קבל AC
בואו נרכיב את המעגל איתו קַבָּל, שבו האלטרנטור מייצר מתח סינוסואידי. בואו ננתח ברצף מה יקרה במעגל כשנסגור את המתג. נשקול את הרגע הראשוני שבו מתח הגנרטור שווה לאפס.
במהלך הרבעון הראשון של התקופה, המתח על פני מסופי הגנרטור יגדל, החל מאפס, והקבל יתחיל להיטען. זרם יופיע במעגל, אולם ברגע הראשון של טעינת הקבל, למרות העובדה שהמתח על הלוחות שלו זה עתה הופיע והוא עדיין קטן מאוד, הזרם במעגל (זרם הטעינה) יהיה הגדול ביותר . ככל שהטעינה על הקבל עולה, הזרם במעגל יורד ומגיע לאפס ברגע בו הקבל טעון במלואו. במקרה זה, המתח על לוחות הקבל, בהתאם למתח הגנרטור, הופך ברגע זה למקסימום, אך עם הסימן ההפוך, כלומר, הוא מכוון למתח הגנרטור.
אורז. 1. שינוי זרם ומתח במעגל עם קיבול
בדרך זו, הזרם ממהר בכוח הגדול ביותר לתוך קבל בחינם, אך מיד מתחיל לרדת כאשר הלוחות של הקבל מתמלאים במטענים ונופלים לאפס, ומטעינים אותו במלואו.
הבה נשווה את התופעה הזו למה שקורה לזרימת המים בצינור המחבר בין שני כלים מתקשרים (איור 2), שאחד מהם מלא והשני ריק. צריך רק ללחוץ על השסתום שחוסם את נתיב המים, שכן מים זורמים מיד מהכלי השמאלי בלחץ גדול דרך הצינור לתוך הכלי הימני הריק. אולם מיד לחץ המים בצינור יתחיל להיחלש בהדרגה עקב השוואת הרמות בכלים ויירד לאפס. זרימת המים תיפסק.
אורז. 2. השינוי בלחץ המים בצינור המחבר את כלי התקשורת דומה לשינוי הזרם במעגל בזמן טעינת הקבל
באופן דומה, הזרם דוהר תחילה לתוך קבל לא טעון ולאחר מכן נחלש בהדרגה תוך כדי טעינתו.
עם תחילת הרבע השני של התקופה, כאשר מתח הגנרטור מתחיל בהתחלה באיטיות ואז יורד מהר יותר ויותר, הקבל הטעון יתפרק לגנרטור, ויגרום לזרם פריקה במעגל. ככל שמתח הגנרטור יורד, הקבל מתפרק יותר ויותר וזרם הפריקה במעגל עולה. כיוון זרם הפריקה ברבע זה של התקופה הפוך לכיוון זרם הטעינה ברבע הראשון של התקופה. בהתאם לכך, עקומת הזרם שעברה את ערך האפס נמצאת כעת מתחת לציר הזמן.
בסוף חצי המחזור הראשון, מתח הגנרטור, כמו גם מתח הקבלים, מתקרבים במהירות לאפס וזרם המעגל מגיע לאט לאט לערכו המרבי. בהינתן שערך הזרם במעגל גדול יותר, ככל שערך המטען הנישא במעגל גדול יותר, יתברר מדוע הזרם מגיע למקסימום כאשר המתח על לוחות הקבל, ולכן המטען על קבל, יורד במהירות.
עם תחילת הרבע השלישי של התקופה, הקבל מתחיל להיטען שוב, אך הקוטביות של הלוחות שלו, כמו גם הקוטביות של הגנרטור, משתנה "ולהיפך, והזרם ממשיך לזרום באותו אופן. כיוון, מתחיל לרדת עם טעינת הקבל בסוף הרבע השלישי של התקופה, כאשר מתחי הגנרטור והקבלים מגיעים למקסימום, הזרם הולך לאפס.
במהלך הרבע האחרון של התקופה, המתח, יורד, יורד לאפס, והזרם, לאחר ששינה את כיוונו במעגל, מגיע לערך המרבי שלו. כאן מסתיימת התקופה, ואחריה מתחילה הבאה, חוזרת בדיוק על הקודמת וכו'.
לפיכך, תחת פעולת מתח החילופין של הגנרטור, הקבל נטען פעמיים במהלך התקופה (הרבעון הראשון והשלישי של התקופה) ונפרק פעמיים (הרבע השני והרביעי של התקופה). אבל מאחר שהם מתחלפים אחד אחד טעינות ופריקות של קבלים מלווה בכל פעם במעבר של זרם הטעינה והפריקה דרך המעגל, אז נוכל להסיק ש זרם חליפין.
אתה יכול לבדוק זאת בניסוי הפשוט הבא. חבר קבל 4-6 מיקרופארד לרשת באמצעות נורה 25 W.האור יידלק ולא יכבה עד שהמעגל יתפרק. זה מצביע על כך שזרם חילופין עבר במעגל עם הקיבול. כמובן, הוא אינו עובר דרך הדיאלקטרי של הקבל, אלא בכל רגע בזמן מייצג זרם טעינה או זרם פריקת קבל.
כידוע, הדיאלקטרי מקוטב תחת פעולת שדה חשמלי הנוצר בו בעת טעינת הקבל, והקיטוב שלו נעלם בעת פריקת הקבל.
במקרה זה, הדיאלקטרי עם זרם העקירה הנוצר בו משמש לזרם החילופין כמעין המשך של המעגל, ולקבוע הוא שובר את המעגל. אבל זרם העקירה נוצר רק בתוך הדיאלקטרי של הקבל, ולכן העברת המטענים לאורך המעגל אינה מתרחשת.
ההתנגדות שמציע קבל AC תלויה בערך הקיבול של הקבל ובתדירות הזרם.
ככל שהקיבולת של הקבל גדולה יותר, כך הטעינה על המעגל גדולה יותר במהלך טעינה ופריקה של הקבל ובהתאם לכך, הזרם במעגל גדול יותר. עלייה בזרם במעגל מצביעה על כך שההתנגדות שלו ירדה.
לכן, ככל שהקיבול גדל, ההתנגדות של המעגל לזרם חילופין יורדת.
זה הולך וגדל תדר נוכחי מגדיל את כמות המטען הנישאת במעגל מכיוון שהטעינה (כמו גם הפריקה) של הקבל חייבת להתרחש מהר יותר מאשר בתדר נמוך. יחד עם זאת, עלייה בכמות המטען המועבר ליחידת זמן שווה לעלייה בזרם במעגל ולפיכך לירידה בהתנגדות שלו.
אם איכשהו נצמצם בהדרגה את תדירות זרם החילופין ונפחית את הזרם לזרם ישר, אזי ההתנגדות של הקבל הכלול במעגל תגדל בהדרגה ותהיה גדולה לאין ערוך (שבירת המעגל) עד שתופיע ב. מעגל זרם קבוע.
לכן, ככל שהתדר עולה, ההתנגדות של הקבל לזרם חילופין יורדת.
בדיוק כפי שהתנגדות של סליל לזרם חילופין נקראת אינדוקטיבית, ההתנגדות של קבל נקראת קיבולית.
לכן, ההתנגדות הקיבולית גדולה יותר, ככל שהקיבולת של המעגל נמוכה יותר ותדירות הזרם שמזין אותו.
התנגדות קיבולית מסומנת כ-Xc ונמדדת באוהם.
התלות של ההתנגדות הקיבולית בתדירות הזרם ובקיבולת המעגל נקבעת על ידי הנוסחה Xc = 1 /ωC, כאשר ω הוא תדר מעגלי השווה למכפלת 2πe, C הוא הקיבולת של המעגל ב פאראדס.
להתנגדות קיבולית, כמו התנגדות אינדוקטיבית, יש אופי תגובתי, שכן הקבל אינו צורך את האנרגיה של המקור הנוכחי.
נוּסחָה חוק אוהם עבור מעגל קיבולי יש לו את הצורה I = U / Xc, כאשר I ו-U - ערכים יעילים של זרם ומתח; Xc הוא ההתנגדות הקיבולית של המעגל.
התכונה של קבלים לספק התנגדות גבוהה לזרמים בתדר נמוך ולהעביר בקלות זרמים בתדר גבוה נמצא בשימוש נרחב במעגלי ציוד תקשורת.
בעזרת קבלים, למשל, מושגת הפרדה של זרמים קבועים וזרמים בתדר נמוך מזרמים בתדר גבוה, הנחוצים לפעולת המעגלים.
אם יש צורך לחסום את הנתיב של זרם בתדר נמוך בחלק התדר הגבוה של המעגל, קבל קטן מחובר בסדרה. הוא מציע התנגדות גדולה לזרם בתדר נמוך ובו זמנית מעביר זרם בתדר גבוה בקלות.
אם יש צורך למנוע זרם בתדר גבוה, למשל, במעגל הכוח של תחנת הרדיו, נעשה שימוש בקבל בעל קיבולת גדולה, המחובר במקביל למקור הזרם. במקרה זה, הזרם בתדר גבוה עובר דרך הקבל, עוקף את מעגל אספקת החשמל של תחנת הרדיו.
התנגדות אקטיבית וקבלים במעגל AC
בפועל, מקרים נצפים לעתים קרובות כאשר נמצאים במעגל סדרתי עם קיבול התנגדות אקטיבית כלולה. ההתנגדות הכוללת של המעגל במקרה זה נקבעת על ידי הנוסחה
לכן, ההתנגדות הכוללת של מעגל המורכב מהתנגדות AC אקטיבית וקיבולית שווה לשורש הריבועי של סכום ריבועי ההתנגדות הפעילה והקיבולית של מעגל זה.
חוק אוהם נשאר תקף גם עבור מעגל I = U/Z זה.
באיור. 3 מציג את העקומות המאפיינות את יחסי הפאזה בין זרם ומתח במעגל המכיל התנגדות קיבולית ופעילה.
אורז. 3. זרם, מתח והספק במעגל עם קבל והתנגדות אקטיבית
כפי שניתן לראות מהאיור, הזרם במקרה זה מגביר את המתח לא ברבע תקופה, אלא בפחות, שכן ההתנגדות הפעילה מפרה את האופי הקיבולי (תגובתי) בלבד של המעגל, כפי שמעיד הפאזה המופחתת מִשׁמֶרֶת. כעת המתח במסופי המעגל מוגדר כסכום של שני רכיבים: הרכיב התגובתי של המתח, יתגבר על ההתנגדות הקיבולית של המעגל והרכיב הפעיל של המתח, יתגבר על ההתנגדות הפעילה שלו.
ככל שההתנגדות הפעילה של המעגל גדולה יותר, כך המעבר בין זרם ומתח קטן יותר.
עקומת שינוי ההספק במעגל (ראה איור 3) פעמיים במהלך התקופה קיבלה סימן שלילי, שכפי שאנו כבר יודעים, הוא תוצאה של האופי התגובתי של המעגל. ככל שהמעגל פחות תגובתי, כך המעבר בין זרם ומתח קטן יותר, והמעגל צורך יותר כוח מקור זרם.
קרא גם: תהודה מתח