En todos los dispositivos electrónicos y de ingeniería de radio, además de transistores y microcircuitos, se utilizan condensadores. Algunos circuitos tienen más, otros tienen menos, pero prácticamente no hay circuito electrónico sin condensadores.
Al mismo tiempo, los condensadores pueden realizar diversas tareas en los dispositivos. En primer lugar, se trata de capacitancias en los filtros de rectificadores y estabilizadores. Utilizando condensadores, se transmite una señal entre las etapas del amplificador, se construyen filtros de paso bajo y alto, se establecen intervalos de tiempo en retrasos de tiempo y se selecciona la frecuencia de oscilación en varios generadores.
Los condensadores tienen su origen en , que fue utilizado por el científico holandés Pieter van Musschenbroeck en sus experimentos a mediados del siglo XVIII. Vivía en la ciudad de Leiden, por lo que no es difícil adivinar por qué se llamaba así esta jarra.
En realidad era algo normal tarro de cristal, forrado por dentro y por fuera con papel de aluminio - staniol. Se utilizaba para los mismos fines que el aluminio moderno, pero aún no se había descubierto.
La única fuente de electricidad en aquellos días era una máquina electroforética, capaz de desarrollar voltajes de hasta varios cientos de kilovoltios. Aquí fue donde se cargó la jarra de Leyden. Los libros de texto de física describen un caso en el que Muschenbroek descargó su lata a través de una cadena de diez guardias tomados de la mano.
En aquel momento nadie sabía que las consecuencias podrían ser trágicas. El golpe fue bastante sensible, pero no fatal. No se llegó a este punto, porque la capacidad de la jarra de Leyden era insignificante, el pulso duraba muy poco, por lo que la potencia de descarga era baja.
¿Cómo funciona un condensador?
El diseño de un condensador prácticamente no se diferencia del de una jarra de Leyden: las mismas dos placas separadas por un dieléctrico. Así es exactamente en la actualidad. diagramas electricos Se muestran los condensadores. La Figura 1 muestra la estructura esquemática de un condensador de placa plana y la fórmula para su cálculo.
Figura 1. Diseño de un capacitor de placas paralelas
Aquí S es el área de las placas en metros cuadrados, d es la distancia entre las placas en metros, C es la capacitancia en faradios, ε es la constante dieléctrica del medio. Todas las cantidades incluidas en la fórmula se indican en el sistema SI. Esta fórmula es válida para el condensador plano más simple: basta con colocar dos placas de metal una al lado de la otra, de lo que se sacarán conclusiones. El aire puede servir como dieléctrico.
De esta fórmula se puede entender que cuanto mayor es el área de las placas y menor es la distancia entre ellas, mayor es la capacitancia del condensador. Para condensadores con otra geometría, la fórmula puede ser diferente, por ejemplo, para la capacitancia de un solo conductor o. Pero la dependencia de la capacitancia del área de las placas y la distancia entre ellas es la misma que la de un capacitor plano: cuanto mayor es el área y menor es la distancia, mayor es la capacitancia.
De hecho, las placas no siempre se hacen planas. Para muchos condensadores, por ejemplo los condensadores de papel y metal, las placas son papel de aluminio enrollado junto con un dieléctrico de papel en una bola apretada, con forma de caja de metal.
Para aumentar la resistencia eléctrica, el papel delgado del condensador se impregna con compuestos aislantes, generalmente aceite de transformador. Este diseño permite fabricar condensadores con una capacidad de hasta varios cientos de microfaradios. Los condensadores funcionan de forma muy similar a otros dieléctricos.
La fórmula no contiene ninguna restricción sobre el área de las placas S y la distancia entre las placas d. Si asumimos que las placas se pueden espaciar muy entre sí y, al mismo tiempo, el área de las placas se puede hacer muy pequeña, entonces aún quedará algún tipo de capacidad, aunque sea pequeña. Este razonamiento sugiere que incluso dos conductores situados uno al lado del otro tienen capacidad eléctrica.
Esta circunstancia se utiliza ampliamente en la tecnología de alta frecuencia: en algunos casos, los condensadores se fabrican simplemente en forma de pistas de circuito impreso, o incluso simplemente dos cables trenzados entre sí en aislamiento de polietileno. Un alambre o cable de fideos común también tiene una capacitancia y aumenta al aumentar la longitud.
Además de la capacitancia C, cualquier cable también tiene una resistencia R. Ambas propiedades físicas se distribuyen a lo largo del cable y, cuando transmiten señales de pulso, funcionan como una cadena RC integradora, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2.
En la figura todo es simple: aquí está el circuito, aquí está la señal de entrada y aquí está la señal de salida. El impulso está distorsionado hasta quedar irreconocible, pero esto se hace a propósito, razón por la cual se ensambló el circuito. Mientras tanto, estamos hablando del efecto de la capacitancia del cable sobre la señal de pulso. En lugar de un pulso, aparecerá una "campana" como esta en el otro extremo del cable, y si el pulso es corto, es posible que no llegue al otro extremo del cable en absoluto, puede desaparecer por completo.
hecho historico
Aquí es muy apropiado recordar la historia de cómo se tendió el cable transatlántico. El primer intento, en 1857, fracasó: los puntos y rayas del telégrafo (impulsos rectangulares) estaban distorsionados de modo que no se podía distinguir nada al otro lado de una línea de 4.000 km de longitud.
Se hizo un segundo intento en 1865. En ese momento, el físico inglés W. Thompson había desarrollado una teoría de la transmisión de datos a través de líneas largas. A la luz de esta teoría, el tendido de cables resultó ser más exitoso;
Por esta hazaña científica, la reina Victoria otorgó al científico el título de caballero y el título de Lord Kelvin. Este era el nombre de un pequeño pueblo de la costa de Irlanda donde se inició el tendido del cable. Pero esto es sólo una palabra, y ahora volvamos a la última letra de la fórmula, es decir, la constante dieléctrica del medio ε.
Un poco sobre dieléctricos
Este ε está en el denominador de la fórmula, por tanto, su aumento supondrá un aumento de capacidad. Para la mayoría de los dieléctricos utilizados, como aire, lavsan, polietileno, fluoroplástico, esta constante es casi la misma que la del vacío. Pero al mismo tiempo, existen muchas sustancias cuya constante dieléctrica es mucho mayor. Si un condensador de aire se llena con acetona o alcohol, su capacidad aumentará entre 15 y 20 veces.
Pero tales sustancias, además de una ε alta, también tienen una conductividad bastante alta, por lo que dicho condensador no retendrá bien la carga y se descargará rápidamente por sí mismo; Este fenómeno dañino se llama corriente de fuga. Por lo tanto, se están desarrollando materiales especiales para dieléctricos que permitan proporcionar corrientes de fuga aceptables con una alta capacitancia específica de los condensadores. Esto es precisamente lo que explica tanta variedad de tipos y tipos de condensadores, cada uno de los cuales está diseñado para condiciones específicas.
Tienen la mayor capacidad específica (relación capacidad/volumen). La capacidad de los “electrolitos” alcanza hasta 100.000 uF, tensión de funcionamiento hasta 600V. Estos condensadores funcionan bien sólo a bajas frecuencias, normalmente en filtros de alimentación. Los condensadores electrolíticos están conectados con la polaridad correcta.
Los electrodos de estos condensadores son una fina película de óxido metálico, razón por la cual estos condensadores a menudo se denominan condensadores de óxido. Una fina capa de aire entre dichos electrodos no es un aislante muy fiable, por lo que se introduce una capa de electrolito entre las placas de óxido. La mayoría de las veces se trata de soluciones concentradas de ácidos o álcalis.
La Figura 3 muestra uno de esos condensadores.
Figura 3. Condensador electrolítico
Para estimar el tamaño del condensador, se fotografió junto a él una simple caja de cerillas. Además de la capacidad bastante grande, en la figura también se puede ver la tolerancia en porcentaje: nada menos que el 70% del nominal.
En aquellos días, cuando las computadoras eran grandes y se llamaban computadoras, estos condensadores se encontraban en las unidades de disco (en los HDD modernos). La capacidad de información de estas unidades ahora sólo puede provocar una sonrisa: 5 megabytes de información estaban almacenados en dos discos con un diámetro de 350 mm y el dispositivo pesaba 54 kg.
El objetivo principal de los supercondensadores que se muestran en la figura era eliminar las cabezas magnéticas de área de trabajo disco durante un corte repentino de energía. Estos condensadores podían almacenar carga durante varios años, lo que se comprobó en la práctica.
A continuación, sugeriremos realizar algunos experimentos sencillos con condensadores electrolíticos para comprender qué puede hacer un condensador.
Los condensadores electrolíticos no polares se fabrican para funcionar en circuitos de corriente alterna, pero por alguna razón son muy difíciles de obtener. Para solucionar de alguna manera este problema, los "electrolitos" polares convencionales se encienden en secuencia contraria: más-menos-menos-más.
Si se conecta un condensador electrolítico polar a un circuito de corriente alterna, primero se calentará y luego se producirá una explosión. Los viejos condensadores domésticos están esparcidos en todas direcciones, mientras que los importados tienen un dispositivo especial que les permite evitar disparos fuertes. Como regla general, se trata de una muesca transversal en la parte inferior del condensador o de un orificio con un tapón de goma ubicado allí.
Realmente no les gustan los condensadores electrolíticos de alto voltaje, incluso si la polaridad es correcta. Por lo tanto, nunca se deben colocar “electrolitos” en un circuito donde se espera un voltaje cercano al máximo para un capacitor determinado.
A veces, en algunos foros, incluso de buena reputación, los principiantes hacen la pregunta: "El diagrama muestra un condensador de 470 µF * 16 V, pero tengo uno de 470 µF * 50 V, ¿puedo instalarlo?" Sí, por supuesto que puedes, pero el reemplazo inverso es inaceptable.
El condensador puede almacenar energía.
Ayudará a entender esta afirmación. circuito simple, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Circuito con condensador.
El personaje principal de este circuito es un condensador electrolítico C de capacidad suficientemente grande para que los procesos de carga y descarga se desarrollen de forma lenta e incluso muy clara. Esto permite observar visualmente el funcionamiento del circuito utilizando la bombilla de una linterna normal. Estas linternas han dado paso durante mucho tiempo a las modernas LED, pero todavía se venden bombillas para ellas. Por tanto, es muy sencillo montar un circuito y realizar experimentos sencillos.
Quizás alguien diga: “¿Por qué? Al fin y al cabo, todo es obvio, pero si además lees la descripción...” Parece que no hay nada que objetar aquí, pero cualquiera, incluso el más cosa simple permanece en la cabeza durante mucho tiempo si su comprensión llegó a través de las manos.
Entonces, el circuito está ensamblado. ¿Cómo funciona?
En la posición del interruptor SA que se muestra en el diagrama, el capacitor C se carga desde la fuente de energía GB a través de la resistencia R en el circuito: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. La corriente de carga en el diagrama se muestra mediante una flecha con el índice iз. El proceso de carga del capacitor se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Proceso de carga de condensadores
La figura muestra que el voltaje a través del capacitor aumenta a lo largo de una línea curva, llamada exponencial en matemáticas. La corriente de carga refleja directamente el voltaje de carga. A medida que aumenta el voltaje a través del capacitor, la corriente de carga disminuye. Y solo en el momento inicial corresponde a la fórmula que se muestra en la figura.
Después de un tiempo, el condensador se cargará de 0V al voltaje de la fuente de alimentación, en nuestro circuito hasta 4,5V. La pregunta es cómo determinar este tiempo, cuánto esperar y cuándo se cargará el condensador.
Constante de tiempo "tau" τ = R*C
Esta fórmula simplemente multiplica la resistencia y la capacitancia de una resistencia y un capacitor conectados en serie. Si, sin descuidar el sistema SI, sustituimos la resistencia en Ohmios y la capacitancia en Faradios, entonces el resultado lo obtendremos en segundos. Este es el tiempo necesario para que el condensador se cargue al 36,8% del voltaje de la fuente de alimentación. En consecuencia, para cargar casi el 100% se necesitará un tiempo de 5* τ.
A menudo, descuidando el sistema SI, sustituyen en la fórmula la resistencia en ohmios y la capacitancia en microfaradios, entonces el tiempo será en microsegundos. En nuestro caso es más conveniente obtener el resultado en segundos, para lo cual simplemente hay que multiplicar los microsegundos por un millón, o, más simplemente, mover la coma decimal seis lugares hacia la izquierda.
Para el circuito que se muestra en la Figura 4, con una capacidad de capacitor de 2000 μF y una resistencia de 500 Ω, la constante de tiempo será τ = R*C = 500 * 2000 = 1.000.000 microsegundos o exactamente un segundo. Así, tendrás que esperar aproximadamente 5 segundos hasta que el condensador esté completamente cargado.
Si, después del tiempo especificado, el interruptor SA se mueve a la posición correcta, el condensador C se descargará a través de la bombilla EL. En ese momento se producirá un breve destello, el condensador se descargará y la luz se apagará. La dirección de descarga del condensador se muestra mediante una flecha con el índice ip. El tiempo de descarga también está determinado por la constante de tiempo τ. El gráfico de descarga se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Gráfico de descarga del condensador
El condensador no pasa corriente continua.
Un diagrama aún más simple que se muestra en la Figura 7 le ayudará a verificar esta afirmación.
Figura 7. Circuito con condensador en un circuito de CC.
Si cierra el interruptor SA, la bombilla parpadeará brevemente, indicando que el condensador C se ha cargado a través de la bombilla. Aquí también se muestra el gráfico de carga: en el momento en que se cierra el interruptor, la corriente es máxima, a medida que se carga el condensador, disminuye y después de un tiempo se detiene por completo.
Si el condensador es de buena calidad, es decir. con una corriente de fuga baja (autodescarga), el cierre repetido del interruptor no provocará un destello. Para obtener otro destello, será necesario descargar el condensador.
Condensador en filtros de potencia.
El condensador suele colocarse después del rectificador. La mayoría de las veces, los rectificadores se fabrican en onda completa. Los circuitos rectificadores más comunes se muestran en la Figura 8.
Figura 8. Circuitos rectificadores
Los rectificadores de media onda también se utilizan con bastante frecuencia, por regla general, en los casos en que la potencia de carga es insignificante. La cualidad más valiosa de estos rectificadores es su simplicidad: sólo un diodo y un devanado de transformador.
Para un rectificador de onda completa, la capacitancia del condensador de filtro se puede calcular mediante la fórmula
C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, donde C es la capacitancia del condensador μF, Po es la potencia de carga W, U es el voltaje en la salida del rectificador V, f es la frecuencia de la alterna voltaje Hz, dU es la amplitud de la ondulación V.
El gran número en el numerador 1.000.000 convierte la capacitancia del condensador de faradios del sistema a microfaradios. Los dos en el denominador representan el número de semiciclos del rectificador: para un rectificador de media onda, aparecerá uno en su lugar
C = 1000000 * Po / U*f*dU,
y para un rectificador trifásico la fórmula tomará la forma C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.
Supercondensador - ionistor
Recientemente ha aparecido una nueva clase de condensadores electrolíticos, los llamados. En sus propiedades es similar a una batería, aunque con varias limitaciones.
El ionistor se carga al voltaje nominal en poco tiempo, literalmente en unos minutos, por lo que es recomendable utilizarlo como fuente de energía de respaldo. De hecho, el ionistor es un dispositivo no polar; lo único que determina su polaridad es la carga realizada por el fabricante. Para evitar que en el futuro se confunda esta polaridad, se indica con un signo +.
Las condiciones de funcionamiento de los ionistores juegan un papel importante. A una temperatura de 70˚C y un voltaje de 0,8 del voltaje nominal, la durabilidad garantizada no supera las 500 horas. Si el dispositivo funciona a un voltaje de 0,6 del voltaje nominal y la temperatura no supera los 40 grados, entonces es posible un funcionamiento adecuado durante 40.000 horas o más.
La aplicación más común de un ionistor es en fuentes de alimentación de respaldo. Se trata principalmente de chips de memoria o relojes electrónicos. En este caso, el parámetro principal del ionistor es la baja corriente de fuga, su autodescarga.
El uso de ionistores junto con paneles solares. Esto también se debe a la no criticidad de las condiciones de carga y al número prácticamente ilimitado de ciclos de carga y descarga. Otra propiedad valiosa es que el ionistor no requiere mantenimiento.
Hasta ahora he conseguido contaros cómo y dónde funcionan los condensadores electrolíticos, principalmente en circuitos de CC. El funcionamiento de los condensadores en circuitos de corriente alterna se discutirá en otro artículo.
A la pregunta ¿Por qué un condensador no pasa corriente continua, pero sí corriente alterna? dado por el autor carajo15 carajo la mejor respuesta es La corriente fluye sólo mientras el condensador se está cargando.
En un circuito de corriente continua, el condensador se carga relativamente rápido, después de lo cual la corriente disminuye y prácticamente se detiene.
En un circuito de corriente alterna, el condensador se carga, luego el voltaje cambia de polaridad, comienza a descargarse y luego se carga en la dirección opuesta, etc.: la corriente fluye constantemente.
Pues imagina un frasco en el que sólo puedes echar agua hasta llenarlo. Si el voltaje es constante, el banco se llenará y luego la corriente se detendrá. Y si el voltaje es variable, se vierte agua en el frasco, se vierte, se llena, etc.
Responder de Mete la cabeza[novato]
¡¡¡Gracias chicos por la gran información!!!
Responder de Avotará[gurú]
Un condensador no pasa corriente; sólo puede cargarse y descargarse.
En corriente continua, el condensador se carga una vez y luego se vuelve inútil en el circuito.
En una corriente pulsante, cuando el voltaje aumenta, se carga (acumula energía eléctrica), y cuando el voltaje del nivel máximo comienza a disminuir, devuelve energía a la red, mientras se estabiliza el voltaje.
En corriente alterna, cuando el voltaje aumenta de 0 al máximo, el capacitor se carga, cuando disminuye del máximo a 0, se descarga, devolviendo la energía a la red, cuando cambia la polaridad, todo sucede exactamente igual pero con diferente polaridad. .
Responder de Enjuagar[gurú]
En realidad, un condensador no permite que la corriente pase a través de él. El condensador primero acumula cargas en sus placas (en una placa hay un exceso de electrones, en la otra falta) y luego las entrega, como resultado, en el circuito externo, los electrones corren hacia adelante y hacia atrás, corren lejos de un plato, corre hacia el segundo y luego regresa. Es decir, se garantiza el movimiento de los electrones hacia adelante y hacia atrás en el circuito externo; en él fluye corriente, pero no dentro del condensador.
La cantidad de electrones que puede aceptar una placa de capacitor a un voltaje de un voltio se llama capacitancia del capacitor, pero generalmente no se mide en billones de electrones, sino en unidades convencionales de capacitancia: faradios (microfaradios, picofaradios).
Cuando dicen que por un condensador circula corriente, es simplemente una simplificación. Todo sucede como si a través del condensador fluyera corriente, aunque en realidad la corriente sólo fluye desde fuera del condensador.
Si profundizamos en la física, la redistribución de energía en el campo entre las placas de un condensador se llama corriente de desplazamiento, a diferencia de la corriente de conducción, que es el movimiento de cargas, pero la corriente de desplazamiento es un concepto de la electrodinámica asociado a las ecuaciones de Maxwell. , un nivel de abstracción completamente diferente.
Responder de papila[gurú]
en términos puramente físicos: un condensador es una ruptura en el circuito, ya que sus juntas no se tocan, hay un dieléctrico entre ellas. y como sabemos, los dieléctricos no conducen electricidad. por lo tanto, no fluye corriente continua a través de él.
A pesar de...
Un capacitor en un circuito de CC puede conducir corriente en el momento en que se conecta al circuito (la carga o recarga del capacitor ocurre al final del proceso transitorio, no fluye corriente a través del capacitor, ya que sus placas están separadas por una); dieléctrico. En un circuito de corriente alterna, conduce oscilaciones de corriente alterna mediante la recarga cíclica del condensador.
y para corriente alterna el condensador es parte del circuito oscilante. juega el papel de un dispositivo de almacenamiento energía eléctrica y en combinación con la bobina, coexisten perfectamente, convirtiendo la energía eléctrica en energía magnética y viceversa a una velocidad/frecuencia igual a su propia omega = 1/sqrt(C*L)
Ejemplo: un fenómeno como el rayo. Creo que lo escuché. aunque es un mal ejemplo, allí la carga se produce mediante electrificación, debido a la fricción del aire atmosférico sobre la superficie de la tierra. pero la ruptura siempre, como en un capacitor, ocurre solo cuando se alcanza el llamado voltaje de ruptura.
No sé si esto te ayudó :)
Responder de Leyenda@[novato]
el capacitor funciona tanto en corriente alterna como en corriente continua, porque se carga en corriente continua y no puede transferir esa energía a ningún lado para esto, se conecta al circuito un ramal inverso a través de un interruptor para cambiar la polaridad para poder descargarlo y; dejar espacio para una nueva porciones, que no se alternan por revolución, el cander se carga y descarga debido a la inversión de polaridades....
Voltaje constante y ajuste el voltaje de sus cocodrilos a 12 voltios. También llevamos una bombilla de 12 Voltios. Ahora insertamos un condensador entre una sonda de la fuente de alimentación y la bombilla:
No, no arde.
Pero si lo haces directamente se ilumina:
Esto plantea la conclusión: ¡La corriente continua no fluye a través del condensador!
Para ser honesto, en el momento inicial de aplicar voltaje, la corriente todavía fluye durante una fracción de segundo. Todo depende de la capacitancia del condensador.
Condensador en circuito de CA
Entonces, para saber si fluye corriente alterna a través del capacitor, necesitamos un alternador. Creo que este generador de frecuencia funcionará bien:
Como mi generador chino es muy débil, en lugar de una carga de bombilla usaremos uno simple de 100 Ohmios. Tomemos también un condensador con una capacidad de 1 microfaradio:
Soldamos algo como esto y enviamos una señal desde el generador de frecuencia:
Luego se pone manos a la obra. Qué es un osciloscopio y para qué sirve, lea aquí. Usaremos dos canales a la vez. Se mostrarán dos señales en una pantalla a la vez. Aquí en la pantalla ya se pueden ver interferencias de la red de 220 Voltios. No importa.
Aplicaremos tensión alterna y observaremos las señales, como dicen los ingenieros electrónicos profesionales, en la entrada y salida. Simultáneamente.
Todo se verá así:
Entonces, si nuestra frecuencia es cero, entonces esto significa corriente constante. Como ya hemos visto, el condensador no deja pasar la corriente continua. Esto parece haberse solucionado. Pero ¿qué pasa si aplicamos una sinusoide con una frecuencia de 100 Hertz?
En la pantalla del osciloscopio mostré parámetros como la frecuencia y amplitud de la señal: F es la frecuencia Mamá – amplitud (estos parámetros están marcados con una flecha blanca). El primer canal está marcado en rojo y el segundo en amarillo, para facilitar la percepción.
La onda sinusoidal roja muestra la señal que nos da el generador de frecuencia chino. La onda sinusoidal amarilla es lo que ya obtenemos en la carga. En nuestro caso, la carga es una resistencia. Bueno, eso es todo, en realidad.
Como puede ver en el oscilograma de arriba, suministro una señal sinusoidal desde el generador con una frecuencia de 100 Hercios y una amplitud de 2 Voltios. En la resistencia ya vemos una señal con la misma frecuencia (señal amarilla), pero su amplitud es de unos 136 milivoltios. Además, la señal resultó algo "peluda". Esto se debe al llamado "". El ruido es una señal con pequeña amplitud y cambios aleatorios de voltaje. Puede deberse a los propios elementos de radio o también a interferencias captadas del espacio circundante. Por ejemplo, una resistencia “hace ruido” muy bien. Esto significa que la "desnudez" de la señal es la suma de una sinusoide y el ruido.
La amplitud de la señal amarilla se ha reducido, e incluso el gráfico de la señal amarilla se desplaza hacia la izquierda, es decir, está por delante de la señal roja, o en lenguaje científico, parece cambio de fase. Lo que tenemos por delante es la fase, no la señal en sí. Si la señal en sí estuviera adelantada, entonces la señal en la resistencia aparecería a tiempo antes que la señal aplicada a ella a través del capacitor. El resultado sería una especie de viaje en el tiempo :-), lo cual, por supuesto, es imposible.
cambio de fase- Este diferencia entre las fases iniciales de dos cantidades medidas. En este caso, tensión. Para medir el cambio de fase, debe existir la condición de que estas señales misma frecuencia. La amplitud puede ser cualquiera. La siguiente figura muestra este mismo cambio de fase o, como también se le llama, diferencia de fase:
Aumentemos la frecuencia del generador a 500 Hertz.
La resistencia ya recibió 560 milivoltios. El cambio de fase disminuye.
Aumentamos la frecuencia a 1 KiloHertz
En la salida ya tenemos 1 Voltio.
Establezca la frecuencia en 5 kilohercios.
La amplitud es de 1,84 Voltios y el desfase es claramente menor.
Aumentar a 10 kilohercios
La amplitud es casi la misma que en la entrada. El cambio de fase es menos perceptible.
Ponemos 100 Kilohercios:
Casi no hay cambio de fase. La amplitud es casi la misma que en la entrada, es decir, 2 voltios.
De aquí sacamos conclusiones profundas:
Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la resistencia del condensador a la corriente alterna. El cambio de fase disminuye al aumentar la frecuencia hasta casi cero. En frecuencias infinitamente bajas su magnitud es de 90 grados oπ/2 .
Si trazas una porción del gráfico, obtendrás algo como esto:
Tracé el voltaje verticalmente y la frecuencia horizontalmente.
Entonces, hemos aprendido que la resistencia de un capacitor depende de la frecuencia. ¿Pero depende sólo de la frecuencia? Tomemos un condensador con una capacidad de 0,1 microfaradios, es decir, un valor nominal 10 veces menor que el anterior, y volvamos a ejecutarlo a las mismas frecuencias.
Miremos y analicemos los valores:
Compare cuidadosamente los valores de amplitud de la señal amarilla a la misma frecuencia, pero con diferentes valores de condensador. Por ejemplo, a una frecuencia de 100 Hertz y un condensador de 1 μF, la amplitud de la señal amarilla era de 136 milivoltios, y a la misma frecuencia, la amplitud de la señal amarilla, pero con un condensador de 0,1 μF, ya era 101 milivoltios (en realidad, incluso menos debido a las interferencias). A una frecuencia de 500 hercios - 560 milivoltios y 106 milivoltios, respectivamente, a una frecuencia de 1 kilohercio - 1 voltio y 136 milivoltios, y así sucesivamente.
De aquí se desprende la conclusión: A medida que disminuye el valor de un condensador, aumenta su resistencia.
Utilizando transformaciones físicas y matemáticas, los físicos y matemáticos han obtenido una fórmula para calcular la resistencia de un condensador. Te pido que ames y favorezcas:
Dónde, Xc es la resistencia del capacitor, Ohm
PAG - constante y equivale aproximadamente a 3,14
F– frecuencia, medida en Hertz
CON– capacitancia, medida en faradios
Entonces, ponga la frecuencia en esta fórmula en cero Hercios. Una frecuencia de cero Hertz es corriente continua. ¿Qué pasará? 1/0=infinito o resistencia muy alta. En definitiva, un circuito roto.
Conclusión
De cara al futuro, puedo decir que en este experimento obtuvimos (filtro de paso alto). Usando un condensador y una resistencia simples, y aplicando dicho filtro al altavoz en algún lugar del equipo de audio, solo escucharemos tonos altos chirriantes en el altavoz. Pero la frecuencia de los graves se verá amortiguada por dicho filtro. La dependencia de la resistencia del condensador de la frecuencia se usa muy ampliamente en radioelectrónica, especialmente en varios filtros donde es necesario suprimir una frecuencia y dejar pasar otra.
En el que un alternador produce una tensión sinusoidal. Veamos qué sucede en el circuito cuando cerramos la llave. Consideraremos el momento inicial cuando el voltaje del generador es cero.
En el primer trimestre del período, el voltaje en los terminales del generador aumentará, comenzando desde cero, y el capacitor comenzará a cargarse. Aparecerá una corriente en el circuito, pero en el primer momento de cargar el condensador, a pesar de que el voltaje en sus placas acaba de aparecer y aún es muy pequeño, la corriente en el circuito (corriente de carga) será la mayor. A medida que aumenta la carga del condensador, la corriente en el circuito disminuye y llega a cero en el momento en que el condensador está completamente cargado. En este caso, la tensión en las placas del condensador, siguiendo estrictamente la tensión del generador, se vuelve en este momento máxima, pero de signo opuesto, es decir, dirigida hacia la tensión del generador.
Arroz. 1. Cambio de corriente y voltaje en un circuito con capacitancia.
Por lo tanto, la corriente corre con mayor fuerza hacia el capacitor libre de carga, pero inmediatamente comienza a disminuir a medida que las placas del capacitor se llenan de cargas y cae a cero, cargándolo por completo.
Comparemos este fenómeno con lo que ocurre con el flujo de agua en una tubería que conecta dos vasos comunicantes (Fig. 2), uno de los cuales está lleno y el otro vacío. Tan pronto como retire la válvula que bloquea el paso del agua, el agua fluirá inmediatamente desde el recipiente izquierdo a alta presión a través de la tubería hacia el recipiente derecho vacío. Sin embargo, inmediatamente la presión del agua en la tubería comenzará a debilitarse gradualmente, debido a la nivelación de los niveles en los recipientes, y caerá a cero. El flujo de agua se detendrá.
Arroz. 2. El cambio en la presión del agua en la tubería que conecta los vasos comunicantes es similar al cambio en la corriente en el circuito durante la carga del capacitor.
De manera similar, la corriente primero fluye hacia un capacitor descargado y luego se debilita gradualmente a medida que se carga.
Al comienzo del segundo trimestre del período, cuando el voltaje del generador comienza lentamente al principio y luego disminuye cada vez más rápido, el capacitor cargado se descargará al generador, lo que provocará una descarga de corriente en el circuito. A medida que disminuye el voltaje del generador, el capacitor se descarga cada vez más y aumenta la corriente de descarga en el circuito. La dirección de la corriente de descarga en este trimestre del período es opuesta a la dirección de la corriente de carga en el primer trimestre del período. En consecuencia, la curva actual, que ha pasado el valor cero, ahora se encuentra debajo del eje del tiempo.
Al final del primer medio ciclo, el voltaje en el generador, así como en el capacitor, se acerca rápidamente a cero y la corriente en el circuito alcanza lentamente su valor máximo. Recordando que la magnitud de la corriente en el circuito es mayor cuanto mayor es la cantidad de carga transferida a lo largo del circuito, quedará claro por qué la corriente alcanza su máximo cuando el voltaje en las placas del capacitor y, por lo tanto, la carga del capacitor, disminuye rápidamente.
Con el inicio del tercer cuarto del período, el capacitor comienza a cargarse nuevamente, pero la polaridad de sus placas, así como la polaridad del generador, cambia al opuesto, y la corriente continúa fluyendo en la misma dirección. , comienza a disminuir a medida que se carga el capacitor. Al final del tercer cuarto del período, cuando los voltajes entre el generador y el capacitor alcanzan su máximo, la corriente se vuelve cero.
En el último cuarto del período, el voltaje, al disminuir, cae a cero y la corriente, cambiando de dirección en el circuito, alcanza su valor máximo. Con esto finaliza el período, tras el cual comienza el siguiente, repitiéndose exactamente el anterior, etc.
Entonces, Bajo la influencia del voltaje alterno del generador, el capacitor se carga dos veces por período (el primer y tercer trimestre del período) y se descarga dos veces (el segundo y cuarto trimestre del período). Pero dado que la alternancia entre sí va acompañada cada vez del paso de corrientes de carga y descarga a través del circuito, podemos concluir que .
Puedes verificar esto usando el siguiente experimento simple. Conecte un condensador con una capacidad de 4-6 microfaradios a la red de CA a través de una bombilla eléctrica de 25 W. La luz se encenderá y no se apagará hasta que se rompa el circuito. Esto indica que la corriente alterna pasó a través del circuito con la capacitancia. Sin embargo, por supuesto, no pasó a través del dieléctrico del capacitor, pero en cada momento representó la corriente de carga o la corriente de descarga del capacitor.
El dieléctrico, como sabemos, está polarizado bajo la influencia. campo eléctrico, que aparece en él cuando se carga el condensador, y su polarización desaparece cuando se descarga el condensador.
En este caso, el dieléctrico con la corriente de polarización que surge en él sirve como una especie de continuación del circuito de corriente alterna y rompe el circuito de corriente continua. Pero la corriente de desplazamiento se genera sólo dentro del dieléctrico del condensador y, por lo tanto, no se produce transferencia de carga a lo largo del circuito.
La resistencia proporcionada por un condensador a la corriente alterna depende del valor de la capacitancia del condensador y de la frecuencia de la corriente.
Cuanto mayor sea la capacitancia del capacitor, mayor será la carga transferida a través del circuito durante la carga y descarga del capacitor y, por lo tanto, mayor será la corriente en el circuito. Un aumento de corriente en el circuito indica que su resistencia ha disminuido.
Por eso, A medida que aumenta la capacitancia, disminuye la resistencia del circuito a la corriente alterna.
Un aumento aumenta la cantidad de carga transferida a través del circuito, ya que la carga (así como la descarga) del condensador debe ocurrir más rápido que a baja frecuencia. Al mismo tiempo, un aumento en la cantidad de carga transferida por unidad de tiempo equivale a un aumento en la corriente en el circuito y, en consecuencia, a una disminución en su resistencia.
Si de alguna manera reducimos gradualmente la frecuencia de la corriente alterna y reducimos la corriente a constante, entonces la resistencia del capacitor conectado al circuito aumentará gradualmente y se volverá infinitamente grande (circuito abierto) cuando aparezca.
Por eso, A medida que aumenta la frecuencia, la resistencia del condensador a la corriente alterna disminuye.
Así como la resistencia de una bobina a la corriente alterna se llama inductiva, la resistencia de un capacitor se suele llamar capacitiva.
De este modo, La capacitancia es mayor cuanto menor es la capacitancia del circuito y la frecuencia de la corriente que lo suministra.
La capacitancia se denota por Xc y se mide en ohmios.
La dependencia de la capacitancia de la frecuencia actual y la capacitancia del circuito está determinada por la fórmula Xc = 1/ωС, donde ω - frecuencia circular igual al producto de 2π F, C-capacitancia del circuito en faradios.
La reactancia capacitiva, al igual que la inductiva, es de naturaleza reactiva, ya que el condensador no consume la energía de la fuente de corriente.
La fórmula para un circuito con capacitancia es I = U/Xc, donde I y U son los valores efectivos de corriente y voltaje; Xc es la capacitancia del circuito.
La propiedad de los condensadores de proporcionar una alta resistencia a las corrientes de baja frecuencia y pasar fácilmente las corrientes de alta frecuencia se utiliza ampliamente en los circuitos de equipos de comunicación.
Con la ayuda de condensadores, por ejemplo, se logra la separación de las corrientes continuas y de baja frecuencia de las corrientes de alta frecuencia necesarias para el funcionamiento de los circuitos.
Si es necesario bloquear el camino de la corriente de baja frecuencia hacia la parte de alta frecuencia del circuito, se conecta un pequeño condensador en serie. Ofrece una gran resistencia a la corriente de baja frecuencia y al mismo tiempo pasa fácilmente la corriente de alta frecuencia.
Si es necesario evitar que la corriente de alta frecuencia, por ejemplo, ingrese al circuito de alimentación de una estación de radio, se utiliza un condensador grande, conectado en paralelo con la fuente de corriente. En este caso, la corriente de alta frecuencia pasa a través del condensador, sin pasar por el circuito de alimentación de la estación de radio.
Resistencia activa y condensador en un circuito de corriente alterna.
En la práctica, a menudo hay casos en los que un circuito está en serie con una capacitancia. La resistencia total del circuito en este caso está determinada por la fórmula.
Por eso, la resistencia total de un circuito que consta de resistencia activa y capacitiva a corriente alterna es igual a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la resistencia activa y capacitiva de este circuito.
La ley de Ohm sigue siendo válida para este circuito I = U/Z.
En la figura. La Figura 3 muestra curvas que caracterizan las relaciones de fase entre corriente y voltaje en un circuito que contiene resistencia capacitiva y activa.
Arroz. 3. Corriente, voltaje y potencia en un circuito con condensador y resistencia activa.
Como se puede ver en la figura, la corriente en este caso adelanta el voltaje no en un cuarto de período, sino menos, ya que la resistencia activa ha violado la naturaleza puramente capacitiva (reactiva) del circuito, como lo demuestra la fase reducida. cambio. Ahora el voltaje en los terminales del circuito se determinará como la suma de dos componentes: el componente reactivo del voltaje u c, que supera la capacitancia del circuito, y el componente activo del voltaje, que supera su resistencia activa.
Cuanto mayor sea la resistencia activa del circuito, menor será el cambio de fase entre la corriente y el voltaje.
La curva de cambio de potencia en el circuito (ver Fig. 3) dos veces durante el período adquirió un signo negativo, lo cual, como ya sabemos, es consecuencia de la naturaleza reactiva del circuito. Cuanto menos reactivo sea el circuito, menor será el cambio de fase entre la corriente y el voltaje y más energía consumirá la fuente de corriente.
Esto puede confirmarse fácilmente mediante experimentos. Puede encender una bombilla conectándola a una fuente de alimentación de CA a través de un condensador. El altavoz o los auriculares seguirán funcionando si no se conectan al receptor directamente, sino a través de un condensador.
Un condensador consta de dos o más placas metálicas separadas por un dieléctrico. Este dieléctrico suele ser mica, aire o cerámica, que son los mejores aislantes. Es bastante natural que la corriente continua no pueda pasar a través de un aislante de este tipo. Pero, ¿por qué pasa corriente alterna a través de él? Esto parece tanto más extraño cuanto que las mismas cerámicas en forma de, por ejemplo, rodillos de porcelana aíslan perfectamente los cables de corriente alterna, y la mica funciona perfectamente como aislante en planchas eléctricas y otros dispositivos de calefacción que funcionan correctamente con corriente alterna.
A través de algunos experimentos pudimos "probar" aún más hecho extraño: si un dieléctrico con propiedades aislantes relativamente pobres se reemplaza en un capacitor por otro dieléctrico, que es un mejor aislante, entonces las propiedades del capacitor cambiarán de modo que el paso de corriente alterna a través del capacitor no será difícil, pero, en al contrario, facilitado. Por ejemplo, si conecta una bombilla a un circuito de corriente alterna a través de un condensador con un dieléctrico de papel y luego reemplaza el papel con un aislante tan excelente; como vidrio o porcelana del mismo espesor, la bombilla comenzará a brillar más. Un experimento de este tipo llevará a la conclusión de que la corriente alterna no sólo pasa a través del condensador, sino que también pasa más fácilmente cuanto mejor sea el aislante y su dieléctrico.
Sin embargo, a pesar de todo lo aparentemente convincente de tales experimentos, la corriente eléctrica, ni continua ni alterna, no pasa a través del condensador. El dieléctrico que separa las placas del condensador sirve como una barrera confiable al paso de la corriente, cualquiera que sea, alterna o directa. Pero esto no significa que no habrá corriente en todo el circuito al que está conectado el condensador.
Un condensador tiene una determinada propiedad física que llamamos capacitancia. Esta propiedad consiste en la capacidad de acumular cargas eléctricas en las placas. Una fuente de corriente eléctrica puede compararse aproximadamente con una bomba que bombea cargas eléctricas a un circuito. Si la corriente es constante, entonces las cargas eléctricas se bombean todo el tiempo en una dirección.
¿Cómo se comportará un condensador en un circuito de CC?
Nuestra “bomba eléctrica” bombeará cargas sobre una de sus placas y las expulsará desde la otra placa. La capacidad de un condensador para mantener una cierta diferencia en el número de cargas en sus placas se llama capacidad. Cuanto mayor sea la capacitancia, más cargas eléctricas puede haber en una placa en comparación con la otra.
En el momento en que se enciende la corriente, el capacitor no está cargado; la cantidad de cargas en sus placas es la misma. Pero la corriente continúa. La “bomba eléctrica” empezó a funcionar. Colocó las cargas en un plato y comenzó a bombearlas desde el otro. Una vez que comienza el movimiento de cargas en el circuito, significa que la corriente comienza a fluir en él. La corriente fluirá hasta que el condensador esté completamente cargado. Una vez alcanzado este límite, la corriente se detendrá.
Por lo tanto, si hay un condensador en un circuito de CC, una vez cerrado, la corriente fluirá por él durante el tiempo necesario para cargar completamente el condensador.
Si la resistencia del circuito a través del cual se carga el condensador es relativamente pequeña, entonces el tiempo de carga es muy corto: dura una fracción insignificante de segundo, después del cual la corriente se detiene.
La situación es diferente en el circuito de corriente alterna. En este circuito, la “bomba” bombea cargas eléctricas en una dirección u otra. Habiendo creado apenas un exceso de cargas en una placa del condensador en comparación con la cantidad en la otra placa, la bomba comienza a bombearlas en la dirección opuesta. Las cargas circularán continuamente en el circuito, lo que significa que, a pesar de la presencia de un condensador no conductor, habrá corriente en él: la corriente de carga y descarga del condensador.
¿De qué dependerá la magnitud de esta corriente?
Por magnitud de corriente nos referimos al número de cargas eléctricas que fluyen por unidad de tiempo a través de la sección transversal de un conductor. Cuanto mayor sea la capacitancia del condensador, más cargas se necesitarán para "llenarlo", lo que significa que más fuerte será la corriente en el circuito. La capacitancia de un condensador depende del tamaño de las placas, de la distancia entre ellas y del tipo de dieléctrico que las separa, su constante dieléctrica. La porcelana tiene una constante dieléctrica mayor que el papel, por lo que al sustituir el papel por porcelana en un condensador, la corriente en el circuito aumenta, aunque la porcelana es un mejor aislante que el papel.
La magnitud de la corriente también depende de su frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la corriente. Es fácil entender por qué sucede esto imaginando que llenamos un recipiente con una capacidad de, por ejemplo, 1 litro con agua a través de un tubo y luego lo bombeamos desde allí. Si este proceso se repite una vez por segundo, por el tubo fluirán 2 litros de agua por segundo: 1 litro en una dirección y 1 litro en la otra. Pero si duplicamos la frecuencia del proceso: llenamos y vaciamos el recipiente 2 veces por segundo, entonces fluirán 4 litros de agua por el tubo por segundo; aumentar la frecuencia del proceso con la misma capacidad del recipiente condujo a un aumento correspondiente en la cantidad de agua que fluye a través del tubo.
De todo lo dicho se pueden sacar las siguientes conclusiones: la corriente eléctrica, ni continua ni alterna, no pasa a través del condensador. Pero en el circuito que conecta la fuente de CA al condensador, fluye la corriente de carga y descarga de este condensador. Cuanto mayor sea la capacitancia del condensador y mayor la frecuencia de la corriente, más fuerte será esta corriente.
Esta característica de la corriente alterna se utiliza ampliamente en la ingeniería de radio. En él también se basa la emisión de ondas de radio. Para ello, excitamos una corriente alterna de alta frecuencia en la antena transmisora. Pero, ¿por qué fluye corriente por la antena, si no es un circuito cerrado? Fluye porque hay capacitancia entre la antena y los cables de contrapeso o tierra. La corriente en la antena representa la corriente de carga y descarga de este capacitor, este capacitor.
