Warum fällt die Spannung nicht auf 0, wenn ein Kondensator vollständig aufgeladen ist?

Dies ist mein bisheriges Verständnis davon, was Kondensatoren sind und wie sie funktionieren, wenn es hilft, meine Frage auf einer Ebene zu beantworten, die ich verstehen kann:

Ein Kondensator besteht aus zwei gleich großen leitfähigen Platten mit einer Dialektik (einem Isolator, der elektromagnetische Kräfte übertragen kann, aber den Stromfluss blockiert) dazwischen.

Wenn eine Batterie an einen nicht polarisierten Kondensator angeschlossen wird, beginnen Elektronen, sich vom Minuspol der Batterie zu der Platte auszubreiten, mit der sie verbunden ist.

Die ungeladenen Teilchen auf dieser Platte erhalten einen Überschuss an Elektronen, wodurch diese Platte negativer geladen wird.

Gleichzeitig breiten sich Valenzelektronen von den ungeladenen Teilchen von der Platte über die Dialektik zum positiven Pol der Batterie aus und hinterlassen diese Platte mit einer positiven Ladung oder einem Mangel an Elektronen im Vergleich zu Protonen.

Die Stromausbreitung hört auf, wenn die Atome auf der Platte, die mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist, die maximale Anzahl von Valenzelektronen aufgenommen haben, die sie halten können, und wenn die Atome auf der Platte, die mit dem Pluspol der Batterie verbunden sind, das Maximum verloren haben Anzahl der Valenzelektronen, die diese Atome abgeben können. Oder wenn die negative Platte ihre maximale negative Ladung erreicht und die positive Platte ihre maximale positive Ladung erreicht.

Wenn die Batterie entfernt und durch eine passive Komponente ersetzt wird, fließen Elektronen, da sie sich nicht durch die Dialektik ausbreiten können, in umgekehrter Richtung relativ zur Richtung des Stromflusses während des Ladevorgangs von der negativ geladenen Platte um den Stromkreis herum zurück zur positiv geladenen Platte, um das Ladungsgleichgewicht wiederherzustellen.

Meine Frage:

Vom Beginn des Ladevorgangs bis zur vollständigen Aufladung des Kondensators fällt der Strom allmählich von seiner Anfangsrate auf 0 ab, da die Atome auf der negativ geladenen Platte, wie ich bereits erklärt habe, immer weniger Elektronen als Valenz jedes einzelnen Atoms aufnehmen können Orbit erreicht seine maximale Kapazität.

Wenn also Elektronen still stehen / sich nicht über die Versorgung durch den Draht in die negativ geladene Platte ausbreiten können, wie kann es dann möglich sein, dass die Spannung konstant bleibt, wenn die Spannung direkt proportional ist / aus der Elektronenausbreitung / dem Strom erzeugt wird? Sollte die Spannung über der Quelle und die Spannung über dem Draht an dieser Stelle nicht 0 sein? Und warum nicht/wie ist das möglich?

Spannung ist ein Potential. Wenn Sie ein Objekt anheben und auf das Regal stellen, hat es eine Geschwindigkeit von 0, aber die potenzielle Energie geht nicht verloren, bis es vom Regal fällt. Betrachten Sie Batterien in einer neuen Verpackung. Sie haben eine Spannung, aber ihr Strom ist im Wesentlichen "0". Kondensatoren sind nicht viel anders. Ich bin sicher, jemand hier kann eine genauere Erklärung geben.
"Wenn die Spannung direkt proportional ist / aus der Elektronenausbreitung / dem Strom entsteht?" Woher hast du das? Eine nicht angeschlossene Batterie hat eine Spannung, aber keine Elektronenbewegung (Ausbreitung).
Stellen Sie sich einen Kondensator als Feder vor. Ladung ist die Verschiebung der Feder, Strom ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Feder bewegt. Spannung ist die Spannung in der Feder. Obwohl sich die Feder irgendwann bewegen muss, um eine Spannung zu erzeugen, bleibt die Spannung auch dann bestehen, wenn die Feder ruht. Diese Analogie kann viel weiter getrieben werden, die in der Feder / dem Kondensator gespeicherte Energie ist proportional zum Quadrat der Spannung oder zum Quadrat der Spannung.
Vielleicht verwechsle ich die potenzielle Spannung und die gemessene Spannung?

Antworten (2)

Sie haben einige Missverständnisse über die Physik hinter diesem Phänomen.

Zunächst einmal sprechen wir hier nicht von Valenzelektronen. Die Platten des Kondensators sind metallisch, daher befinden sich die meisten Elektronen der äußeren Schalen der Atome im Leitungsband , nicht im Valenzband.

Atome metallischer Materialien bilden eine sogenannte metallische Bindung , bei der alle Elektronen der äußeren Schalen ein riesiges Orbital bilden, das sich über das gesamte metallische Kristallgitter erstreckt. In einer solchen „großen Elektronenwolke“ sind Elektronen auch ohne äußere Kräfte relativ frei beweglich, dh sie sind nicht an ein bestimmtes Atom gebunden.

Wenn Sie eine Batterie auf die Platten auflegen, funktioniert sie wie eine Art Pumpe, das heißt, sie "bewegt" Elektronen von einer Platte zur anderen. Der Prozess hört nicht auf, wenn "die Atome keine Elektronen mehr aufnehmen können", sondern wenn die Potentialdifferenz zwischen den Platten der Spannung der Batterie entspricht und ein Gleichgewicht erreicht ist.

Tatsächlich erzeugt jedes Elektron, das von einer Platte zur anderen verschoben wird, ein kleines elektrisches Feld, das nicht durch eine entsprechende positive Ladung in einem nahe gelegenen Atom neutralisiert wird. Wie Sie es bereits verstanden haben, hinterlässt es die positive Ladung auf der anderen Platte. Dies bedeutet, dass die Ladungsverschiebung im Raum zwischen den Platten ein elektrisches Feld erzeugt, und dieses Feld hat eine entsprechende Potentialfunktion, die wiederum zu dieser Potentialdifferenz zwischen den Platten führt.

Je mehr Ladung Sie verschieben, desto intensiver ist das Feld und desto größer ist die Potentialdifferenz. Diese Potentialdifferenz steht der Spannung der Batterie entgegen, und die Differenz der beiden ist die tatsächliche "Spannung um die Schleife", die weitere Elektronen bewegt. Wie Sie erraten haben, bedeutet ein größerer Potentialunterschied zwischen den Platten weniger Spannung in der Schleife und damit weniger Strom (bei einem bestimmten Schaltungswiderstand).

Theoretisch ist dieser Prozess unendlich (ich verzichte hier auf Mathematik), dh das Gleichgewicht wird nach unendlicher Zeit erreicht. Tatsächlich können Sie nach 3-5 Zeitkonstanten davon ausgehen, dass der Kondensator geladen ist.

Ich muss noch etwas recherchieren, um diesen Teil des Verständnisses zu korrigieren. Vielen Dank, dass Sie darauf hingewiesen haben, aber was die Hauptfrage angeht: Wenn auf hohem Niveau kein Strom in den Kondensator fließt, ist es richtig zu sagen, dass das Potenzial Die Spannung von der Versorgung ist immer noch konstant, aber die tatsächlich gemessene Spannung an jedem Punkt entlang der Schaltung, bis der Kondensator 0 ist, weil kein Strom fließt?
@ Ietpt123 Ihre Frage ist unklar. Es gibt keine "Spannung an einem Punkt". Spannung ist eine Kurzbezeichnung für eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten . Wenn der Strom Null ist (am "Ende" des Ladevorgangs), haben Sie keinen Spannungsabfall über den Drähten, die die Pole der Batterie mit den Platten verbinden, aber Sie haben immer noch eine Spannung über der Batterie und über dem Kondensator (bei an diesem Punkt sind sie idealerweise gleich).
Ich denke, meine Verwirrung besteht eher darin, wie die Versorgungsspannung konstant bleiben kann, wenn der Strom 0 ist und dem Ohm-Gesetz gehorcht, aber aus einer schnellen Google-Suche [ electronics.stackexchange.com/questions/166359/… sagt eine kurze Erklärung, dass im Grunde genommen Spannung in einer Batterie ist ist fest und unabhängig vom Ohmschen Gesetz. Um es anders zu formulieren, wäre es richtig zu sagen, dass am „Ende“ einer Kondensatorladung die Strom- und Potentialdifferenz zwischen dem Minuspol der Batterie und der negativ geladenen Platte des Kondensators 0 ist?
Eine Batterie ist nicht „unabhängig vom Ohmschen Gesetz“
Und eine Batterie ist kein Widerstand - obwohl sie einen gewissen Innenwiderstand aufweist.
"Am "Ende" einer Kondensatorladung ist die Strom- und Potentialdifferenz zwischen dem Minuspol der Batterie und der negativ geladenen Platte des Kondensators 0", ja, das ist richtig, weil der Draht, der sie verbindet, ein niederohmiger Widerstand ist , daher bedeutet kein Strom keine Spannung am Widerstand.

Alle Kondensatoren haben einen effektiven Serienwiderstand (ESR) und einen Leckstrom bei maximaler Nennspannung, der einem Parallelwiderstand entspricht.

Leiter haben ein Valenzband und ein Leitungsband, die sich überlappen, sodass Elektronen leicht zwischen den beiden Bändern springen können, was bedeutet, dass das Material hoch leitfähig ist. Halbleiter haben eine kleine Lücke und Isolatoren haben eine sehr große Lücke, die durch Verunreinigungen überbrückt werden kann und dies beeinflusst die Durchbruchsschwelle.

Die Auswirkungen der EMF-Kraft auf den Strom beruhen auf der Potentialdifferenz zwischen der dielektrischen Ladespannung, die von den Elektroden gesehen wird, und der angelegten Spannung, und der Strom wird durch den Kondensator ESR begrenzt, folgt jedoch, wenn er nicht begrenzt ist, den Ladungsgesetzen dQ/dt=Ic= CdV/dt und die Spannung wird verteilt durch v C ( T ) = ICH C ( T ) ∗ E S R + ∫ ICH C ( T ) + v C ( T = 0 )

Hier ist eine 10uF-Polkappe für allgemeine Zwecke (GP). mit allen Wellenformen und RMS-Welligkeitsstrom. Diese haben in der Regel einen ESR*C = T > 100 us, während niedrige ESR-E-Caps < 10 us sind.

Warum fällt die Spannung nicht auf 0, wenn ein Kondensator vollständig aufgeladen ist?
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