การชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุ

ค่าตัวเก็บประจุ

ในการชาร์จตัวเก็บประจุ คุณต้องเชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ในรูป 1 แสดงวงจรการชาร์จตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุ C เชื่อมต่อกับขั้วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สามารถใช้กุญแจเพื่อปิดหรือเปิดวงจรได้ มาดูรายละเอียดขั้นตอนการชาร์จตัวเก็บประจุ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีความต้านทานภายใน เมื่อปิดสวิตช์ ตัวเก็บประจุจะชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าระหว่างเพลตเท่ากับ e เป็นต้น v. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า: Uc = E ในกรณีนี้ แผ่นที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้รับประจุบวก (+q) และแผ่นที่สองได้รับประจุลบที่เท่ากัน (-q) ขนาดของประจุ q เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความจุของตัวเก็บประจุ C และแรงดันไฟฟ้าบนแผ่น: q = CUc

วิชาพลศึกษา. 1…วงจรชาร์จตัวเก็บประจุ

ในการชาร์จแผ่นตัวเก็บประจุนั้นจำเป็นต้องให้หนึ่งในนั้นได้รับและอีกอันหนึ่งต้องสูญเสียอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแผ่นหนึ่งไปยังอีกแผ่นหนึ่งดำเนินการไปตามวงจรภายนอกโดยแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และกระบวนการเคลื่อนย้ายประจุไปตามวงจรก็ไม่มีอะไรมากไปกว่ากระแสไฟฟ้า เรียกว่ากระแสประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า

กระแสชาร์จในมูลค่ามักจะไหลในหนึ่งในพันของวินาทีจนกว่าแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเก็บประจุจะมีค่าเท่ากับ e เป็นต้น ก. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า. กราฟของแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นบนแผ่นของตัวเก็บประจุระหว่างการชาร์จจะแสดงในรูปที่ 2, a ซึ่งจะเห็นได้ว่าแรงดันไฟฟ้า Uc เพิ่มขึ้นอย่างราบรื่น อย่างรวดเร็วก่อน จากนั้นค่อย ๆ เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนกว่าจะเท่ากับ e เป็นต้น v. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า E. หลังจากนั้น แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุจะไม่เปลี่ยนแปลง

ข้าว. 2. กราฟของแรงดันและกระแสเมื่อชาร์จตัวเก็บประจุ

ขณะที่ตัวเก็บประจุชาร์จ กระแสชาร์จจะไหลผ่านวงจร กราฟกระแสการชาร์จแสดงในรูปที่ 2, ข. ในช่วงเวลาเริ่มต้นกระแสไฟชาร์จมีค่ามากที่สุดเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าในตัวเก็บประจุยังคงเป็นศูนย์และตามกฎของโอห์ม iotax = E /Ri เนื่องจาก e ทั้งหมด ฯลฯ เครื่องกำเนิด c ใช้กับความต้านทาน Ri

เมื่อตัวเก็บประจุชาร์จ นั่นคือเพิ่มแรงดันคร่อม มันจะลดลงสำหรับกระแสชาร์จ เมื่อมีแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุแล้ว แรงดันตกคร่อมความต้านทานจะเท่ากับผลต่างระหว่าง e เป็นต้น v. เครื่องกำเนิดและแรงดันตัวเก็บประจุ เช่น เท่ากับ E — U s ดังนั้น itax = (E-Us) / Ri

จากตรงนี้จะเห็นได้ว่าเมื่อ Uc เพิ่มขึ้น icharge และที่ Uc = E กระแสไฟชาร์จจะกลายเป็นศูนย์

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับกฎของโอห์มได้ที่นี่: กฎของโอห์มสำหรับส่วนของวงจร

ระยะเวลาของกระบวนการชาร์จตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับสองปริมาณ:

1) จากความต้านทานภายในของเครื่องกำเนิด Ri

2) จากความจุของตัวเก็บประจุ C

ในรูป 2 แสดงกราฟของกระแสที่สวยงามสำหรับตัวเก็บประจุที่มีความจุ 10 ไมโครฟารัด: เส้นโค้ง 1 สอดคล้องกับกระบวนการชาร์จจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วย e เป็นต้น ด้วย E = 100 V และด้วยความต้านทานภายใน Ri= 10 Ohm เส้นโค้ง 2 สอดคล้องกับกระบวนการชาร์จจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มี e เดียวกัน ราคา ด้วย แต่มีความต้านทานภายในต่ำกว่า: Ri = 5 โอห์ม

จากการเปรียบเทียบเส้นโค้งเหล่านี้ จะเห็นได้ว่าด้วยความต้านทานภายในของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ความแรงของกระแสไฟฟ้าที่สง่างามในช่วงเวลาเริ่มต้นจะมากกว่า และดังนั้นกระบวนการชาร์จจึงเร็วขึ้น

ข้าว. 2. กราฟของกระแสชาร์จที่ความต้านทานต่างกัน

ในรูป 3 เปรียบเทียบกราฟของกระแสชาร์จเมื่อชาร์จจากเครื่องกำเนิดเดียวกันกับ e เป็นต้น ด้วย E = 100 V และความต้านทานภายใน Ri= 10 โอห์มของตัวเก็บประจุสองตัวที่มีความจุต่างกัน: 10 ไมโครฟารัด (เส้นโค้ง 1) และ 20 ไมโครฟารัด (เส้นโค้ง 2)

กระแสการชาร์จเริ่มต้น iotax = E /Ri = 100/10 = 10 ตัวเก็บประจุทั้งสองเหมือนกัน เนื่องจากตัวเก็บประจุที่มีความจุมากกว่าจะเก็บไฟฟ้าได้มากกว่า กระแสการชาร์จจึงควรใช้เวลานานกว่า และกระบวนการชาร์จจะใช้เวลานานกว่า

ข้าว. 3. ตารางกระแสการชาร์จที่มีความจุต่างกัน

การปลดปล่อยตัวเก็บประจุ

ถอดตัวเก็บประจุที่มีประจุออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและติดแผ่นต้านทานเข้ากับแผ่น

มีแรงดันไฟฟ้าอยู่บนแผ่นของตัวเก็บประจุ Us ดังนั้นในวงจรปิดกระแสไฟที่เรียกว่ากระแสไฟประจุไฟฟ้าจะไหล

กระแสไหลจากแผ่นขั้วบวกของตัวเก็บประจุผ่านความต้านทานไปยังแผ่นขั้วลบ สิ่งนี้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนส่วนเกินจากแผ่นลบไปยังขั้วบวกซึ่งไม่มีอยู่กระบวนการของเฟรมแถวจะเกิดขึ้นจนกว่าศักยภาพของเพลตทั้งสองจะเท่ากัน นั่นคือ ความต่างศักย์ระหว่างพวกมันกลายเป็นศูนย์: Uc = 0

ในรูป 4a แสดงกราฟของการลดลงของแรงดันไฟฟ้าในตัวเก็บประจุระหว่างการคายประจุจากค่า Uco = 100 V ถึงศูนย์และแรงดันไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็วก่อนจากนั้นจึงช้าลง

ในรูป 4, b แสดงกราฟของการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟขาออก ความแรงของกระแสคายประจุขึ้นอยู่กับค่าของความต้านทาน R และตามกฎของโอห์ม ires = Uc/R

ข้าว. 4. กราฟของแรงดันและกระแสระหว่างการคายประจุของตัวเก็บประจุ

ในช่วงเวลาเริ่มต้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าบนเพลตของตัวเก็บประจุมีค่ามากที่สุด กระแสดิสชาร์จก็จะมากที่สุดเช่นกัน และเมื่อค่า Uc ลดลงในระหว่างการคายประจุ กระแสดิสชาร์จก็จะลดลงเช่นกัน ที่ Uc = 0 กระแสไฟจะหยุดลง

ระยะเวลาในการกำจัดขึ้นอยู่กับ:

1) จากความจุของตัวเก็บประจุ C

2) ค่าความต้านทาน R ที่ตัวเก็บประจุคายประจุ

ยิ่งค่าความต้านทาน R มากเท่าไหร่ การคายประจุก็จะยิ่งช้าลงเท่านั้น นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ามีความต้านทานสูงความแรงของกระแสไฟที่ปล่อยออกมาจะน้อยและปริมาณประจุบนแผ่นของตัวเก็บประจุจะลดลงอย่างช้าๆ

สิ่งนี้สามารถแสดงได้ในกราฟของกระแสดิสชาร์จของตัวเก็บประจุตัวเดียวกันที่มีความจุ 10 μF และชาร์จที่แรงดัน 100 V ที่ค่าความต้านทานสองค่าที่แตกต่างกัน (รูปที่ 5): เส้นโค้ง 1 — ที่ R =40 โอห์ม, ioresr = UcO/ R = 100/40 = 2.5 A และเส้นโค้ง 2 — ที่ 20 โอห์ม ioresr = 100/20 = 5 A

ข้าว. 5. กราฟของกระแสดิสชาร์จที่ความต้านทานต่างๆ

การคายประจุจะช้าลงเมื่อความจุของตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่นี่เป็นเพราะด้วยความจุที่มากขึ้นบนแผ่นตัวเก็บประจุ จึงมีไฟฟ้ามากขึ้น (มีประจุมากขึ้น) และจะใช้เวลานานขึ้นในการระบายประจุ แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนจากกราฟของกระแสดิสชาร์จสำหรับตัวเก็บประจุสองตัวที่มีความจุเท่ากัน ประจุที่แรงดันเท่ากันที่ 100 V และคายประจุที่ความต้านทาน R= 40 โอห์ม (รูปที่ 6: เส้นโค้ง 1 — สำหรับตัวเก็บประจุที่มีความจุ 10 ไมโครฟารัด และเส้นโค้ง 2 — สำหรับตัวเก็บประจุที่มีความจุ 20 ไมโครฟารัด)

ข้าว. 6. กราฟของกระแสดิสชาร์จที่กำลังต่างกัน

จากกระบวนการพิจารณาสามารถสรุปได้ว่าในวงจรที่มีตัวเก็บประจุกระแสจะไหลเฉพาะในขณะที่ชาร์จและคายประจุเท่านั้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าบนแผ่นเปลือกโลกเปลี่ยนไป

สิ่งนี้อธิบายได้จากความจริงที่ว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงปริมาณของประจุบนแผ่นจะเปลี่ยนไปและสิ่งนี้จำเป็นต้องมีการเคลื่อนที่ของประจุไปตามวงจรนั่นคือกระแสไฟฟ้าจะต้องผ่านวงจร ตัวเก็บประจุที่มีประจุไฟฟ้าจะไม่ผ่านกระแสตรงเนื่องจากไดอิเล็กตริกระหว่างแผ่นเปิดวงจร

พลังงานตัวเก็บประจุ

ในระหว่างกระบวนการชาร์จ ตัวเก็บประจุจะเก็บพลังงานโดยรับมาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อตัวเก็บประจุถูกคายประจุ พลังงานทั้งหมดของสนามไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน นั่นคือจะไปให้ความร้อนกับความต้านทานที่ตัวเก็บประจุถูกคายประจุ ยิ่งความจุของตัวเก็บประจุและแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งแผ่นมีค่ามากขึ้นเท่าใด พลังงานของสนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ปริมาณพลังงานที่ตัวเก็บประจุความจุ C ชาร์จให้กับแรงดันไฟฟ้า U เท่ากับ: W = Wc = CU2/2

ตัวอย่าง. ตัวเก็บประจุ C = 10 μF ชาร์จที่แรงดัน Uc = 500 V.กำหนดพลังงานที่จะปล่อยออกมาด้วยความร้อนที่ความต้านทานที่ตัวเก็บประจุถูกปล่อยออกมา

คำตอบ. ในระหว่างการคายประจุ พลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้โดยตัวเก็บประจุจะถูกแปลงเป็นความร้อน ดังนั้น W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1.25 J