Емкостное сопротивление конденсатора
Конденсаторы относятся к наиболее распространенным элементам, используемым в различных электронных схемах. Они разделяются на типы, обладающие характерными особенностями, параметрами и индивидуальными свойствами. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин – электродов, разделенных слоем диэлектрика. На каждом из них имеется собственный вывод, через который осуществляется подключение к электрической цепи.
Существуют качества, присущие только конденсаторам. Например, они совершенно не пропускают через себя постоянный ток, хотя и заряжаются от него. После полной зарядки емкости, течение тока полностью прекращается, а внутреннее сопротивление устройства принимает бесконечно высокое значение.
Совершенно по-другому на конденсатор воздействует переменный ток, вполне свободно протекающий через емкость. Подобное состояние объясняется постоянными процессами зарядки-разрядки элемента. В этом случае действует не только активное сопротивление проводников, но и емкостное сопротивление самого конденсатора, возникающее как раз в результате его постоянной зарядки и разрядки.
Электрические параметры и свойства конденсаторов могут отличаться, в зависимости от различных факторов. В первую очередь они зависят от размеров и формы изделия, а также от типа диэлектрика. В разных типах устройств диэлектриком может служить бумага, воздух, пластик, стекло, слюда, керамика и другие материалы. В электролитических конденсаторах используются алюминий-электролит и тантал-электролит, что обеспечивает им повышенную емкость.
Названия других элементов определяются материалами обычных диэлектриков. Поэтому они относятся к категории бумажных, керамических, стеклянных и т.д. Каждый из них, в соответствии с характеристиками и особенностями, применяется в конкретных электронных схемах, с разными параметрами электротока.
В связи с этим, применение керамических конденсаторов необходимо в тех цепях, где требуется фильтрация высокочастотных помех. Электролитические устройства, наоборот, фильтруют помехи при низких частотах. Если же соединить параллельно оба типа конденсаторов, получится универсальный фильтр, широко применяемый во всех схемах. Несмотря на то, что их емкость является фиксированной величиной, существуют устройства с переменной емкостью, которая достигается путем регулировок за счет изменение взаимного перекрытия пластин. Типичным примером служат конденсаторы для подстройки, используемые при регулировке радиоэлектронной аппаратуры.
О реальном конденсаторе
Реальный конденсатор имеет одновременно два сопротивления: активное и емкостное. Их следует считать включенными последовательно.
Напряжение приложенное генератором к активному сопротивлению и ток идущий по активному сопротивлению совпадают по фазе.
Советуем изучить Плотность энергии магнитного поля
Напряжение приложенное генератором к емкостному сопротивлению и ток идущий по емкостному сопротивлению сдвинуты по фазе на 90 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору можно определить по правилу параллелограмма.
На активном сопротивлении напряжение Uакт и ток I совпадают по фазе. На емкостном сопротивлении напряжение Uc отстает от тока I на 90 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору определяется по правилу параллелограмма. Это результирующее напряжение отстает от тока I на какой то угол φ всегда меньший 90 .
Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения
«Не стыдно не знать, стыдно не учиться».
Задача 1.
В колебательном контуре напряжение на зажимах изменяется по закону . Найдите действующие значения силы тока и напряжения, если активное сопротивление цепи равно 50 Ом.
| ДАНО: | РЕШЕНИЕ
Запишем общее уравнение гармонических колебаний напряжения Исходя из заданного по условию задачи уравнения можно определить, что амплитудное напряжение равно Из закона Ома для участка цепи Тогда действующие значения напряжения и силы тока равны |
Ответ
:U д = 70,7 В;I д = 1,4 А.
Задача 2.
В цепь параллельно включены катушка с индуктивностью 30 мГн и конденсатор с ёмкостью 50 мкФ. Действующее значение силы тока равно 10 А. Запишете уравнения, описывающие колебания тока и напряжения, а также найдите активное сопротивление цепи.
| ДАНО: | СИ | РЕШЕНИЕ
Уравнения гармонических колебаний для напряжения и силы тока имеют вид Циклическая частота колебательного контура определяется по формуле Действующие значения напряжения и силы тока рассчитываются по выражениям Тогда амплитудное значение силы тока равно Амплитудное значение напряжения можно рассчитать по формуле С учетом рассчитанных значений уравнения гармонических колебаний примут вид Активное сопротивление цепи определяется по формуле |
Задача 3.
Действующее значение напряжения в цепи с колебательным контуром составляет 50 В. Известно, что в некоторый момент времениt = 2 мс ток в цепи равен 2 А. Найдите индуктивность катушки, если ёмкость конденсатора равна 80 нФ,а активное сопротивление цепи равно 20 Ом. Сдвиг фаз равен нулю.
| ДАНО: | СИ | РЕШЕНИЕ
Запишем уравнения, описывающие колебания тока и напряжения в общем виде Из закона Ома для участка цепи Действующие значения напряжения и силы тока рассчитываются по формулам Тогда амплитудные значения напряжения и силы тока равны Циклическая частота колебательного контура определяется по формуле С учётом рассчитанного значения амплитудной силы тока и формулы для расчёта циклической частоты колебательного контура уравнение гармонических колебаний силы тока примет вид Т.к. по истечении 2 мс сила тока равна 2А, то |
Ответ
: 53 Гн.
Задача 4.
Активное сопротивление колебательного контура равно 35 Ом, а частота колебаний равна 25 кГц. Найдите ёмкость конденсатора и индуктивность катушки.
| ДАНО: | СИ | РЕШЕНИЕ
Максимальная электрическая энергия колебательного контура Максимальная магнитная энергия колебательного контура Когда электрическая энергия максимальна, магнитная энергия равна нулю и наоборот, когда магнитная энергия максимальна, электрическая энергия равна нулю. Поэтому, оба выражения для максимальной энергии соответствуют полной энергии контура. В общем случае в контуре с активным сопротивлением происходят потери энергии. Однако, в течение одного колебания эти потери ничтожно малы, поэтому можно приравнять максимальную электрическую и максимальную магнитную энергию. Частота колебательного контура определяется по формуле Преобразуем данное выражение Активное сопротивление определяется по формуле Из равенства максимальной электрической энергии и максимальной магнитной энергии получаем Получаем систему состоящую из двух уравнений Из первого уравнения получаем Из второго уравнения |
Ответ
:L = 2,2×10–4 Гн;C = 1,7×10–7 Ф.
Емкостная проводимость
Одним из эксплуатационных показателей остается данный параметр, обозначающий емкость между проводниками и землей, а также аналогичный показатель между самими токопроводниками.
Для его определения в трехфазной линии воздушных передач применяется выражение:
Можно увидеть прямую зависимость рабочей емкости от уменьшения расстояния между кабелями и их сечения. Следовательно, для линий низкого напряжения данная величина всегда будет больше, чем для высокого.
Проводимость подобного вида в воздушных линиях одноцепной конструкции рассчитывается так:Токи емкостного происхождения существенно влияют на работу линий с рабочими характеристиками напряжения лот 110 кВ и более, а также в магистралях уложенными кабелями с идентичными параметрами выше 10 кВ.
Попытка применить именно подобный способ для самостоятельного выполнения будет весьма непростой задачей, ведь в нем применяются и различные конструктивные нюансы типа геометрических характеристик, и диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя, и многие другие вводные. Следовательно, оптимальным решением будет информация из таблиц, составленных производителями для конкретной марки кабеля. В каталогах все данные приведены с учетом номинального напряжения для каждой модификации.
Для начала линии, когда мы имеем дело с холостым ходом, емкостный ток определяется так:
Данный показатель будет объективным только при полностью обесточенных приемниках электричества.
Большое значение обозначенная емкость в любой рассматриваемой конструкции имеет для точного выполнения предварительных расчетов для устройств компонентов защиты и элементов заземления.
Для воздушной линии действительна такая формула:
Для кабельных магистралей:
Различия между активным и реактивным сопротивлением
Разница между активным и реактивным сопротивлением состоит в том, что при прохождении электротока по компонентам цепи, несущим активную нагрузку, имеют место мощностные потери в виде выделения тепла, которое не может быть снова превращено в электрическую энергию. В качестве наглядного примера можно привести конфорку электроплиты, выделяющую тепловую энергию. Такими свойствами обладают и осветительные устройства, электрические двигатели, различные кабели. Фазы проходящих через такие компоненты напряжения и электротока будут совпадать.
Внутреннее сопротивление — формула
Реактивные нагрузки отличаются наличием емкостных свойств либо способностью к индукции. В первом случае величина рассматриваемого сопротивления зависит от емкости, во втором – от электродвижущей силы самоиндукции.
Важно! Величина, в противоположность активной, может иметь плюсовой и минусовой знаки. Это зависит от того, в какую сторону идет фазовый сдвиг
При опережении электрическим током напряжения будет иметь место отрицательный показатель, в обратном случае – положительный.
Активное сопротивление
И начнем мы статью не с реактивного сопротивления, как ни странно, а с простого и всеми нами любимого радиоэлемента – резистора, который, как говорят, обладает активным сопротивлением. Еще иногда его называют омическим. Как нам говорит вики-словарь, “активный – это деятельный, энергичный, проявляющий инициативу”. Активист готов всегда рвать и метать даже ночью. Он готов ПОЛНОСТЬЮ выложиться и потратить всю энергию во благо общества.
То же самое можно сказать и про другие нагрузки, обладающие активным сопротивлением. Это могут быть различные нагревательные элементы, типа тэнов, а также лампы накаливания.
Осциллограмма силы тока на активном сопротивлении
В данном опыте нам не обязательно знать номинал силы тока в цепи. Мы будем просто смотреть, от чего зависит сила тока и изменяется ли вообще?
Поэтому, наша схема примет вот такой вид:
В этом случае шунтом будет являться резистор сопротивлением в 0,5 Ом. Почему именно 0,5 Ом? Да потому что он не будет сильно греться, так как обладает маленьким сопротивлением, а также его номинал вполне достаточен, чтобы снять с него напряжение.
Осталось снять напряжение с генератора, а также со шунта с помощью осциллографа. Если вы не забыли, со шунта мы снимаем осциллограмму силы тока в цепи. Красная осциллограмма – это напряжение с генератора Uген , а желтая осциллограмма – это напряжение с шунта Uш , в нашем случае – сила тока. Смотрим, что у нас получилось:
Частота 28 Герц:
Частота 285 Герц:
Частота 30 Килогерц:
Как вы видите, с ростом частоты сила тока у нас осталась такой же.
Давайте побалуемся формой сигнала:
Как мы видим, сила тока полностью повторяет форму сигнала напряжения.
Итак, какие можно сделать выводы?
1) Сила тока через активное (омическое) сопротивление имеет такую же форму, как и форма напряжения.
2) Сила тока и напряжение на активном сопротивлении совпадают по фазе, то есть куда напряжение, туда и ток. Они двигаются синфазно, то есть одновременно.
3) С ростом частоты ничего не меняется (если только на очень высоких частотах).
Расчёт сопротивления проводников и реостаты: формулы
Электрическое сопротивление проводника происходит из-за взаимодействия электрона с ионами кристаллической решетки.
Сопротивление проводника зависит от:
- — его длины,
- — площади поперечного сечения
- — от вещества из которого он изготовлен,
а также сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.
Чтобы посчитать зависимость сопротивления от вещества, из которого изготовляют проводник, надо вычислить его удельное сопротивление.
Удельное сопротивление — физическая величина которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1м, и площадью поперечного сечения 1м^2.
- Удельное сопротивление обозначается буквой — p.
- Длина — l.
- Площадь поперечного сечения — S.
- Сопротивление проводника обозначим буквой R.
В итоге мы получим формулу:
R = p*l/S
Получим еще несколько разновидностей формул:
l = R*S/p ; S = p*l/R ; p = R*S/l
Единицей сопротивления является 1 Ом, следовательно единица удельного сопротивления будет:
1 Ом*1м^2/1м или 1 Ом*м, следуя из формулы p = R*S/l
Также площадь поперечного сечения можно выражать в квадратных миллиметрах, тогда мы получим такую формулу:
1 Ом*мм^2/м
Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро (0,016) и медь (0,017), следовательно они лучше проводят электричество.
Эбонит(10^20) и фарфор(10^19) имеют очень большое удельное сопротивление и почти не проводят электрический ток, их используют для изоляторов.
Реостаты
Реостат — прибор, который используется для регулирования силы тока в цепи.
Самый простой реостат — проволока с большим удельным сопротивлением , такая как никелиновая или нихромовая.
Виды реостатов:
Ползунковый реостат — еще один вид реостатов , в котором стальная проволока намотана на керамический цилиндр.Проволока покрыта тонким слоем окалины , которая не проводит электрический ток , поэтому ее витки изолированы друг от друга.Над обмоткой — металлический стержень по которому перемещается ползунок .
Он прижат к виткам обмотки.От трения ползунка о витки слой окалины стирается и электрический ток в цепи проходит от витков проволоки к ползунку, потом в стержень.Когда реостат подключили в цепь , можно передвигать ползунок , таким образом увеличивать или уменьшать сопротивление реостата.
Жидкостный реостат — представляет бак с электролитом, в который погружаются металлические пластины.
Проволочный реостат — cостоит из проволоки из материала в котором высокое удельное сопротивление, натянутый на раму.
Нельзя превышать силу тока реостата, потому что обмотка реостата может перегореть.
Реостат мы часто применяем в повседневной жизни, например, регулируя громкость телевизора и радио, увеличивая и уменьшая скорость езды на машине.
Устройство катушки
Более близким к идеализированному элементу — индуктивности — является реальный элемент электронной цепи — индуктивная катушка. В отличие от индуктивности в индуктивной катушке имеют место также запасание энергии электронного поля и преобразование электронной энергии в другие виды энергии, а именно в термическую. Количественно способность реального и идеализированного частей электронной цепи припасать энергию магнитного поля характеризуется параметром, именуемым индуктивностью.
Таким макаром термин «индуктивность» применяется как заглавие идеализированного элемента электронной цепи, как заглавие параметра, количественно характеризующего характеристики этого элемента, и как заглавие основного параметра индуктивной катушки.
Связь меж напряжением и током в индуктивной катушке определяется законом электрической индукции, из которого следует, что при изменении магнитного потока, пронизывающего индуктивную катушку, в ней наводится электродвижущая сила е, пропорциональная скорости конфигурации потокосцепления катушки ψ и направленная таким макаром, чтоб вызываемый ею ток стремился воспрепятствовать изменению магнитного потока:
e = — dψ / dt
В системе единиц СИ магнитный поток и потокосцепление выражают в веберах (Вб).
Интересно почитать: инструкция как прозвонить транзистор.
Магнитный поток Ф, пронизывающий любой из витков катушки, в общем случае может содержать две составляющие: магнитный поток самоиндукции Фси и магнитный поток наружных полей Фвп: Ф — Фси + Фвп.
1-ая составляющая представляет собой магнитный поток, вызванный протекающим по катушке током, 2-ая — определяется магнитными полями, существование которых не связано с током катушки — магнитным полем Земли, магнитными полями других катушек и неизменных магнитов. Если 2-ая составляющая магнитного потока вызвана магнитным полем другой катушки, то ее именуют магнитным потоком взаимоиндукции.
Потокосцепление катушки ψ, так же как и магнитный поток Ф, может быть представлено в виде суммы 2-ух составляющих: потокосцепления самоиндукции ψси, и потокосцепления наружных полей ψвп
ψ= ψси + ψвп
Наведенная в индуктивной катушке ЭДС е, в свою очередь, может быть представлена в виде суммы ЭДС самоиндукции, которая вызвана конфигурацией магнитного потока самоиндукции, и ЭДС, вызванной конфигурацией магнитного потока наружных по отношению к катушке полей:
e = eси + eвп,
тут еси — ЭДС самоиндукции, евп — ЭДС наружных полей.
Если магнитные потоки наружных по отношению к индуктивной катушке полей равны нулю и катушку пронизывает только поток самоиндукции, то в катушке наводится только ЭДС самоиндукции.
Расчет параметров катушки
Приходится при расчётах рассматривать разные варианты. Расчет индуктивности зависит от исходных данных и заданных конечных параметров.
Расчет L в зависимости от заданной конструкции
Если исходными параметрами являются: w, D каркаса и длина намотанного провода, то формула для расчёта имеет вид:
L = 0,01*D*w2/(l/D) + 0,46,
где:
- D – диаметр каркаса, см;
- w – число витков;
- l – длина намотки, см;
- L – индуктивность, мкГн.
Подставляя численные значения в формулу, получают значение L.
Расчет количества витков по индуктивности
Зная D каркаса и L, рассчитывают количество витков в катушке, формула имеет вид:
w = 32*√(L*D),
где:
- L – индуктивность, мкГн;
- D – диаметр каркаса, мм.
Если в качестве исходных параметров берутся длина навитого в ряд проводника и его диаметр, то количество витков находят, используя формулу:
w = l/d,
где:
- l – длина намотки, мм;
- d – диаметр провода, мм.
Измерения диаметра провода проводят линейкой или штангенциркулем.
Расчёт индуктивности прямого провода
Собираясь найти L круглого прямого проводника, обращаются к приближённой формуле:
L = (μ0/2π)*l*( μe*ln(l/r) + 1/4* μi,
где:
- μ0 – магнитная постоянная;
- μe – относительная магнитная проницаемость (ОМП) среды (для вакуума – 1);
- μi – ОМП проводника;
- l – длина провода;
- r – радиус провода.
Формула справедлива для длинного проводника.
Расчёт однослойной намотки
Однослойные дроссели без сердечника легко и быстро можно рассчитать при помощи онлайн-калькулятора, в окно которого можно забить все известные характеристики, и программа выдаст значение L.
Вычисления проводятся и вручную, с использованием математического выражения. Оно имеет вид:
L = D2*n2/45D + 100*l,
где:
- D – диаметр катушки, см;
- l – длина намотанного провода, см;
- n – количество витков.
Формула подходит для вычислений L дросселей без ферритовых сердечников.
Однослойная катушка виток к витку
Дроссель с сердечником
При наличии сердечника следует учесть его размеры и форму. В случае одинаковых катушках индуктивность больше у той, которая располагается на сердечнике.
Расчёт однослойной намотки с сердечником
Многослойная намотка
Особенности расчёта при подобном способе наматывания провода заключаются в том, что нужно учитывать его толщину. Формула для дросселя без сердечника имеет вид:
N²=(L*(3Dk+9l+10t))/0.008Dk²,
где:
- Dk – общий диаметр (диаметр каркаса и намотки);
- t – толщина слоя;
- l – длина накрученного провода.
Все значения подставляют в мм, величину L – в мкГн.
Многослойная намотка
Виды пассивных элементов
Эквивалентное сопротивление
Данные устройства характеризуются тем, что вместо рассеивания энергии склонны к ее накоплению. Разные типы таких деталей создают различные формы сопротивления.
Катушка индуктивности
Это радиокомпонент, представляющий собой проводниковый элемент спиральной или винтообразной формы, покрытый изоляцией. В схемах катушки используют для нивелирования помех и искажений, снижения величины переменного тока, генерации магнитного поля. Длинные тонкие элементы носят название соленоидов. Катушки отличаются небольшими величинами активной сопротивляемости и емкости, но обладают индуктивностью, генерируя электродвижущую силу.
Подключение катушки в электрическую цепь
Емкостной элемент
Примером этого вида деталей является конденсатор. Он включает в себя две проводящие обкладки, между которыми находится диэлектрический материал. Протекание электротока обусловлено накоплением и отдачей обкладками своего заряда.
Подсоединение конденсатора в электроцепь
Мощность в цепи с реактивными радиоэлементами
При подключении таких элементов в цепь в четных четвертях периода мощность будет иметь отрицательное значение (в это время компонент направляет накопленную энергию в источник напряжения). В итоге использование энергии элементом за весь цикл оказывается равным нулю. Это означает, что на нем не происходит выделения энергии, так что на электросхемах такие детали изображаются холодными. На деле положение вещей может быть немного иным (это зависит от параметров конкретного элемента), бывает, что небольшие тепловые потери на конденсаторе или соленоиде все-таки имеют место. Но они не будут значительными, измеряющимися в кв.
Не совсем яблочко от яблоньки
Лучший способ понять, что же такое полное электрическое сопротивление – это сравнить его с чем-то уже вам известным, скажем – «простым» сопротивлением. Так мы сможем дать исчерпывающее определение полного электрического сопротивления одной фразой:
Вот и всё. Сейчас вы можете остановиться и записать еще одно слово в ваш словарь инженера-электрика. Просто и понятно: полное электрическое сопротивление – вид сопротивления, которое зависит от рабочей частоты электрической цепи. Но, разумеется, это еще не всё.
Резисторы выполняют в цепи постоянного тока чрезвычайно простую работу. Они оказывают сопротивление току, протекающему через какой-либо металл, например медь. Вы добавляете резистор на 220 кОм в цепь постоянного тока, и получаете определенное уменьшение тока, который втекает в резистор с одной стороны, и вытекает из него с другой стороны. Резисторы, подобно другим чисто омическим компонентам электрической цепи, не думают о том, какую же частоту выдает источник тока. Они просто делают то, что должны делать – оказывают некое постоянное сопротивление току.
Но что произойдет, если вы начнете работать с электроникой с питанием от источника переменного тока? Источник переменного тока не просто дает 5 В для питания вашей схемы. Кроме нового источника тока вы получили новые переменные, с которыми необходимо считаться. Например, сюда входит заранее известная частота переменного тока в сети питания. В Соединенных Штатах Америки частота тока в электрической сети составляет 60 колебаний в секунду (60 Гц). За океаном, в Европе, частота тока в сети 50 Гц.
В отличие от постоянного тока (DC), график которого представляет собой
прямую линию, переменный ток (АС) колеблется с определенной частотой.
В итоге получается следующее: в электронных устройствах, использующих переменный ток, необходимы не только активные компоненты, такие как резисторы, задачей которых является оказание сопротивления электрическому току, также нужны компоненты, которые могут реагировать на изменения тока и частоты, например конденсаторы и катушки индуктивности. В противном случае электрическая схема не будет работать так, как задумывалось. Зная все это уже можно посчитать полное сопротивление, которое является старшим братом активного сопротивления. Полное электрическое сопротивление включает в себя и активное, и реактивное сопротивления. Это можно записать в виде выражения:
Различия между активным и реактивным сопротивлением
Разница между активным и реактивным сопротивлением состоит в том, что при прохождении электротока по компонентам цепи, несущим активную нагрузку, имеют место мощностные потери в виде выделения тепла, которое не может быть снова превращено в электрическую энергию. В качестве наглядного примера можно привести конфорку электроплиты, выделяющую тепловую энергию. Такими свойствами обладают и осветительные устройства, электрические двигатели, различные кабели. Фазы проходящих через такие компоненты напряжения и электротока будут совпадать.
Внутреннее сопротивление – формула
Реактивные нагрузки отличаются наличием емкостных свойств либо способностью к индукции. В первом случае величина рассматриваемого сопротивления зависит от емкости, во втором – от электродвижущей силы самоиндукции.
Важно! Величина, в противоположность активной, может иметь плюсовой и минусовой знаки. Это зависит от того, в какую сторону идет фазовый сдвиг
При опережении электрическим током напряжения будет иметь место отрицательный показатель, в обратном случае – положительный.
Расчёт индуктивного сопротивления катушки
Любая индуктивность, в т.ч. катушка, оказывает переменному току некоторое сопротивление. Как его рассчитать, было описано выше. Из формулы XL=2pfL видно, что сопротивление дросселя в первую очередь зависит от частоты протекающего по нему тока и его индуктивности. При этом с обоими параметрами связь прямо пропорциональная.
От чего зависит сопротивление проводника
Частота – это характеристика внешней среды, индуктивность катушки зависит от ряда её геометрических свойств:
L=u0urN2S/l,
где:
- u0 – магнитная проницаемость вакуума – 4p*10-7 Гн/м;
- ur – относительная проницаемость сердечника;
- N – количество витков дросселя;
- S – его поперечное сечение в м2;
- l – длина катушки в метрах.
Располагая вышеописанными формулами и информацией о материале и размерах катушки, можно достаточно точно прикинуть её индуктивное сопротивление без каких-либо измерительных приборов.
Дополнительная информация. Некоторые цифровые мультиметры имеют режим замера индуктивности. Подобная функция встречается редко, однако иногда оказывается очень полезной
Поэтому при выборе прибора стоит обратить внимание на то, способен ли он измерять индуктивность
