טעינה ופריקה של הקבל

טעינת קבלים

כדי לטעון את הקבל, עליך לחבר אותו למעגל DC. באיור. 1 מציג את מעגל טעינת הקבל. קבל C מחובר למסופים של הגנרטור. ניתן להשתמש במפתח כדי לסגור או לפתוח את המעגל. בואו נסתכל מפורט על תהליך טעינת הקבל.

לגנרטור יש התנגדות פנימית. כאשר המתג סגור, הקבל ייטען למתח בין הלוחות השווה ל-e. וכו ' v. מחולל: Uc = E. במקרה זה, הלוח המחובר למסוף החיובי של הגנרטור מקבל מטען חיובי (+q), והלוח השני מקבל מטען שלילי שווה (-q). גודל המטען q עומד ביחס ישר לקיבולת הקבל C ולמתח על הלוחות שלו: q = CUc

פ. 1... מעגל טעינת קבלים

על מנת לטעון את לוחות הקבלים, יש צורך שאחת מהן תגבר והשנייה תאבד כמות מסוימת של אלקטרונים.העברת אלקטרונים מלוח אחד לאחר מבוצעת לאורך המעגל החיצוני על ידי הכוח האלקטרו-מוטורי של הגנרטור, ותהליך העברת המטענים לאורך המעגל אינו אלא זרם חשמלי, הנקרא זרם קיבולי טעינה A מטען

זרם הטעינה בערך זורם בדרך כלל באלפיות השנייה עד שהמתח על פני הקבל מגיע לערך השווה ל-e. וכו ' v. מחולל. הגרף של עליית המתח על לוחות הקבל במהלך טעינתו מוצג באיור. 2, א, שממנו ניתן לראות שהמתח Uc עולה בצורה חלקה, תחילה במהירות, ולאחר מכן לאט יותר ויותר, עד שהוא הופך להיות שווה ל-e. וכו ' v. מחולל E. לאחר מכן, המתח על פני הקבל נשאר ללא שינוי.

אורז. 2. גרפים של מתח וזרם בעת טעינת קבל

כאשר הקבל נטען, זרם טעינה זורם במעגל. גרף זרם הטעינה מוצג באיור. 2, ב. ברגע ההתחלתי, זרם הטעינה הוא בעל הערך הגדול ביותר, שכן המתח בקבל הוא עדיין אפסי, ולפי חוק אוהם iotax = E /Ri, שכן כל e. וכו'. גנרטור c מוחל על התנגדות Ri.

כאשר הקבל נטען, כלומר מגביר את המתח עליו, הוא יורד עבור זרם הטעינה. כאשר יש כבר מתח על פני הקבל, ירידת המתח על פני ההתנגדות תהיה שווה להפרש בין e. וכו ' v. מתח מחולל וקבלים, כלומר שווה ל-E - U s. לכן itax = (E-Us) / Ri

מכאן ניתן לראות שככל ש-Uc עולה, icharge וב-Uc = E זרם הטעינה הופך לאפס.

קרא עוד על חוק אוהם כאן: חוק אוהם לקטע של מעגל

משך תהליך טעינת הקבל תלוי בשתי כמויות:

1) מההתנגדות הפנימית של המחולל Ri,

2) מהקיבול של הקבל C.

באיור. 2 מציג את הגרפים של הזרמים האלגנטיים עבור קבל עם קיבולת של 10 מיקרופארד: עקומה 1 מתאימה לתהליך הטעינה מגנרטור עם e. וכו ' עם E = 100 V ועם התנגדות פנימית Ri= 10 Ohm, עקומה 2 מתאימה לתהליך הטעינה מגנרטור עם אותו e. pr. עם, אבל עם התנגדות פנימית נמוכה יותר: Ri = 5 אוהם.

מהשוואה של עקומות אלו, ניתן לראות שעם התנגדות פנימית נמוכה יותר של הגנרטור, עוצמת הזרם האלגנטי ברגע הראשוני גדול יותר ולכן תהליך הטעינה מהיר יותר.

אורז. 2. גרפים של זרמי טעינה בהתנגדויות שונות

באיור. 3 משווה את הגרפים של זרמי הטעינה בעת טעינה מאותו גנרטור עם e. וכו ' עם E = 100 V והתנגדות פנימית Ri= 10 אוהם של שני קבלים בעלי קיבולות שונות: 10 מיקרופאראד (עקומה 1) ו-20 מיקרופארד (עקומה 2).

זרם טעינה ראשוני iotax = E /Ri = 100/10 = 10 שני הקבלים זהים, מכיוון שקבל בעל קיבולת גדולה יותר אוגר יותר חשמל, אז זרם הטעינה שלו אמור לקחת יותר זמן, ותהליך הטעינה ארוך יותר.

אורז. 3. טבלאות של זרמי טעינה בעלי יכולות שונות

פריקת קבלים

נתק את הקבל הטעון מהגנרטור וצרף התנגדות לצלחות שלו.

יש מתח על הלוחות של הקבל Us, ולכן, במעגל סגור, יזרום זרם הנקרא זרם קיבולי פריקה.

זרם זורם מהלוח החיובי של הקבל דרך ההתנגדות ללוח השלילי. זה מתאים למעבר של אלקטרונים עודפים מהלוח השלילי לחיובי, שם הם נעדרים.תהליך מסגרות השורות מתרחש עד שהפוטנציאלים של שני הלוחות שווים, כלומר הפרש הפוטנציאלים ביניהם הופך לאפס: Uc = 0.

באיור. 4a מציג את גרף ירידת המתח בקבל במהלך הפריקה מהערך Uco = 100 V לאפס, והמתח יורד תחילה במהירות, ולאחר מכן לאט יותר.

באיור. 4, b מציג את גרף השינויים בזרם הפריקה. עוצמת זרם הפריקה תלויה בערך ההתנגדות R ולפי חוק אוהם ires = Uc/R

אורז. 4. גרפים של מתח וזרמים בזמן פריקת קבלים

ברגע הראשוני, כאשר המתח על לוחות הקבל הוא הגדול ביותר, זרם הפריקה הוא גם הגדול ביותר, ועם ירידה ב-Uc במהלך הפריקה, גם זרם הפריקה יורד. ב-Uc = 0, זרם הפריקה נעצר.

משך הסילוק תלוי ב:

1) מהקיבול של הקבל C

2) על ערך ההתנגדות R שאליה הקבל מתפרק.

ככל שההתנגדות R גדולה יותר, הפריקה תתרחש לאט יותר. זאת בשל העובדה שעם התנגדות גדולה, עוצמת זרם הפריקה קטנה וכמות המטען על לוחות הקבל יורדת לאט.

ניתן להראות זאת בגרפים של זרם הפריקה של אותו קבל, בקיבולת של 10 μF ונטען למתח של 100 וולט, בשני ערכי התנגדות שונים (איור 5): עקומה 1 - ב-R =40 אוהם, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2.5 A ועקומה 2 - ב-20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

אורז. 5. גרפים של זרמי הפריקה בהתנגדויות שונות

הפריקה איטית יותר גם כאשר הקיבול של הקבל גדול.הסיבה לכך היא שעם יותר קיבול על לוחות הקבלים, יש יותר חשמל (יותר מטען) וייקח פרק זמן ארוך יותר עד שהמטען יתנקז. זה מוצג בבירור על ידי גרפים של זרמי הפריקה עבור שני קבלים בעלי אותה קיבולת, הטעונים לאותו מתח של 100 וולט ומשוחררים להתנגדות R=40 אוהם (איור 6: עקומה 1 - עבור קבל בעל קיבולת של 10 מיקרופארד ועקומה 2 - עבור קבלים עם קיבולת של 20 מיקרופארד).

אורז. 6. גרפים של זרמי הפריקה בהספקים שונים

מהתהליכים הנחשבים ניתן להסיק כי במעגל עם קבל, הזרם זורם רק ברגעי הטעינה והפריקה, כאשר המתח על הלוחות משתנה.

זה מוסבר על ידי העובדה שכאשר המתח משתנה, כמות המטען על הלוחות משתנה, וזה מצריך תנועה של מטענים לאורך המעגל, כלומר זרם חשמלי חייב לעבור במעגל. קבל טעון אינו מעביר זרם ישר מכיוון שהדיאלקטרי בין הלוחות שלו פותח את המעגל.

אנרגיית קבלים

במהלך תהליך הטעינה, הקבל אוגר אנרגיה על ידי קבלתה מהגנרטור. כאשר קבל נפרק, כל האנרגיה של השדה החשמלי מומרת לאנרגיית חום, כלומר היא הולכת לחמם את ההתנגדות שדרכה הקבל משוחרר. ככל שהקיבול של הקבל והמתח על פני הלוחות שלו גדולים יותר, כך גדלה האנרגיה של השדה החשמלי של הקבל. כמות האנרגיה שבידי קבל בעל קיבולת C הטעון למתח U שווה ל: W = Wc = CU2/2

דוגמה. קבל C = 10 μF טעון למתח Uc = 500 V.קבע את האנרגיה שתשתחרר בכוח החום בהתנגדות שדרכה הקבל משוחרר.

תשובה. במהלך הפריקה, כל האנרגיה המאוחסנת על ידי הקבל תומר לחום. לכן W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1.25 J.