Carica e scarica del condensatore

Carica del condensatore

Per caricare il condensatore, è necessario collegarlo al circuito CC. Nella fig. 1 mostra il circuito di carica del condensatore. Il condensatore C è collegato ai terminali del generatore. La chiave può essere utilizzata per chiudere o aprire il circuito. Diamo uno sguardo dettagliato al processo di carica di un condensatore.

Il generatore ha una resistenza interna. Quando l'interruttore è chiuso, il condensatore si caricherà ad una tensione tra le armature pari a e. eccetera. v. generatore: Uc = E. In questo caso, la piastra collegata al terminale positivo del generatore riceve una carica positiva (+q), e la seconda piastra riceve una carica negativa uguale (-q). La dimensione della carica q è direttamente proporzionale alla capacità del condensatore C e alla tensione sulle sue armature: q = CUc

Pe. 1… Circuito di carica dei condensatori

Per caricare le armature del condensatore è necessario che una di esse guadagni e l'altra perda una certa quantità di elettroni.Il trasferimento di elettroni da una piastra all'altra viene effettuato lungo il circuito esterno dalla forza elettromotrice del generatore e il processo di spostamento delle cariche lungo il circuito non è altro che una corrente elettrica, chiamata corrente capacitiva di carica Una carica

La corrente di carica in valore di solito scorre in millesimi di secondo fino a quando la tensione ai capi del condensatore raggiunge un valore pari a e. eccetera. v. generatore. Il grafico dell'aumento di tensione sulle armature del condensatore durante la sua carica è mostrato in fig. 2, a, da cui si vede che la tensione Uc cresce dolcemente, prima rapidamente, poi sempre più lentamente, fino a diventare uguale a e. eccetera. v. generatore E. Successivamente, la tensione ai capi del condensatore rimane invariata.

Riso. 2. Grafici di tensione e corrente durante la carica di un condensatore

Quando il condensatore si carica, una corrente di carica scorre attraverso il circuito. Il grafico della corrente di carica è mostrato in Fig. 2, b. Al momento iniziale, la corrente di carica ha il valore maggiore, poiché la tensione nel condensatore è ancora zero e secondo la legge di Ohm iotax = E /Ri, poiché tutti e., ecc. c generatore è applicato alla resistenza Ri.

Man mano che il condensatore si carica, cioè aumenta la tensione ai suoi capi, diminuisce per la corrente di carica. Quando c'è già una tensione attraverso il condensatore, la caduta di tensione attraverso la resistenza sarà uguale alla differenza tra e. eccetera. v. tensione del generatore e del condensatore, ad es. uguale a E - U s. Pertanto itax = (E-Us) / Ri

Da qui si può vedere che all'aumentare di Uc, icharge ea Uc = E la corrente di carica diventa zero.

Leggi di più sulla legge di Ohm qui: Legge di Ohm per una sezione di un circuito

La durata del processo di carica del condensatore dipende da due grandezze:

1) dalla resistenza interna del generatore Ri,

2) dalla capacità del condensatore C.

Nella fig. 2 mostra i grafici delle correnti eleganti per un condensatore con una capacità di 10 microfarad: la curva 1 corrisponde al processo di carica da un generatore con e. eccetera. con E = 100 V e con una resistenza interna Ri= 10 Ohm, la curva 2 corrisponde al processo di carica da un generatore con la stessa e. pr. con, ma con una resistenza interna inferiore: Ri = 5 ohm.

Dal confronto di queste curve si può vedere che con una minore resistenza interna del generatore, l'intensità della corrente elegante al momento iniziale è maggiore e quindi il processo di carica è più veloce.

Riso. 2. Grafici delle correnti di carica a diverse resistenze

Nella fig. 3 confronta i grafici delle correnti di carica durante la ricarica dallo stesso generatore con e. eccetera. con E = 100 V e resistenza interna Ri= 10 ohm di due condensatori di diversa capacità: 10 microfarad (curva 1) e 20 microfarad (curva 2).

Corrente di carica iniziale iotax = E /Ri = 100/10 = 10 Entrambi i condensatori sono uguali, poiché un condensatore con una capacità maggiore immagazzina più elettricità, quindi la sua corrente di carica dovrebbe richiedere più tempo e il processo di carica è più lungo.

Riso. 3. Tabelle delle correnti di carica con diverse capacità

Scarica del condensatore

Scollegare il condensatore carico dal generatore e collegare una resistenza alle sue piastre.

C'è una tensione sulle piastre del condensatore Us, quindi, in un circuito chiuso, scorrerà una corrente chiamata corrente capacitiva di scarica ires.

La corrente scorre dalla piastra positiva del condensatore attraverso la resistenza alla piastra negativa. Ciò corrisponde alla transizione degli elettroni in eccesso dalla piastra negativa a quella positiva, dove sono assenti.Il processo di row frames avviene fino a quando i potenziali delle due piastre sono uguali, cioè la differenza di potenziale tra loro diventa zero: Uc = 0.

Nella fig. 4a mostra il grafico della diminuzione della tensione nel condensatore durante la scarica dal valore Uco = 100 V a zero, e la tensione diminuisce prima rapidamente e poi più lentamente.

Nella fig. 4, b mostra il grafico delle variazioni della corrente di scarica. L'intensità della corrente di scarica dipende dal valore della resistenza R e secondo la legge di Ohm ires = Uc/R

Riso. 4. Grafici di tensione e corrente durante la scarica del condensatore

Nel momento iniziale, quando la tensione sulle armature del condensatore è massima, anche la corrente di scarica è massima e con una diminuzione di Uc durante la scarica diminuisce anche la corrente di scarica. A Uc = 0, la corrente di scarica si arresta.

La durata dello smaltimento dipende da:

1) dalla capacità del condensatore C

2) sul valore della resistenza R a cui si scarica il condensatore.

Maggiore è la resistenza R, più lenta sarà la scarica. Ciò è dovuto al fatto che con una grande resistenza, la forza della corrente di scarica è piccola e la quantità di carica sulle piastre del condensatore diminuisce lentamente.

Questo può essere mostrato nei grafici della corrente di scarica dello stesso condensatore, con una capacità di 10 μF e caricato a una tensione di 100 V, a due diversi valori di resistenza (Fig. 5): curva 1 - a R =40 ohm, ioresr = UcО/ R = 100/40 = 2,5 A e curva 2 — a 20 Ohm ioresr = 100/20 = 5 A.

Riso. 5. Grafici delle correnti di scarica alle diverse resistenze

La scarica è anche più lenta quando la capacità del condensatore è grande.Questo perché con più capacità sulle piastre del condensatore, c'è più elettricità (più carica) e ci vorrà un periodo di tempo più lungo perché la carica si scarichi. Lo dimostrano chiaramente i grafici delle correnti di scarica per due condensatori della stessa capacità, caricati alla stessa tensione di 100 V e scaricati ad una resistenza R= 40 ohm (Fig. 6: curva 1 - per un condensatore con una capacità di 10 microfarad e curva 2 — per condensatore con una capacità di 20 microfarad).

Riso. 6. Grafici delle correnti di scarica alle diverse potenze

Dai processi considerati si può concludere che in un circuito con un condensatore la corrente scorre solo nei momenti di carica e scarica, quando cambia la tensione sulle piastre.

Ciò è spiegato dal fatto che quando la tensione cambia, la quantità di carica sulle piastre cambia e ciò richiede il movimento delle cariche lungo il circuito, cioè una corrente elettrica deve passare attraverso il circuito. Un condensatore carico non fa passare corrente continua perché il dielettrico tra le sue armature apre il circuito.

Energia del condensatore

Durante il processo di carica, il condensatore immagazzina energia ricevendola dal generatore. Quando un condensatore si scarica, tutta l'energia del campo elettrico viene convertita in energia termica, cioè va a riscaldare la resistenza attraverso la quale il condensatore si scarica. Maggiore è la capacità del condensatore e la tensione attraverso le sue armature, maggiore è l'energia del campo elettrico del condensatore. La quantità di energia posseduta da un condensatore di capacità C caricato ad una tensione U è pari a: W = Wc = CU2/2

Un esempio. Condensatore C = 10 μF caricato alla tensione Uc = 500 V.Determina l'energia che verrà rilasciata nella forza del calore alla resistenza attraverso la quale viene scaricato il condensatore.

Risposta. Durante la scarica, tutta l'energia immagazzinata dal condensatore verrà convertita in calore. Quindi W = Wc = CU2/2 = (10 x 10-6 x 500) / 2 = 1,25 J.