Jak akumulator kondensatora może ładować, jednocześnie przepuszczając prąd?

Często mówi się, że kondensatory przechowują ładunek. Po przeczytaniu Wikipedii znajduję:

Daniel Gralath jako pierwszy połączył kilka słoików równolegle w „baterię”, aby zwiększyć pojemność przechowywania ładunków . Benjamin Franklin zbadał słoik Leyden i doszedł do wniosku, że ładunek był przechowywany na szkle, a nie w wodzie, jak zakładali inni.

Ponieważ przewodniki (lub płytki) są blisko siebie, przeciwne ładunki na przewodnikach przyciągają się wzajemnie ze względu na ich pola elektryczne, umożliwiając kondensatorowi przechowywanie większego ładunku dla danego napięcia niż w przypadku oddzielenia przewodów, co daje kondensatorowi dużą pojemność .

Tutaj Q jest ładunkiem przechowywanym w kondensatorze

Ładunek mierzy się w kulombach i z definicji pojemności wiem, że jeśli kondensator 1F ma napięcie 1V, to w nim jest przechowywany 1C ładunku. Jeśli kulomb ma 6,241 × 10 ¹⁸ elektronów, to w kondensatorze powinno być gdzieś 6,241 × 10 ¹⁸ elektronów.

Ale teraz zastanów się nad tym. Jeśli użyję kondensatora jako obciążenia do jakiegoś źródła napięcia prądu przemiennego, przepłynie część prądu (dokładna ilość w zależności od napięcia, częstotliwości i pojemności):

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Wiem, że prąd płynie dookoła tego obwodu, ponieważ jeśli postawię żarówkę po obu stronach kondensatora, zapali się. Ale jeśli prąd płynie wokół tego obwodu, w jaki sposób kondensator „ładuje”? Innymi słowy, jak mogę włożyć elektrony do kondensatora, jeśli prąd płynie wokół obwodu, co oznacza, że ​​dla wszystkich elektronów, które wkładam do kondensatora, ta sama liczba wychodzi po drugiej stronie? Jeśli nie mogę wprowadzić elektronów bez ich wyjęcia, to w jaki sposób kondensator może je przechowywać?

To jest łatwe. Kondensator nie magazynuje ładunku, magazynuje energię . Ładunek netto w pełnym kondensatorze (zamiast rozważać pojedynczą płytkę lub izolator) nigdy się nie zmienia. Wzrost ładunku ujemnego na jednej płycie jest dokładnie zrównoważony przez spadek ładunku ujemnego na drugiej płycie. Dlatego, gdy prąd wpływa do jednego zacisku, jednakowy prąd musi opuścić drugi zacisk.

Jest to rodzaj wersji kreskówkowej, ale działa w mojej głowie.

W kondensatorze występuje przerwa izolacyjna, więc pojedyncze elektrony nie mogą przemieszczać się z jednego zacisku do drugiego. Elektrony wchodzące nie są tymi samymi, które wychodzą po drugiej stronie! Zamiast tego przychodzące elektrony „zatrzymują się” na jednej płycie. Ale pole elektryczne tego elektronu odpycha elektron z drugiej strony, który wypływa z drugiej płyty, ostatecznie docierając do źródła. Mamy kompletny obwód, ale elektrony gromadzą się na jednej płycie, a dziury na drugiej!

Obecnie istnieje ograniczenie liczby elektronów gromadzących się na płytce. Elektrony odpychają się nawzajem, więc im więcej ich jest, tym trudniej jest trzymać się drugiego. Potrzebujemy czegoś, co zmusza ich do pozostania razem na talerzu. To jest napięcie. I odwrotnie, fakt, że elektrony próbują się odpychać, jest również napięciem, siłą próbującą poruszać elektronami po obwodzie.

Teraz, gdy nadchodzący elektron wybija jedną luźną z drugiej płytki, wychodzący elektron ma mniej energii niż przychodząca, co odpowiada spadkowi napięcia na naładowanym kondensatorze.

Oczywiście elektrony nie trzymają się w bezruchu, nawet jeśli nie ma dla nich miejsca w skali makro. Wszyscy się odpychają, „odbijając” od siebie nawzajem. Jeśli pola te stają się zbyt intensywne (napięcie staje się zbyt wysokie), interakcje mogą powodować przenikanie elektronu przez barierę dielektryczną między płytkami. Kiedy napięcie na płytkach staje się zbyt wysokie, prąd upływowy nasadki wzrasta. A jeśli to będzie trwało zbyt długo, dielektryk ulegnie uszkodzeniu, a ty nie będziesz mieć już bardzo dobrego czapki.

Opłata może oznaczać wiele rzeczy. Możemy mówić o ładowaniu kondensatora energią, tak jak ładujemy bomby lub karty kredytowe typu prepaid. Możemy również wziąć pod uwagę ładunek elektryczny , który jest mierzony w kulombach.

Około 6.241 × 10 ¹⁸ elektronów faktycznie stanowi 1C ładunku. Jednak kiedy ludzie mówią o ładowaniu w kondensatorze , nie mówią o elektronach w kondensatorze, tak jak mówiono by o ciasteczkach w słoiku z ciasteczkami. Mówią o czymś innym. To mylące, ale i tak to robią.

To, o czym tak naprawdę mówią, to całka prądu. Oznacza to, że średni prąd, który płynął, razy, jak długo płynął. Jeśli prąd mierzy się w amperach , a czas w sekundach, wtedy, gdy pobierzesz prąd i pomnożysz go przez czas, otrzymasz wartość mierzoną w amperosekundach. A jeśli pamiętacie, amper oznacza jeden kulomb na sekundę. A zatem:

Oznacza to, że amperosekunda to kulomb. Całką prądu jest ładunek . Kiedy więc ktoś mówi, że kondensator „przechowuje 1C ładunku”, nie oznacza to, że w kondensatorze jest 1C elektronów, oznacza to, że 1C ładunku przeszło przez kondensator. Kondensator „magazynuje” tak duży ładunek w tym sensie, że zawiera teraz wystarczającą ilość energii, aby odepchnąć 1C ładunku w drugą stronę.

Lepiej jest myśleć o kondensatorze jako urządzeniu do magazynowania energii niż o urządzeniu do przechowywania ładunków. Kiedy prąd przepływa do kondensatora, napięcie gromadzi się na zaciskach. Napięcie to jest oddzielone odległością między płytami i w ten sposób wytwarza pole elektryczne. To pole służy do przechowywania energii. Z kolei cewki indukcyjne magazynują energię za pomocą pól magnetycznych.

W miarę przepływu prądu przeciwne ładunki gromadzą się na każdej przeciwległej płycie kondensatora. Elektrony próbują ominąć obwód, ale zostają zatrzymane na płytce kondensatora, pozostawiając ładunek ujemny z jednej strony i ładunek dodatni z drugiej. Wielkość każdego ładunku można opisać równaniem:

C = Q / V

Prąd będzie płynął, a ładowanie będzie się kumulować, dopóki obwód z kondensatorem nie będzie stabilny. Na przykład, jeśli obwód byłby po prostu baterią, rezystorem i kondensatorem połączonymi szeregowo, prąd płynąłby dalej, aż napięcie kondensatora będzie równe napięciu akumulatora. Tak więc w obwodzie prądu stałego w stanie ustalonym, w którym nie zmieniają się prądy, kondensator pojawia się jako obwód otwarty z nagromadzonym ładunkiem proporcjonalnym do napięcia na zaciskach i pojemności.

Jednak w przypadku każdego obwodu, który nie jest prądem stałym, lepszym sposobem opisania zachowania kondensatorów jest:

I = C * (dV / dt)

Dlatego jeśli masz źródło napięcia sinusoidalnego, prąd płynący „przez” kondensator stale się zmienia, a nagromadzony ładunek nigdy nie jest stały. Wyobraź sobie, że przechylasz do połowy pełną butelkę z wodą. Woda nie płynie w sposób ciągły jak prąd w obwodzie prądu stałego, ale nadal działa. Gdyby w butelce z wodą znajdowało się jakieś dziwne urządzenie turbinowe, obracałoby się ono stale, zatrzymując się tylko po to, by zmienić kierunek, gdy butelka zostanie przechylona w drugą stronę.

Wreszcie w obwodzie prądu stałego równe i przeciwne ładunki są przechowywane na każdej bocznej płycie kondensatora. Kondensator w ogóle nie przechowuje elektronów. Przechowuje opłatę. Elektrony z jednej strony przemieszczają się dookoła obwodu na drugą stronę, co jest spowodowane zewnętrzną różnicą napięcia. Rezultatem jest koncentracja elektronów po jednej stronie i nieobecność po drugiej, ładunek. W obwodzie prądu przemiennego dzieje się to samo zjawisko, ale stale się zmienia. Gdy tylko napięcie zasilania zmienia się, elektrony nie są przyciągane do płytek w ten sam sposób i zaczynają się mobilizować. Jeśli elektrony te po drodze przejdą przez ładunek, jak żarówka, wykonają pracę i żarówka się zapali. Tak więc prąd faktycznie nie płynie wokół obwodu. Po prostu ciska się tam iz powrotem jak woda w butelce. Jednak, wszystko, czego potrzeba, aby zapalić żarówkę, to poruszające się elektrony. Żarówka nie dba o to, w jaki sposób się poruszają, a twoje oczy nie mogą dostrzec zmiany kierunku, o ile prędkość przełączania jest wystarczająco duża.

Chciałbym również zauważyć, że mówimy o idealnych kondensatorach. W praktyce przy wystarczająco wysokich częstotliwościach kondensatory będą wyglądały jak cewki indukcyjne (V = L * (di / dt)).

Edytować:

Aby odpowiedzieć na konkretne pytanie: Gdzie ładunek jest przechowywany w kondensatorze?

W kompletnym kondensatorze nie jest przechowywane żadne obciążenie netto. Jednak stosując model równoległych płyt , równe i przeciwne ładunki o wielkości Q znajdują się na każdej z płyt. Gdy do kondensatora przyłożone zostanie napięcie zewnętrzne, elektrony uciekają z płyty o wyższym potencjale i są przyciągane do płyty o niższym potencjale. Te nagromadzone elektrony tworzą ładunek ujemny na tej płytce, a brak elektronów z drugiej płytki tworzy ładunek dodatni. Rzeczywista wielkość każdego całkowitego ładunku Q zależy od napięcia V i pojemności C.