커패시터 충전 및 방전

커패시터 충전

커패시터를 충전하려면 DC 회로에 연결해야 합니다. 무화과에서. 그림 1은 커패시터 충전 회로를 보여줍니다. 커패시터 C는 발전기의 단자에 연결됩니다. 키를 사용하여 회로를 닫거나 열 수 있습니다. 커패시터를 충전하는 과정을 자세히 살펴보겠습니다.

발전기에는 내부 저항이 있습니다. 스위치가 닫히면 커패시터는 e와 동일한 플레이트 사이의 전압으로 충전됩니다. 등. v. 발전기: Uc = E. 이 경우 발전기의 양극 단자에 연결된 판은 양전하(+q)를 받고, 두 번째 판은 동일한 음전하(-q)를 받는다. 전하 q의 크기는 커패시터 C의 용량과 플레이트의 전압에 정비례합니다. q = CUc

체육. 1… 커패시터 충전 회로

커패시터 판을 충전하기 위해서는 한쪽은 전자를 얻고 다른 한쪽은 일정량의 전자를 잃는 것이 필요하다.하나의 판에서 다른 판으로 전자의 이동은 발전기의 기전력에 의해 외부 회로를 따라 이루어지며, 회로를 따라 전하가 이동하는 과정은 충전 용량성 전류라고 하는 전류에 지나지 않습니다.

값의 충전 전류는 일반적으로 커패시터 양단의 전압이 e와 같은 값에 도달할 때까지 1/1000초 동안 흐릅니다. 등. 동. 발전기. 충전 중 커패시터 판의 전압 상승 그래프가 그림 1에 나와 있습니다. 2, a에서 전압 Uc가 e와 같아질 때까지 순조롭게 처음에는 빠르게 증가한 다음 점점 더 천천히 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 등. v. 발전기 E. 그 후 커패시터 양단의 전압은 변하지 않습니다.

쌀. 2. 커패시터 충전시 전압 및 전류 그래프

커패시터가 충전되면 충전 전류가 회로를 통해 흐릅니다. 충전 전류 그래프는 그림 1에 나와 있습니다. 2, 나. 초기 순간에 충전 전류는 커패시터의 전압이 여전히 0이고 옴의 법칙에 따라 iotax = E /Ri이기 때문에 가장 큰 값을 갖습니다. c 발전기는 저항 Ri에 적용됩니다.

커패시터가 충전됨에 따라, 즉 커패시터 양단의 전압이 증가하면 충전 전류가 감소합니다. 커패시터 양단에 이미 전압이 있는 경우 저항 양단의 전압 강하는 e 사이의 차이와 같습니다. 등. v. 발전기 및 커패시터 전압, 즉 E — U와 같습니다. 따라서 itax = (E-Us) / Ri

여기에서 Uc가 증가함에 따라 icharge 및 Uc = E에서 충전 전류가 0이 되는 것을 볼 수 있습니다.

옴의 법칙에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하십시오. 회로의 단면에 대한 옴의 법칙

커패시터 충전 프로세스의 지속 시간은 두 가지 양에 따라 달라집니다.

1) 발전기 Ri의 내부 저항에서,

2) 커패시터 C의 커패시턴스에서.

무화과에서. 2는 10 마이크로 패럿 용량의 커패시터에 대한 우아한 전류 그래프를 보여줍니다. 곡선 1은 e를 사용하는 발전기의 충전 프로세스에 해당합니다. 등. E = 100V이고 내부 저항 Ri= 10Ohm인 경우 곡선 2는 동일한 e를 가진 발전기의 충전 프로세스에 해당합니다. pr.와 내부 저항이 더 낮음: Ri = 5옴.

이러한 곡선을 비교하면 발전기의 내부 저항이 낮을수록 초기 순간의 우아한 전류의 강도가 더 커져 충전 프로세스가 더 빨라지는 것을 알 수 있습니다.

쌀. 2. 저항에 따른 충전 전류 그래프

무화과에서. 3은 동일한 발전기에서 e로 충전할 때의 충전 전류 그래프를 비교한 것이다. 등. E = 100 V 및 내부 저항 Ri= 10 ohms 용량이 다른 두 커패시터: 10 microfarads(곡선 1) 및 20 microfarads(곡선 2).

초기 충전 전류 iotax = E /Ri = 100/10 = 10 용량이 큰 커패시터가 더 많은 전기를 저장하므로 충전 전류가 더 오래 걸리고 충전 프로세스가 더 길기 때문에 두 커패시터는 동일합니다.

쌀. 3. 용량별 충전 전류 표

커패시터 방전

발전기에서 충전된 커패시터를 분리하고 플레이트에 저항을 부착합니다.

커패시터 Us의 플레이트에는 전압이 있으므로 폐쇄 회로에서는 방전 용량 성 전류 ires라는 전류가 흐릅니다.

전류는 커패시터의 양극판에서 음극판의 저항을 통해 흐릅니다. 이것은 음극판에서 전자가 없는 양극판으로 과도한 전자가 전이되는 것에 해당합니다.행 프레임 프로세스는 두 판의 전위가 같아질 때까지, 즉 두 판 사이의 전위차가 0이 될 때까지 발생합니다: Uc = 0.

무화과에서. 4a는 Uco = 100V 값에서 0으로 방전하는 동안 커패시터의 전압 감소 그래프를 보여 주며 전압은 먼저 빠르게 감소한 다음 더 천천히 감소합니다.

무화과에서. 도 4, b는 방전 전류의 변화 그래프를 나타낸다. 방전 전류의 강도는 저항 R의 값과 옴의 법칙에 따라 ires = Uc/R

쌀. 4. 커패시터 방전 시 전압 및 전류 그래프

초기 순간 커패시터 플레이트의 전압이 가장 크면 방전 전류도 가장 크고 방전 중 Uc가 감소하면 방전 전류도 감소합니다. Uc = 0에서 방전 전류가 중지됩니다.

폐기 기간은 다음에 따라 다릅니다.

1) 커패시터 C의 커패시턴스에서

2) 커패시터가 방전되는 저항 R의 값.

저항 R이 클수록 방전이 느려집니다. 이것은 저항이 크면 방전 전류의 강도가 작고 커패시터 플레이트의 전하량이 천천히 감소하기 때문입니다.

이것은 용량이 10μF이고 100V의 전압으로 충전된 동일한 커패시터의 방전 전류 그래프에서 두 가지 다른 저항 값(그림 5)에서 확인할 수 있습니다. 곡선 1 - R에서 =40옴, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2.5A 및 곡선 2 — 20옴에서 ioresr = 100/20 = 5A.

쌀. 5. 저항에 따른 방전 전류 그래프

커패시터의 커패시턴스가 크면 방전도 느려집니다.이는 축전기 판에 커패시턴스가 많을수록 더 많은 전기(더 많은 전하)가 있고 전하가 배출되는 데 더 오랜 시간이 걸리기 때문입니다. 이것은 100V의 동일한 전압으로 충전되고 저항으로 방전되는 동일한 용량의 두 커패시터에 대한 방전 전류 그래프에 의해 명확하게 표시됩니다. R= 40ohms(그림 6: 곡선 1 - 용량이 있는 커패시터의 경우) 10 마이크로패럿 및 곡선 2 - 용량이 20 마이크로패럿인 커패시터의 경우).

쌀. 6. 다른 전력에서 방전 전류의 그래프

고려 된 프로세스에서 커패시터가있는 회로에서 플레이트의 전압이 변할 때 충전 및 방전 순간에만 전류가 흐른다는 결론을 내릴 수 있습니다.

이것은 전압이 변하면 플레이트의 전하량이 변하고 회로를 따라 전하의 이동이 필요하다는 사실, 즉 전류가 회로를 통과해야 한다는 사실에 의해 설명됩니다. 충전된 커패시터는 판 사이의 유전체가 회로를 열기 때문에 직류를 통과시키지 않습니다.

커패시터 에너지

충전 과정에서 커패시터는 발전기로부터 에너지를 받아 에너지를 저장합니다. 커패시터가 방전되면 전기장의 모든 에너지가 열 에너지로 변환됩니다. 즉, 커패시터가 방전되는 저항을 가열합니다. 커패시터의 커패시턴스와 플레이트 양단의 전압이 클수록 커패시터의 전계 에너지가 커집니다. 전압 U에 충전된 용량 C의 커패시터가 보유한 에너지의 양은 다음과 같습니다. W = Wc = CU2/2

예. 커패시터 C = 전압 Uc = 500V로 충전된 10μF.커패시터가 방전되는 저항에서 열의 힘으로 방출되는 에너지를 결정하십시오.

답변. 방전하는 동안 커패시터에 저장된 모든 에너지는 열로 변환됩니다. 따라서 W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1.25J.