Напряжение и ток конденсатора

Когда к конденсатору приложено синусоидальное напряжение, он периодически заряжается и разряжается. Ввиду переменного характера напряжения периодически меняется и полярность заряда конденсатора. Ток в конденсаторе i_c достигает своего амплитудного значения каждый раз, когда напряжение u_C на нем проходит через нуль (рис. 1). Таким образом, синусоида тока i_C опережает синусоиду напряжения u_c на 90°.

Фазовый сдвиг:

Рис.1

Реактивное сопротивление конденсатора

Конденсатор в цепи синусоидального тока оказывает токоограничивающий эффект, который вызван встречным действием напряжения при изменении знака заряда. Этот токоограничивающий эффект принято выражать как

емкостное реактивное сопротивление (емкостной реактанс) Х_c.

Величина емкостного реактанса Х_c зависит от величины емкости конденсатора, измеряемой в Фарадах, и частоты приложенного напряжения переменного тока. В случае синусоидального напряжения имеем:

где Х_с - реактивное емкостное сопротивление, Ом;

С - емкость конденсатора, Ф;

= 2πf- угловая частота синусоидального напряжения (тока).

Цепи синусоидального с катушками индуктивности

Напряжение и ток катушки индуктивности

Когда к катушке индуктивности подведено синусоидальное напряжение, ток в ней отстает от синусоиды напряжения на 90°. Соответственно, мгновенное значение тока достигает амплитудного значения на четверть периода позже, чем мгновенное значение напряжения (рис. 2). В этом рассуждении пренебрегается активным сопротивлением катушки.

Рис. 2

Лабораторная работа 3

Последовательное соединение резистора

И конденсатора

Когда к цепи (рис. 3.1) с последовательным соединением резистора и катушки индуктивности подается переменное синусоидальное напряжение, один и тот же синусоидальный ток имеет место в обоих компонентах цепи.

Рис. 3.1

Между напряжениями U_R, U_С и U существуют фазовые сдвиги, обусловленные емкостным реактивным сопротивлением X_С. Они могут быть представлены с помощью векторной диаграммы напряжений (рис. 3. 2).

Рис. 3.2

Фазовый сдвиг между током I и напряжением на резисторе U_r отсутствует, тогда как сдвиг между этим током и падением напряжения на конденсаторе Uc равен 90° (т.е. ток опережает напряжение на 90). При этом сдвиг между полным напряжением цепи U и током I определяется соотношением между сопротивлениями Хс и R.

Если каждую сторону треугольника напряжений разделить на ток, то получим треугольник сопротивлений (рис. 3.3). В треугольнике сопротивлений Z представляет собой так называемое полное сопротивление цепи.

Рис. 3.3

Из-за фазового сдвига между током и напряжением в цепях, подобных данной, простое арифметическое сложение действующих или амплитудных значений напряжений на отдельных элементах цепи невозможно. Невозможно и сложение разнородных (активных и реактивных) сопротивлений. Однако в векторной форме

Действующее значение полного напряжения цепи, как следует из векторной диаграммы,

Полное сопротивление цепи:

Активное сопротивление цепи:

Емкостное реактивное сопротивление цепи:

Угол сдвига фаз

Экспериментальная часть

Задание

Для цепи с последовательным соединением резистора и конденсатора измерьте и вычислите действующие значения падений напряжения на резисторе U_r и конденсаторе U_C, ток I, угол сдвига фаз φ, полное сопротивление цепи Z и емкостное реактивное сопротивление Х_C и активное сопротивление R.

Порядок выполнения работы

· Соберите цепь согласно схеме (рис. 3.4), подсоедините регулируемый источник синусоидального напряжения и установите его параметры: U = 5 В, f = 1 кГц.

Рис. 3.4

· Выполните мультиметрами измерения действующих значений тока и напряжений, указанных в таблице 1.

Таблица 3.1

U, B	UR, B	UC, B	I, мА	φ, град.	R, Ом	ХΔ, Ом	Z, Ом	Примечание

· Вычислите:

Фазовый угол

Полное сопротивление цепи

Активное сопротивление цепи

Емкостное реактивное сопротивление цепи

·Выберите масштабы и постройте векторную диаграмму напряжений (рис. 5) и треугольник сопротивлений (рис. 6).

Рис. 3.5 Рис. 3.6

Контрольные вопросы:

1. Что называется периодом?
2. Что называется частотой?
3. Для переменного напряжения и тока записать выражения мгновенных напряжений и токов, дать определение амплитуды и начальной фазы.
4. Дать определение действующего напряжения (тока), указать его связь с амплитудой напряжения (тока).
5. Дать определения мгновенной и активной мощности.
6. Объяснить назначение приборов в измерительной цепи.
7. Какие элементы обладают активным сопротивлением.
8. Какой вид имеет временная диаграмма напряжений и тока при последовательном соединении R и C-цепей?
9. Изобразите треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей для цепи с активно-ёмкостной нагрузкой. Чем они отличаются от треугольников для активно-индуктивной нагрузки?

Лабораторная работа 4