Рис. 1. Изменение тока и напряжения в цепи с емкостью
Таким макаром, ток с большей силой устремляется в свободный от заряда конденсатор, но здесь же начинает убывать по мере наполнения зарядами пластинок конденсатора и падает до нуля, стопроцентно зарядив его.
Сравним это явление с тем, что происходит с потоком воды в трубе, соединяющей два сообщающихся сосуда (рис. 2),один из которых заполнен, а другой пустой. Стоит только выдвинуть заслонку, преграждающую путь воде, как вода сразу из левого сосуда под огромным напором устремится по трубе в пустой правый сосуд. Но тотчас же напор воды в трубе начнет равномерно слабеть, вследствие выравнивания уровней в сосудах, и свалится до нуля. Течение воды закончится.
Рис. 2. Изменение напора воды в трубе, соединяющей сообщающиеся сосуды, сходно с конфигурацией тока в цепи во время заряда конденсатора
Подобно этому и ток поначалу устремляется в незаряженный конденсатор, а потом равномерно слабеет по мере его заряда.
С началом 2-ой четверти периода, когда напряжение генератора начнет поначалу медлительно, а потом все резвее и резвее убывать, заряженный конденсатор будет разряжаться на генератор, что вызовет в цепи ток разряда. По мере убывания напряжения генератора конденсатор все в большей и большей степени разряжается и ток разряда в цепи растет. Направление тока разряда в этой четверти периода обратно направлению тока заряда в первой четверти периода. Соответственно этому кривая тока, пройдя нулевое значение, размещается уже сейчас ниже оси времени.
К концу первого полупериода напряжение на генераторе, также и на конденсаторе стремительно приближается к нулю, а ток в цепи медлительно добивается собственного наибольшего значения. Вспомнив, что величина тока в цепи тем больше, чем больше величина переносимого по цепи заряда, станет ясным, почему ток добивается максимума тогда, когда напряжение на пластинках конденсатора, а как следует, и заряд конденсатора стремительно убывают.
С началом третьей четверти периода конденсатор вновь начинает заряжаться, но полярность его пластинок, так же как и полярность генератора, меняется «а оборотную, а ток, продолжая течь в том же направлении, начинает по мере заряда конденсатора убывать, В конце третьей четверти периода, когда напряжения на генераторе и конденсаторе добиваются собственного максимума, ток становится равным нулю.
В последнюю четверть периода напряжение, уменьшаясь, падает до нуля, а ток, изменив свое направление в цепи, добивается наибольшей величины. На этом и завершается период, за которым начинается последующий, в точности повторяющий предшествующий, и т. д.
Итак, под действием переменного напряжения генератора два раза за период происходят заряд конденсатора (1-ая и 3-я четверти периода) и два раза его разряд (2-ая и 4-ая четверти периода). Но потому что чередующиеся один за одним заряды и разряды конденсатора сопровождаются всякий раз прохождением по цепи зарядного и разрядного токов, то мы можем заключить, что по цепи с емкостью проходит переменный ток.
Убедиться в этом можно на последующем ординарном опыте. Подключите к сети переменного тока через лампочку электронного освещения мощностью 25 Вт конденсатор емкостью 4—6 мкф. Лампочка зажгется и не погаснет до того времени, пока не будет разорвана цепь. Это гласит о том, что по цепи с емкостью проходил переменный ток. Но проходил он, естественно, не через диэлектрик конденсатора, а в каждый момент времени представлял собой либо ток заряда либо ток разряда конденсатора.
Диэлектрик же, как нам понятно, поляризуется под действием электронного поля, возникающего в нем при заряде конденсатора, и поляризация его исчезает, когда конденсатор разряжается.
При всем этом диэлектрик с возникающим в нем током смещения служит для переменного тока собственного рода продолжением цепи, а для неизменного разрывает цепь. Но ток смещения появляется исключительно в границах диэлектрика конденсатора, и потому сквозного переноса зарядов по цепи не происходит.
Сопротивление, оказываемое конденсатором переменному току, находится в зависимости от величины емкости конденсатора и от частоты тока.
Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд переносится по цепи за время заряда и разряда конденсатора, а как следует, и тем больший будет ток в цепи. Повышение же тока в цепи свидетельствует о том, что уменьшилось ее сопротивление.
Как следует, с повышением емкости миниатюризируется сопротивление цепи переменному току.
Повышение частоты тока наращивает величину переносимого по цепи заряда, потому что заряд (а равно и разряд) конденсатора должен произойти резвее, чем при низкой частоте. В то же время повышение величины переносимого в единицу времени заряда равносильно повышению тока в цепи, а как следует, уменьшению ее сопротивления.
Если же мы любым методом будем равномерно уменьшать частоту переменного тока и сведем ток к неизменному, то сопротивление конденсатора, включенного в цепь, будет равномерно возрастать и станет нескончаемо огромным (разрыв цепи) к моменту возникновения в цепи неизменного тока.
Как следует, с повышением частоты миниатюризируется сопротивление конденсатора переменному току.
Подобно тому как сопротивление катушки переменному току именуют индуктивным, сопротивление конденсатора принято именовать емкостным.
Таким макаром, емкостное сопротивление тем больше, чем меньше емкость цепи и частота питающего ее тока.
Емкостное сопротивление обозначается через Хс и измеряется в омах.
Зависимость емкостного сопротивления от частоты тока и емкости цепи определяется формулой Хс = 1/-С, где - — радиальная частота, равная произведению 2-f, С—емкость цепи в фарадах.
Емкостное сопротивление, как и индуктивное, является реактивным по собственному нраву, потому что конденсатор не потребляет энергии источника тока.
Формула закона Ома для цепи с емкостью имеет вид I = U/Xc, где I и U — действующие значения тока и напряжения — Хс — емкостное сопротивление цепи.
Свойство конденсаторов оказывать огромное сопротивление токам низкой частоты и просто пропускать токи высочайшей частоты обширно употребляется в схемах аппаратуры связи.
При помощи конденсаторов, к примеру, достигается нужное для работы схем разделение неизменных токов и токов низкой частоты от токов высочайшей частоты.
Если необходимо преградить путь току низкой частоты в высокочастотную часть схемы, поочередно врубается конденсатор маленький емкости. Он оказывает огромное сопротивление низкочастотному току и в то же время просто пропускает ток высочайшей частоты.
Если же нужно не допустить ток высочайшей частоты, к примеру, в цепь питания радиостанции, то употребляется конденсатор большой емкости, включаемый параллельно источнику тока. Ток высочайшей частоты в данном случае проходит через конденсатор, минуя цепь питания радиостанции.
Активное сопротивление и конденсатор в цепи переменного тока
На практике нередко встречаются случаи, когда в цепи поочередно с емкостью включено активное сопротивление. Общее сопротивление цепи в данном случае определяется по формуле
Как следует, полное сопротивление цепи, состоящей из активного и емкостного сопротивлений, переменному току равно корню квадратному из суммы квадратов активного и емкостного сопротивлений этой цепи.
Закон Ома остается справедливым и для этой цепи I = U/Z.
На рис. 3 приведены кривые, характеризующие фазовые соотношения меж током и напряжением в цепи, содержащей емкостное и активное сопротивления.
Рис. 3. Ток, напряжение и мощность в цепи с конденсатором и активным сопротивлением
Как видно из рисунка, ток в данном случае опережает напряжение уже не на четверть периода, а меньше, потому что активное сопротивление нарушило чисто емкостный (реактивный) нрав цепи, о чем свидетельствует уменьшенный сдвиг фаз. Сейчас уже напряжение на зажимах цепи обусловится как сумма 2-ух слагающих: реактивной слагающей напряжения uс, идущей на преодоление емкостного сопротивления цепи, и активной слагающей напряжения преодолевающей активное ее сопротивление.
Чем больше будет активное сопротивление цепи, тем наименьший сдвиг фаз получится меж током и напряжением.
Кривая конфигурации мощности в цепи (см. рис. 3) два раза за период заполучила отрицательный символ, что является, как нам уже понятно, следствием реактивного нрава цепи. Чем наименее реактивная цепь, тем меньше сдвиг фаз меж током и напряжением и тем огромную мощность источника тока эта цепь потребляет.
