Конденсатор в цепи переменного тока

Изучить поведение и особенности функционирования конденсатора, включенного в цепь переменного тока поможет простейшая цепь с генератором, который формирует синусоидальное напряжение. За начальный момент примем положение в цепи, при котором напряжение на выходе из генератора равно нулю. Исследуем особенности происходящих изменений в цепи после замыкания ключа.

Первая четверть периода

Первая четверть периода характеризуется возрастанием напряжения от нуля на зажимах генератора, что приводит к началу зарядки конденсатора. В цепи появляется электрический ток. Но в самом начале зарядки конденсатора напряжение на его пластинах только начинает формироваться, оставаясь незначительным. Чем сильнее заряжается конденсатор, тем меньшим становится ток в цепи. Ток доходит до нулевой отметки одновременно с полным зарядом конденсатора. Само напряжение, накопленное на пластинах конденсатора, становится максимальный, но характеризуется изменением направления на 180°, то есть становится прямо противоположным напряжению, поступающего от генератора.

Резюмируем: после появления тока в цепи он начинает с максимальной силой поступать в конденсатор. Однако сила тока достаточно быстро снижается по мере накопления напряжения на пластинах конденсатора. Ток становится равным нулю в момент полной зарядки конденсатора.

Для улучшения восприятия процессов, происходящих в цепи, сравним данное явление с особенностью перетекания воды в сообщающихся сосудах. Как только заслонка или краник будут открыты, в пустой сосуд вода побежит с максимальной скоростью и силой. Но напор воды тут же начинает ослабевать и постепенно доходит до нуля. Одновременно уровень жидкости в обоих сосудах выравнивается.

Вторая четверть периода

Вторая четверть периода характеризуется следующими явлениями:

— напряжение генератора убывает, сначала медленно, а затем все быстрее;

— конденсатор, получивший полный заряд, начинает разряжаться на генератор;

— в цепи появляется ток разряда.

Ток разряда возрастает параллельно со снижением напряжения на генераторе. Направление тока заряда на данном этапе (и это очень важно) остается прямо противоположным направлению тока заряда, протекавшего в первую четверть периода. На диаграмме можно увидеть, как кривая тока преодолевает нулевую отметку и переходит в положение ниже по оси времени.

Завершение второй четверти (или первого полупериода) характеризуется минимальными показателями напряжения как на генераторе, так и на конденсаторе. Оба показателя стремятся к нулевой отметке. Одновременно ток в цепи постепенно доходит до своих максимальных значений.

Третья четверть периода

Третья четверть периода начинается с того, что конденсатор вновь начинает заряжаться. Однако в цепи произошли существенные изменения. А именно: полярность пластин конденсатора, равно как и полярность генератора тока изменились на обратную. При этом электрический ток продолжает течь в заданном направлении и вновь начинает убывать по мере заряда конденсатора. Данный участок исследуемого периода характеризуется завершением заряда конденсатора, показатели напряжения на нем и на генераторе достигают максимума, а ток становится равным нулю.

В четвертой четверти периода происходит постепенное уменьшение напряжения в цепи, которое падает до нуля. Ток же, изменив направление движения достигает максимума.

На этом рассматриваемый период заканчивается и повторяется вновь и вновь, точно копируя все параметры и величины тока и напряжения, описанные выше.

Подведем итог: в электрической цепи переменного тока под воздействием напряжения в течение одного периода дважды происходит заряд конденсатора и 2 раза его разряд. Заряд до максимальных показателей происходит в 1 и 3 четверти, а полный разряд – во 2 и 4 четверти периода. Одновременно, учитывая тот факт, что заряды и разряды конденсаторов сопровождаются протеканием электрического тока (зарядного и разрядного) фиксируем: в исследуемой цепи протекает переменный электрический ток.

Убедительный пример

Чтобы наглядно продемонстрировать все вышесказанное и уяснить особенности протекания физических процессов в цепи проведем простой опыт. К сети переменного тока подключаем лампочку электрического освещения, мощность которой составляет 24 Вт. Включаем в цепь конденсатор емкостью 4-6 мкф. Как только цепь замкнется, лампочка включится и будет гореть. До тех пор, пока цепь не будет разорвана. Очевидно: по цепи с емкостью протекает переменный электрический ток. Но он представляет собой постоянно чередующийся ток заряда и разряда и, конечно же не проходит сквозь диэлектрик конденсатора.

Как ведет себя сопротивление. Этот параметр конденсатора, встроенного в цепь, зависит напрямую от двух параметров:

— величина емкости конденсатора;

— частота тока.

Чем емкость выше, тем больший заряд протекает по цепи в момент заряда и разряда конденсатора. Как следствие – увеличивается ток в цепи, что параллельно приводит к уменьшению ее сопротивления.

Выводы:

Таким образом, можно сделать 2 вывода:

1. Чем выше емкость конденсатора, тем меньшим становится сопротивление цепи переменному току.
2. Повышение частоты приводит к снижению уровня сопротивления конденсатора переменному току.