Rent Kondensatorstrømkrets
En strømkrets som består av en rent kondensator med kapasitans C (målt i farad) kalles en Rent Kondensatorstrømkrets. Kondensatorer lagrer elektrisk energi i et elektrisk felt, en egenskap kjent som kapasitans (også referert til som en "kondensator"). Strukturelt sett består en kondensator av to ledende plater separert av et dielektrisk medium - vanlige dielektriske materialer inkluderer glass, papir, mika og oksidlag. I en ideell AC-kondensatorstrømkrets fører strømmen spenningsvinkelen med 90 grader.
Når spenning påføres over en kondensator, opprettes et elektrisk felt mellom platene, men ingen strøm går gjennom dielektrikumet. Med en variabel AC-spenning kilde forekommer det kontinuerlig strømflyt på grunn av kondensatorens sykliske lading og avlading prosesser.
Forklaring og Derivering av Kondensatorstrømkrets
En kondensator består av to isolerte plater separert av et dielektrisk medium, som fungerer som en energilagringsenhet for elektrisk ladning. Den lades når den kobles til en strømkilde og avlades når den frakobles. Når den kobles til en DC-strømkilde, lades den opp til et spenning lik den påførte potensialdifferansen, noe som illustrerer dens rolle som et passivt elektrisk komponent som motarbeider endringer i spenning.
La den alternerende spenningen som påføres strømkretsen være gitt ved ligningen:
Ladningen i kondensatoren på ethvert tidspunkt er gitt som:
Strømmen som flyter gjennom strømkretsen er gitt ved ligningen:
Ved å sette verdien av q fra ligning (2) inn i ligning (3) får vi
Nå, ved å sette verdien av v fra ligning (1) inn i ligning (3) får vi
Der Xc = 1/ωC angir motstand mot alternerende strømflyt fra en ren kondensator, kjent som kapasitiv reaktans. Strømmen når sitt maksimale verdi når sin(ωt + π/2) = 1. Således uttrykkes den maksimale strømmen Im som:
Ved å sette inn verdien av Im i ligning (4) får vi:
Fasevektor Diagram og Effekt Kurve
I en ren kondensatorstrømkrets fører strømmen spenningen med en fasevinkel på 90 grader. Fasevektordiagrammet og bølgemønstrene for spenning, strøm og effekt er illustrert nedenfor:
I bølgemønsteret ovenfor representerer den røde kurven strømmen, den blå kurven angir spenningen, og den rosa kurven indikerer effekten. Når spenningen øker, lades kondensatoren opp til sin maksimale verdi, danner en positiv halvsyklus; som spenningen synker, avlades kondensatoren, skaper en negativ halvsyklus. En nøye undersøkelse av kurven viser at når spenningen nådde sin topp, synker strømmen til null, betyr at ingen strøm flyter på det tidspunktet. Som spenningen synker til π og blir negativ, når strømmen sin topp, utløser kondensator avlading - og denne lading-avladingssyklusen fortsetter.
Spenning og strøm når aldri deres maksima samtidig på grunn av deres 90° faseforskjell, som vist i fasevektordiagrammet hvor strømmen (Im) fører spenningen (Vm) med π/2. Den øyeblikkelige effekten i denne ren kondensatorstrømkretsen defineres ved p = vi.
Således kan det deduseres fra ovenstående ligning at den gjennomsnittlige effekten i en kapasitiv strømkrets er null. Gjennomsnittlig effekt over en halvsyklus er null på grunn av symmetrien i bølgemønsteret, hvor de positive og negative løkkearealene er identiske.
Under den første kvartalsperioden lagres effekten som leveres av kilden i det elektriske feltet som opprettes mellom kondensatorplaterne. I den neste kvartalsperioden, som det elektriske feltet dissiperes, returneres den lagrede energien til kilden. Denne sykliske prosessen med energilagring og retur foregår kontinuerlig, noe som resulterer i ingen netto effektforbruk av kondensatorstrømkretsen.