Συμπεριφορά πυκνωτών και πηνίων στο συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα

Ο πυκνωτής και το πηνίο είναι δύο ηλεκτρικά στοιχεία κυκλώµατος που συµπεριφέρονται µε διαφορετικό τρόπο στις συνθήκες συνεχούς και εναλλασσόµενης τάσης.

ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΣΤΟ ΣΥΝΕΧΕΣ ΡΕΥΜΑ

Ο πυκνωτής σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος δημιουργεί διακοπή ρεύματος στο κύκλωμα, με εξαίρεση το αρχικό χρονικό διάστημα της φόρτισής του.

Σε ένα κύκλωμα που τροφοδοτείται από συνεχές ρεύμα, ο πυκνωτής αρχίζει να διαρρέεται από ένα ισχυρό ρεύμα που ελαττώνεται μέχρι αυτός να φορτιστεί πλήρως σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Όταν ο πυκνωτής φορτιστεί πλήρως, τότε διακόπτεται η ροή του ρεύματος και στα άκρα του εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού (τάση).

Σε αντίθεση µε την αντίσταση που καταναλώνει ενέργεια ο πυκνωτής έχει την ικανότητα να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια υπό την µορφή φορτίων (φόρτιση πυκνωτή) και µετά να την ελευθερώνει (αποφόρτιση) ακριβώς όπως ένα ελατήριο. Προσέξτε, δεν παράγει φορτίο αλλά αποθηκεύει αυτό που παράγεται από την πηγή τάσης V.

Επίσης, σε αντίθεση µε την αντίσταση ο φορτισµένος πυκνωτής έχει πολικότητα (όπως µια πηγή τάσης), αλλά δεν επιτρέπει την ροή των φορτίων – ρεύµατος διαµέσου του.

Δείτε το παρακάτω πείραμα

Στο παρακάτω video έχουμε συνδέσει με συνεχή τάση έναν πυκνωτή σε σειρά με ένα ροοστάτη για να μεταβάλλουμε το ρεύμα. Επίσης έχουμε βάλει και ένα αμπερόμετρο για να μετράει την ένταση στο κύκλωμα καθώς και ένα βολτόμετρο για να μετράει την τάση στα άκρα του πυκνωτή.

‘Όταν δεν υπάρχει τάση το αμπερόμετρο δείχνει 0Α και το βολτόμετρο δείχνει 0,4V

Όταν συνδέσω την τάση της μπαταρίας, και με το ροοστάτη σε κάποια θέση, τότε θα κυκλοφορήσει αμέσως ρεύμα 13,2Α και η τάση στον πυκνωτή θα ανέβει στα 1,7V που σημαίνει ότι ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζει.

Στη συνέχεια η ένταση αρχίζει να πέφτει και η τάση να ανεβαίνει.

Λίγο πριν μηδενίσει το ρεύμα (0,02Α) και σταματήσει η φόρτιση του πυκνωτή, με τη βοήθεια του ροοστάτη, επιτρέπω στην μπαταρία να δώσει ακόμα υψηλότερο ρεύμα  και βλέπω ότι η φόρτιση του πυκνωτή θα συνεχιστεί μέχρι πάλι να μηδενίσει η ένταση.

Σε αυτό το σημείο λοιπόν της πλήρους φόρτισης του πυκνωτή, η ένταση του ρεύματος θα είναι μηδέν και η τάση στα άκρα του πυκνωτή 18,6V.

Στη συνέχεια αποσυνδέω την μπαταρία και στη θέση της βάζω ένα φορτίο από led.

Θα παρατηρήσω ότι μόλις βάλω το φορτίο η ένταση του ρεύματος θα ανέβει ξαφνικά στα 9,8Α και στη συνέχεια θα αρχίσει να πέφτει μέχρι να μηδενίσει. Το ίδιο θα συμβεί και με την  τάση στα άκρα του πυκνωτή που από τα 18,6V που ήταν φορτισμένος θα αρχίσει να πέφτει μέχρι τα 2,6V. Έτσι ολοκληρώθηκε η εκφόρτιση του πυκνωτή.

Με την επιβολή συνεχούς τάσης στους οπλισμούς ενός πυκνωτή προκαλείται  συγκέντρωση ίσων και αντίθετων φορτίων σε αυτούς, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου στον ενδιάμεσο χώρο.  

Έχουμε λοιπόν μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου. 

Ο πυκνωτής  μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια που δέχεται σε ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου. Η ενέργεια αυτή όμως δε χάνεται , αλλά μετατρέπεται  ξανά σε ηλεκτρική και αποδίδεται πάλι στο δίκτυο.

Για τους γραμμικούς πυκνωτές (που είναι και αυτοί που μας ενδιαφέρουν), το σύνολο των φορτίων που συγκεντρώνονται στους οπλισμούς συνδέεται με την επιβαλλόμενη τάση μέσω της συνάρτησης: Q=CV

Η ποσότητα C ονομάζεται χωρητικότητα του πυκνωτή (με μονάδα μέτρησης το Farad F) και εκφράζει την ποσότητα των φορτίων που είναι δυνατό να αποθηκευτούν στον πυκνωτή υπό συγκεκριμένη διαφορά δυναμικού στους οπλισμούς του.

Πως και γιατί αποθηκεύεται το φορτίο.

Στο εσωτερικό του πυκνωτή βρίσκεται διηλεκτρικό υλικό το οποίο υποβοηθά στην αποθήκευση των φορτίων χωρίς όµως να επιτρέπει τη ροή τους διαµέσου του.

Υποθέστε ότι πυκνωτής χωρητικότητας C ενώνεται στα άκρα µπαταρίας V διαµέσου ενός απλού διακόπτη που ανοίγει ή κλείνει το κύκλωµα, ενώ µια αντίσταση R2 ενώνεται παράλληλα µε τον πυκνωτή όπως στο σχήµα 1.

Κλείσιµο του διακόπτη (ON) – Φόρτιση πυκνωτή: Κάποια από τα φορτία που ελευθερώνει η πηγή στο κύκλωµα εισέρχονται στον πυκνωτή και διατάσσονται σε ισορροπία (ΣF=0), µέχρι το υποθηκευµένο φορτίο να γίνει q = C ⋅V . Σε αυτή τη φάση η διαδικασία της φόρτισης τελειώνει, ο πυκνωτής αποκτά την πολικότητα της πηγής και το κύκλωµα αδρανεί. (Οι πραγµατικοί πυκνωτές έχουν µικρές απώλειες ρεύµατος στο κύκλωµα κατά την φόρτιση). Η διαδικασία αυτή είναι παρόµοια µε την άσκηση εξωτερικής δύναµης  πάνω σε ελατήριο.

Στη συνέχεια υποθέστε ότι ο διακόπτης ανοίγει (OFF), η πηγή αντικαθίσταται µε µια αντίσταση R2. Σε αυτές τις συνθήκες ο πυκνωτής αποφορτίζεται και το φορτίο του προκαλεί ροή ηλεκτρικού ρεύµατος στο κύκλωµα έως ότου αποφορτιστεί τελείως.

Δείτε ακόμα δύο video

ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΣΤΟ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟ ΡΕΥΜΑ

Σε κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος ο πυκνωτής φορτίζεται και εκφορτίζεται ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος και προβάλει μια αντίσταση που ονομάζεται χωρητική αντίσταση Xc. 

Η χωρητική αντίσταση Xc εξαρτάται από την χωρητικότητα του πυκνωτή και την συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος και δίνεται από την σχέση:

Xc=1/2πfC, όπου π=3,14, f η συχνότητα του ρεύματος σε Hz, και C η χωρητικότητα του

Εφαρμογές πυκνωτών

Λόγω της δυνατότητάς τους να αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο και να το αποδίδουν κατόπιν αποφορτιζόμενοι σε ένα κύκλωμα (δρώντας έτσι ουσιαστικά ως πηγές ρεύματος), οι πυκνωτές αποτελούν βασικά στοιχεία κάθε σύγχρονου ηλεκτρονικού κυκλώματος. Μερικές χρήσεις τους είναι σε κυκλώματα εξομάλυνσης τάσης, στη διαμόρφωση της συχνότητας εκπομπής ραδιοφωνικών πομπών, στις εισόδους και εξόδους των τρανζίστορς κ.α.

ΠΗΝΙΟ ΣΤΟ ΣΥΝΕΧΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟ ΡΕΥΜΑ

Το πηνίο είναι εντελώς αγώγιμο για το συνεχές ρεύμα, ενώ παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση στο εναλλασσόμενο που αυξάνει όσο αυξάνεται η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος. 

Το πηνίο δεν διακόπτει τη ροή του συνεχούς και ομαλού ρεύματος και στα άκρα του δεν εμφανίζεται διαφορά δυναμικού. Συμπεριφέρεται δηλαδή σαν απλό σύρμα.

Επομένως το πηνίο επιτρέπει την διέλευση των συνεχών ρευμάτων και των ρευμάτων χαμηλών συχνοτήτων αλλά αποκόπτει τα ρεύματα πολύ υψηλών συχνοτήτων. Αυτή η ιδιότητα μας επιτρέπει να το χρησιμοποιούμε σε ηλεκτρονικά φίλτρα.

 ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΠΗΝΙΟΥ

Αν τροφοδοτήσουμε ένα πηνίο μέσω μιας αντίστασης, με εναλλασσόμενο ρεύμα και παρακολουθούμε με ένα αμπερόμετρο την ένταση του ρεύματος, θα δούμε ότι περνά κάποιο χρονικό διάστημα μέχρι να πάρει το ρεύμα την τελική του τιμή. Ο χρόνος αυτός είναι ίσος με 5 φορές τη σταθερά χρόνου (5τ). Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στην επαγωγική αντίσταση του πηνίου.

Η επαγωγική αντίσταση X_L ενός πηνίου είναι το εμπόδιο που παρουσιάζει το πηνίο στο εναλλασσόμενο ρεύμα (σχήμα 2) και εξαρτάται από τη συχνότητα (f) του ρεύματος και το συντελεστή αυτεπαγωγής (L) του πηνίου. Υπολογίζεται από τον τύπο: X_L=2πL, όπου π=3,14.

Δηλαδή ένα πηνίο παρουσιάζει διαφορετική αντίσταση στο εναλλασσόμενο από ότι στο συνεχές ρεύμα. Στο συνεχές ρεύμα παρουσιάζει μόνο ωμική αντίσταση (R) και είναι σχετικά μικρή, σε σύγκριση με την επαγωγική αντίσταση (X_L). 

ΔΙΑΚΟΠΗ ΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΗΝΙΟ

Γνωρίζουμε ότι οποιαδήποτε αλλαγή του ρεύματος σε ένα πηνίο θα έχει σαν συνέπεια τη δημιουργία ΗΕΔ από αυτεπαγωγή στο πηνίο.

Έτσι όταν ο διακόπτης στο κύκλωμα 3  είναι κλειστός, η μπαταρία τροφοδοτεί την αντίσταση και το πηνίο με ρεύμα.

Όταν ο διακόπτης ανοίξει, τότε το μαγνητικό πεδίο του πηνίου δημιουργεί στα άκρα του μια τάση λόγω της αυτεπαγωγής. Η επαγόμενη αυτή τάση προσπαθεί να διατηρήσει τη ροή του ρεύματος που διακόπηκε.

Υποθέτουμε ότι το πηνίο έχει Ωμική αντίσταση R_L= 3 Ω, η τιμή της παράλληλης αντίστασης είναι R=100 Ω και η τάση της πηγής είναι U_S= 1,5 V.

Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός το ρεύμα που διέρχεται από το πηνίο είναι:

Ι=Us/ R_L=1,5/3=0,5A

Όταν ο διακόπτης ανοίξει τότε δημιουργείται ένα κύκλωμα σειράς, που αποτελείται από την αντίσταση και το πηνίο.

Η επαγόμενη τάση στο πηνίο θα προσπαθήσει να διατηρήσει τη ροή του ρεύματος. Έτσι η μέγιστη τιμή της θα είναι:

 UL=IR_L=0,5(3+100)=51,5V

Αυτή η τιμή της τάσης μειώνεται εκθετικά ακολουθώντας τη μείωση του ρεύματος.

Βλέπουμε δηλαδή ότι τα πηνία λόγω της αυτεπαγωγής μπορούν να δημιουργήσουν εξαιρετικά υψηλές στιγμιαίες τάσεις, όταν διακοπεί το διερχόμενο ρεύμα. Αυτές οι αιχμές της τάσεις που προκαλεί η αυτεπαγωγή περιορίζονται με την προσθήκη της αντίστασης παράλληλα με το πηνίο (σχήμα 3).

Το φαινόμενο αυτό βρίσκει εφαρμογή στους λαμπτήρες φθορισμού (φλορέντζες), στον τρόπο ανάφλεξης του αυτοκινήτου και αλλού.

Εφαρμογές  πηνίων

Το πηνίο χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που εκμεταλλεύονται το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής λόγω της ιδιότητάς του να αναπτύσσει εντονότερη μαγνητική ροή στο εσωτερικό του σε σχέση με έναν απλό βρόχο. Το πηνίο λόγω σχήματος περιλαμβάνει πολλούς βρόχους σε σειρά με αποτέλεσμα η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του να είναι πολλαπλή σε σχέση με έναν απλό βρόχο.

Η χρήση του πηνίου σε χρονοκυκλώματα είναι αποτέλεσμα του κανόνα του Λενζ σύμφωνα με τον οποίο το πηνίο δεν αποκτά ακαριαία μέγιστο ρεύμα όταν συνδεθεί με μία πηγή. Αυτό συμβαίνει γιατί αναπτύσσεται αρχικά τάση από αυτεπαγωγή στα άκρα του, αντίθετη με την φορά της τάσης της πηγής. Αντίστοιχά κατά την εκφόρτιση αναπτύσσει τάση λόγω αυτεπαγωγής και εμποδίζει το ρεύμα του κυκλώματος να μηδενιστεί ακαριαία όταν το κύκλωμα αποσυνδέεται από την πηγή.

Το πηνίο επίσης χρησιμοποιείται σε κυκλώματα που παράγουν ημιτονικές κυματομορφές (αρμονικά σήματα) τα οποία είναι γνωστά ως ταλαντωτές και είναι εξαιρετικά χρήσιμα στις εφαρμογές ραδιοεκπομπών. Όταν το πηνίο είναι συνδεδεμένο σε σειρά με έναν φορτισμένο πυκνωτή μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια του πυκνωτή σε μαγνητική ενέργεια στο εσωτερικό του, η οποία μετατρέπεται λόγω αυτεπαγωγής ξανά σε ηλεκτρική του πυκνωτή. Έτσι στο κύκλωμα αυτό δημιουργείται ένα αρμονικό εναλλασσόμενο ρεύμα. Η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που δημιουργείται δίνεται από την σχέση {\displaystyle f={\frac {1}{\mathbf {2} {\pi }{\sqrt {LC}}}}}  f=1/2πsqr(LC)

Το κύκλωμα αυτό συνδυασμένο με μία βαθμίδα ενίσχυσης δημιουργεί την διάταξη του ταλαντωτή.

ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ

Ο πυκνωτής σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος δημιουργεί διακοπή ρεύματος στο κύκλωμα, με εξαίρεση το αρχικό χρονικό διάστημα της φόρτισής του.

Σε κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος ο πυκνωτής φορτίζεται και εκφορτίζεται ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος και προβάλει μια αντίσταση που ονομάζεται χωρητική αντίσταση Xc. 

Το πηνίο είναι εντελώς αγώγιμο για το συνεχές ρεύμα, ενώ παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση στο εναλλασσόμενο που αυξάνει όσο αυξάνεται η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος.