Sạc và xả tụ điện

điện tích

Để sạc tụ điện, bạn cần kết nối nó với mạch DC. Trong bộ lễ phục. 1 cho thấy mạch sạc tụ điện. Tụ điện C được nối với các cực của máy phát điện. Chìa khóa có thể được sử dụng để đóng hoặc mở mạch. Chúng ta hãy xem xét chi tiết quá trình sạc tụ điện.

Máy phát điện có điện trở trong. Khi đóng công tắc, tụ điện sẽ tích điện đến hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện bằng e. vân vân. v. máy phát điện: Uc = E. Trong trường hợp này, tấm nối với cực dương của máy phát điện nhận một điện tích dương (+q), và tấm thứ hai nhận một điện tích âm tương đương (-q). Độ lớn của điện tích q tỉ lệ thuận với dung lượng của tụ điện C và hiệu điện thế trên các bản của nó: q = CUc

Thể dục. 1… Mạch nạp tụ

Để nạp điện cho các bản tụ điện, cần một trong số chúng nhận được và bản còn lại mất đi một lượng electron nhất định.Việc chuyển các electron từ tấm này sang tấm khác được thực hiện dọc theo mạch ngoài nhờ suất điện động của máy phát điện và quá trình di chuyển các điện tích dọc theo mạch không gì khác hơn là một dòng điện, được gọi là dòng điện dung sạc điện tích.

Dòng điện nạp ở giá trị thường chạy trong phần nghìn giây cho đến khi hiệu điện thế trên tụ điện đạt giá trị bằng e. vân vân. v. máy phát điện. Biểu đồ tăng điện áp trên các bản của tụ điện trong quá trình sạc của nó được hiển thị trong hình. 2, a, từ đó có thể thấy rằng điện áp Uc tăng đều, đầu tiên tăng nhanh, sau đó tăng dần và chậm dần cho đến khi bằng e. vân vân. v.máy phát điện E. Sau đó hiệu điện thế trên tụ điện không đổi.

Cơm. 2. Đồ thị hiệu điện thế và dòng điện khi nạp điện cho tụ điện

Khi tụ điện tích điện, một dòng điện tích chạy qua mạch. Biểu đồ dòng điện tích được hiển thị trong Hình. 2, b. Tại thời điểm ban đầu, dòng điện nạp có giá trị lớn nhất vì hiệu điện thế trong tụ điện vẫn bằng 0 và theo định luật Ôm iotax = E /Ri, vì mọi e., v.v. máy phát điện c được áp dụng cho điện trở Ri.

Khi tụ điện tích điện, nghĩa là làm tăng điện áp trên nó, nó sẽ giảm đối với dòng điện nạp. Khi đã có một điện áp trên tụ điện, điện áp rơi trên điện trở sẽ bằng hiệu điện thế giữa các e. vân vân. v. điện áp máy phát và tụ điện, tức là bằng E — U s. Do đó itax = (E-Us) / Ri

Từ đây có thể thấy rằng khi Uc tăng lên, tôi nạp điện và tại Uc = E, dòng điện nạp bằng không.

Đọc thêm về định luật Ohm tại đây: Định luật Ôm cho một đoạn mạch

Thời gian của quá trình nạp tụ điện phụ thuộc vào hai đại lượng:

1) từ điện trở trong của máy phát Ri,

2) từ điện dung của tụ điện C.

Trong bộ lễ phục. Hình 2 hiển thị đồ thị của dòng điện ưu việt đối với tụ điện có công suất 10 microfarad: đường cong 1 tương ứng với quá trình sạc từ máy phát có e. vân vân. với E = 100 V và với điện trở trong Ri= 10 Ohm, đường cong 2 tương ứng với quá trình nạp điện từ máy phát điện có cùng e. pr.với, nhưng với điện trở trong thấp hơn: Ri = 5 ôm.

Từ việc so sánh các đường cong này, có thể thấy rằng với điện trở trong của máy phát thấp hơn, cường độ của dòng điện thanh lịch tại thời điểm ban đầu lớn hơn và do đó quá trình sạc nhanh hơn.

Cơm. 2. Đồ thị dòng điện nạp ở các điện trở khác nhau

Trong bộ lễ phục. 3 so sánh đồ thị dòng điện nạp khi nạp điện từ cùng một máy phát điện với e. vân vân. với E = 100 V và điện trở trong Ri= 10 ôm của hai tụ điện có dung lượng khác nhau: 10 microfarad (đường cong 1) và 20 microfarad (đường cong 2).

Dòng sạc ban đầu iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Cả hai tụ điện đều giống nhau, vì tụ điện có dung lượng lớn hơn sẽ lưu trữ nhiều điện hơn, nên dòng sạc của nó sẽ lâu hơn và quá trình sạc lâu hơn.

Cơm. 3. Bảng các dòng sạc với nhiều công suất khác nhau

xả tụ điện

Ngắt kết nối tụ điện đã tích điện khỏi máy phát và gắn điện trở vào các bản của nó.

Có một hiệu điện thế trên các bản của tụ điện U, do đó, trong một mạch kín, một dòng điện gọi là dòng điện phóng điện ires sẽ chạy qua.

Dòng điện chạy từ bản dương của tụ điện qua điện trở đến bản âm. Điều này tương ứng với sự chuyển đổi của các electron thừa từ bản âm sang bản dương, nơi không có chúng.Quá trình khung hàng diễn ra cho đến khi điện thế của hai tấm bằng nhau, tức là hiệu điện thế giữa chúng bằng không: Uc = 0.

Trong bộ lễ phục. Hình 4a hiển thị biểu đồ giảm điện áp trong tụ điện trong quá trình phóng điện từ giá trị Uco = 100 V xuống 0 và điện áp đầu tiên giảm nhanh, sau đó chậm hơn.

Trong bộ lễ phục. 4, b hiển thị biểu đồ thay đổi dòng phóng điện. Cường độ dòng phóng điện phụ thuộc vào giá trị của điện trở R và theo định luật Ohm ires = Uc/R

Cơm. 4. Đồ thị điện áp và dòng điện khi xả tụ

Tại thời điểm ban đầu, khi điện áp trên các bản của tụ điện là lớn nhất thì dòng điện phóng điện cũng lớn nhất và khi Uc giảm trong quá trình phóng điện thì dòng điện phóng điện cũng giảm. Khi Uc = 0 thì ngừng xả dòng.

Thời hạn xử lý phụ thuộc vào:

1) từ điện dung của tụ điện C

2) về giá trị của điện trở R mà tụ phóng điện.

Điện trở R càng lớn thì quá trình phóng điện xảy ra càng chậm. Điều này là do với điện trở lớn, cường độ dòng phóng điện nhỏ và lượng điện tích trên các bản của tụ điện giảm chậm.

Điều này có thể được hiển thị trong biểu đồ dòng phóng điện của cùng một tụ điện, có công suất 10 μF và được sạc đến điện áp 100 V, ở hai giá trị điện trở khác nhau (Hình 5): đường cong 1 — tại R =40 ôm, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A và đường cong 2 — ở 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

Cơm. 5. Đồ thị dòng xả ở các điện trở khác nhau

Quá trình phóng điện cũng chậm hơn khi điện dung của tụ điện lớn.Điều này là do với nhiều điện dung hơn trên các bản tụ điện, sẽ có nhiều điện hơn (nhiều điện tích hơn) và sẽ mất nhiều thời gian hơn để điện tích cạn kiệt. Điều này được thể hiện rõ ràng qua đồ thị dòng phóng điện của hai tụ điện có cùng dung lượng, được nạp vào cùng hiệu điện thế 100 V và phóng điện đến điện trở R= 40 ôm (Hình 6: đường cong 1 — đối với tụ điện có dung lượng 10 microfarad và đường cong 2 — đối với tụ điện có công suất 20 microfarad).

Cơm. 6. Đồ thị dòng phóng ở các công suất khác nhau

Từ các quá trình đã xem xét, có thể kết luận rằng trong mạch có tụ điện, dòng điện chỉ chạy vào thời điểm sạc và xả, khi điện áp trên các bản cực thay đổi.

Điều này được giải thích là do khi điện áp thay đổi, lượng điện tích trên các bản cực thay đổi và điều này đòi hỏi sự chuyển động của các điện tích dọc theo mạch, tức là phải có dòng điện chạy qua mạch. Một tụ điện đã tích điện không cho dòng điện một chiều chạy qua vì chất điện môi giữa các bản của nó làm hở mạch.

năng lượng tụ điện

Trong quá trình sạc, tụ điện lưu trữ năng lượng bằng cách nhận nó từ máy phát điện. Khi một tụ điện được phóng điện, tất cả năng lượng của điện trường được chuyển thành năng lượng nhiệt, nghĩa là nó sẽ đốt nóng điện trở mà tụ điện được phóng điện. Điện dung của tụ điện và hiệu điện thế giữa các bản tụ điện càng lớn thì năng lượng điện trường của tụ điện càng lớn. Điện lượng mà tụ điện có dung lượng C tích điện vào hiệu điện thế U bằng: W = Wc = CU2/2

Một ví dụ. Tụ điện C = 10 μF được tích điện đến hiệu điện thế Uc = 500 V.Xác định năng lượng sẽ được giải phóng trong lực nhiệt tại điện trở mà tụ điện được phóng điện.

Trả lời. Trong quá trình xả, tất cả năng lượng được lưu trữ bởi tụ điện sẽ được chuyển thành nhiệt. Do đó W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500)/2 = 1,25 J.