Как конденсатор может хранить заряд, одновременно пропуская ток?

Часто говорят, что конденсаторы хранят заряд. Просто читая википедию , я нахожу:

Даниэль Гралат был первым, кто объединил несколько банок параллельно в «батарею», чтобы увеличить емкость накопителя заряда . Бенджамин Франклин исследовал лейденскую банку и пришел к выводу, что заряд хранится на стекле, а не в воде, как предполагали другие.

Поскольку проводники (или пластины) находятся близко друг к другу, противоположные заряды на проводниках притягивают друг друга из-за их электрических полей, позволяя конденсатору сохранять больше заряда для данного напряжения, чем если бы проводники были разделены, что дает конденсатору большую емкость ,

Здесь Q - заряд, накопленный в конденсаторе

Заряд измеряется в кулонах, и из определения емкости я знаю, что если конденсатор 1F имеет напряжение 1 В, то в нем сохраняется 1С заряда. Если кулон составляет 6,241 × 10 ¹⁸ электронов, то в этом конденсаторе должно быть 6,241 × 10 ¹⁸ электронов.

Но теперь рассмотрим это. Если я использую конденсатор в качестве нагрузки для некоторого источника переменного напряжения, будет течь некоторая сила тока (точная величина зависит от напряжения, частоты и емкости):

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Я знаю, что ток течет по всей цепи, потому что, если я поставлю лампочку по обе стороны от конденсатора, она загорится. Но если ток течет по этой цепи, как конденсатор «накапливает заряд»? Другими словами, как я могу поместить электроны в конденсатор, если ток течет по цепи, что означает, что для всех электронов, которые я вставил в конденсатор, одинаковое число выходит с другой стороны? Если я не могу вставить электроны, не вынув их, то как конденсатор может их хранить?

Это просто. Конденсатор не накапливает заряд, он накапливает энергию . Чистый заряд в полном конденсаторе (а не с одной пластиной или изолятором) никогда не меняется. Увеличение отрицательного заряда на одной пластине точно уравновешивается уменьшением отрицательного заряда на другой пластине. Следовательно, когда ток входит в одну клемму, равный ток должен покинуть другую клемму.

Это своего рода мультипликационная версия, но она работает в моей голове.

В конденсаторе имеется изолирующая щель, поэтому отдельные электроны не могут перемещаться от одного терминала к другому. Так что входящие электроны - это не то же самое, что выходящие с другой стороны! Вместо этого поступающие электроны «останавливаются» на одной пластине. Но электрическое поле этого электрона отталкивает электрон с другой стороны, которая выходит из другой пластины, в конце концов достигая источника. У нас есть полная схема, но электроны накапливаются на одной пластине, а дырки накапливаются на другой!

Теперь есть предел тому, сколько электронов может накопиться на пластине. Электроны отталкивают друг друга, поэтому чем их больше, тем труднее придерживаться другому. Нам нужно что-то, что заставляет их оставаться на тарелке вместе. Это напряжение. И наоборот, тот факт, что электроны пытаются отталкивать друг друга, также является напряжением, силой, которая пытается перемещать электроны по кругу.

Теперь, когда входящий электрон выбивает один свободный элемент из другой пластины, выходящий электрон имеет меньше энергии, чем входящий, что объясняет падение напряжения на заряженном конденсаторе.

Конечно, электроны не стоят на месте, даже если им некуда идти в макроуровне. Они все отталкивают друг друга, "отскакивая" от электрического поля друг друга. Если эти поля становятся слишком интенсивными (напряжение становится слишком высоким), взаимодействия могут привести к проникновению электрона через диэлектрический барьер между пластинами. Когда напряжение на пластинах становится слишком высоким, ток утечки крышки увеличивается. И если это продолжается слишком долго, диэлектрик повреждается, и у вас больше нет очень хорошей крышки.

Заряд может означать много вещей. Мы можем говорить о зарядке конденсатора энергией, как мы заряжаем бомбы или предоплаченные кредитные карты. Мы также можем взять электрический заряд , который измеряется в кулонах.

Около 6,241 × 10 ¹⁸ электронов действительно составляет 1С заряда. Однако, когда люди говорят о заряде в конденсаторе , они не говорят об электронах в конденсаторе, как можно было бы говорить о печенье в банке с печеньем. Они говорят о чем-то другом. Это сбивает с толку, но это то, что они делают в любом случае.

То, о чем они на самом деле говорят, является интегралом тока. То есть средний ток, который течет, время его протекания. Если ток измеряется в амперах , а время в секундах, то, когда вы берете ток и умножаете его на время, вы получаете значение, измеряемое в амперах-секундах. И, если вы помните, ампера означает один кулон в секунду. Таким образом:

То есть ампер-секунда - это кулон. Интеграл тока - это заряд . Поэтому, когда кто-то говорит, что конденсатор «хранит 1C заряда», это не означает, что в конденсаторе находится 1C электронов, они означают, что через конденсатор прошел 1C заряда . Конденсатор «хранит» такой заряд в том смысле, что теперь он содержит достаточно энергии, чтобы оттолкнуть 1С заряда обратно.

Лучше считать конденсатор устройством накопления энергии, чем устройством накопления заряда. Когда ток течет в конденсатор, напряжение накапливается на клеммах. Это напряжение разделяется расстоянием между пластинами и, таким образом, создает электрическое поле. В этом поле хранится энергия. Индукторы, с другой стороны, запасают энергию магнитными полями.

По мере протекания тока противоположные заряды накапливаются на каждой противоположной пластине конденсатора. Электроны пытаются обойти цепь, но они останавливаются на пластине конденсатора, оставляя отрицательный заряд на одной стороне и положительный заряд на другой. Величина каждого заряда может быть описана уравнением:

C = Q / V

Ток будет продолжать течь, а заряд будет накапливаться до тех пор, пока цепь с конденсатором не станет стабильной. Например, если цепь представляет собой просто батарею, резистор и конденсатор, соединенные последовательно, ток будет продолжать течь, пока напряжение на конденсаторе не станет равным напряжению батареи. Таким образом, в установившейся цепи постоянного тока, где никакие токи не меняются, конденсатор появляется в виде разомкнутой цепи с накопленным зарядом, пропорциональным напряжению на клеммах и емкости.

Однако для любой схемы, которая не является постоянным током, лучший способ описать поведение конденсаторов:

I = C * (dV / dt)

Поэтому, если у вас есть источник синусоидального напряжения, ток, протекающий «через» конденсатор, постоянно меняется, и накопленный заряд никогда не будет постоянным. Представьте себе, как мы опрокидываем половину полной бутылки с водой. Вода не течет непрерывно, как ток в цепи постоянного тока, но она все еще работает. Если бы у вас было какое-то странное турбинное устройство в бутылке с водой, оно бы постоянно вращалось, останавливаясь только для изменения направления, когда бутылка наклонена в другую сторону.

Наконец, в цепи постоянного тока равные и противоположные заряды хранятся на каждой боковой пластине конденсатора. Конденсатор не хранит электроны вообще. Это хранит заряд. Электроны с одной стороны перемещаются по кругу на другую сторону, что вызвано внешней разностью напряжений. Результатом является концентрация электронов на одной стороне и отсутствие на другой - заряда. В цепи переменного тока происходит то же самое явление, но оно постоянно меняется. Как только напряжение питания изменяется, электроны не притягиваются к пластинам одинаково и начинают мобилизоваться. Если эти электроны проходят через нагрузку, например, лампочку, они будут работать, и лампочка включится. Таким образом, ток фактически не течет по цепи. Это просто выплескивание вперед и назад, как вода в бутылке. Однако, все, что нужно, чтобы зажечь лампу - это движение электронов. Колба не заботится о том, в каком направлении они движутся, и ваши глаза не могут воспринимать изменение направления, пока скорость переключения достаточно высока.

Также хотелось бы отметить, что речь идет об идеальных конденсаторах. На практике при достаточно высоких частотах конденсаторы будут выглядеть как индукторы (V = L * (di / dt)).

Редактировать:

Чтобы ответить на конкретный вопрос: где заряд хранится в конденсаторе?

Внутри полного конденсатора чистый заряд не сохраняется. Однако, используя модель параллельной пластины , равные и противоположные заряды величины Q расположены на каждой из пластин. Когда на конденсатор подается внешнее напряжение, электроны убегают от пластины с более высоким потенциалом и притягиваются к пластине с более низким потенциалом. Эти накопленные электроны образуют на этой пластине отрицательный заряд, а отсутствие электронов на другой пластине образует положительный заряд. Фактическая величина каждого полного заряда Q определяется напряжением V и емкостью C.