Frage:
Warum verzögert die Kondensatorspannung den Strom?
Shady Programmer
2015-05-05 17:48:09 UTC
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Bisher habe ich Folgendes festgestellt:

Strom ist die Bewegung der Ladung über die Zeit, gemessen in Coulomb / Sekunde.

Ladung ist das Elektron in einem Atom.

Spannung ist die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten und der Energie pro Ladeeinheit.

Trotzdem verstehe ich nicht, warum dies passiert:

Voltage versus current in capacitor

Wie ist es möglich, dass zum Zeitpunkt t = 0 der Strom in einer RC-Schaltung ohne Potentialdifferenz vorhanden ist? Was hat die Ladung überhaupt zum Fließen gebracht?

Wie ist es möglich, dass bei t = 0 Strom ohne Spannung vorhanden ist?Denken Sie daran, dass * die Spannung am Kondensator * und nicht die Spannung am Widerstand aufgetragen ist.Tatsächlich * liegt eine Spannung am Widerstand an! * Bei einem Widerstand kann nur dann Strom anliegen, wenn gleichzeitig eine Spannung am Widerstand anliegt.Für einen Kondensator ist dies nicht immer der Fall.Sie können Strom ohne Spannung, positiven Strom mit positiver Spannung oder sogar positiven Strom mit negativer Spannung haben (abhängig natürlich davon, an was der Kondensator angeschlossen ist).
Am Anfang ist die Spannung also im Grunde überall in der Schaltung außer im Kondensator?das scheint mir zu skizzenhaft
ist das so schwer zu glaubenStellen Sie sich vor, Sie haben zunächst 0 V am Kondensator, 0 V an der Spannungsquelle und 0 V am Widerstand.Plötzlich steigt die Spannungsquelle auf 1 V an und schwingt als Kosinus weiter.Für einen Moment, gleich zu Beginn, gab es 0 V am Kondensator (und muss es gewesen sein), da sich seine Spannung nicht sofort ändern konnte (dies würde unendlichen Strom erfordern).Daher lag für diesen Moment 1 V über dem Widerstand.Also, ja, für diesen Moment gibt es überall Spannung außer im Kondensator.
Neun antworten:
#1
+12
Andy aka
2015-05-05 17:56:55 UTC
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Das Bild in Ihrer Frage geht davon aus, dass die Spannungswellenform einige Zeit früher begonnen hat und dass der Übergang des Beginns keine Auswirkungen mehr auf die Dinge hat.

Grundsätzlich ist Q = CV und dies bedeutet I = C dv / dt und wenn Sie eine Sinuswelle anlegen, führt die Differenz dieser Sinuswellenspannung zur Kosinuswelle des Stroms, aber natürlich sind die Dinge bei t = 0 etwas anders. Zunächst einmal kann man eine Sinuswelle nicht plötzlich aus der Ruhe starten - das würde eine unendliche Bandbreite bedeuten. Angesichts dieser Tatsache gibt es eine kleine endliche Zeit, in der der Strom schnell auf den Startwert in Ihrem Bild ansteigt. Von da an folgt es ziemlich genau der oben angegebenen Gleichung.


EDIT-Abschnitt, mechanische Analogie

Eine mechanische Analogie könnte als Schwungrad angesehen werden, d. H. Als rotierende Masse. Die auf das Ende des Schwungrads ausgeübte Kraft beschleunigt die Geschwindigkeit, mit der sich das Schwungrad dreht. Wenn sich jedoch das Schwungrad (verlustfrei angenommen) auf einer konstanten Geschwindigkeit befindet, ist keine Kraft erforderlich. Sie können sich die Schwungradgeschwindigkeit wie eine Spannung vorstellen; Das Schwungrad hat sich auf Geschwindigkeit n aufgeladen und es ist keine Kraft mehr erforderlich, um es auf dieser Geschwindigkeit aufgeladen zu halten. Genau wie bei einem Kondensator wird nach dem Aufladen auf eine konstante Spannung kein Strom benötigt, um einen perfekten Kondensator auf dieser Spannung zu halten.

Wenn Sie jedoch eine konstante Kraft zum Abbremsen des Schwungrads anwenden, verlangsamt sich die Geschwindigkeit linear und Wenn die konstante Kraft eine echte konstante Kraft ist, verlangsamt sich die Schwungradgeschwindigkeit um n = 0 und beginnt nach kurzer Zeit, sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Die Kraft ist -X und die Geschwindigkeit steigt linear an. Das Gleiche gilt für den Kondensator. Wenn Sie dem Kondensator einen konstanten Strom entnehmen, fällt die Spannung linear ab und wird schließlich negativ und lädt sich auf eine negative Spannung auf.

Ihre Antwort beantwortet nichts.Mir ist bewusst, dass der Strom zu Beginn ansteigen muss, aber wie fließt die Ladung, wenn bei t = 0 kein Potential vorhanden ist? Randnotiz: Ich spreche eher von physikalischen Eigenschaften und Verhalten von Elektronen als von Gleichungen.
Der Strom ist, wie ich in meiner Antwort erklärt habe, C dv / dt.Kurz vor oder nach t = 0 hat die Spannung Werte, die eine Rampe implizieren, und diese Spannungsrampe wird zu einem nahezu konstanten Wert differenziert, der der Strom ist.
Wenn zum Zeitpunkt von t = 0 keine Spannungsänderung auftritt, fließt kein Strom.Sobald sich die Spannung ändert (z. B. t = 0,000000000001), fließt Strom.Daher dv / dt.
@ShadyProgrammer "... was bewirkt, dass die Ladung fließt, wenn kein Potential a t = 0 ..." ist, wenn Sie eine Erklärung wünschen, die nicht direkt mit der bereits von Andy bereitgestellten Gleichung zusammenhängt, betrachten Sie sie als Trägheit.Die Gebühren bewegen sich bereits und haben eine gewisse Dynamik.Bei t = 0 liegt keine Spannung an, diese wurden jedoch bereits beschleunigt.In gewisser Weise ist es wie ein Auto, das sich weiter bewegt, selbst wenn Sie Ihren Fuß vom Gaspedal nehmen.
@Lorenzo Donati - Interessant, was beschleunigt diese Gebühren?oder versuchen Sie zu sagen, dass es möglich ist, Ladungen in einem Stromkreis ohne Spannungsquelle zu bewegen?
@TomCarpenter Sie sagen also, dass die Spannung tatsächlich zuerst vor dem Strom steht, was laut Definitionen sinnvoll ist, aber es bedeutet, dass die gesamte Theorie der Spannungsverzögerung und der Stromführung falsch ist.
Spannung bezieht sich nicht ausschließlich auf Spannungsquellen.Stellen Sie sich einen geladenen Kondensator vor, der plötzlich entladen wird, wenn Sie seine Anschlüsse mit einem Widerstand kurzschließen.Keine Spannungsquelle in dieser RC-Schaltung!Spannung ist ein Fuzzy-Konzept außerhalb der Elektrostatik.Wenn Sie sich in einem wirklich statischen Zustand befinden (absolut keine zeitliche Änderung), ist die Spannung die Differenz des Potentials zwischen zwei Punkten (d. H. Die potentielle Energie pro Ladungseinheit) ...
@ShadyProgrammer Die Begriffe "Führen" und "Nacheilen" sind nur Annehmlichkeiten.eins kommt nicht vor das andere, aber manchmal ist es bequem, so zu denken.Es gibt keine Theorie des Führens und Nacheilens.
... Wenn Sie unterschiedliche Ströme haben, ist dies nur eine Annäherung, die unter * quasistatischen * Bedingungen gültig ist (d. H. Wenn die Schaltungsabmessungen viel kleiner als die Wellenlänge des Signals mit der niedrigsten Frequenz sind).Oberhalb dieser Grenze wird die Schaltungstheorie stärker einbezogen, und Sie benötigen die Übertragungsleitungstheorie und letztendlich die Theorie der elektromagnetischen Felder und die Maxwellschen Gleichungen.
@ShadyProgrammer, Die momentane Spannung an einem Kondensator hängt nicht vom Strom durch zu diesem Zeitpunkt ab, sondern von der * Geschichte * des Stroms durch.Es ist auch wichtig, zwischen AC-Analyse (sinusförmig * stationärer Zustand *) und transienter Analyse zu unterscheiden.Nur in der Wechselstromanalyse können wir sagen, dass die Spannung dem Strom um 90 Grad nacheilt.
... Letztere sind das wahre physikalische Modell, das die elektrischen Phänomene erklärt (es sei denn, Sie möchten sich weiter mit der Quantenmechanik befassen, was erklärt, was es bedeutet, sich zu bewegen).
@LorenzoDonati - 5up Ich denke, mein größtes Problem ist es zu verstehen, was Spannung tatsächlich ist, und ich bekomme viele verschiedene Theorien aus dem Internet, von denen einige widersprüchlich sind.Sie sagen, es ist potentiell (potentielle Energie pro Ladungseinheit). Bedeutet das, dass jede Ladungseinheit Energie mit sich "trägt" oder mit anderen Worten, ist die Energie irgendwie an die Ladung gebunden? - @3 auf Was meinst du mit qusi-statischen und Schaltungsabmessungen?
@AlfredCentauri Mein Interesse schoss in die Höhe, als Sie über die Geschichte des Stroms durch den Kondensator sprachen.Was meinst du damit ?Verfolgt ein Kondensator auf seltsame Weise die Geschichte dessen, was durch ihn hindurchgeht?
Ihre Fragen sind legitim, aber für dieses Format wahrscheinlich etwas zu weit gefasst.Was ich in meinen letzten Kommentaren angedeutet habe, sind die Themen von mindestens ein paar Universitätsstudiengängen.Letztendlich läuft alles auf den Detaillierungsgrad (und die Grenzen der Anwendbarkeit) des (mathematischen) Modells hinaus, mit dem Sie die physikalische Realität beschreiben.Das detaillierteste Modell elektromagnetischer Phänomene in der klassischen Physik sind Maxwells Gleichungen (ein schwieriges Thema), und dies erklärt nicht alles ...
... Beim Umgang mit Halbleitern und Ladungen, die als Teilchen betrachtet werden, muss man auf die Quantenmechanik zurückgreifen (noch härter!).Um es kurz zu machen: Ein * tiefes * physikalisches Verständnis (wenn Sie dies anstreben) der Spannung erfordert ein tiefes Verständnis mindestens einer umfassenden physikalischen Theorie.Dies bedeutet nicht, dass Sie nicht verstehen können, was Spannung auf praktischere Weise ist, aber dann müssen Sie mit "dunklen Ecken" leben (d. H. Annäherungen).EM-Phänomene haben nichts Intuitives und ihr Verständnis bedeutet, die von Ihnen verwendeten mathematischen Modelle zu verstehen (einfach oder komplex wie sie sind).
Sie haben vielleicht Recht, dass ich mich zu sehr mit der Theorie dahinter befasse, und irgendwann müssen wir aufhören und die Fakten akzeptieren, aber das Wissen zu flach zu haben, hat mich mit diesen Fragen hierher gebracht, um mehr zu verstehenals was auf der Oberfläche präsentiert. Ich denke, ich muss mich auf die Antwort von @PedroQuadros unten einigen. Nebenbei bemerkt: Ich denke über eine Karriere bei McDonalds nach.
Übrigens, um eine Ihrer Unterfragen zu beantworten: Nein, potenzielle Energie ist nicht an die Ladung gebunden.Die Ladung besitzt eine bestimmte Menge an elektrischer potentieller Energie, da sie in ein elektrisches Feld eingetaucht ist und eine bestimmte Position im Raum einnimmt, in der dieses Feld seine Wirkung ausübt.
Wenn Sie sich mit diesem Thema befassen möchten, ist ein einigermaßen gutes (IMO) Buch [dies (Ramo, Whinnery, VanDuzer-Felder und Wellen in der Kommunikationselektronik)] (http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471585513.html), aber die am weitesten fortgeschrittenen Themen beinhalten gute Kenntnisse der fortgeschrittenen Analysis (partielle Ableitungen, Linien- und Oberflächenintegrale usw.).
@ShadyProgrammer, Sie fragten: "Verfolgt ein Kondensator auf seltsame Weise die Geschichte dessen, was durch ihn vor sich geht?".Ja, aber es ist nicht komisch.Schauen Sie sich einfach die Integralform der Kondensatorgleichung an.\ $ V (t) = \ frac {1} {C} \ int _ {- \ infty} ^ {t} I (t ') \ mathrm {d} t' \ $.
@ShadyProgrammer, als Analogie, denken Sie an den Druck, der mit einem mit Luft gefüllten Ballon verbunden ist.Der Druck zu jedem Zeitpunkt hängt nicht vom * Luftstrom * in den Ballon (oder aus diesem heraus) zu diesem Zeitpunkt ab, sondern von der Luftmenge im Ballon zu diesem Zeitpunkt.Die Luftmenge im Ballon hängt jedoch zu jedem Zeitpunkt von der * Geschichte * des Luftstroms ab.In ähnlicher Weise hängt die Spannung an einem Kondensator von der Ladung Q ab, die auf den Platten getrennt ist.Die getrennte Ladung Q hängt jedoch von der Geschichte des Ladungsflusses (Strom) ab.
@LorenzoDonati (4UP) - Jedes Ladungsteilchen hat also ein umgebendes elektrisches Feld. Wenn sie sich in einer Gruppe befinden und Sie die Gruppe aufteilen und jede Hälfte der Gruppe ein Stück voneinander wegziehen, ist der Abstand zwischen ihnen die Spannung?Das scheint mir vernünftig, aber es bedeutet, dass man Spannung haben muss, um Strom zu haben.Jemand in Kommentaren sagte, dass Sie einen Strom ohne Spannung und eine Spannung ohne Strom haben können, dies widerspricht unserer Ansicht?
@ThePhoton Als ich aus irgendeinem Grund diese Frage zum Thema "Tracking-Verlauf" stellte, stellte ich mir vor, dass der Kondensator eine Art Atomspeicher hatte, der seltsam klingt, aber jetzt kann ich sehen, dass AlfredCentauri mit "Verlauf" die Ereignisse vor der Messung meinte.
Es ist nicht so einfach.In Bezug auf das, was andere Leute hier gesagt haben, versuchen sie alle, Ihnen zu helfen, ein schwieriges Konzept zu verstehen, indem sie etwas vereinfachen, wobei jedes einen anderen Ansatz verwendet.Es macht keinen Sinn, auf Inkohärenz zwischen ihnen hinzuweisen, da sie alle vereinfachte Erklärungen oder Analogien verwenden (jede ist in ihrem begrenzten Umfang "richtig").Wie gesagt, wenn du die feineren Details verstehen willst, musst du die elektromagnetische Theorie studieren (hier gibt es kein Entrinnen)!
WRT-Ladungen und -Felder: Elektrische Ladungen * erzeugen * das elektrische Feld (eine Vektorgröße).Jede Ladung gibt ihren Beitrag zum Gesamtfeld.Es gibt Formeln, um das Gesamtfeld ** zu berechnen, wenn die Ladungen fest sind (d. H. Sich nicht bewegen) **, was an sich eine ziemlich künstliche Bedingung ist (Sie können Ladungen nicht einfach "festnageln").Dies sind die "statischen Bedingungen" der * Elektrostatik *.* Unter diesen Bedingungen * können Sie einen Ausdruck für das elektrostatische Potential (EP, eine skalare Größe) ableiten, der eine alternative mathematische Beschreibung für das elektrische Feld darstellt.
... Der Unterschied von EP zwischen zwei Punkten im Raum ist die Spannung.Dies gilt nur ** unter statischen Bedingungen **.Wenn sich Ladungen bewegen, werden die Dinge viel schwieriger, da sich bewegende Ladungen EM-Wellen erzeugen können, bei denen es sich um Störungen von elektrischen * und * Magnetfeldern handelt, die sich im Raum bewegen.Solange die Wellenlänge dieser Störungen im Vergleich zu den Abmessungen der zu testenden Schaltung klein ist, können Sie (und nur dann) das Konzept von Potential und Spannungen * ungefähr * verwenden, um die Schaltung zu analysieren.
... Warum zwischen zwei Punkten, die auf demselben Potential stehen (keine Spannung zwischen ihnen), Strom (dh sich bewegende Ladungen) auftreten kann, hängt davon ab, wie Felder kombiniert werden, und es ist nicht einfach, dies ohne die EM-Theorie und das Zeichnen einiger Vektorfeldbilder zu erklären (Ladungen können sich beispielsweise auf einem perfekten - idealen - Leiter bewegen, und jeder Punkt auf diesem Leiter hat das gleiche Potential.Ich sage Ihnen noch einmal, wenn Sie mit einer der schönen und einfachen Erklärungen, die Sie hier erhalten haben, nicht zufrieden sind, müssen Sie bereit sein, sich mit der EM-Theorie zu befassen!
@LorenzoDonati - warum gibst du nicht aus all deinen Kommentaren eine formelle Antwort?
@Andyaka Ja, ich habe darüber nachgedacht.Ich habe es bisher vermieden, weil ich der Meinung war, dass all diese EM-Sache ein bisschen vom Thema abweicht. WRT die ursprüngliche Frage (Es beantwortet nicht wirklich die gepostete Frage, sondern alle Unterfragen, die das OP in Kommentare gestellt hat).Außerdem wollte ich es nicht so weit bringen, aber das OP scheint nicht anzuerkennen, dass einige Dinge von Natur aus schwierig sind, wenn man sich feinere Details ansieht, also fügte ich immer wieder Informationen hinzu und ... na ja!:-) Vielleicht, wenn ich etwas Zeit finde, um all diese Kommentare in einer anständigen zusammenhängenden Antwort zusammenzufassen ... :-)
@LorenzoDonati - "WRT-Ladungen und -Felder: Elektrische Ladungen erzeugen das elektrische Feld ..." Die Ladungen erzeugen also die Energie, die in Ordnung ist, aber was bewirkt, dass sie diese Energie erzeugen?und wenn sie die Energie erzeugen, warum ist es dann "potentielle" Energie, da sie real ist? Wie wäre es, wenn wir einen Mittelweg zwischen einfachen Erklärungen und EM-Theorie setzen - EM-Theorie einfach erklärt? edit: --up-- wenn du das machen könntest wäre es toll
Was ich über die EM-Theorie * gesagt habe * ist * einfach, wenn Sie mir nicht glauben, lesen Sie [Wikipedia-Artikel über Maxwells Gleichungen] (http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_equations) oder [diese Seite, die sie erklärt] (http://www.maxwells-equations.com/) auf "einfache" Weise.Die Tatsache, dass Sie nicht einmal erkennen, dass der Begriff "Potenzial" in "potenzielle Energie" ein technischer Begriff mit genau definierter Bedeutung ist (und kein allgemeiner Begriff, der auf etwas "Unwirkliches" hinweist), ist ein Symptom, das Sie viel mehr studieren müssenPhysik, bevor Sie die EM-Theorie verstehen können, auch auf intuitive und grundlegende Weise!
Übrigens habe ich in einem meiner vorherigen Kommentare gerade einen Tippfehler entdeckt: Als ich sagte "... Solange die Wellenlänge dieser Störungen im Vergleich zu den Abmessungen der Schaltung *** klein *** ist ...", meinte ich*** groß *** (dh die Schaltungsabmessungen sollten viel kleiner als die Wellenlänge sein).
@LorenzoDonati Vielleicht weiß ich weniger als Jon Snow in Game of Thrones.Werfen Sie einen Blick auf meinen Kommentar zum Benutzer --whiskeyjack - unten?Ich dachte, ich bin auf etwas dort, aber es scheint, dass ...
[Dies ist ein frei herunterladbares eBook] (http://dl.irpdf.com/ebooks/Part13/www.irpdf.com%285496%29.pdf), das auch die Grundlagen der EM-Theorie für Schaltkreise (und vieles mehr) behandeltfortgeschrittenere Sachen).
#2
+3
Circuit fantasist
2019-12-01 18:16:16 UTC
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Ich habe mir solche Fragen in den späten 70ern gestellt, als ich das Thema Theoretische Elektrotechnik studierte, wo sie erfolglos versuchten, mir dieses Phänomen durch strenge Definitionen zu „erklären“. Ich erinnere mich, was ich mir nicht vorstellen konnte, war, warum die Spannung am Kondensator weiter anstieg, als der Strom abfiel. Viele Jahre später gelang es mir in einem interessanten Gespräch mit meinen ehemaligen Schülern und Anhängern… und mithilfe der hydraulischen Analogie endlich herauszufinden, was wirklich los war ...

Nach der Hauptfrage, warum die Spannung an einem Kondensator dem Strom durch ihn nacheilt, stellt sich eine andere logische Frage: "Und warum beträgt diese Verzögerung im Einzelkondensator genau 90 Grad und in der RC-Schaltung weniger als 90 Grad." Hier sind mögliche intuitive Erklärungen (wie ich sie vor Jahren gerne gehört hätte).

1. Einzelkondensator. Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass Lehrbücher die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung nicht erklären können, da sie den Fall eines spannungsversorgten Kondensators berücksichtigen. Diese Anordnung (eine Wechselspannungsquelle treibt einen Kondensator direkt an) ist jedoch grundsätzlich falsch (wie der Fall, in dem eine Spannungsquelle eine Diode direkt ansteuert) ... obwohl sie immer noch verwendet wird, um ein Spannungs-Strom-Differenzierungsmerkmal . Wichtiger für uns ist jedoch, dass diese Anordnung nicht für eine intuitive Erklärung des Geschehens geeignet ist.

Die doppelte Anordnung - Stromversorgter Kondensator kann uns leicht erklären, warum die Spannung dem Strom um genau 90 Grad nacheilt. In dieser Anordnung treibt eine Wechselstromquelle den Kondensator an, der jetzt als Strom-Spannungs-Integrator fungiert. "Stromquelle" bedeutet, dass sie trotz allem sinusförmigen Strom durch den Kondensator erzeugt und durch diesen leitet. Unabhängig von der Spannung am Kondensator - Null (leerer Kondensator), positiv (geladener Kondensator) oder sogar negativ (umgekehrt geladener Kondensator) - leitet unsere Stromquelle den gewünschten Strom mit der gewünschten Richtung durch den Kondensator. Die Spannung am Kondensator behindert den Strom also nicht (es wird versucht ... aber die Stromquelle kompensiert ihn durch Erhöhen der internen Spannung).

Bis der Eingangsstrom positiv ist (stellen Sie sich die positive Halbsinuswelle vor), lädt er den Kondensator auf und seine positive Spannung steigt trotz der Größe des Stroms kontinuierlich an. Das Seltsamste dabei ist, dass selbst wenn der Strom auf Null abfällt, die Spannung weiter auf das Maximum ansteigt (mein Erstaunen in der Vergangenheit). Dann ändert der Strom seine Richtung und lädt während der negativen Halbsinuswelle den Kondensator mit entgegengesetzter Polarität auf ... und die Größe seiner negativen Spannung steigt trotz der Größe des abnehmenden Stroms kontinuierlich an. In dieser Anordnung ist die Phasenverschiebung aufgrund der idealen Eingangsstromquelle, die den Spannungsabfall über dem Kondensator kompensiert, konstant und beträgt genau 90 °

Current-driven capacitor

Hydraulische Analogie. Die beliebte "Wassergefäßanalogie" ("elektrischer Strom - Wasserfluss" und "Spannung - Wasserstand") kann uns helfen, die Phasenverschiebung auf intuitive Weise vollständig zu verstehen Idee.

Erste Halbwelle (0 - 180 Grad): Stellen Sie sich vor, Sie füllen ein Gefäß mit Wasser und stellen diesen Vorgang grafisch dar. Wählen Sie die Hälfte der maximalen Wasserhöhe als Nullstand (Boden) und beginnen Sie allmählich sinusförmig mit dem Öffnen (im Intervall 0 - 90 °) und dem Schließen (90 - 180 °) des Versorgungshahns. Beachten Sie, dass unabhängig vom Schließen des Wasserhahns (im Intervall von 90 bis 180 Grad) der Wasserstand weiter ansteigt. Es ist seltsam, dass Sie den Wasserhahn schließen, aber das Wasser steigt weiter an. Schließlich haben Sie den Wasserhahn vollständig geschlossen (Nullstrom), aber der Wasserstand ist maximal (maximale positive Spannung).

Zweite Halbwelle (180 - 360 Grad): Zu diesem Zeitpunkt müssen Sie die Durchflussrichtung (Stromrichtung) ändern, damit der Wasserstand sinkt. Zu diesem Zweck können Sie allmählich einen weiteren Wasserhahn am Boden öffnen und dann schließen, um das Wasser zu ziehen (d. H. Sie ziehen Strom aus dem Kondensator). Aber auch hier sinkt der Wasserstand weiter, egal ob Sie den Wasserhahn schließen oder nicht. Es ist seltsam, dass Sie den Wasserhahn schließen, aber das Wasser weiter fällt. Schließlich haben Sie den Wasserhahn vollständig geschlossen (Nullstrom), aber der Wasserstand ist maximal negativ (maximale negative Spannung).

Die Grundidee hinter allen Arten solcher Speicherelemente ( Integratoren genannt) lautet also: Das Vorzeichen der ausgangsdruckähnlichen Größe (Spannung, Wasserstand, Luftdruck usw.) kann darf nur durch Ändern der Richtung der eingangsströmungsähnlichen Menge (Strom, Wasserstrom, Luftstrom usw.) geändert werden; Sie kann nicht durch Ändern der Größe der strömungsähnlichen Menge geändert werden. Am Endpunkt ist der Strom Null, aber die Spannung ist maximal; Dies ergibt die 90-Phasenverschiebung im Diagramm.

2. RC-Schaltung (Spannungs-Spannungs-Integrator) . Wir haben bereits erkannt, dass es falsch ist, einen Kondensator direkt über eine Spannungsquelle anzusteuern. Es ist besser, es mit einer Stromquelle zu betreiben. Zu diesem Zweck schließen wir einen Widerstand zwischen der Spannungsquelle und dem Kondensator an, um die Eingangsspannung in Strom umzuwandeln. Der Widerstand wirkt also als Spannungs-Strom-Wandler . Daher haben wir eine Stromquelle aus der Eingangsspannungsquelle und dem Widerstand aufgebaut. Betrachten wir nun den Schaltungsbetrieb (ich werde ihn elektrisch ausführen, aber die hydraulische Analogie der Kommunikation von Schiffen ist auch eine beeindruckende Möglichkeit, dies zu tun).

RC integrating circuit

Stellen Sie sich vor, wie sich die Eingangsspannung VIN sinusförmig ändert. Zu Beginn steigt die Spannung schnell an und der Strom I = (VIN - VC) / R fließt von der Eingangsquelle durch den Widerstand und tritt in den Kondensator ein; Die Ausgangsspannung beginnt faul zu werden. Nach einiger Zeit nähert sich die Eingangsspannung dem Sinuspeak und beginnt dann abzunehmen. Aber bis die Eingangsspannung höher als die Spannung am Kondensator ist, fließt der Strom weiter in die gleiche Richtung. Wie oben ist es seltsam, dass die Eingangsspannung abnimmt, aber die Kondensatorspannung weiter ansteigt. Im übertragenen Sinne "bewegen" sich die beiden Spannungen gegeneinander ... und treffen sich schließlich. In diesem Moment werden die beiden Spannungen gleich; Der Strom ist Null und die Kondensatorspannung ist maximal. Die Eingangsspannung nimmt weiter ab und wird kleiner als die Kondensatorspannung. Der Strom ändert seine Richtung, beginnt vom Kondensator durch den Widerstand zu fließen und tritt in die Eingangsspannungsquelle ein. Es ist sehr interessant, dass der Kondensator als Spannungsquelle wirkt, die Strom in die als Last wirkende Eingangsspannungsquelle "drückt". Bevor die Quelle eine Quelle war und der Kondensator eine Last war; Jetzt ist die Quelle eine Last und der Kondensator eine Quelle…

Der Moment, in dem die beiden Spannungen gleich werden und der Strom seine Richtung ändert, ist der Moment der maximalen Ausgangsspannung. Beachten Sie, dass dies von der Änderungsrate (der Frequenz) der Eingangsspannung abhängt: Je höher die Frequenz ist, desto niedriger ist die maximale Spannung am Kondensator ... je später der Moment ist ... desto größer ist die Phasenverschiebung zwischen der Zwei Spannungen sind ... Bei der maximalen Frequenz kann sich die Spannung über dem Kondensator nicht von der Erde bewegen ... und der Moment der Änderung der Stromrichtung ist, wenn die Eingangsspannung die Null überschreitet (die Situation ist ähnlich wie bei Strom-). mitgelieferter Kondensator).

In dieser Anordnung variiert die Phasenverschiebung von Null bis 90 Grad, wenn die Frequenz von Null bis unendlich variiert. Dies liegt an der unvollständigen Eingangsstromquelle, die den Spannungsabfall am Kondensator nicht neutralisieren kann.

Op-amp inverting integrator

Wenn die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in der RC-Schaltung unabhängig von der Frequenz genau 90 Grad betragen soll (wie im Fall eines einzelnen Kondensators), sollten wir die Spannung am Kondensator irgendwie kompensieren. Dies erfolgt durch den Operationsverstärker in der Schaltung des invertierenden Integrators des Operationsverstärkers. Die Ausgangsspannung entspricht dem Spannungsabfall am Kondensator und addiert sie in Reihe. Das Ergebnis ist eine Spannung von Null (die sogenannte virtuelle Masse ).

+1 für 4,5 Jahre Verspätung
Solche grundlegenden Ideen sind ewig und es ist nie zu spät, eine Erklärung für sie zu finden ...
Versteh mich bitte nicht falsch, ich mache nur Spaß
#3
+2
Whiskeyjack
2015-05-05 21:00:39 UTC
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Um Ihre Frage zu beantworten, beginnen wir mit einer einfachen Gleichstromquelle, z. eine Batterie. Wenn Sie die Schaltung einschalten, sieht der Schaltplan folgendermaßen aus:

enter image description here Der Kondensator ist wie ein hungriges Kind, und jemand serviert ihm Kekse auf einem Teller. Sie versuchen, seine Essgeschwindigkeit zu messen, indem Sie seinen Teller überwachen. Dies ist ein falscher Plan, da Sie anfangs, wenn das Kind sehr hungrig ist, einen leeren Teller sehen. Aber wenn sein Magen voll wird, wird seine Essgeschwindigkeit Null und Sie sehen einen vollen Teller. Dies ist beim Kondensator der Fall.

Anfangs fließt ein großer Strom durch den Kondensator, was ihn im Wesentlichen einem Kurzschluss entspricht. Unter der Annahme, dass der Draht einen vernachlässigbaren Widerstand aufweist, setzen Sie Ihre Sonden im Wesentlichen zusammen, sodass Sie einen Spannungswert von Null erhalten.

Lassen Sie den Stromkreis nun eine Weile stehen, bis der Kondensator aufgeladen ist. Jetzt sieht das Ersatzschaltbild ungefähr so ​​aus: enter image description here

Es ist jetzt ein offener Stromkreis mit einem Stromfluss von Null (idealerweise). Jetzt können Sie die wahre Ladespannung (5 V) messen.

Nun kommen Sie zu Ihrem Zweifel, zunächst bei t = 0, gab es eine potenzielle Quelle, die die Elektronen bewegte. Der Strom bewegte sich jedoch so schnell durch den Kondensator, dass Sie keinen Potentialabfall messen konnten.

An diesem Punkt könnten Sie sich denken, wohin ging dieses Potential?

Angenommen, Sie verwenden eine 5-V-Batterie zusammen mit einem idealen Kondensator ohne Widerstand. Der potenzielle Abfall tritt über den Innenwiderstand der Batterie auf. Dies ergibt das folgende Szenario:

enter image description here

Nun, Sie setzen die Sonden wieder bei t = 0 zusammen und damit Sie wird keine Spannung bekommen. Sie können einfach keine Spannung auf diese Weise bei t = 0 messen.

Wie kann jemand sie messen:

Es gibt zwei Möglichkeiten:

1) Unmöglicher Weg - Teilen Sie die Batterie in zwei Komponenten auf - eine ideale Batterie und einen Widerstand, der dem Innenwiderstand entspricht, und legen Sie die Sonden über den Widerstand. Dies gibt Ihnen ein Batteriepotential bei t = 0.

2) Möglicher Weg - Normalerweise ist der Innenwiderstand gering. Nehmen Sie einen größeren Widerstand, schalten Sie ihn in Reihe mit dem Kondensator und messen Sie die Spannung an diesem Widerstand. Bei t = 0 erhalten Sie fast das Batteriepotential. Fast, weil auch am Innenwiderstand ein gewisser Potentialabfall auftritt.

Nach einer langen Zeit nimmt der Strom jedoch auf Null ab und der Stromkreis ist im Wesentlichen offen. In offenen Stromkreisen gibt es keinen Punkt für Widerstände, und daher entspricht der Stromkreis dem anfänglich geladenen Stromkreis, in dem Sie das gesamte Batteriepotential über dem Kondensator messen können.

"Nun zu Ihrem Zweifel, anfangs bei t = 0, gab es eine Potentialquelle, die die Elektronen bewegte. Der Strom bewegte sich jedoch so schnell durch den Kondensator, dass Sie keinen Potentialabfall darüber messen konnten."--- Daraus ergibt sich gerade die Erkenntnis, dass anfangs keine Spannung am Kondensator anliegt, da die Ladungsmenge, die den Kondensator auf einer Platte belässt, der Ladungsmenge entspricht, die auf der anderen Platte ankommt, und dann beginnt die SpannungAufbau, wenn auf einer Platte im Vergleich zur anderen immer mehr Ladung vorhanden ist.Habe ich recht oder habe ich recht?
@Shady - Ich denke, Sie haben Recht, aber dieser Fall gilt nur für Kondensatoren, denke ich.Bei einem Widerstand erreicht die gleiche Anzahl von Ladungen ein Ende und verlässt das andere Ende.Nach Ihrer Logik sollte es keinen potenziellen Abfall über einem Widerstand geben.Dies ist jedoch nicht wahr.Das wissen wir beide.
Ich habe recherchiert, lange und intensiv darüber nachgedacht und eine Antwort darauf gefunden.Spannung ist ein weit gefasster Begriff, der einige Dinge beschreibt.Es ist eine elektromotorische Kraft, Potentialdifferenz, elektrische potentielle Energie pro Ladungseinheit.Wir haben über die Potentialdifferenz zwischen in Volt gemessenen Kondensatorplatten gesprochen.In Anbetracht eines Widerstands sprechen wir jetzt von einer elektrischen potentiellen Energie JEDER LADE-Einheit, die "VERLOREN" (in Wärme umgewandelt) ist und ebenfalls in Volt gemessen wird.
Aufgrund dieser breiten Terminologie können wir über einen Ladungsüberschuss auf einer Platte eines Kondensators im Vergleich zur anderen Platte sprechen und ihn "SPANNUNG über Kondensator" nennen und auch über die Energieübertragung (in Joule)Coulomb löst sich in einem Widerstand auf (V = J / C) und nennt es "SPANNUNG über Widerstand".Kann ein Bruder jetzt eine AMEN bekommen oder sind meine Ergebnisse fehlerhaft?
#4
+2
Adam Haun
2015-05-05 21:01:20 UTC
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Beachten Sie zunächst, dass Ihre Wellenform zeigt, was im sinusförmigen stationären Zustand passiert. Dies impliziert, dass Spannung und Strom für alle Zeiten stabile Sinuskurven waren. Es gibt also kein "an erster Stelle" in Ihrem Diagramm.

Der Grund, warum bei t = 0 ein Strom vorhanden ist, weil sich die Spannung bei t = 0 ändert , um die Spannung zu erhalten Um zu steigen, müssen Sie Ladung auf die Platten des Kondensators pumpen. Ich denke, Sie versuchen, Gleichstromdenken auf einen Wechselstromkreis anzuwenden. Die Spannung könnte bei t = 0 Null sein, ihre erste Ableitung jedoch nicht. Dieses Derivat hat physikalische Bedeutung! Es ist das, was für den Kondensator wirklich wichtig ist.

#5
+1
AaronD
2015-05-05 20:33:19 UTC
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Wenn Sie auf das Diagramm zurückblicken, entspricht die Gleichung \ $ I = C * {dV} / {dt} \ $ einem Pegel nicht einem Pegel mit einer Phasenverschiebung. Es entspricht einem Pegel einer Änderungsrate oder einer Steigung. Es erfordert Strom, um die Spannung zu ändern, und genau das passiert in der Grafik.

Momentanpunkte sind seltsam.


Jetzt, wo wir ' Nachdem ich die Mathematik aus dem Weg geräumt habe, werde ich auch erwähnen, dass Sie diese Grafik im wirklichen Leben niemals bekommen werden. Reale Kondensatoren haben auch eine gewisse Induktivität, die den scharfen Übergang zu Beginn glättet, vorausgesetzt, \ $ V = I = 0 \ $ beginnt.

#6
+1
IanR
2015-05-05 21:22:08 UTC
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Ich denke, der Hauptpunkt hier ist, dass der Begriff des Spannungsverzögerungsstroms um 90 Grad ein theoretischer Bestfall ist und in der Praxis die Verzögerung etwas geringer sein wird.

In der Realität haben die Verbindungsleitungen einen gewissen Widerstand, sodass der Punkt, an dem die Spannung des Kondensators Null ist, etwas später auftritt als der Punkt, an dem der Ausgang des Wechselstromgenerators Null ist. Daher treibt die PD den Strom an.

#7
+1
chintu
2015-05-06 10:12:06 UTC
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Kondensatoren benötigen Strom, um Spannung zu entwickeln.

Also sollte zuerst Strom vor der Spannung sein.

Strom führt Spannung. (kein Wortspiel beabsichtigt)

Die Spannung bleibt hinter dem Strom zurück.

Ich versuche nur, intuitiv zu visualisieren.

Ihre Antwort ist wie zu sagen: "Es passiert so, weil es so funktioniert."
#8
+1
Eric
2016-06-28 05:39:06 UTC
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Für mich ist die Antwort auf diese Frage sehr intuitiv. Ungeachtet der Mathematik ist es wirklich sehr einfach, wenn man es auf das reduziert, was mit einem Kondensator in einem Gleichstromkreis passiert.

Wenn Sie eine Batterie an einen Kondensator anschließen, muss Strom in den Kondensator fließen, um ihn aufzuladen. Wenn der Kondensator nicht geladen ist, ist die Spannung am Kondensator Null, bevor er an die Batterie angeschlossen wird. In dem Moment (und wenn ich sofort sage, meine ich einen unendlich kleinen Zeitpunkt), in dem die Batterie an den Kondensator angeschlossen ist, beginnt die Batterie, den Kondensator aufzuladen, aber der Kondensator lädt sich nicht sofort auf die Batteriespannung auf. Unabhängig vom Wert des Kondensators dauert es einige Zeit, bis dies eintritt. Bei einem kleinen Kapazitätswert ist dies sehr schnell und bei einem großen Kapazitätswert dauert es länger, aber unabhängig von der Größe des Kondensators dauert es einige Zeit.

Der Strom ist anfangs groß, aber wenn sich die Spannungsladung über dem Kondensator der Batteriespannung nähert, fällt die Strommenge ab, bis der Kondensator vollständig aufgeladen ist. Somit liegt die Spannung hinter dem Strom (hinter ihm).

Wenn der Kondensator auf die Batteriespannung aufgeladen wird, ist für einen perfekten Kondensator der Strom Null; Für einen realen Kondensator in gutem Zustand ist der Strom extrem klein.

Überlegen Sie, was passieren würde, wenn Sie einen 100.000-mfd-Kondensator an eine 12-Volt-Stromquelle anschließen? Wenn Sie dies tun, schließen Sie es besser über einen Widerstand an, um den Strom auf einen sicheren Wert zu begrenzen, oder verfügen Sie über eine Stromquelle mit sehr großer Stromkapazität. Beim ersten Anschließen wäre der Kondensator fast tot. Der Strom würde nur durch den Wert des Widerstands begrenzt. Wenn der Kondensator auf 12 Volt aufgeladen wird, wird der Strom für einen Kondensator guter Qualität nahezu Null.

Aus diesem Grund laden große Rundfunksender ihre ölgefüllten Gleichrichter-Stromversorgungskondensatoren über einen Widerstand mit einem geeigneten Wert auf, der von einem Schütz kurzgeschlossen wird, sobald der Kondensator vollständig aufgeladen ist (normalerweise etwa 1 Sekunde nach dem Einschalten der Stromversorgung)).

Die Visualisierung auf einem Wechselstromkreis ist komplizierter, funktioniert aber genauso.Die Mathematik wird nur noch komplizierter.Aus diesem Grund kann eine Kondensatorbank, die über eine Wechselstromleitung geleitet wird, Blindleistung zur Spannungsunterstützung bereitstellen, wenn die Leitung induktive Lasten aufweist.Unmittelbar nachdem sich die Sinuswelle gerade näher an Null zu bewegen beginnt, baut sich die Kondensatorspannung immer noch fast 90 Grad hinter der Wellenform der Stromleitung auf und beginnt, ihre Energie zu entladen, um die Spannung der Stromleitung zu unterstützen.Ohne solche Kondensatorbänke wäre unser Stromversorgungssystem sehr ineffizient.

Ich hoffe, dies hilft Ihrem Verständnis.

#9
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Pedro Quadros
2015-05-05 19:24:00 UTC
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Ich denke gerne wie folgt:

Kondensatoren sind im Grunde zwei Platten, die durch ein Dielektrikum isoliert sind. Um eine Spannung zwischen den beiden Platten zu haben, sollten Sie diese zuerst aufladen. Um sie aufzuladen, müssen Sie Strom liefern, sodass die Spannung zwischen den Platten einer Reaktion auf den von Ihnen angegebenen Strom entspricht.

Induktivitäten verhalten sich auf der anderen Seite in Bezug auf das Lenzsche Gesetz. Die Spannung ist mit dem elektrischen Feld korreliert. Wenn Sie also eine Spannung (elektrisches Feld) an eine Wicklung anlegen, fließt ein Strom darauf, was uns zu der Annahme führt, dass der Strom an einer Induktivität wie eine Reaktion auf die angelegte Spannung ist.

Kondensatoren - okey scheint fair und direkt zu sein, aber warum verzögert sich die Reaktion auf den Strom?Sobald Ladung auf eine Platte des Kondensators fließt, bedeutet dies, dass sich das Potential zwischen den Platten SO BALD ändert, wenn jedes Teilchen auf der Platte ankommt. Woher kommt also die Verzögerung?
Wie Sie weiß ich nicht, was wirklich darin passiert.Ich rate nur zur Physiktheorie.Ich nehme an, die Verzögerung ist auf die Zeit zurückzuführen, die die andere Platte benötigt, um zu reagieren.Wenn Sie mit dem Laden eines Kondensators beginnen, laden Sie zunächst eine Platte mit V +.Die andere Seite wird als Reaktion (aufgrund des elektrischen Feldes) mit V- aufgeladen, aber ich nehme an, dass es aufgrund der dielektrischen Eigenschaften nicht augenblicklich ist.
Angenommen, es hat wirklich eine Verzögerung. Mal sehen, was mit AC passiert.Zunächst wird eine Seite (Platte 1) mit V + aufgeladen.Die Platte 2 ist zunächst neutral.Nach der Verzögerung ist es V- (und so haben wir die maximale Spannung zwischen ihnen).Wenn Platte 1 V- ist, dauert es erneut eine Zeit, bis Platte 2 V + ist (maximale Spannung am Kondensator).Wie ich bereits sagte, ist alles, was ich tue, Vermutung und Hoffnung, wie Sie, es von jemandem zu klären, der das Thema richtig kennt.
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_3/backbone/r3_7_2.html Wie durch die Verbindung gezeigt, ist die Dielektrizitätskonstante größer und die Brechung des Materials größer.Wir wissen auch, dass der Brechungsindex größer und die Wellengeschwindigkeit niedriger ist.Da das Dielektrikum zwischen den Platten einen höheren Brechungswert als Kupfer aufweist, erwarten wir eine Verzögerung, wenn eine Welle es kreuzt.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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