W jaki sposób kondensator blokuje prąd stały?

Myślę, że pomogłoby to zrozumieć jak kondensator blokuje DC (prąd stały), jednocześnie pozwalając na AC (prąd zmienny).

Zacznijmy od najprostszego źródła prądu stałego, baterii:

Kiedy ta bateria jest używana do zasilania czegoś, elektrony są wciągane do + boczną część baterii i wypchnięto – side.

Podłączmy kilka przewodów do baterii:

Nadal nie ma tu całego obwodu (przewody nigdzie nie idą), więc nie ma przepływu prądu.

Ale to nie znaczy, że nie było żadnego przepływu prądu. Widzisz, atomy w metalowym drucie miedzianym składają się z jąder atomów miedzi, otoczonych ich elektronami. Pomocne może być wyobrażenie sobie drutu miedzianego jako dodatnich jonów miedzi z elektronami pływającymi wokół:

Uwaga: Używam symbolu e ^– do reprezentowania elektronu

W metalu bardzo łatwo jest popychać elektrony. W naszym przypadku mamy podłączoną baterię. W rzeczywistości jest w stanie wyssać część elektronów z drutu:

Z przewodu podłączonego do dodatniej strony baterii wyssane są elektrony . Elektrony te są następnie wypychane z ujemnej strony baterii do przewodu dołączonego do ujemnej strony.

Ważne jest, aby pamiętać, że bateria nie może usunąć wszystkich elektronów. Elektrony są generalnie przyciągane przez jony dodatnie, które pozostawiają; więc trudno jest usunąć wszystkie elektrony.

W końcu nasz czerwony przewód będzie miał niewielki ładunek dodatni (ponieważ brakuje mu elektronów), a czarny przewód będzie miał niewielki ładunek ujemny (ponieważ ma dodatkowe elektrony).

Więc kiedy po raz pierwszy podłączysz akumulator do tych przewodów, tylko mały bit prądu będzie płynął. Bateria nie jest w stanie poruszyć bardzo wielu elektronów, więc prąd płynie bardzo krótko, a następnie zatrzymuje się.

Jeśli Odłączyłeś baterię, odwróciłeś ją i ponownie podłączyłeś: elektrony z czarnego przewodu byłyby zassane do baterii i wpychane do czerwonego. Po raz kolejny przepływ prądu byłby niewielki, po czym zatrzymywał się.

Problem z użyciem tylko dwóch przewodów polega na tym, że nie mamy zbyt wielu elektronów do przepchnięcia. Potrzebujemy dużego zapasu elektronów do zabawy – dużego kawałka metalu. Tym właśnie jest kondensator: dużym kawałkiem metalu przymocowanym do końców każdego przewodu.

W przypadku tego dużego kawałka metalu jest o wiele więcej elektronów, które możemy łatwo przepchnąć. strona dodatnia może wyssać znacznie więcej elektronów, a strona ujemna może mieć wepchniętych znacznie więcej elektronów:

Więc jeśli zastosujesz zmienne źródło prądu do kondensatora, część tego prądu będzie mogła płynąć, ale po chwili będzie działać z elektronów do przepychania się, a przepływ zatrzyma się. Jest to na szczęście dla źródła prądu przemiennego, ponieważ następnie odwraca się i prąd może ponownie płynąć.

Ale dlaczego kondensator znamionowe w woltach prądu stałego

Kondensator to nie tylko dwie kawałki metalu. Inną cechą konstrukcyjną kondensatora jest to, że wykorzystuje on dwa kawałki metalu bardzo blisko siebie (wyobraź sobie warstwę woskowanego papieru umieszczoną pomiędzy dwoma arkuszami folii aluminiowej).

Powodem, dla którego używają „folii aluminiowej” oddzielonej „woskowanym papierem” jest to, że chcą, aby ujemne elektrony były bardzo blisko dodatnich „dziur”, które pozostawili. Powoduje to przyciąganie elektronów do dodatnich „dziur”:

Ponieważ elektrony są ujemne a „dziury” są dodatnie, elektrony są przyciągane do dziur. To powoduje, że elektrony faktycznie tam pozostają. Możesz teraz wyjąć baterię, a kondensator faktycznie utrzyma to ładowanie.

Dlatego kondensator może przechowywać ładunek; elektrony są przyciągane do dziur, które zostawili.

Ale ten woskowany papier nie jest idealnym izolatorem, pozwoli trochę przeciekać. Ale prawdziwy problem pojawia się, jeśli masz za dużo elektronów. Pole elektryczne między dwiema „ płytkami ” kondensatora może faktycznie stać się tak intensywne, że powoduje rozpad woskowanego papieru, trwale uszkadzając kondensator:

W rzeczywistości kondensator nie jest wykonany z folii aluminiowej i woskowanego papieru (już); używają lepszych materiałów. Ale jest jeszcze jeden punkt, a ” napięcie ”, w którym izolator między dwiema równoległymi płytami ulega zniszczeniu, niszcząc urządzenie. To jest maksymalne znamionowe kondensatora DC napięcie.

Komentarze

• +1 Świetne wyjaśnienie, obrazy i tworzenie przykładów.
• +1. Jedno z najlepszych wyjaśnień, jakie ' kiedykolwiek czytałem na temat kondensatorów.
• Dobre wyjaśnienie, ale nie ' t odpowiedz bezpośrednio na pytanie OP ': W przypadku prądu przemiennego występują chwilowe wahania napięcia. W każdym punkcie fali prądu przemiennego napięcie zmienia się, a gdy w obwodzie znajduje się kondensator, ta zmiana / zmiana napięcia może być przenoszona przez dielektryk na drugą stronę / płytę za pośrednictwem pola elektrycznego o różnym natężeniu. Dlatego prąd płynie w obwodzie, mimo że dielektryk jest izolatorem dla przepływu elektronów.
• należy myśleć o tym w kategoriach fal, w których elektrony / polaryzacja molekularna działają jako środek / medium dla fal.
• @Fennekin Kondensatory nie pozwalają na przepływ prądu stałego, czy to samodzielnie, czy też połączone szeregowo lub równolegle. Ale znowu, że ' jest w stanie ustalonym. Nadal będzie początkowy przypływ trochę prądu; czy są połączone szeregowo, równolegle czy pojedynczo.

Zobaczę, czy mogę dodać jeszcze jedna perspektywa na pozostałe 3 odpowiedzi.

Kondensatory zachowują się jak zwarte przy wysokich częstotliwościach i otwarte przy niskich częstotliwościach.

Oto dwa przypadki:

Kondensator połączony szeregowo z sygnałem

W tej sytuacji AC może się przedostać, ale DC jest zablokowane. Jest to powszechnie nazywane kondensatorem sprzęgającym.

Kondensator równoległy z sygnałem

W tej sytuacji DC może się przedostać, ale AC jest zwarty do masy, co powoduje jego zablokowanie. Jest to potocznie nazywany kondensatorem odsprzęgającym.

Co to jest AC?

Użyłem terminów „Wysoka częstotliwość” i „Niska częstotliwość” raczej luźno, ponieważ tak naprawdę nie mają one żadnych powiązanych z nimi liczb. Zrobiłem to, ponieważ to, co jest uważane za niskie i wysokie, zależy od tego, co dzieje się w pozostałej części Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat, możesz przeczytać o filtrach dolnoprzepustowych w Wikipedii lub w niektórych z naszych filtr RC pytania.

Napięcie znamionowe

Napięcie, które widzisz z kondensatorami, to maksymalne napięcie, które możesz bezpiecznie przyłożyć do kondensatora, zanim zaczniesz narażać się na fizyczne uszkodzenie kondensatora. Czasami dzieje się to jako eksplozja, czasami pożar, a czasami po prostu robi się gorąco.

Komentarze

• Kellen, dziękuję za wykorzystanie zdjęć, ale m brakuje odpowiedzi na pytanie jak limit blokuje DC. Po prostu mówisz, że tak.
• @Stevenvh Czułem, że zamieszanie, które miał OP, nie dotyczyło fizyki, w jaki sposób blokuje DC, ale raczej dlaczego jest używane, jeśli blokuje DC. Poza tym doszedłem do wniosku, że twoja odpowiedź całkiem nieźle wyjaśniła to na bardziej fizycznym poziomie i nie ' nie sądzę, żebym mógł to wyjaśnić lepiej niż ty.

Wyjaśnienie polega na tym, że przeciwne ładunki się przyciągają. Kondensator to zwarta konstrukcja składająca się z 2 płytek przewodzących oddzielonych bardzo cienkim izolatorem. Jeśli położysz na nim DC, jedna strona będzie naładowana dodatnio, a druga ujemnie. Oba ładunki przyciągają się, ale nie mogą przekroczyć bariery izolacyjnej. Nie ma przepływu prądu. Więc to koniec historii dla DC.
Dla AC jest inaczej. Jedna strona będzie sukcesywnie ładowana dodatnio i ujemnie oraz będzie przyciągać ładunki ujemne i dodatnie odp. Zatem zmiany po jednej stronie bariery powodują zmiany po drugiej stronie, tak że pojawia się , że ładunki przekraczają barierę, i ten prąd skutecznie przepływa przez kondensator.

Naładowany kondensator jest zawsze naładowany prądem stałym, tj. jedna strona ma ładunki dodatnie, a druga ujemna. Te ładunki to magazyn energii elektrycznej , który jest niezbędny w wielu obwodach.

Maksymalne napięcie zależy od bariery izolacyjnej. Powyżej określonego napięcia ulegnie awarii i spowoduje zwarcie. Może się to zdarzyć pod prądem stałym, ale także pod prądem przemiennym.

Prosty sposób myślenia o tym jest taki, że szeregowy kondensator blokuje DC, podczas gdy kondensator równoległy pomaga utrzymać stałe napięcie.

To są naprawdę dwa zastosowania tego samego zachowania – kondensator reaguje, próbując utrzymać stałe napięcie na sobie. W przypadku szeregowym całkiem szczęśliwe jest usunięcie stałej różnicy napięcia, ale każda nagła zmiana po jednej stronie zostanie przeniesiona na drugą, aby utrzymać stałą różnicę napięcia. W przypadku równoległym każda nagła zmiana napięcia będzie zareagował.

Komentarze

• fajna prosta odpowiedź, kudos

To nie jest bardzo techniczna odpowiedź, ale jest to „graficzne wyjaśnienie, które uważam za bardzo zabawne i proste:

Komentarze

• Tak, fajnie, ale ' dostaniesz w tarapatach, jeśli rzeczywiście spróbujesz wyjaśnić tę ścieżkę AC! 🙂
• @stevenvh tak, oczywiście wiem, że ' to trochę głupie, ale ' ve zawsze uważałem to za mądre 🙂
• To dziwna odpowiedź: D: D: D: D: D
• Właściwie to bardzo pomogło mi jasno zrozumieć, czym jest kondensator. Dziękuję!

Ilość ładunku, która powstaje na płytkach kondensatora przy danym napięciu na jego zaciskach rządzi się wzorem:

\ $ Q = C \ razy V \ $ (ładunek = pojemność * napięcie)

Różniczkowanie obu stron (prąd jest pochodną czasu charge), daje:

\ $ I = C \ times \ dfrac {dV} {dt} \ $ (prąd = pojemność * szybkość zmiany napięcia)

Napięcie DC to to samo, co powiedzenie \ $ \ dfrac {dV} {dt} = 0 \ $.

Zatem kondensator nie przepuszcza prądu „przez” do napięcia stałego (tj. blokuje prąd stały).

Napięcie na płytkach kondensatora również musi zmieniać się w sposób ciągły, więc kondensatory „utrzymują” napięcie po ich naładowaniu, aż do tego napięcie może zostać rozładowane przez rezystancję. Dlatego bardzo powszechnym zastosowaniem kondensatorów jest stabilizowanie napięcia szyn i odłączanie szyn od uziemienia.

Napięcie znamionowe określa, ile napięcia można przyłożyć na płytki, zanim siły elektrostatyczne zniszczą właściwości materiału materiał dielektryczny między płytami powodujący jego pęknięcie jako kondensator :).

Moja odpowiedź na takie pytania zawsze brzmi: „woda ”. Woda przepływająca przez rury jest zaskakująco dokładną analogią do prądu przepływającego przez przewody. Prąd określa, ile wody przepływa przez rurę. Różnica napięć staje się różnicą ciśnienia wody. Rury mają leżeć płasko, więc grawitacja nie odgrywa żadnej roli.

W takiej analogii bateria to pompa wodna, a kondensator to gumowa membrana , która całkowicie blokuje rurę. DC to woda płynąca stale w jednym kierunku przez rurę. AC to woda przepływająca przez cały czas.

Mając to na uwadze, powinno być oczywiste, że kondensator blokuje prąd stały: ponieważ membrana może rozciągać się tylko do tej pory, woda nie może po prostu płynąć w tym samym kierunku. Podczas rozciągania membrany (tj. ładowania kondensatora) będzie trochę przepływu, ale w pewnym momencie zostanie ona rozciągnięta na tyle, aby całkowicie zrównoważyć ciśnienie wody, blokując w ten sposób dalszy przepływ.

staje się również oczywiste, że kondensator nie będzie całkowicie blokował prądu przemiennego, ale zależy to od właściwości membrany.Jeśli membrana jest wystarczająco rozciągliwa (duża pojemność), nie będzie stanowiła problemu dla szybkiego przepływu wody w tę iz powrotem. Jeśli membrana jest naprawdę dość sztywna (np. Cienki arkusz tworzywa sztucznego), odpowiada to małej pojemności, a jeśli woda przepływa powoli tam iz powrotem, taki przepływ będzie zablokowany, ale oscylacje o bardzo wysokiej częstotliwości będą nadal przedostawać się.

Ta analogia była dla mnie tak wyjątkowo przydatna, że naprawdę zastanawiam się, dlaczego nie jest używana szerzej.

Komentarze

• Znajomy pomógł mi zrozumieć, dlaczego ta analogia nie jest używana szerzej: najwyraźniej ma równie małą intuicję dotyczącą przepływu wody w rurach, jak w przypadku przepływu prądu w przewodach!

Po pierwsze, kondensator blokuje prąd stały i ma niższą impedancję w stosunku do prądu przemiennego, podczas gdy cewka ma tendencję do blokowania prądu przemiennego, ale bardzo łatwo przepuszcza prąd stały. Poprzez „blokowanie” możemy oznacza to, że oferuje wysoką impedancję sygnałowi, o którym mówimy.

Najpierw jednak musimy zdefiniować kilka terminów, aby to wyjaśnić. Wiesz, co to jest opór, prawda? Opór jest przeciwieństwem przepływu prądu, który powoduje spalanie mocy mierzonej w watach. Nie ma znaczenia, czy prąd jest zmienny czy stały, moc rozpraszana przez idealny rezystor jest taka sama dla każdego z nich.

Zatem opór jest jednym z rodzajów „impedancji” przepływu prądu. Są jeszcze 2 inne – „reaktancja indukcyjna” i „reaktancja pojemnościowa”. Oba są również mierzone w omach, podobnie jak rezystancja, ale obie różnią się tym, że z jednej strony zmieniają się wraz z częstotliwością, a po drugie nie zużywają mocy tak jak rezystancja. Więc razem są 3 rodzaje impedancji – rezystancyjne, indukcyjne i pojemnościowe.

Ilość blokowania lub impedancji cewek w omach można określić wzorem:

$$ X_L = 2 \ pi fL $$

Gdzie 2pi to około 6,28, f to częstotliwość (oczywiście AC) sygnału, L to indukcyjność mierzona u henriów, a gdzie „X sub L” to reaktancja indukcyjna w omach.

Reaktancja indukcyjna to impedancja elementu wynikająca z indukcyjności; jest to rodzaj rezystancji, ale w rzeczywistości nie spala mocy w watach tak jak rezystor, a ponieważ należy podać „f” dla częstotliwości, wartość zmienia się wraz z częstotliwością dla danego induktora.

Zauważ, że wraz ze wzrostem częstotliwości zmienia się impedancja (rezystancja prądu przemiennego) w omach. Zauważ, że jeśli częstotliwość jest równa zero, tak samo jak impedancja – częstotliwość zerowa oznacza prąd stały, więc cewki indukcyjne praktycznie nie mają oporu dla przepływu prądu stałego. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie impedancja.

Kondensatory są odwrotne – wzór na reaktancję pojemnościową to

$$ X_C = \ frac {1} {2 \ pi fC} $$

Tutaj C jest pojemnością nasadki w faradach, „2pi” i „f” są takie same jak powyżej, a „X-sub-C” to reaktancja pojemnościowa w omach . Zauważ, że w tym przypadku reaktancja jest „podzielona przez” częstotliwość i pojemność – w wyniku tego wartości impedancji maleją wraz z częstotliwością i pojemnością. Więc jeśli częstotliwość jest wysoka, impedancja będzie niska, a jeśli częstotliwość będzie bliska zeru, czyli DC, impedancja będzie prawie nieskończona – innymi słowy, kondensatory blokują prąd stały, ale przepuszczają prąd przemienny, a im wyższa częstotliwość sygnał AC, tym mniejsza jest jego impedancja.

Pójdę po najkrótszą odpowiedź jakościową – podejście pozorne:

Kondensator na szynach prądu stałego jest w efekcie do zwarcia wszelkich sygnałów AC, które w przeciwnym razie mogłyby dostać się do szyn zasilających, więc ilość prądu zmiennego na DC obwód jest zmniejszony.

Napięcie znamionowe nasadki to maksymalne napięcie (suma DC i obecnego prądu przemiennego!), które powinna widzieć nasadka. Przekrocz to napięcie i cap nie powiedzie się.