چه چیزی مدار خازنی خالص است

مدار خازن محض

مداری که فقط شامل یک خازن محض با ظرفیت C (که به فاراد اندازه‌گیری می‌شود) است، مدار خازن محض نامیده می‌شود. خازن‌ها انرژی الکتریکی را در یک میدان الکتریکی ذخیره می‌کنند، و این ویژگی را ظرفیت (که گاهی به آن ".Condenser" هم می‌گویند) می‌نامند. ساختاری که یک خازن دارد شامل دو صفحه هدایت‌کننده است که توسط یک مedium دی الکتریک جدا شده‌اند - مواد دی الکتریکی معمول عبارتند از شیشه، کاغذ، میکا و لایه‌های اکسید. در یک مدار خازن AC ایده‌آل، جریان 90 درجه پیش از ولتاژ قرار می‌گیرد.

وقتی ولتاژ به دو طرف یک خازن اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی بین صفحات آن ایجاد می‌شود، اما هیچ جریانی از طریق مEDIUM دی الکتریک عبور نمی‌کند. با وجود یک منبع ولتاژ AC متغیر، جریان مداوم به دلیل فرآیندهای شارژ و دشارژ دوره‌ای خازن اتفاق می‌افتد.

توضیح و استنباط مدار خازن

یک خازن شامل دو صفحه عایق‌بندی شده است که توسط یک مEDIUM دی الکتریک جدا شده‌اند و به عنوان دستگاه ذخیره‌سازی انرژی برای بار الکتریکی عمل می‌کند. زمانی که به یک منبع تغذیه متصل می‌شود شارژ می‌شود و زمانی که قطع می‌شود دشارژ می‌کند. وقتی به یک منبع DC متصل می‌شود، به ولتاژی برابر با پتانسیل اعمال شده شارژ می‌شود، که نقش آن را به عنوان یک المان الکتریکی غیرفعال که مقاومت در برابر تغییرات ولتاژ دارد نشان می‌دهد.

فرض کنید ولتاژ متناوب اعمال شده به مدار با معادله زیر داده می‌شود:

بار خازن در هر لحظه زمانی با معادله زیر داده می‌شود:

جریان عبوری از مدار با معادله زیر داده می‌شود:

با قرار دادن مقدار q از معادله (2) در معادله (3) خواهیم داشت

حالا، با قرار دادن مقدار v از معادله (1) در معادله (3) خواهیم داشت

که در آن Xc = 1/ωC مقاومت واکنشی خازنی را نشان می‌دهد که مخالف جریان متناوب است. جریان به حداکثر مقدار خود می‌رسد زمانی که sin(ωt + π/2) = 1. بنابراین، جریان حداکثری I_m به صورت زیر بیان می‌شود:

با جایگذاری مقدار I_m در معادله (4) خواهیم داشت:

نمودار فازی و منحنی توان

در یک مدار خازن محض، جریان از طریق خازن 90 درجه پیش از ولتاژ قرار می‌گیرد. نمودار فازی و موج‌های ولتاژ، جریان و توان در زیر نشان داده شده‌اند:

در موج‌های بالا، منحنی قرمز جریان را نشان می‌دهد، منحنی آبی ولتاژ را و منحنی صورتی توان را. هنگامی که ولتاژ افزایش می‌یابد، خازن به حداکثر مقدار خود شارژ می‌شود و نیمه‌دوره مثبت را تشکیل می‌دهد؛ هنگامی که ولتاژ کاهش می‌یابد، خازن دشارژ می‌شود و نیمه‌دوره منفی را ایجاد می‌کند. با بررسی دقیق منحنی مشخص می‌شود که هنگامی که ولتاژ به حداکثر می‌رسد، جریان به صفر می‌رسد، یعنی در آن لحظه هیچ جریانی عبور نمی‌کند. هنگامی که ولتاژ به π می‌رسد و منفی می‌شود، جریان به حداکثر می‌رسد و خازن شروع به دشارژ می‌کند - و این چرخه شارژ و دشارژ ادامه دارد.

ولتاژ و جریان همزمان به حداکثر مقدار خود نمی‌رسند به دلیل اختلاف فاز 90 درجه‌ای که در نمودار فازی نشان داده شده است که جریان (Im) 90 درجه پیش از ولتاژ (Vm) قرار دارد. توان لحظه‌ای در این مدار خازن محض با p = vi تعریف می‌شود.

بنابراین، می‌توان از معادله فوق استنباط کرد که توان میانگین در یک مدار خازنی صفر است. توان میانگین در یک نیمه‌دوره به دلیل تقارن موج، که مساحت حلقه‌های مثبت و منفی یکسان است، صفر می‌شود.

در ربع اول دوره، توان توسط منبع ارائه شده در میدان الکتریکی بین صفحات خازن ذخیره می‌شود. در ربع بعدی، با تضعیف میدان الکتریکی، انرژی ذخیره شده به منبع بازگردانده می‌شود. این فرآیند دوره‌ای ذخیره و بازگشت انرژی به طور مداوم اتفاق می‌افتد و نتیجتاً هیچ مصرف نیروی خالص توسط مدار خازنی وجود ندارد.