tụ điện xoay chiều

Hãy lắp ráp mạch với tụ điện, trong đó máy phát điện tạo ra điện áp hình sin. Hãy phân tích tuần tự hiện tượng gì sẽ xảy ra trong mạch khi ta đóng công tắc. Chúng ta sẽ xem xét thời điểm ban đầu khi điện áp máy phát bằng không.

Trong quý đầu tiên của chu kỳ, điện áp trên các cực của máy phát điện sẽ tăng lên, bắt đầu từ 0 và tụ điện sẽ bắt đầu tích điện. Trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện, tuy nhiên, ở thời điểm đầu tiên nạp điện cho tụ điện, mặc dù điện áp trên các bản cực của nó mới xuất hiện và còn rất nhỏ nhưng dòng điện trong mạch (dòng điện nạp) sẽ lớn nhất . Khi điện tích trên tụ điện tăng thì cường độ dòng điện trong mạch giảm dần và đạt giá trị bằng 0 tại thời điểm tụ điện được nạp đầy. Trong trường hợp này, điện áp trên các bản của tụ điện, tuân theo đúng điện áp của máy phát điện, tại thời điểm này trở nên cực đại, nhưng có dấu hiệu ngược lại, nghĩa là nó hướng đến điện áp của máy phát điện.

Cơm. 1. Sự biến đổi cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong đoạn mạch có điện dung

Theo cách này, dòng điện chạy tự do với lực lớn nhất vào tụ điện, nhưng ngay lập tức bắt đầu giảm khi các bản của tụ điện được nạp đầy điện tích và giảm xuống 0, sạc đầy cho nó.

Chúng ta hãy so sánh hiện tượng này với những gì xảy ra với dòng nước chảy trong một đường ống nối hai bình thông nhau (Hình 2), một bình đầy và bình kia rỗng. Người ta chỉ cần nhấn van chặn đường dẫn nước, vì nước ngay lập tức chảy từ bình bên trái dưới áp suất lớn qua đường ống vào bình trống bên phải. Tuy nhiên, ngay lập tức, áp suất nước trong đường ống sẽ dần bắt đầu yếu đi do mức nước trong các bình được cân bằng và sẽ giảm xuống bằng không. Dòng nước sẽ dừng lại.

Cơm. 2. Sự thay đổi áp suất nước trong đường ống nối các bình thông nhau tương tự như sự thay đổi cường độ dòng điện trong mạch khi nạp tụ điện

Tương tự, dòng điện đầu tiên chạy vào một tụ điện chưa tích điện và sau đó yếu dần khi nó tích điện.

Khi bắt đầu quý thứ hai của chu kỳ, khi điện áp máy phát ban đầu bắt đầu chậm, sau đó giảm dần và nhanh hơn, tụ điện tích điện sẽ phóng điện cho máy phát điện, gây ra dòng điện phóng điện trong mạch. Khi điện áp máy phát giảm, tụ phóng điện ngày càng nhiều và dòng phóng điện trong mạch tăng lên. Hướng của dòng xả trong quý này của thời kỳ ngược với hướng của dòng điện tích trong quý đầu tiên của thời kỳ. Theo đó, đường cong hiện tại đã vượt qua giá trị 0 hiện nằm bên dưới trục thời gian.

Vào cuối nửa chu kỳ đầu tiên, điện áp máy phát cũng như điện áp tụ điện nhanh chóng tiến về không và cường độ dòng điện trong mạch từ từ đạt giá trị cực đại. Cho rằng giá trị của dòng điện trong mạch càng lớn thì giá trị của điện tích mang trong mạch càng lớn, sẽ rõ tại sao dòng điện đạt cực đại khi điện áp trên các bản của tụ điện, và do đó điện tích trên tụ điện giảm nhanh.

Khi bắt đầu quý thứ ba của chu kỳ, tụ điện bắt đầu sạc lại, nhưng cực tính của các bản cực của nó, cũng như cực tính của máy phát, thay đổi "và ngược lại, và dòng điện tiếp tục chạy như cũ hướng, bắt đầu giảm khi tụ điện tích điện.Vào cuối quý thứ ba của chu kỳ, khi điện áp của máy phát và tụ điện đạt cực đại, dòng điện sẽ bằng không.

Trong phần tư cuối cùng của khoảng thời gian, điện áp giảm dần, giảm xuống 0 và dòng điện, sau khi đổi hướng trong mạch, đạt giá trị cực đại. Tại đây, khoảng thời gian kết thúc, sau đó giai đoạn tiếp theo bắt đầu, lặp lại chính xác giai đoạn trước, v.v.

Do đó, dưới tác động của điện áp xoay chiều của máy phát, tụ điện được nạp hai lần trong khoảng thời gian (quý thứ nhất và thứ ba của chu kỳ) và phóng điện hai lần (quý thứ hai và thứ tư của chu kỳ). Nhưng kể từ khi họ thay thế từng cái một điện tích và phóng điện của tụ điện kèm theo mỗi lần dòng điện nạp và dòng điện chạy qua mạch, thì chúng ta có thể kết luận rằng Dòng điện xoay chiều.

Bạn có thể kiểm tra điều này trong thí nghiệm đơn giản sau đây. Kết nối tụ điện 4-6 microfarad với nguồn điện thông qua bóng đèn 25 W.Đèn sẽ sáng và không tắt cho đến khi mạch bị hỏng. Điều này cho thấy rằng một dòng điện xoay chiều đã đi qua mạch với điện dung. Tất nhiên, nó không đi qua chất điện môi của tụ điện, nhưng tại bất kỳ thời điểm nào cũng đại diện cho dòng điện tích hoặc dòng phóng điện của tụ điện.

Như chúng ta đã biết, chất điện môi bị phân cực dưới tác dụng của điện trường phát sinh trong nó khi tụ điện được tích điện và sự phân cực của nó biến mất khi xả tụ điện.

Trong trường hợp này, chất điện môi với dòng điện dịch chuyển phát sinh trong nó phục vụ cho dòng điện xoay chiều như một loại tiếp tục của mạch và đối với hằng số, nó ngắt mạch. Nhưng dòng điện dịch chuyển chỉ được hình thành trong chất điện môi của tụ điện và do đó không xảy ra sự truyền điện tích dọc theo mạch.

Điện trở của tụ điện xoay chiều phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ điện và tần số dòng điện.

Dung lượng của tụ điện càng lớn thì điện tích trên mạch trong quá trình nạp và phóng điện của tụ điện càng lớn và theo đó, cường độ dòng điện trong mạch càng lớn. Cường độ dòng điện trong mạch tăng chứng tỏ điện trở của nó giảm.

Do đó, khi điện dung tăng thì điện trở của mạch đối với dòng điện xoay chiều giảm.

Nó đang phát triển tần số hiện tại làm tăng lượng điện tích mang trong mạch vì quá trình tích điện (cũng như phóng điện) của tụ điện phải xảy ra nhanh hơn ở tần số thấp. Đồng thời, việc tăng lượng điện tích được truyền trong một đơn vị thời gian tương đương với việc tăng cường độ dòng điện trong mạch và do đó, làm giảm điện trở của nó.

Nếu chúng ta bằng cách nào đó giảm dần tần số của dòng điện xoay chiều và giảm dòng điện thành dòng điện một chiều, thì điện trở của tụ điện có trong mạch sẽ tăng dần và trở nên lớn vô hạn (đứt mạch) cho đến khi nó xuất hiện trong mạch dòng điện không đổi.

Do đó, khi tần số tăng, điện trở của tụ điện đối với dòng điện xoay chiều giảm.

Giống như điện trở của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều được gọi là điện cảm, điện trở của tụ điện được gọi là điện dung.

Do đó, điện dung của điện trở càng lớn thì công suất của mạch và tần số của dòng điện cung cấp cho nó càng thấp.

Điện trở điện dung được ký hiệu là Xc và được đo bằng ôm.

Sự phụ thuộc của điện dung trở vào tần số dòng điện và công suất của đoạn mạch được xác định theo công thức Xc = 1 /ωC, trong đó ω là tần số tròn bằng tích của 2πe, C là công suất của đoạn mạch trong farads.

Điện trở điện dung, giống như điện trở cảm ứng, có bản chất phản kháng, vì tụ điện không tiêu thụ năng lượng của nguồn hiện tại.

công thức Định luật Ohm đối với mạch điện dung, nó có dạng I = U / Xc, trong đó I và U — giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp; Xc là điện trở dung của mạch.

Đặc tính của tụ điện là cung cấp khả năng chống lại dòng điện tần số thấp và dễ dàng vượt qua dòng điện tần số cao được sử dụng rộng rãi trong các mạch thiết bị truyền thông.

Ví dụ, với sự trợ giúp của tụ điện, việc tách dòng điện không đổi và dòng điện tần số thấp khỏi dòng điện tần số cao, cần thiết cho hoạt động của mạch, đã đạt được.

Nếu cần phải chặn đường đi của dòng điện tần số thấp trong phần tần số cao của mạch, một tụ điện nhỏ được mắc nối tiếp. Nó cung cấp khả năng chống lại dòng điện tần số thấp và đồng thời dễ dàng vượt qua dòng điện tần số cao.

Nếu cần ngăn dòng điện tần số cao, ví dụ như trong mạch nguồn của đài phát thanh, thì tụ điện có công suất lớn, mắc song song với nguồn dòng được sử dụng. Trong trường hợp này, dòng điện tần số cao đi qua tụ điện, bỏ qua mạch cấp nguồn của đài phát thanh.

Điện trở và tụ điện hoạt động trong mạch điện xoay chiều

Trong thực tế, các trường hợp thường được quan sát thấy khi trong đoạn mạch nối tiếp có điện dung kháng chiến tích cực được bao gồm. Điện trở toàn phần của đoạn mạch trong trường hợp này được xác định theo công thức

Do đó, tổng điện trở của đoạn mạch gồm điện trở chủ động và điện dung xoay chiều bằng căn bậc hai của tổng bình phương điện trở chủ động và điện dung của đoạn mạch này.

Định luật Ohm vẫn có hiệu lực đối với mạch I = U/Z này.

Trong bộ lễ phục. Hình 3 cho thấy các đường cong đặc trưng cho mối quan hệ pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch chứa điện dung và điện trở hoạt động.

Cơm. 3. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và công suất trong đoạn mạch có tụ điện và điện trở đang hoạt động

Như có thể thấy từ hình vẽ, dòng điện trong trường hợp này làm tăng điện áp không phải bằng một phần tư chu kỳ mà ít hơn, vì điện trở hoạt động vi phạm bản chất thuần túy điện dung (phản kháng) của mạch, bằng chứng là pha giảm sự thay đổi. Bây giờ, điện áp ở các cực của mạch được định nghĩa là tổng của hai thành phần: thành phần phản kháng của điện áp tive, sẽ thắng điện trở dung của mạch và thành phần tích cực của điện áp, thắng điện trở hoạt động của nó.

Điện trở hoạt động của mạch càng lớn thì độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp càng nhỏ.

Đường cong của sự thay đổi công suất trong mạch (xem Hình 3) hai lần trong khoảng thời gian có dấu âm, như chúng ta đã biết, đây là hệ quả của bản chất phản ứng của mạch. Mạch càng ít phản ứng, sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp càng nhỏ và nguồn điện mà mạch tiêu thụ càng nhiều.

Đọc thêm: cộng hưởng điện áp