Як конденсатор може зберігати заряд, одночасно пропускаючи струм?

9

Часто кажуть, що конденсатори зберігають заряд. Щойно читаючи Вікіпедію , я знаходжу:

Деніел Гралат першим поєднав кілька банок паралельно в «акумулятор», щоб збільшити ємність зберігання заряду . Бенджамін Франклін дослідив банку Лейдена і дійшов висновку, що заряд зберігається на склі, а не у воді, як припускали інші.

Оскільки провідники (або пластини) розташовані близько один до одного, протилежні заряди на провідниках притягують один одного за рахунок їх електричних полів, що дозволяє конденсатору зберігати більше заряду для заданої напруги, ніж якщо провідники були розділені, надаючи конденсатору велику ємність .

Тут Q - заряд, що зберігається в конденсаторі

Заряд вимірюється в кулобах, і я знаю з визначення ємності, що якщо конденсатор 1F має напругу 1В, то в ньому зберігається 1С заряду. Якщо кулон дорівнює 6,241 × 10 ¹⁸ електронів, то десь у цьому конденсаторі має бути 6,241 × 10 ¹⁸ електронів.

Але тепер розглянемо це. Якщо я використовую конденсатор в якості навантаження на якесь джерело змінного струму, то буде протікати деякий струм (точна кількість залежно від напруги, частоти та ємності):

схематичний

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Я знаю, що навколо цього контуру протікає струм, тому що якщо я покладу лампочку з обох боків конденсатора, вона загориться. Але якщо струм тече навколо цієї схеми, як конденсатор "зберігає заряд"? Іншими словами, як я можу коли-небудь покласти електрони в конденсатор, якщо струм протікає по ланцюгу, це означає, що для всіх електронів, які я вкладаю в конденсатор, стільки ж виходять з іншого боку? Якщо я не можу вставити електрони, не виймаючи їх, то як конденсатор може їх зберігати?

capacitor charge

— Філ Мороз
джерело

1

Я люблю бачити софіста на роботі.

— JIm Dearden

Якщо ви намагаєтесь зробити думку про низьку якість інформації у Вікіпедії, я б хотів, щоб ви зробили це безпосередньо. Випадковий читач (а їх тут багато) припустить, що запис у Вікіпедії правильний, і ви чомусь "просто не розумієте цього".

— Джо Хасс

2

@JoeHass Я можу навести вам 100 речей, які не є Вікіпедією, які говорять про "зберігання плати". Я ніколи не чув про таке використання, або використовував його сам, ти мусиш жити під скелею або забув, що таке вчитися електроніці.

— Філ Мороз

4

Я використовував його, я все ще використовую його, але коли я говорю про конденсатори, я намагаюся підкреслити, що ми часто недбалі в нашій мові, що коли ми говоримо про конденсатори, що зберігають заряд, правильно сказати, що вони накопичують енергію. У мене багато шкідливих звичок, і це одна з них ... ми завжди повинні намагатися використовувати правильну мову на користь новачків, які не знають, що ми насправді маємо на увазі. Чи не можемо ми прагнути бути кращими?

— Джо Хасс

13

Це легко. Конденсатор не зберігає заряд, він зберігає енергію . Чистий заряд у повному конденсаторі (замість того, щоб розглядати одну пластину чи ізолятор) ніколи не змінюється. Збільшення від'ємного заряду на одній пластині точно врівноважується зменшенням негативного заряду на іншій пластині. Тому, коли струм надходить в один термінал, рівний струм повинен покинути інший.

— Джо Хасс
джерело

1

Пляма на; заряд відокремлюється в зарядженому конденсаторі, тобто електрони 'перекачуються' від однієї пластини до іншої пластини через зовнішній контур.

— Альфред Кентаврі

1

(+1) Я хотів би, щоб я міг підняти +10! Це одне з найпоширеніших оманів щодо конденсаторів! Я виявив, що BS «заряджає накопичувачем» у всіх видах документів: від середніх шкіл до наукових робіт! Я думаю, що більша частина плутань пов'язана з тим, як зазвичай навчають електростатики: спочатку поясніть, як металевий корпус може утримувати заряди, потім введіть конденсатор, ніколи не пояснюючи, що в нормальній роботі ніхто не заряджає заряд просто на одну тарілку!

— Лоренцо Донаті - Codidact.org

Що стосується зарядженого конденсатора? Чому з часом струм через конденсатор не протікає?

— Гіга-байт

8

Це свого роду версія мультфільму, але це працює в моїй голові.

У конденсаторі є щільний зазор, тому окремі електрони не можуть переходити від одного терміналу до іншого. Так що входять електрони - це не ті самі, що виходять з іншої сторони! Натомість вхідні електрони "зупиняються" на одній пластині. Але електричне поле цього електрона відштовхує електрон з іншої сторони, який виходить з іншої пластини, врешті-решт досягаючи джерела. У нас є повний контур, але на одній пластині накопичуються електрони, а на іншій - отвори!

Тепер є обмеження, скільки електронів може накопичитись на пластині. Електрони відштовхують один одного, тому чим більше їх, тим важче приклеїти ще один. Нам потрібно щось, що змушує їх залишатися на тарілці разом. Це напруга. І навпаки, той факт, що електрони намагаються відштовхувати один одного - це також напруга, сила, яка намагається перемістити електрони навколо ланцюга.

Тепер, коли вхідний електрон збиває один вільний від другої пластини, вихідний електрон має менше енергії, ніж вхідний, що пояснює падіння напруги через заряджений конденсатор.

Звичайно, електрони не тримаються на місці, навіть якщо їм нікуди не рухатись на макромасштабі. Всі вони відштовхуються один від одного, «відскакуючи» від електричного поля один одного. Якщо ці поля будуть надто інтенсивними (напруга стає занадто високою), взаємодії можуть спричинити проникнення електрона до діелектричного бар'єру між пластинами. Коли напруга на плитах стає занадто високою, струм витоку ковпачка збільшується. І якщо це триває занадто довго, діелектрик пошкоджується, і ви вже не маєте дуже гарного ковпачка.

— Стівен Коллінгз
джерело

6

Це питання, де ці кулони знаходяться в конденсаторі. Розрядний ковпачок має приблизно рівну кількість електронів на кожній пластині, тому пластини електрично нейтральні. Заряджена кришка має більше електронів на одній пластині, ніж на іншій, оскільки вони мігрували в процесі зарядки. Гідроеквівалент був би таким, як два басейни, розділені тонкою мембраною, галон води в кожному. Коли вони рівні, на мембрану немає сили. Але перекачайте всю цю воду в один з басейнів, і тепер на мембрану є сила, навіть якщо там стільки ж води.

— Стівен Коллінгс

4

@PhilFrost, якщо він зберігає 1 C негативного заряду на одній тарілці, це правда, що в той же час він також зберігає 1 C позитивного заряду на іншій. Якщо ви не хочете називати це "зберігання плати", можете називати його все, що завгодно. Але інша частина електроніки вирішила, що це законний вживає слово "зберігання", і ніхто не збирається вас розуміти, коли ви говорите, що конденсатори замість цього "зонколізують" заряд.

— The Photon

1

@ThePhoton гарний момент! Вам слід написати відповідь.

— Філ Мороз

5

Можна стверджувати, що не конденсатор зберігає заряд, це окремі пластини, які зберігають заряд. Я підозрюю, що з цього ми почали, і це стало мовним скороченням.

— Стівен Коллінгс

1

@ ThePhoton, тому я кажу, що в конденсаторі заряд відокремлюється, а не зберігається . Конденсатор, в контексті ланцюга, є електрично нейтральним, тому не можна реально сказати, що він накопичує електричний заряд, але дійсно можна сказати, що

Q

$Q$ плата була відокремлена (

Q

$Q$ заряд на одній тарілці і

- Q

$-Q$ заряд на іншій тарілці). У той час як "ті, хто знає", більш-менш розуміють грок, що "заряд зберігається" означає "заряд на одній тарілці, збалансований іншою табличкою", ті "не знають", швидше за все, плутаються в цьому "зберіганні заряду" фразу, ніж просвітлену.

— Альфред Кентаврі

4

Зарядка може означати багато речей. Ми можемо говорити про заряджання конденсатора енергією, як, наприклад, ми заряджаємо бомби або передплачуємо кредитні картки. Ми також можемо взяти електричний заряд , який вимірюється в кулонах.

Близько 6,241 × 10 ¹⁸ електронів дійсно робить 1С заряду. Однак, коли люди говорять про заряд в конденсаторі , вони не говорять про електрони в конденсаторі, як можна було б говорити про печиво в банці з печивом. Вони говорять про щось інше. Це заплутано, але все одно це роблять.

Те, про що вони насправді говорять, - це інтеграл струму. Тобто середній струм, який протікає, разів, скільки часу він протікав. Якщо струм вимірюється в амперах , а час у секундах, то, коли ви берете струм і множите його на час, ви отримуєте річ, виміряну в амперсекундах. І, якщо ви пам’ятаєте, ампер означає один кулон на секунду. Таким чином:

А = \frac{1 С}{с} 1 А \cdot с = \frac{1 С}{с} \cdot с = 1 С

$A = \frac{1C}{s} \\ 1A\cdot s = \frac{1C}{s} \cdot s = 1C$

Тобто ампер-секунда - це кулон. Інтеграл струму - заряд . Отже, коли хтось каже, що конденсатор "зберігає 1С заряду", це не означає, що в конденсаторі є 1С електронів, вони означають, що 1С заряду пройшов через конденсатор. Конденсатор "зберігає" стільки заряду, в тому сенсі, що він містить достатньо енергії, щоб відбити 1С заряду в інший бік.

— Філ Мороз
джерело

Як не дивно, ви збільшуєте залишок передплаченої кредитної картки, стягуючи її, а також зменшуєте залишок, стягуючи її.

— користувач253751

1

Про конденсатор краще думати як про накопичувач енергії, ніж про накопичувач заряду. Коли струм надходить у конденсатор, на клемах накопичується напруга. Ця напруга розділяється на відстань між пластинами і таким чином створює електричне поле. Це поле, де зберігається енергія. Індуктори, з іншого боку, зберігають енергію з магнітними полями.

По мірі течії струму на кожній протилежній пластині конденсатора накопичуються протилежні заряди. Електрони намагаються обійти ланцюг, але вони зупиняються на пластині конденсатора, залишаючи негативний заряд з одного боку і позитивний заряд з іншого. Величину кожного заряду можна описати рівнянням:

C = Q / V

Струм буде продовжувати текти, а заряд буде продовжувати накопичуватися, поки схема з конденсатором не буде стабільною. Наприклад, якби ланцюг був просто акумулятором, резистором та конденсатором послідовно, струм продовжував би текти, поки напруга конденсатора не дорівнювало напрузі акумулятора. Таким чином, у постійному контурі постійного струму, де не змінюються струми, конденсатор з'являється як відкрита схема з накопиченим зарядом, пропорційним напрузі на клемах та ємності.

Однак для будь-якої схеми, яка не є постійним струмом, кращим способом описати поведінку конденсаторів є:

I = C * (дВ / дт)

Тому, якщо у вас є джерело напруги синусоїди, струм, що протікає "через" конденсатор, постійно змінюється, і накопичений заряд ніколи не є стійким. Уявіть, що можна перекинути наполовину повну пляшку води туди-сюди. Вода не тече постійно, як струм в ланцюзі постійного струму, але все одно працює. Якби у вас була якась химерна турбінна установка у пляшці з водою, вона б постійно крутилася, зупиняючись лише змінюючи напрямок, коли пляшка перекинута в інший бік.

Нарешті, в ланцюзі постійного струму на кожній бічній пластині конденсатора зберігаються рівні і протилежні заряди. Конденсатор взагалі не зберігає електрони. У ньому зберігається плата. Електрони з одного боку пересуваються по ланцюгу в іншу сторону, спровоковані зовнішньою різницею напруги. Результатом є концентрація електронів з одного боку та відсутність з іншого, заряд. У ланцюзі змінного струму таке ж явище трапляється, але постійно змінюється. Як тільки напруга живлення змінюється, електрони не притягуються до пластин однаково і починають мобілізуватися. Якщо ці електрони по дорозі проходять через навантаження, як лампочка, вони зроблять роботу, і лампочка включиться. Таким чином, струм фактично не тече навколо ланцюга. Це просто ляскає туди-сюди, як вода у пляшці. Однак, все, що потрібно для запалювання лампочки, - це переміщення електронів. Лампочку не хвилює, яким шляхом вони рухаються, і ваші очі не можуть сприймати зміну напрямку, поки швидкість перемикання буде досить швидкою.

Я також хотів би зазначити, що ми говоримо про ідеальні конденсатори. На практиці при досить високих частотах конденсатори будуть схожі на індуктори (V = L * (di / dt)).

Редагувати:

Щоб відповісти на конкретне питання: Де зберігається заряд в конденсаторі?

Всередині повного конденсатора не зберігається чистий заряд. Однак, використовуючи паралельну модель пластини , рівні і протилежні заряди величини Q розташовані на кожній із пластин. Коли на конденсатор подається зовнішня напруга, електрони тікають з пластини з більш високим потенціалом і притягуються до пластини з меншим потенціалом. Ці накопичені електрони утворюють на цій пластині негативний заряд, а відсутність електронів з іншої пластини утворює позитивний заряд. Фактична величина кожного, сумарного заряду Q визначається напругою V та ємністю C.

— Юстін Тржецяк
джерело

Я збентежений. Ви кажете "Конденсатор взагалі не зберігає електрони. Він зберігає заряд". Але ви також говорите "C = Q / V", і Q тут не заряд , а заряд у кулонах. Якщо C = 1F і V = 1V, то Q = 1C. Де мій 1С електронів? Чи рівні і протилежні заряди зберігаються тільки в ланцюгах постійного струму?

— Філ Мороз

Коли я кажу, що він не зберігає електронів, я намагаюся сказати, що в ланцюг не вводяться нові електрони. Що сталося, це те, що електрони були рівномірно розподілені на обох пластинах конденсатора (без заряду). Потім, коли в ланцюзі подається напруга, електрони з однієї сторони переходять на іншу сторону. Q відображає величину заряду з обох сторін. Це явище трапляється і з ланцюгами змінного струму. Однак вона завжди змінюється. Подумайте про банківський рахунок. Тут зберігаються гроші. Однак кількість грошей, яку вона зберігає, завжди змінюється.

— Джастін Тржецяк

Але в банківський рахунок я вкладаю гроші, і тоді на рахунку є набагато більше грошей, ніж у мене, коли я починав. Потім я беру гроші назад. Я бачу, що ви говорите, при цьому "зберігається заряд" насправді є рівними та протилежними зарядами на кожній тарілці, але я думаю, що відповідь можна було б відредагувати, щоб зробити це більш зрозумілим. Питання не в тому, що таке конденсатори, як вони працюють чи що вони роблять, а лише про те, де зберігається «заряд».

— Філ Мороз