Làm thế nào là hiện tại và điện áp ra khỏi pha trong mạch điện dung?

Chúng ta nói rằng trong mạch điện dung điện áp và dòng điện lệch pha. Hiện tại là 90 (độ) trước điện áp. Giải thích vật lý cho hiệu ứng này là gì? Làm thế nào dòng điện có thể chạy qua một mạch điện dung, khi điện áp bằng 0 tức là khi điện áp có góc pha bằng 0 và dòng điện có góc pha 90?

Nếu bạn muốn có được sự hiểu biết trực quan về cách điều này có thể đúng, trước tiên hãy xem xét một cuộn cảm, bởi vì điều này làm cho sự tương tự vật lý tốt hơn. Trong mạch điện xoay chiều có tải cảm ứng, điện áp dẫn dòng 90 độ. Nó ngược lại với tải điện dung.

Tại sao? Chà, một cuộn cảm giống như một cái bánh đà mang lại quán tính cho dòng điện. Tên thích hợp cho điện áp là suất điện động. Đó là, đó là một lực làm cho điện di chuyển. Khi điện di chuyển, chúng ta gọi nó là một dòng điện.

Hãy tưởng tượng một bánh đà. Quán tính góc (kích thước và trọng lượng) của bánh đà là giá trị của cuộn cảm. Điện áp là một lực bạn áp dụng cho bánh đà. Hiện tại là tốc độ bánh đà đang quay. Bây giờ, giả sử bạn áp dụng một lực cho bánh đà này. Nó không bắt đầu quay ngay lập tức. Thay vào đó, lực lượng bạn áp dụng tăng tốc nó. Bây giờ, bạn áp dụng lực theo hướng khác. Nó không ngay lập tức đảo ngược hướng. Đầu tiên nó phải chậm lại, và cuối cùng nó sẽ rẽ theo hướng khác. Nhưng vào thời điểm nó thực hiện điều này, bạn đã tiếp tục và đã thay đổi hướng lực lượng của bạn một lần nữa.

Nếu lực bạn tác dụng là hình sin và không có ma sát (lực cản) trong quá trình quay của bánh đà, thì tốc độ của bánh đà sẽ lệch 90 độ so với lực tác dụng lên nó.

Bây giờ, hãy phát triển một mô hình tinh thần tốt của một tụ điện , và xem xét cùng một loại điều. Nó sẽ có ý nghĩa hơn, chỉ với dòng điện và điện áp đảo ngược, hoặc sự dịch pha theo hướng khác.

Công thức cho dòng điện qua một tụ điện là:

I = C * (dV / dt)

D nhỏ là viết tắt của một thay đổi nhỏ, được gọi là delta (δ)
Điều này có nghĩa là thay đổi điện áp càng nhanh, dòng điện qua tụ điện càng cao. Các tụ điện hoạt động như một sự khác biệt.
Bây giờ nếu chúng ta kết nối một điện áp sóng hình sin qua một tụ điện, phép tính cho dòng điện là đạo hàm của điện áp này.

Từ phép tính, chúng ta biết rằng đạo hàm của sin (ωt) là ω cos (ωt):

Nếu chúng ta vẽ các giá trị này:

Bạn có thể thấy rằng khi điện áp thay đổi nhanh nhất (tại điểm giao nhau bằng 0) thì dòng điện ở mức tối đa và khi điện áp không thay đổi (ở cực đại của sóng hình sin) thì dòng điện bằng không. Chúng ta có thể thấy sự thay đổi pha 90 ° rõ ràng.
Điều này cũng giải thích tại sao một tụ điện chặn DC nhưng vượt qua AC.

Hãy nghĩ về một bể nước, nơi bạn có thể bơm nước vào hoặc ra để mức bể theo một sin theo thời gian. Bây giờ hãy nghĩ về những gì dòng nước đi vào bể trông giống như một chức năng của thời gian. Khi mức bể ở một trong hai đỉnh, nó không thay đổi nên không có dòng điện vào bể. Khi mức bể ở giữa (mức sin của bể là 0) là khi lượng nước tối đa được bơm vào hoặc ra, tùy thuộc vào mức nước bể đang trên đường lên hay xuống.

Nếu bạn nghĩ về điều này nhiều hơn, bạn nhận ra rằng dòng điện được bơm vào tỷ lệ thuận với tốc độ tăng của bể. Trong thuật ngữ toán học, hiện tại là đạo hàm của cấp độ. Bây giờ không khó để thấy rằng dòng điện cũng là một hình sin và đang dẫn đầu mức bể 90 °.

Một tụ điện là khá nhiều điều tương tự, ngoại trừ bây giờ mức bể là điện áp và dòng nước bây giờ là dòng điện.

Đã thêm vào để trả lời các bình luận:

Vâng, tôi biết đây không phải là một sự tương tự tuyệt vời về cách thức hoạt động của một tụ điện. Màng linh hoạt là một sự tương tự tốt hơn cho điều đó. Nhưng, câu hỏi không phải là về tụ điện là gì mà tại sao điện áp và dòng điện lệch pha nhau 90 °. Tôi nghĩ rằng sự tương tự xe tăng làm cho nó dễ hình dung hơn.

Trong một cuộn cảm, điện áp dẫn dòng điện, bởi vì trong một cuộn cảm, có lực cản trên dòng điện. Bạn có thể gọi nó là quán tính, nhưng về cơ bản nó là trường điện từ mà cuộn cảm tạo ra khi nó sinh ra năng lượng. Trường này cho "động lượng" hiện tại bởi vì khi điện áp cung cấp thay đổi, từ trường đã tự thiết lập sẽ cố gắng duy trì cùng một dòng điện, làm chậm "thời gian đáp ứng" của dòng điện. Trường cũng chống lại sức mạnh ban đầu, do cùng một "quán tính". Hãy tưởng tượng một anh chàng với một quả bóng thép bị xích vào chân - anh ta là điện áp và quả bóng là dòng điện anh ta đang kéo xung quanh anh ta. Một khi anh ấy có thể có được quả bóng lăn, nó không muốn dừng lại.

Mặt khác, tụ điện hoạt động bằng cách tải lên một phía của môi trường điện môi có electron. Lần này chúng ta có thể tưởng tượng cùng một anh chàng chỉ cày tuyết bằng xẻng tuyết. Tuyết (dòng điện) dẫn đầu lệch pha 90 độ vì điện áp ứng dụng tỷ lệ thuận với lượng electron (dòng điện) dư thừa được xếp chồng lên nhau ở một phía của tụ điện. Khi xẻng tuyết đầy, sẽ đến lúc chúng ta không thể đẩy thêm nữa - điện áp giữa tụ và nguồn cung cấp bằng không, tuy nhiên đo qua các đầu cực sẽ bằng điện áp cung cấp. Các electron chảy là chất xúc tác làm thay đổi điện áp khi nó đi qua tụ điện, do đó dòng điện dẫn pha.

Ý tưởng dịch pha có thể được hiểu và giải thích bằng trực giác bằng phương pháp tương tự nước. Hãy tưởng tượng bạn đổ đầy (hình sin) một con tàu bằng nước và bạn hình dung đồ họa quá trình này (chọn một nửa chiều cao nước tối đa là một mức 0 - mặt đất).

Sự giống nhau. Vì vậy, trước tiên bạn mở và sau đó đóng (hình sin) vòi cung cấp. Nhưng lưu ý, bất kể bạn đóng vòi (trong phần thứ hai của quy trình), mực nước vẫn tiếp tục tăng ... thật kỳ lạ khi bạn đóng vòi nhưng nước vẫn tiếp tục tăng ... Cuối cùng, vòi đóng hoàn toàn (dòng điện bằng không), nhưng mức nước (điện áp) là tối đa.

Bây giờ, tại thời điểm này, bạn phải thay đổi hướng dòng chảy (dòng điện) để làm cho mực nước giảm. Với mục đích này, bạn mở (và sau đó đóng) một vòi khác ở phía dưới để hút nước (bây giờ bạn rút một dòng điện từ tụ điện). Nhưng một lần nữa, bất kể bạn đóng vòi, mực nước vẫn tiếp tục giảm ... và điều kỳ lạ nữa là bạn đóng vòi nhưng nước vẫn tiếp tục rơi. Cuối cùng, bạn đã đóng hoàn toàn vòi (dòng không), nhưng mức nước sẽ âm tối đa (điện áp âm tối đa).

Vì vậy, ý tưởng cơ bản đằng sau tất cả các loại yếu tố như vậy lưu trữ các đại lượng giống như áp lực (nước, không khí, cát, tiền, dữ liệu ...) được tích hợp có tên là:

Chỉ có thể thay đổi dấu hiệu của lượng tử giống như áp suất đầu ra bằng cách thay đổi hướng của đại lượng giống như dòng chảy đầu vào (dòng điện, lưu lượng nước, lưu lượng không khí, v.v.); không thể thay đổi bằng cách thay đổi cường độ của đại lượng giống như dòng chảy.

Tụ điện. Bây giờ chúng ta hãy giải thích hiện tượng này hoàn toàn bằng điện. Hãy tưởng tượng chúng ta lái một tụ điện bằng một nguồn dòng hình sin ("nguồn hiện tại" có nghĩa là nó tạo ra và truyền một dòng điện hình sin bất chấp tất cả). Bất kể điện áp (giảm) trên tụ là gì - không (tụ trống), dương (tụ tích điện) hoặc thậm chí âm (tụ tích điện ngược), nguồn hiện tại của chúng tôi sẽ truyền dòng mong muốn với hướng mong muốn qua tụ. Điện áp trên tụ không cản trở dòng điện (nó cản trở nhưng nguồn hiện tại bù cho nó).

Vì vậy, cho đến khi dòng điện đầu vào là dương (hãy tưởng tượng sóng nửa hình sin dương), nó đi vào tụ điện và điện áp của nó liên tục tăng bất chấp cường độ của dòng điện (chỉ tốc độ thay đổi thay đổi) ... Hãy tưởng tượng ... dòng điện nhanh chóng tăng -> chậm lại -> giảm nhanh chóng ... và cuối cùng trở thành số không. Tại thời điểm này có một điện áp tối đa (thả) trên các tụ điện.

Do đó, ở điện áp cực đại trên tụ điện, không có dòng điện qua nó ... Bây giờ dòng điện thay đổi hướng của nó và bắt đầu tăng nhanh trở lại -> chậm lại -> giảm nhanh chóng ... và trở lại bằng 0 ... và một lần nữa và một lần nữa và một lần nữa ...

Vì vậy, trong sự sắp xếp này, sự dịch pha không đổi và chính xác 90 độ do nguồn dòng đầu vào lý tưởng bù cho điện áp (tổn thất) bằng cách nào đó trên tụ điện.

Mạch RC. Bây giờ chúng ta hãy xem xét các mạch RC phổ biến. Đầu tiên, hãy xây dựng nó. Vì việc điều khiển tụ điện trực tiếp bằng nguồn điện áp là không chính xác, chúng ta phải điều khiển nó bằng nguồn hiện tại. Với mục đích này, chúng ta hãy kết nối một điện trở giữa nguồn điện áp và tụ điện để chuyển đổi điện áp đầu vào thành một dòng điện; vì vậy, điện trở hoạt động ở đây như một bộ chuyển đổi điện áp thành dòng .

Hãy tưởng tượng điện áp đầu vào VIN thay đổi theo cách hình sin. Ban đầu, điện áp tăng nhanh và dòng I = (VIN - VC) / R chảy từ nguồn đầu vào qua điện trở và đi vào tụ điện; điện áp đầu ra bắt đầu tăng lười biếng. Sau một thời gian, điện áp đầu vào đạt đến đỉnh sin và sau đó bắt đầu giảm. Nhưng cho đến khi điện áp đầu vào cao hơn điện áp trên tụ, dòng điện tiếp tục chạy theo cùng một hướng. Như trên, điều kỳ lạ là điện áp đầu vào giảm nhưng điện áp tụ vẫn tiếp tục tăng. Nói một cách hình tượng, hai điện áp di chuyển với nhau và cuối cùng gặp nhau. Tại thời điểm này, hai điện áp trở nên bằng nhau; dòng điện bằng không và điện áp tụ là tối đa. Điện áp đầu vào tiếp tục giảm và trở nên nhỏ hơn điện áp tụ.

Điều rất thú vị là tụ điện hoạt động như một nguồn điện áp "đẩy" dòng điện vào nguồn điện áp đầu vào hoạt động như một tải. Trước khi nguồn là một nguồn và tụ điện là một tải; Bây giờ, nguồn là một tải và tụ điện là một nguồn ...

Vì vậy, thời điểm hai điện áp trở nên bằng nhau và dòng điện thay đổi hướng của nó là thời điểm của điện áp đầu ra tối đa. Lưu ý, nó phụ thuộc vào tốc độ thay đổi (tần số) của điện áp đầu vào: tần số càng cao, khi điện áp cực đại trên tụ càng thấp ... càng về sau thời điểm ... càng lớn thì sự dịch pha giữa hai điện áp là ... Ở tần số tối đa, điện áp trên tụ không thể di chuyển khỏi mặt đất và thời điểm thay đổi hướng hiện tại là khi điện áp đầu vào vượt qua 0 (tình huống tương tự như sự sắp xếp của nguồn cung cấp dòng điện tụ điện).

Kết luận là, trong cách sắp xếp này, sự dịch pha thay đổi từ 0 đến 90 độ khi tần số thay đổi từ 0 đến vô cùng do nguồn đầu vào không hoàn hảo không thể bù được điện áp rơi (tổn thất) trên tụ.

Những giải thích này dựa trên một cuộc thảo luận Wikipedia cũ .

Trong một mạch cảm ứng, emf phía sau được tạo ra ban đầu rất cao vì cuộn dây bị mất điện và sự thay đổi điện áp đặt trên nó là tối đa. Điều này trở lại emf chống lại dòng chảy ban đầu. Khi điện áp đặt trên cuộn cảm trở về 0, từ thông được tạo ra trước khi tạo ra dòng điện gọi là dòng dư còn lại ngay cả sau khi đã đạt đến không. Do đó mạch cảm ứng tạo ra độ trễ.

Tôi không có một lời giải thích phù hợp cho dây dẫn hiện tại trong mạch điện dung, điều này đã giúp tôi nhớ khái niệm hàng đầu: Khi điện áp đặt trên tụ điện tăng theo một hướng, nó sẽ sạc và khi nó giảm, nó sẽ phóng điện. Về cơ bản nó lưu trữ phí khi điện áp đang tăng. Nhưng khi đạt được điện dung, nó sẽ không rút ra bất kỳ dòng điện nào ngay cả khi điện áp đang tăng. Tương tự như vậy trong khi phóng điện, tụ điện được xả trước khi điện áp về 0 thì nó không thể cung cấp dòng điện nữa. Do đó dẫn điện dung mạch.

4) Lúc đầu, chúng ta nên biết rằng điện áp tạo ra từ một máy quay là loại hình sin, tức là mỗi chu kỳ có 4 phần tư. Quý 1 - tăng giảm, quý 2 - tăng giảm, quý 3 - tăng giảm ngược, và quý 4 - tăng giảm ngược. Trong một tụ điện, trong góc phần tư AC thứ nhất (tăng giảm), quá trình sạc xảy ra và emf phía sau tích tụ từ 0 đến điện áp nguồn với sự tích điện dần dần. Ở đây có 2 điều cần lưu ý: Thứ nhất: Vì điện áp xoay chiều là loại hình sin, nên mức tăng biên của nó là loại rủ xuống (đại diện bởi chức năng Cos). Ví dụ, mẫu điện áp tức thời ở khoảng thời gian tiếp theo sẽ là v1 = 20, v2 = 35, v3 = 48, v4 = 58, v5 = 66, v.v. Thứ hai: Trong một quá trình sạc liên tục, trong khi nguồn là một số điện áp nói v3, tụ điện đạt được điện áp nguồn trước đó (giả sử v2) ngay lập tức. Vì dòng điện tức thời xảy ra do sự khác biệt của điện áp tức thời (so với PVC) tại bất kỳ thời điểm nào; do đó, với sự tiến bộ của thời gian, sự chênh lệch điện áp bị giảm xuống, dòng điện tức thời giảm dần. Tại thời điểm cực đại nguồn-điện áp, chênh lệch biên gần như bằng không; do đó dòng điện tức thời bằng không. Các tụ điện trở nên bão hòa. (Lưu ý: vì điện trở rất nhỏ, thời gian tăng trưởng không đáng kể vì hằng số thời gian τ = RC tức là điện áp tụ đạt được điện áp nguồn gần như ngay lập tức. Tuy nhiên, trong khi vs = vmax Sin ωt, vc = vmax Sin (t - )) Back-emf này được coi như là một điện trở tương đương với mạch điện trở, được gọi là điện kháng. Phản ứng tức thời (xc) là một tham số dựa trên thời gian, thay đổi từ 0 đến vô hạn không giống như điện trở không đổi. Để đơn giản, độ phản ứng trung bình (Xc) được sử dụng trong ứng dụng chung và được đo bằng Vmax khi kết thúc quá trình sạc chia cho Imax khi bắt đầu sạc (không có ý nghĩa!). Tôi đã giải thích quá trình sạc. Tương tự, quá trình xả, sạc ngược, xả ngược có thể được hình dung. Điều này tương tự như làm đầy bể thủy lực. xả ngược có thể được hình dung. Điều này tương tự như làm đầy bể thủy lực. xả ngược có thể được hình dung. Điều này tương tự như làm đầy bể thủy lực.