Pengisian dan pengosongan kapasitor

Pengisian kapasitor

Untuk mengisi kapasitor, Anda harus menghubungkannya ke sirkuit DC. Dalam gambar. 1 menunjukkan sirkuit pengisian kapasitor. Kapasitor C dihubungkan ke terminal generator. Kunci dapat digunakan untuk menutup atau membuka sirkuit. Mari kita lihat secara mendetail proses pengisian kapasitor.

Generator memiliki resistansi internal. Saat sakelar ditutup, kapasitor akan mengisi tegangan antara pelat sama dengan e. dll. v. generator: Uc = E. Dalam hal ini, pelat yang terhubung ke terminal positif generator menerima muatan positif (+q), dan pelat kedua menerima muatan negatif yang sama (-q). Besarnya muatan q berbanding lurus dengan kapasitas kapasitor C dan tegangan pada pelatnya: q = CUc

Pe. 1… Sirkuit pengisian kapasitor

Untuk mengisi pelat kapasitor, salah satu dari mereka perlu mendapatkan dan yang lain kehilangan sejumlah elektron.Transfer elektron dari satu pelat ke pelat lainnya dilakukan di sepanjang sirkuit eksternal oleh gaya gerak listrik generator, dan proses pemindahan muatan di sepanjang sirkuit tidak lebih dari arus listrik, yang disebut pengisian arus kapasitif.

Nilai arus pengisian biasanya mengalir dalam seperseribu detik hingga tegangan melintasi kapasitor mencapai nilai yang sama dengan e. dll. v.generator. Grafik kenaikan tegangan pada pelat kapasitor selama pengisiannya ditunjukkan pada gambar. 2, a, dari mana dapat dilihat bahwa tegangan Uc meningkat dengan lancar, pertama dengan cepat, dan kemudian semakin lambat, hingga menjadi sama dengan e. dll. v. generator E. Setelah itu, tegangan melintasi kapasitor tetap tidak berubah.

Beras. 2. Grafik tegangan dan arus saat pengisian kapasitor

Saat kapasitor mengisi daya, arus pengisian mengalir melalui sirkuit. Grafik arus muatan ditunjukkan pada Gambar. 2, b. Pada saat awal arus pengisian memiliki nilai terbesar, karena tegangan pada kapasitor masih nol, dan menurut hukum Ohm iotax = E /Ri, karena semua e., dll. c generator diterapkan pada resistansi Ri.

Saat kapasitor mengisi, yaitu, meningkatkan voltase di atasnya, kapasitor berkurang untuk arus pengisian. Ketika sudah ada tegangan melintasi kapasitor, penurunan tegangan pada resistansi akan sama dengan selisih antara e. dll. v. tegangan generator dan kapasitor, yaitu sama dengan E — U s. Oleh karena itu itax = (E-Us) / Ri

Dari sini dapat dilihat bahwa saat Uc meningkat, icharge dan pada Uc = E arus pengisian menjadi nol.

Baca lebih lanjut tentang Hukum Ohm di sini: Hukum Ohm untuk bagian sirkuit

Durasi proses pengisian kapasitor tergantung pada dua kuantitas:

1) dari resistansi internal generator Ri,

2) dari kapasitansi kapasitor C.

Dalam gambar. 2 menunjukkan grafik arus elegan untuk kapasitor dengan kapasitas 10 mikrofarad: kurva 1 sesuai dengan proses pengisian dari generator dengan e. dll. dengan E = 100 V dan dengan resistansi internal Ri= 10 Ohm, kurva 2 sesuai dengan proses pengisian dari generator dengan e yang sama. pr dengan, tetapi dengan resistansi internal yang lebih rendah: Ri = 5 ohm.

Dari perbandingan kurva tersebut dapat dilihat bahwa dengan resistansi internal generator yang lebih rendah, kekuatan arus elegan pada momen awal lebih besar sehingga proses pengisian lebih cepat.

Beras. 2. Grafik arus pengisian pada resistansi yang berbeda

Dalam gambar. 3 membandingkan grafik arus pengisian saat mengisi daya dari generator yang sama dengan e. dll. dengan E = 100 V dan resistansi internal Ri= 10 ohm dari dua kapasitor dengan kapasitas berbeda: 10 mikrofarad (kurva 1) dan 20 mikrofarad (kurva 2).

Arus pengisian awal iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Kedua kapasitor itu sama, karena kapasitor dengan kapasitas lebih besar menyimpan lebih banyak listrik, maka arus pengisiannya harus lebih lama, dan proses pengisian lebih lama.

Beras. 3. Tabel arus pengisian daya dengan kapasitas berbeda

Pelepasan kapasitor

Putuskan sambungan kapasitor yang terisi daya dari generator dan pasang resistansi ke pelatnya.

Ada tegangan pada pelat kapasitor Us, oleh karena itu, dalam rangkaian tertutup, arus yang disebut pelepasan arus kapasitif akan mengalir.

Arus mengalir dari pelat positif kapasitor melalui resistansi ke pelat negatif. Ini sesuai dengan transisi kelebihan elektron dari pelat negatif ke positif, di mana mereka tidak ada.Proses rangka baris berlangsung hingga potensial kedua pelat sama, yaitu beda potensial di antara keduanya menjadi nol: Uc = 0.

Dalam gambar. 4a menunjukkan grafik penurunan tegangan kapasitor selama pelepasan dari nilai Uco = 100 V ke nol, dan tegangan pertama menurun dengan cepat, dan kemudian lebih lambat.

Dalam gambar. 4, b menunjukkan grafik perubahan arus luahan. Kekuatan arus luahan tergantung pada nilai resistansi R dan menurut hukum Ohm ires = Uc/R

Beras. 4. Grafik tegangan dan arus pada saat pelepasan kapasitor

Pada saat awal, ketika tegangan pada pelat kapasitor paling besar, arus luahan juga paling besar, dan dengan penurunan Uc selama luahan, arus luahan juga berkurang. Pada Uc = 0, arus pelepasan berhenti.

Durasi pembuangan tergantung pada:

1) dari kapasitansi kapasitor C

2) pada nilai resistansi R yang dilepaskan kapasitor.

Semakin besar resistansi R, semakin lambat debit akan terjadi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa dengan resistansi yang besar, kekuatan arus pelepasan kecil dan jumlah muatan pada pelat kapasitor berkurang secara perlahan.

Ini dapat ditunjukkan dalam grafik arus pelepasan kapasitor yang sama, dengan kapasitas 10 μF dan diisi ke tegangan 100 V, pada dua nilai resistansi yang berbeda (Gbr. 5): kurva 1 — pada R =40 ohm, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A dan kurva 2 — pada 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

Beras. 5. Grafik arus pelepasan pada berbagai resistansi

Debit juga lebih lambat bila kapasitansi kapasitor besar.Ini karena dengan lebih banyak kapasitansi pada pelat kapasitor, ada lebih banyak listrik (lebih banyak muatan) dan akan membutuhkan waktu lebih lama untuk menguras muatan. Ini jelas ditunjukkan oleh grafik arus pelepasan untuk dua kapasitor dengan kapasitas yang sama, diisi dengan tegangan yang sama 100 V dan dilepaskan ke resistansi R= 40 ohm (Gbr. 6: kurva 1 — untuk kapasitor dengan kapasitas dari 10 mikrofarad dan kurva 2 — untuk kapasitor dengan kapasitas 20 mikrofarad).

Beras. 6. Grafik arus pelepasan pada daya yang berbeda

Dari proses yang dipertimbangkan, dapat disimpulkan bahwa dalam rangkaian dengan kapasitor, arus mengalir hanya pada saat pengisian dan pengosongan, ketika tegangan pada pelat berubah.

Ini dijelaskan oleh fakta bahwa ketika tegangan berubah, jumlah muatan pada pelat berubah, dan ini membutuhkan pergerakan muatan di sepanjang rangkaian, yaitu arus listrik harus melewati rangkaian. Kapasitor bermuatan tidak melewatkan arus searah karena dielektrik di antara pelatnya membuka sirkuit.

Energi kapasitor

Selama proses pengisian, kapasitor menyimpan energi dengan menerimanya dari generator. Ketika sebuah kapasitor dilepaskan, semua energi medan listrik diubah menjadi energi panas, yaitu, ia memanaskan resistansi yang melaluinya kapasitor dilepaskan. Semakin besar kapasitansi kapasitor dan tegangan pada pelatnya, semakin besar energi medan listrik kapasitor. Besarnya energi yang dimiliki oleh sebuah kapasitor berkapasitas C yang diisi dengan tegangan U sama dengan: W = Wc = CU2/2

Sebuah contoh. Kapasitor C = 10 μF dibebankan ke tegangan Uc = 500 V.Tentukan energi yang akan dilepaskan dalam gaya panas pada resistansi yang melaluinya kapasitor dilepaskan.

Menjawab. Selama pengosongan, semua energi yang disimpan oleh kapasitor akan diubah menjadi panas. Oleh karena itu W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.