Что на самом деле происходит в RC-цепи?

Question

Что на самом деле происходит в RC-цепи?

Кеннет Дж.

В настоящее время я работаю над книгой по электронике для начинающих (электроника для чайников), где я знакомлюсь с RC-цепями, как показано на схеме ниже.

схематический

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Из книги мне сказали, что изначально напряжение на конденсаторе равно 0 (при условии, что он разряжен) и что падение напряжения = повышению напряжения (закон Кирхгофа).

Когда конденсатор заряжается

Первоначально: поскольку напряжение конденсатора изначально равно 0, напряжение резистора равно напряжению питания.

Зарядка: Когда конденсатор начинает заряжаться, он развивает напряжение, поэтому напряжение на резисторе начинает падать, что, в свою очередь, снижает зарядный ток , что, в свою очередь, заставляет конденсатор заряжаться медленнее. Это продолжается до тех пор, пока конденсатор полностью не зарядится.

Полностью заряжен: когда конденсатор полностью заряжен, ток перестает течь, падение напряжения на резисторе равно нулю, а падение напряжения на конденсаторе равно напряжению питания.

Когда конденсатор разряжается

(Батарея удалена, а резистор подключен параллельно конденсатору). Напряжение на резисторе равно напряжению на конденсаторе (V[r] = V[c]), поэтому ток определяется уравнением V[c] / R (сопротивление резистора).

Первоначально: поскольку конденсатор полностью заряжен, напряжение равно V[s] (напряжение питания), поэтому ток определяется как V[s] / R. (В основном то же самое, что и V[c] / R).

Зарядка: когда заряды начинают течь от одной пластины конденсатора к другой, напряжение конденсатора (и, следовательно, V[r]) начинает падать, что приводит к снижению тока. Конденсатор продолжает разряжаться, но с меньшей скоростью. Поскольку V[c] (и, следовательно, V[r]) продолжает уменьшаться, то же самое происходит и с током.

Полностью разряжен: когда конденсатор полностью разряжен, ток перестает течь, и ни на резисторе, ни на конденсаторе не падает напряжение.

что я понимаю

Падение напряжения = количество израсходованных вольт/напряжения.
Закон Ома (V = IR) и т. д.
Закон Кирхгофа (израсходованное напряжение = напряжение в цепи / падение напряжения = повышение напряжения)

Вопросы (зарядка):

Почему напряжение резистора изначально равно напряжению питания? Это потому, что на конденсаторе еще нет напряжения? Следовательно, поскольку на конденсаторе нет падения напряжения, все напряжение от батареи приходится на резистор?

Когда конденсатор начинает заряжаться, он развивает напряжение.........

2. К чему именно относится напряжение, возникающее при зарядке конденсатора? Это количество электронов, которые начинают накапливаться на его отрицательно заряженной пластине? Что такое напряжение? кажется, предполагает, что это НЕ количество электронов. Однако, если предположить, что напряжение, развиваемое конденсатором, относится к повышению напряжения на конденсаторе, ГДЕ и/или ЧТО на самом деле делает повышение напряжения? Предполагая, что напряжение является электродвижущей силой, которая толкает электроны, как же тогда оно накапливается в конденсаторе, если все, что происходит в конденсаторе, это накопление в нем электронов??

3. Правильно ли я предполагаю, что напряжение на резисторе падает из-за увеличения напряжения на конденсаторе? (закон Кирхгофа, где повышение напряжения = падение напряжения).

Вопрос (разрядка)

Когда заряды начинают течь от одной пластины конденсатора к другой, напряжение на конденсаторе (и, следовательно, V[r]) начинает падать, что приводит к снижению тока....

1. Если напряжение на конденсаторе падает (из-за его разрядки), не должно ли напряжение на резисторе увеличиваться по закону Кирхгофа? Кроме того, это должно, следовательно, УВЕЛИЧИТЬ ток, а не уменьшить его, что приведет к еще более быстрой разрядке конденсатора?

Заранее извиняюсь за стену текста выше, но я уже довольно давно ломаю голову над этим, и это действительно разъедает меня.

Я был бы признателен за любые разъяснения, которые я могу получить.

Спасибо!

Энди ака

Помогает ли это знать

C \frac{d v}{d t} = i

$C\dfrac{dv}{dt} = i$ т.е. скорость, с которой повышается напряжение на конденсаторе, пропорциональна току через крышку?

Кеннет Дж.

Я никогда раньше не видел эту конкретную формулу, что означают C, dv и dt? я предполагаю, что я = ток?

Спехро Пефхани

Имейте в виду, что конденсатор (во всяком случае, теоретически) никогда не заряжается полностью, но в какой-то момент ток станет слишком мал для измерения по сравнению с шумом Джонсона в резисторе и т. д. Каждый

τ

$\tau$ (где

τ

$\tau$ = RC секунды) ток падает примерно до 37% от того, что было раньше. Таким образом, через 10 RC секунд (около 10 лет для вашей схемы) оно будет отличаться от напряжения батареи примерно на 400 мкВ (все еще легко измеримо, если бы существовали такие идеальные компоненты).

Ответы (1)

Что на самом деле происходит в RC-цепи?

Помогает ли это знать $C\dfrac{dv}{dt} = i$ т.е. скорость, с которой повышается напряжение на конденсаторе, пропорциональна току через крышку?
Я никогда раньше не видел эту конкретную формулу, что означают C, dv и dt? я предполагаю, что я = ток?
Имейте в виду, что конденсатор (во всяком случае, теоретически) никогда не заряжается полностью, но в какой-то момент ток станет слишком мал для измерения по сравнению с шумом Джонсона в резисторе и т. д. Каждый $\tau$ (где $\tau$ = RC секунды) ток падает примерно до 37% от того, что было раньше. Таким образом, через 10 RC секунд (около 10 лет для вашей схемы) оно будет отличаться от напряжения батареи примерно на 400 мкВ (все еще легко измеримо, если бы существовали такие идеальные компоненты).

hkBattusai · Answer 1

Почему напряжение резистора изначально равно напряжению питания? Это потому, что на конденсаторе еще нет напряжения? Следовательно, поскольку на конденсаторе нет падения напряжения, все напряжение от батареи приходится на резистор?

Сумма напряжений на пассивных элементах должна составлять напряжение питания.

В_{с ты п п л у} (т) "=" В_{с ж я т с час} (т) + В_{р е с я с т о р} (т) + В_{с а п а с я т о р} (т)

$V_{supply}(t) = V_{switch}(t) + V_{resistor}(t) + V_{capacitor}(t)$

Из-за того, что $V_{switch}(t) = 0$ и $V_{capacitor}(0) = 0$ , $V_{resistor}(0)$ должно быть равно $V_{supply}(0)$ .

2. К чему именно относится «напряжение, возникающее при зарядке конденсатора»?

Когда вы применяете разность напряжений между пластинами конденсатора, одна пластина имеет более положительный потенциал по сравнению с другой. Это инициирует поле электрического поля между пластинами, которое является векторным полем, направление которого от положительной пластины к отрицательному.

Между пластинами конденсатора находится изоляционный материал (диэлектрический материал). Этот диэлектрический материал не имеет свободных электронов, поэтому через него не протекает заряд. Но происходит другое явление. Отрицательно заряженные электроны диэлектрического материала стремятся к положительной пластине, а ядра атомов/молекул смещаются к отрицательной пластине. Это вызывает различие в расположении «центров заряда» электронов и молекул в диэлектрическом поле. Эта разница создает крошечные диполи смещения (векторы электрического поля) внутри диэлектрического материала. Это поле заставляет свободные электроны в положительной пластине уходить, в то время как оно собирает больше свободных электронов на отрицательной пластине. Так собирается заряд на пластинах конденсатора.

3. Правильно ли я предполагаю, что напряжение на резисторе падает из-за увеличения напряжения на конденсаторе? (закон Кирхгофа, где повышение напряжения = падение напряжения).

По мере увеличения напряжения на конденсаторе напряжение на резисторе будет соответственно уменьшаться из-за закона Кирхгофа, который я сформулировал выше. Так что да, вы были правы.

1. Если напряжение на конденсаторе падает (из-за его разрядки), не должно ли напряжение на резисторе увеличиваться по закону Кирхгофа? Кроме того, это должно, следовательно, УВЕЛИЧИТЬ ток, а не уменьшить его, что приведет к еще более быстрой разрядке конденсатора?

Вы упускаете тот факт, что в разрядной цепи напряжение источника равно нулю (т.е. источник напряжения отсутствует). Замещение $V_{supply}(t)=0$ в формуле выше. Напряжение конденсатора будет равно напряжению резистора в обратной полярности во время разряда. Вместе они будут стремиться к нулю.

Замечательный ответ, хотя у меня есть еще 1 вопрос. Под обратной полярностью вы имеете в виду, что напряжение конденсатора составляет +9 В, а напряжение резистора -9 В? Я понимаю, что это необходимо для закона Кирхгофа, поэтому сумма обоих равна 0 (источник напряжение), но как именно резистор получает отрицательное напряжение? Это из-за электронов, которые были сохранены, двигаясь через него? Тогда положительное напряжение на крышке будет связано с протонами/положительным зарядом?
Рассмотрим незаметный пассивный компонент с двумя клеммами/контактами A и B. Если на этих компонентах падение напряжения составляет 9 В, то это -9 В и +9 В одновременно. Напряжение является переменной величиной и имеет полярность. Его знак зависит от того, на какой терминал вы ссылаетесь. В вашем случае, если конденсатор разряжается через резистор, клеммы конденсатора и резистора, которые соединены друг с другом, будут иметь одинаковый уровень потенциала. Я использовал термин «обратная полярность», потому что, если вы пробежите цепь от одной точки к другой, вы увидите, что R и C поляризованы в обратном порядке.
+1. Мой курс ЭМ ссылался на это «растяжение» атомной структуры диэлектрического материала. Я никогда не видел, чтобы кто-то еще упоминал об этом. Об этом говорилось в контексте консервативных полей. Вы вкладываете энергию в систему, сохраняя изменение в батарее, диэлектрическое «растяжение» сохраняет эту энергию, а генерируемое консервативное поле возвращает энергию, когда это позволяет конфигурация (например, резистор параллельного разряда).

Что на самом деле происходит в RC-цепи?

Кеннет Дж.

Энди ака

Кеннет Дж.

Спехро Пефхани

Ответы (1)

hkBattusai

Кеннет Дж.

hkBattusai

ШерреллБК

Зарядка конденсатора RC

Серия RLC Расчет максимального напряжения Проблема

Уравнение (математическая функция) пилообразного сигнала в зависимости от пилообразного сигнала

Как рассчитать начальное напряжение в простой электрической цепи?

Путаница с текущим потоком

Путают с диодами и обычным и реальным током

Анализ схемы ОУ

Анализ цепи KCL/KVL

Схема асинхронного двигателя

Высокое значение dV/dt, включающее схему переключения BJT из-за емкости Миллера