Jak akumulator kondensatora może ładować, jednocześnie przepuszczając prąd?


9

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):

schematyczny

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?


1
Uwielbiam widzieć w pracy sofistę.
JIm Dearden

Jeśli próbujesz powiedzieć o złej jakości informacji w Wikipedii, szkoda, że ​​nie zrobiłbyś tego bardziej bezpośrednio. Przypadkowy czytelnik (a jest ich tutaj wielu) zakłada, że ​​wpis w Wikipedii jest poprawny i z jakiegoś powodu „po prostu go nie rozumiesz”.
Joe Hass

2
@JoeHass Mogę zacytować 100 rzeczy, które nie są Wikipedią, które mówią o „przechowywaniu ładunku”. Nigdy nie słyszałem o tym zastosowaniu ani nie korzystałeś z niego sam, musisz żyć pod kamieniem lub zapomnieć, jak to jest uczyć się elektroniki.
Phil Frost

4
Używałem go, wciąż go używam, ale ilekroć mówię o kondensatorach, staram się podkreślić, że często jesteśmy nieostrożni w naszym języku, że kiedy mówimy o kondensatorach przechowujących ładunek, słusznie jest powiedzieć, że przechowują energię. Mam wiele złych nawyków i jest to jeden z nich ... powinniśmy zawsze starać się używać właściwego języka z korzyścią dla przybyszów, którzy nie wiedzą, co naprawdę rozumiemy. Czy nie możemy dążyć do bycia lepszymi?
Joe Hass

Odpowiedzi:


13

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.


1
Spot na; ładunek jest rozdzielany w naładowanym kondensatorze, tzn. elektrony są „pompowane” z jednej płytki na drugą za pośrednictwem obwodu zewnętrznego.
Alfred Centauri

1
(+1) Chciałbym móc go zagłosować +10! To jedno z najczęstszych nieporozumień na temat kondensatorów! Znalazłem tę „pamięć masową” BS we wszelkiego rodzaju dokumentach: od licealnych po artykuły naukowe! Myślę, że większość nieporozumień wynika z tego, jak zwykle uczy się elektrostatyki: najpierw wyjaśnij, w jaki sposób metal może wytrzymać ładunki, a następnie wprowadź kondensator, nigdy nie wyjaśniając, że w normalnej pracy nikt nie kładzie ładunku tylko na jednej płycie!
Lorenzo Donati - Codidact.org

Co się dzieje z naładowanym kondensatorem? Dlaczego prąd ostatecznie nie przepływa przez kondensator?
Giga-Byte

8

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.


6
To pytanie, gdzie te kulony znajdują się w kondensatorze. Rozładowana nasadka ma w przybliżeniu jednakową liczbę elektronów na każdej płytce, więc płytki są elektrycznie obojętne. Naładowana nasadka ma więcej elektronów na jednej płytce niż na drugiej, ponieważ migrowały podczas procesu ładowania. Ekwiwalent wodny byłby podobny do dwóch basenów oddzielonych cienką membraną, każda z galonem wody. Gdy są równe, nie ma siły na błonie. Ale pompuj całą tę wodę do jednego z basenów, a teraz na membranę działa siła, nawet jeśli jest tyle samo wody.
Stephen Collings

4
@ PhilFrost, jeśli przechowuje 1 C ładunku ujemnego na jednej płycie, to prawda, że ​​jednocześnie przechowuje 1 C ładunku dodatniego na drugiej. Jeśli nie chcesz nazywać tego „opłatą za przechowywanie”, możesz nazywać go jak chcesz. Ale reszta świata elektroniki zdecydowała, że ​​jest to uzasadnione użycie słowa „magazynowanie” i nikt nie zrozumie cię, gdy powiesz, że kondensatory „zonkolize” ładują zamiast tego.
Photon

1
@ThePhoton dobry punkt! Powinieneś napisać odpowiedź.
Phil Frost

5
Można argumentować, że to nie kondensator przechowuje ładunek, to pojedyncze płyty przechowują ładunek. Podejrzewam, że od tego się zaczęliśmy, i stało się to językową stenografią.
Stephen Collings

1
@ThePhoton, dlatego mówię, że w kondensatorze ładunek jest oddzielany, a nie magazynowany . Kondensator, w kontekście obwodu, jest elektrycznie neutralny, więc nie można tak naprawdę powiedzieć, że przechowuje ładunek elektryczny, ale naprawdę można powiedzieć, żeQ opłata została rozdzielona (Q ładować na jednym talerzu i -Qładunek na drugiej płycie). Podczas gdy „znani” mniej lub bardziej rozumieją grok, że „ładunek przechowywany” oznacza „ładunek na jednej płytce zrównoważony przez drugą płytkę”, osoby „nieznane” są bardziej podatne na pomyłkę z powodu tego „ładunku magazynującego” fraza, niż oświecona.
Alfred Centauri

4

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:

ZA=1dos1ZAs=1doss=1do

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.


Co dziwne, zwiększasz saldo przedpłaconej karty kredytowej, obciążając ją, a także zmniejszasz saldo, obciążając ją.
user253751

1

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.


Jestem zmieszany. Mówicie: „Kondensator wcale nie przechowuje elektronów. Przechowuje ładunek”. Ale mówisz także „C = Q / V”, a Q tutaj nie jest ładunkiem , ale ładunkiem , w kulombach. Jeśli C = 1F i V = 1V, to Q = 1C. Gdzie jest moja 1C elektronów? Czy równe i przeciwne ładunki są przechowywane tylko w obwodach prądu stałego?
Phil Frost

Kiedy mówię, że nie magazynuje elektronów, próbuję powiedzieć, że do obwodu nie zostały wprowadzone żadne nowe elektrony. Stało się tak, że elektrony były równomiernie rozmieszczone na obu płytach kondensatora (bez ładunku). Następnie, gdy napięcie zostanie przyłożone do obwodu, elektrony z jednej strony przemieszczają się na drugą stronę. Q odzwierciedla wielkość ładunku po obu stronach. Zjawisko to występuje również w obwodach prądu przemiennego. Jednak zawsze się zmienia. Pomyśl o koncie bankowym. Przechowuje pieniądze. Jednak ilość przechowywanych pieniędzy zawsze się zmienia.
Justin Trzeciak

Ale na koncie bankowym wkładam pieniądze, a wtedy na koncie jest o wiele więcej pieniędzy niż wtedy, gdy zaczynałem. Następnie biorę pieniądze z powrotem. Rozumiem, co mówisz, z „przechowywanym ładunkiem” faktycznie równym i przeciwstawnym ładunkom na każdej płycie, ale myślę, że odpowiedź można by edytować, aby była bardziej przejrzysta. Pytanie nie dotyczy tego, czym są kondensatory, jak działają lub co robią, ale tylko o to, gdzie „ładunek jest przechowywany”.
Phil Frost
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.