لایه نازک اکسید روی نوار آلومینیومی اعمال می شود که به عنوان دی الکتریک عمل می کند. اگر جریان متناوب را به چنین خازنی اعمال کنید یا آن را به قطبیت های خروجی برگردانید، الکترولیت می جوشد و خازن از کار می افتد.

خازن های الکترولیتی ظرفیت نسبتا زیادی دارند، به همین دلیل است که به عنوان مثال، اغلب در مدارهای یکسو کننده استفاده می شوند.

احتمالاً همین است. در پشت صحنه خازن هایی با دی الکتریک ساخته شده از پلی کربنات، پلی استایرن و احتمالا بسیاری از انواع دیگر باقی مانده است. اما من فکر می کنم که این اضافی خواهد بود.

ادامه دارد...

در قسمت دوم قصد دارم نمونه هایی از کاربردهای معمول خازن ها را نشان دهم.

چرا یک خازن جریان مستقیم نمی دهد، اما اجازه عبور جریان متناوب را می دهد؟

1. یک خازن جریان عبور نمی کند، فقط می تواند شارژ و دشارژ کند
   در جریان مستقیم، خازن یک بار شارژ می شود و سپس در مدار بی فایده می شود.
   در جریان ضربانی، هنگامی که ولتاژ افزایش می یابد، شارژ می شود (انرژی الکتریکی را جمع می کند) و هنگامی که ولتاژ از حداکثر سطح شروع به کاهش می کند، انرژی را به شبکه باز می گرداند و در عین حال ولتاژ را تثبیت می کند.
   در جریان متناوب، هنگامی که ولتاژ از 0 به حداکثر افزایش می یابد، خازن شارژ می شود، زمانی که از حداکثر به 0 کاهش می یابد، تخلیه می شود، انرژی را به شبکه برمی گرداند، زمانی که قطبیت تغییر می کند، همه چیز دقیقاً یکسان است اما با قطبیت متفاوت. .
2. جریان فقط تا زمانی که خازن در حال شارژ باشد جریان دارد.
   در مدار جریان مستقیم، خازن نسبتاً سریع شارژ می شود و پس از آن جریان کاهش می یابد و عملاً متوقف می شود.
   در یک مدار جریان متناوب، خازن شارژ می شود، سپس ولتاژ قطبیت را تغییر می دهد، شروع به تخلیه می کند و سپس در جهت مخالف شارژ می شود و غیره - جریان دائما جریان می یابد.
   خوب، شیشه ای را تصور کنید که فقط می توانید در آن آب بریزید تا پر شود. اگر ولتاژ ثابت باشد، بانک پر می شود و سپس جریان قطع می شود. و اگر ولتاژ متغیر باشد، آب در کوزه ریخته می شود - ریخته می شود - پر می شود و غیره.
3. خازن هم در جریان متناوب و هم در جریان مستقیم کار می کند، زیرا با جریان مستقیم شارژ می شود و نمی تواند آن انرژی را به جایی منتقل کند؛ برای این کار، یک انشعاب معکوس از طریق یک کلید به مدار متصل می شود تا قطبیت را تغییر دهد تا آن را تخلیه کند و آن را تخلیه کند. جا برای قسمت های جدید ایجاد کنید، نه متناوب در هر دور، کاندرم به دلیل تغییر قطب ها شارژ و تخلیه می شود.
4. ممنون بچه ها برای اطلاعات عالی!!!
5. از نظر فیزیکی کاملاً: یک خازن یک شکست در مدار است، زیرا واشرهای آن با یکدیگر تماس ندارند، بین آنها دی الکتریک وجود دارد. و همانطور که می دانیم دی الکتریک ها رسانای الکتریسیته نیستند. بنابراین جریان مستقیم از آن عبور نمی کند.
   با اينكه.. .
   یک خازن در مدار DC در لحظه اتصال به مدار می تواند جریان را هدایت کند (شارژ یا شارژ مجدد خازن اتفاق می افتد)؛ در پایان فرآیند گذرا، هیچ جریانی از خازن عبور نمی کند، زیرا صفحات آن توسط یک خازن از هم جدا می شوند. دی الکتریک در مدار جریان متناوب، نوسانات جریان متناوب را از طریق شارژ مجدد سیکلی خازن انجام می دهد.

   و برای جریان متناوب، خازن بخشی از مدار نوسانی است. نقش یک وسیله ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی را ایفا می‌کند و در ترکیب با یک سیم‌پیچ، آن‌ها کاملاً همزیستی می‌کنند و انرژی الکتریکی را به انرژی مغناطیسی تبدیل می‌کنند و با سرعت/فرکانس برابر امگا = 1/sqrt (C*L) خود را به انرژی مغناطیسی تبدیل می‌کنند.

   مثال: پدیده ای مانند رعد و برق. فکر کنم شنیدم اگرچه این مثال بدی است، اما شارژ در آنجا از طریق الکتریسیته به دلیل اصطکاک هوای اتمسفر روی سطح زمین اتفاق می‌افتد. اما خرابی همیشه، مانند یک خازن، تنها زمانی رخ می دهد که به اصطلاح ولتاژ شکست برسد.

   نمیدونم این بهت کمک کرد یا نه :)

6. یک خازن در واقع اجازه نمی دهد جریان از خود عبور کند. خازن ابتدا بارها را روی صفحات خود جمع می کند - در یک صفحه الکترون های اضافی وجود دارد ، در دیگری کمبود وجود دارد - و سپس آنها را از بین می برد ، در نتیجه در مدار خارجی ، الکترون ها به جلو و عقب می روند - آنها می چرخند. دور از یک بشقاب، به سمت دومی بدوید، سپس به عقب برگردید. یعنی حرکت الکترون ها به جلو و عقب در مدار خارجی تضمین می شود؛ جریان در آن جریان دارد - اما نه در داخل خازن.
   چند الکترون که یک صفحه خازن در ولتاژ یک ولت می تواند بپذیرد، ظرفیت خازن نامیده می شود، اما معمولاً نه در تریلیون ها الکترون، بلکه در واحدهای معمولی خازن - فاراد (میکرو فاراد، پیکوفاراد) اندازه گیری می شود.
   وقتی می گویند جریان از خازن عبور می کند، این به سادگی یک ساده سازی است. همه چیز طوری اتفاق می افتد که گویی جریان از خازن عبور می کند، اگرچه در واقع جریان فقط از خارج از خازن جریان می یابد.
   اگر به فیزیک عمیق تر برویم، توزیع مجدد انرژی در میدان بین صفحات خازن را جریان جابجایی می نامند، برخلاف جریان رسانایی که حرکت بارها است، اما جریان جابجایی مفهومی از الکترودینامیک مرتبط با معادلات ماکسول است. ، یک سطح کاملا متفاوت از انتزاع.

ولتاژ ثابت و ولتاژ تمساح هایش را روی 12 ولت تنظیم کنید. یک لامپ 12 ولتی هم می گیریم. اکنون یک خازن را بین یک پروب منبع تغذیه و لامپ قرار می دهیم:

نه نمیسوزه

اما اگر مستقیماً این کار را انجام دهید، روشن می شود:

این نتیجه گیری را نشان می دهد: جریان DC از خازن عبور نمی کند!

صادقانه بگویم، در همان لحظه اولیه اعمال ولتاژ، جریان همچنان برای کسری از ثانیه جریان دارد. همه چیز به ظرفیت خازن بستگی دارد.

خازن در مدار AC

بنابراین، برای اینکه بفهمیم آیا جریان AC از خازن عبور می کند یا خیر، به یک دینام نیاز داریم. من فکر می کنم این مولد فرکانس به خوبی عمل می کند:

از آنجایی که ژنراتور چینی من بسیار ضعیف است، به جای بار لامپ از یک 100 اهم ساده استفاده می کنیم. اجازه دهید یک خازن با ظرفیت 1 میکروفاراد نیز بگیریم:

ما چیزی شبیه به این را لحیم می کنیم و یک سیگنال از ژنراتور فرکانس ارسال می کنیم:

سپس دست به کار می شود. اسیلوسکوپ چیست و با آن چه کاربردی دارد اینجا را بخوانید. ما از دو کانال به طور همزمان استفاده خواهیم کرد. دو سیگنال به طور همزمان در یک صفحه نمایش داده می شود. در اینجا روی صفحه نمایش می توانید تداخل شبکه 220 ولتی را مشاهده کنید. توجه نکنید.

همانطور که مهندسان الکترونیک حرفه ای می گویند، ما ولتاژ متناوب اعمال می کنیم و سیگنال ها را در ورودی و خروجی تماشا می کنیم. همزمان.

همه چیز چیزی شبیه به این خواهد بود:

بنابراین، اگر فرکانس ما صفر باشد، این به معنای جریان ثابت است. همانطور که قبلاً دیدیم، خازن اجازه عبور جریان مستقیم را نمی دهد. به نظر می رسد این موضوع حل شده است. اما اگر یک سینوسی با فرکانس 100 هرتز اعمال کنید چه اتفاقی می افتد؟

در صفحه نمایش اسیلوسکوپ پارامترهایی مانند فرکانس و دامنه سیگنال را نمایش دادم: اف فرکانس است مامان - دامنه (این پارامترها با یک فلش سفید مشخص شده اند). کانال اول با رنگ قرمز و کانال دوم با زرد مشخص شده است تا درک آسانی داشته باشد.

موج سینوسی قرمز سیگنالی را نشان می دهد که مولد فرکانس چینی به ما می دهد. موج سینوسی زرد همان چیزی است که ما در حال حاضر در بار دریافت می کنیم. در مورد ما، بار یک مقاومت است. خوب، این همه است.

همانطور که در اسیلوگرام بالا می بینید، من یک سیگنال سینوسی از ژنراتور با فرکانس 100 هرتز و دامنه 2 ولت ارائه می کنم. در مقاومت ما قبلاً سیگنالی با همان فرکانس (سیگنال زرد) می بینیم، اما دامنه آن حدود 136 میلی ولت است. علاوه بر این، سیگنال تا حدودی "شگی" بود. این به دلیل به اصطلاح "". نویز سیگنالی با دامنه کم و تغییرات تصادفی ولتاژ است. این می تواند توسط خود عناصر رادیویی ایجاد شود یا همچنین می تواند تداخلی باشد که از فضای اطراف گرفته می شود. به عنوان مثال، یک مقاومت بسیار خوب "صدا می کند". این بدان معنی است که "شگی" سیگنال مجموع یک سینوسی و نویز است.

دامنه سیگنال زرد کوچکتر شده است و حتی نمودار سیگنال زرد به سمت چپ تغییر می کند، یعنی جلوتر از سیگنال قرمز است یا به زبان علمی ظاهر می شود. تغییر فاز. این مرحله است که جلوتر است، نه خود سیگنال.اگر خود سیگنال جلوتر بود، سیگنال روی مقاومت زودتر از سیگنالی که از طریق خازن به آن اعمال می شود ظاهر می شود. نتیجه یک نوع سفر در زمان خواهد بود :-)، که البته غیرممکن است.

تغییر فاز- این تفاوت بین فازهای اولیه دو کمیت اندازه گیری شده. در این مورد تنش. برای اندازه گیری تغییر فاز، باید شرایطی وجود داشته باشد که این سیگنال ها همان فرکانس. دامنه می تواند هر کدام باشد. شکل زیر همین تغییر فاز را نشان می دهد یا همان طور که به آن می گویند، اختلاف فاز:

بیایید فرکانس ژنراتور را به 500 هرتز افزایش دهیم

مقاومت قبلاً 560 میلی ولت دریافت کرده است. تغییر فاز کاهش می یابد.

فرکانس را به 1 کیلو هرتز افزایش می دهیم

در خروجی ما از قبل 1 ولت داریم.

فرکانس را روی 5 کیلوهرتز تنظیم کنید

دامنه 1.84 ولت است و تغییر فاز به وضوح کوچکتر است

به 10 کیلوهرتز افزایش دهید

دامنه تقریباً مشابه ورودی است. تغییر فاز کمتر قابل توجه است.

ما 100 کیلوهرتز را تنظیم کردیم:

تقریبا هیچ تغییر فازی وجود ندارد. دامنه تقریباً مشابه ورودی است، یعنی 2 ولت.

از اینجا نتیجه گیری های عمیقی می گیریم:

هرچه فرکانس بالاتر باشد، خازن مقاومت کمتری در برابر جریان متناوب دارد. تغییر فاز با افزایش فرکانس به تقریبا صفر کاهش می یابد. در فرکانس های بی نهایت پایین قدر آن 90 درجه یاπ/2 .

اگر یک برش از نمودار را رسم کنید، چیزی شبیه به این خواهید داشت:

من ولتاژ را به صورت عمودی و فرکانس را به صورت افقی رسم کردم.

بنابراین، ما آموخته ایم که مقاومت یک خازن به فرکانس بستگی دارد. اما آیا فقط به فرکانس بستگی دارد؟ بیایید یک خازن با ظرفیت 0.1 میکروفاراد یعنی مقدار اسمی 10 برابر کمتر از خازن قبلی بگیریم و دوباره آن را در همان فرکانس ها اجرا کنیم.

بیایید مقادیر را بررسی و تجزیه و تحلیل کنیم:

مقادیر دامنه سیگنال زرد را در همان فرکانس، اما با مقادیر خازن متفاوت با دقت مقایسه کنید. به عنوان مثال، در فرکانس 100 هرتز و مقدار خازن 1 μF، دامنه سیگنال زرد 136 میلی ولت بود و در همان فرکانس، دامنه سیگنال زرد، اما با خازن 0.1 μF، قبلاً بود. 101 میلی ولت (در واقعیت، حتی کمتر به دلیل تداخل). در فرکانس 500 هرتز - 560 میلی ولت و 106 میلی ولت به ترتیب در فرکانس 1 کیلوهرتز - 1 ولت و 136 میلی ولت و غیره.

از اینجا نتیجه گیری خود را نشان می دهد: با کاهش مقدار خازن، مقاومت آن افزایش می یابد.

فیزیکدانان و ریاضیدانان با استفاده از تبدیل های فیزیکی و ریاضی فرمولی را برای محاسبه مقاومت خازن به دست آورده اند. لطفا محبت کنید و احترام بگذارید:

جایی که، X Cمقاومت خازن، اهم است

پ -ثابت و تقریباً برابر با 3.14 است

اف- فرکانس، با هرتز اندازه گیری می شود

با– ظرفیت، بر حسب فاراد اندازه گیری می شود

بنابراین، فرکانس را در این فرمول روی صفر هرتز قرار دهید. فرکانس صفر هرتز جریان مستقیم است. چه اتفاقی خواهد افتاد؟ 1/0=بی نهایت یا مقاومت بسیار بالا. خلاصه مدار خرابه

نتیجه

با نگاهی به آینده، می توانم بگویم که در این آزمایش به (فیلتر بالاگذر) دست یافتیم. با استفاده از یک خازن و مقاومت ساده و اعمال چنین فیلتری روی اسپیکر در جایی از تجهیزات صوتی، تنها صدای جیر جیر بلندی را در بلندگو خواهیم شنید. اما فرکانس باس توسط چنین فیلتری کاهش می یابد. وابستگی مقاومت خازن به فرکانس در الکترونیک رادیویی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، به ویژه در فیلترهای مختلف که در آن نیاز به سرکوب یک فرکانس و عبور فرکانس دیگری است.