Рис. 3.12. а) Конденсатор - накопитель электрической энергии; б) График заряда конденсатора, в) график разряда конденсатора.
Для чего нужен резистор R в схеме рис. 3.12, а? Если его не будет, то в момент подключения батареи к конденсатору ток заряда будет очень большим, конденсатор может взорваться от нагрева. Резистор R ограничивает ток заряда конденсатора. Конденсатор с хорошим диэлектриком может хранить заряд несколько суток; бумажные конденсаторы разряжаются почти полностью за несколько часов.
На рис. 3.12, б изображен график заряда конденсатора, а на рис. 3.12, в - график разряда конденсатора.
Емкость конденсаторов измеряется в фарадах (Ф), в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ), пикофарадах (пФ).
3.2.2. Конденсатор "не пропускает" постоянный ток
При замыкании выключателя SA (рис. 3.13, а) лампочка кратковременно вспыхивает и гаснет. Это значит, что конденсатор не пропускает постоянный ток. Но из эксперимента можно сделать и другой вывод: в момент подключения батареи GB (замыкание выключателя SA), когда напряжение на конденсаторе скачком увеличивается от нуля до 4,5 В, он не оказывает никакого сопротивления (т. е. его сопротивление в начальный момент равно нулю, все напряжение батареи приложено к лампе, сила тока максимальная). Со временем сила тока уменьшается и затем вовсе становится равной нулю. В этот момент конденсатор можно считать заряженным.
На рис. 3.13, б показан график зависимости силы тока, протекающего через конденсатор С и лампу накаливания EL, от времени, т. е. график заряда конденсатора. Из графика видно, что в момент замыкания выключателя SA (при t = 0) сила тока через лампу максимальная и равна I0 = E/Rл ~= 0,3 А.
Здесь Rл = 14 Ом - сопротивление нити накала лампы.
Рис. 3.13.а) Конденсатор не пропускает постоянный ток; б) График зависимости силы тока, протекающего через конденсатор С и через лампу накаливания EL
3.2.3. Сопротивление конденсатора переменному току зависит от его емкости и частоты тока
Меняя емкость конденсатора (рис. 3.14), можно убедиться, что лампа будет светиться по-разному. Для этого надо два конденсатора по 10 мкФ соединить параллельно, последовательно с ними включить лампочку EL на 3,6 В, на вход подать переменное напряжение 36 В. Зафиксировать яркость свечения лампочки. Затем подключить к этим конденсаторам параллельно еще один емкостью 5 мкФ и снова зафиксировать яркость свечения лампочки, - она увеличится. Отсюда вывод: с увеличением емкости конденсатора его сопротивление уменьшается. Обратите внимание, что все конденсаторы в этом эксперименте должны иметь рабочее напряжение не менее 60 В.
Рис. 3.14.Сопротивление конденсатора переменному току зависит от его ёмкости
Реактивное емкостное сопротивление конденсатора переменному току определяется по формуле:
Тогда закон Ома запишется так:
Im = Um/Xc = 2UmπfC = UmωC. (3.12)
1 Ф = 10 мкФ = 10 пФ, 1 мкФ = 10 нФ = 10 пФ.
3.2.4.Сила тока опережает напряжение на емкости на угол π/2
Так как i = ImSinωt, a u = UmSin (ωt + π/2) то, следовательно, напряжение на конденсаторе отстает от силы тока по фазе на угол π/2. Это видно на векторной (рис. 3.15, а) и на временной (рис. 3.15, б) диаграммах. Физически это можно понимать так: пока через конденсатор не потечет ток, на его пластинах не появятся заряды, до тех пор на пластинах и не будет напряжения.
Рис. 3.15.Напряжение на конденсаторе отстаёт от силы тока по фазе на угод 90°
Мощность переменного тока будет равна: Р = I∙Ucosφ. При φ = π/2 мощность Р = 0. Это значит, что конденсатор является реактивным элементом и не потребляет электрической энергии.
Если вы возьмете три конденсатора емкостью 1 мкФ каждый, соедините их параллельно, подключите в сеть 220 В и будете наблюдать за счетчиком электрической энергии, который имеется в вашей квартире, то счетчик никак не отреагирует на это подключение, хотя они по мощности эквивалентны лампочке мощностью 48 Вт. Почему счетчик не реагирует? Потому что конденсатор (как и катушка индуктивности) обладает замечательным свойством: в положительный полупериод напряжения сети он заряжается и накапливает электрическую энергию, а в отрицательный полупериод напряжения сети он отдает эту энергию снова в сеть. Это как морской прилив и отлив: то вода пригоняет к берегу все, что на ней плавает, то все смывает с берега, унося в море. Имейте в виду, что конденсатор должен быть рассчитан на напряжение 250…300 В.
Из графика на рис. 3.16 видно, что реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора уменьшается как с увеличением емкости, так и с увеличением частоты питающего переменного напряжения; этот график построен по формуле (3.11). Аналогичными свойствами реактивного элемента обладает и катушка индуктивности.
Рис. 3.16.Сопротивление конденсатора уменьшается как с увеличением ёмкости, так и с увеличением частоты
Внешний вид, УГО и БЦО катушки индуктивности приведены на рис. 3.17.
Рис. 3.17.Внешний вид, УГО и БЦО катушки индуктивности
Чтобы лучше понять свойства катушки индуктивности, проведем несколько экспериментов.
3.2.5. Катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением, которое также называется реактивным
В качестве катушки индуктивности можно использовать первичную обмотку сетевого трансформатора. При последовательном включении катушки индуктивности и лампы накаливания к источнику постоянного тока лампочка горит ярко, а при включении к источнику переменного тока (в сеть частотой 50 Гц) - тускло либо вообще не горит. Почему? Потому что катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением XL часть напряжения источника переменного тока гасится на катушке индуктивности, а постоянному току катушка оказывает малое активное сопротивление (сопротивление провода), которое можно вычислить по формуле:
R = ρ∙L/S
Индуктивное сопротивление катушки индуктивности определяется по формуле:
XL = 2πfL = 6,28∙f(Гц)∙L(Гн). (3.13)
Здесь L - индуктивность катушки, измеряется в генри (Гн), миллигенри (мГн), микрогенри (мкГн).
1 Гн = 1000 мГн = 1 000 000 мкГн.
Конструктивные данные катушек индуктивности даны в описаниях устройств, рекомендованных к самостоятельному изготовлению.
Тогда закон Ома запишется так:
Im = Um/XL = Um/2πfL = Um/ωL. (3.14)
3.2.6. Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности
Рис. 3.18.Последовательное соединение двух катушек индуктивности