چه چیزی مدار خازنی خالص است

مدار خازن خالص

مداری که فقط شامل یک خازن خالص با ظرفیت C (که به فاراد اندازه‌گیری می‌شود) است، به عنوان مدار خازن خالص شناخته می‌شود. خازن‌ها انرژی الکتریکی را در یک میدان الکتریکی ذخیره می‌کنند، ویژگی‌ای که به آن ظرفیت (به طور جایگزین "کنденسور" نیز نامیده می‌شود) گفته می‌شود. ساختاری که یک خازن دارد شامل دو صفحه هدایت‌کننده است که توسط یک ماده دی‌الکتریک از هم جدا شده‌اند- مواد دی‌الکتریک معمول عبارتند از شیشه، کاغذ، میکا و لایه‌های اکسید. در یک مدار خازن AC ایده‌آل، جریان نسبت به ولتاژ با زاویه فازی ۹۰ درجه پیش می‌آید.

وقتی ولتاژ به دو سر یک خازن اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی بین صفحات آن ایجاد می‌شود، اما هیچ جریانی از طریق ماده دی‌الکتریک عبور نمی‌کند. با یک منبع ولتاژ AC متغیر، جریان مداوم به دلیل فرآیندهای شارژ و دشارژ متناوب خازن رخ می‌دهد.

توضیح و استخراج مدار خازن

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

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

بار خازن در هر لحظه به صورت زیر داده می‌شود:

جریان عبوری از مدار توسط 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 نشان‌دهنده مقاومت در برابر جریان متناوب توسط یک خازن خالص است، که به آن راکتانس خازنی می‌گویند. جریان به حداکثر مقدار خود می‌رسد وقتی sin(ωt + π/2) = 1. بنابراین، جریان حداکثری Im به صورت زیر بیان می‌شود:

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

نمودار فازی و منحنی توان

در یک مدار خازن خالص، جریان از طریق خازن نسبت به ولتاژ با یک زاویه فازی ۹۰ درجه پیش می‌آید. نمودار فازی و موج‌نماهای ولتاژ، جریان و توان در زیر نشان داده شده‌اند:

در موج‌نما بالا، منحنی قرمز نشان‌دهنده جریان، منحنی آبی نشان‌دهنده ولتاژ و منحنی صورتی نشان‌دهنده توان است. وقتی ولتاژ افزایش می‌یابد، خازن به حداکثر مقدار خود شارژ می‌شود و یک نیمه‌دوره مثبت تشکیل می‌دهد؛ وقتی ولتاژ کاهش می‌یابد، خازن دشارژ می‌شود و یک نیمه‌دوره منفی ایجاد می‌کند. بررسی دقیق منحنی نشان می‌دهد که وقتی ولتاژ به حداکثر مقدار خود می‌رسد، جریان به صفر می‌رسد، به این معنی که در آن لحظه هیچ جریانی عبور نمی‌کند. وقتی ولتاژ به π کاهش می‌یابد و منفی می‌شود، جریان به حداکثر مقدار خود می‌رسد و خازن شروع به دشارژ می‌کند- و این چرخه شارژ-دشارژ ادامه می‌یابد.

ولتاژ و جریان همزمان به حداکثر مقدار خود نمی‌رسند به دلیل تفاوت فازی ۹۰ درجه‌ای آنها، که در نمودار فازی نشان داده شده است که جریان (Im) نسبت به ولتاژ (Vm) با π/2 پیش می‌آید. توان لحظه‌ای در این مدار خازن خالص توسط p = vi تعریف می‌شود.

بنابراین، می‌توان از معادله بالا نتیجه گرفت که توان متوسط در یک مدار خازنی صفر است. توان متوسط در نیمه‌دوره به دلیل تقارن موج‌نما، که مساحت حلقه‌های مثبت و منفی یکسان است، صفر می‌شود.

در ربع دوره اول، توان توسط منبع ارائه شده در میدان الکتریکی بین صفحات خازن ذخیره می‌شود. در ربع دوره بعدی، با افت میدان الکتریکی، انرژی ذخیره شده به منبع بازگردانده می‌شود. این فرآیند مداوم ذخیره و بازگشت انرژی به طور مداوم اتفاق می‌افتد، که منجر به عدم مصرف توان خالص توسط مدار خازن می‌شود.