¿Cuál es el significado físico del hecho de que la corriente conduce al fasor de voltaje en el caso de un condensador?

Answer 1

Ya sea que lo llame o adelante o atrase, es solo una cuestión de preferencia. Pero la realidad es que en un circuito de CA capacitivo puro, la corriente y el voltaje no oscilan en fase entre sí. Para ser más precisos, lo que quiero decir con esta afirmación es que los valores de voltaje y la corriente constantemente fluctúan. Cuando el voltaje alcanza su valor máximo, la corriente no lo hace y, de manera similar, cuando la corriente alcanza su valor máximo, el voltaje no. Trataré de explicarte con un detalle insoportable sin usar demasiadas matemáticas o palabras sofisticadas, por qué la afirmación anterior es verdadera.

Esta será una respuesta larga, tan descarada conmigo, pero prometo que al final, habrás entendido el funcionamiento a un nivel que ningún libro de texto o sitio web (que he leído o encontrado) te explicaría .

Para estar en la misma página, déjame contarte algunas suposiciones

1. Cuando las cargas son empujadas por una fuerza constante, no aceleran, sino que mantienen una velocidad constante. Al igual que una gota de lluvia acelerada por la gravedad obtiene rápidamente la velocidad terminal debido al arrastre de aire, los electrones dentro de un cable rápidamente (supondremos, casi instantáneamente) obtienen una ‘velocidad terminal’ bajo la influencia de una fuerza constante debido a la resistencia del cable Esta velocidad terminal o velocidad de deriva es proporcional a la fuerza neta que actúa sobre la carga. Por supuesto, en realidad, los electrones se aceleran, pero luego chocan rápidamente con uno de los átomos del cable, pierden su velocidad y comienzan de nuevo. Por lo tanto, podemos promediar este movimiento irregular de los electrones y decir, ‘en promedio, se mueven con una velocidad terminal constante, esto se llama velocidad de deriva, y depende de la fuerza de la fuerza y ​​la naturaleza y las dimensiones de el alambre’
2. La velocidad de la carga es directamente proporcional a la corriente en el cable. Esto no es realmente una suposición, sino un hecho. Siento que es fácil imaginar la velocidad de una carga, por lo que mi explicación se basará en la velocidad. Y así más la velocidad más la corriente. Por lo general, la velocidad de los electrones dentro de un cable es de unos pocos mm / seg.
3. El empuje dado a los electrones por el generador sigue variando sinusoidalmente. Esto es extremadamente importante, así que por favor preste atención. El generador funciona según un principio simple de que, cuando un cable se mueve cerca de un imán, los electrones en su interior experimentan un impulso. Por lo general, un generador contiene un bucle de alambre que gira entre dos imanes, como se muestra a continuación

Si resuelve los detalles (lo cual no haré aquí, porque quiero llegar a señalar pronto), la fuerza sobre los electrones resulta ser sinusoidal. Lo que significa que la fuerza sigue cambiando su fuerza y ​​su dirección, como se muestra en el gráfico a continuación.

Tenga en cuenta que, convencionalmente, esa misma fuerza se multiplica sobre la distancia que actúa y luego se integra sobre todo el circuito y se llama EMF, y se representa como voltaje, pero creo que es más intuitivo pensar en términos de empuje y velocidad de carga, en lugar de que el voltaje y la corriente (aunque son equivalentes, y este último es más fácil de describir)

Ahora viene el punto importante. Si tuviera que tomar intervalos iguales de tiempo y calcular el cambio en la fuerza del empuje, disminuirá a medida que el empuje pase de cero al máximo. Mire el gráfico a continuación para ver lo que quiero decir, (esta será la clave)

Las gruesas flechas rojas representan la fuerza en t1, t2, t3. Claramente, la fuerza sigue aumentando, pero observe el cambio en la fuerza de 0 – t1, t1-t2 y t2-t3. La diferencia se muestra con una delgada flecha blanca. Claramente, la diferencia es máxima de 0 a t1 y luego sigue disminuyendo. De hecho, cuando la fuerza está en el pico, la diferencia en la fuerza es insignificantemente pequeña. Por lo tanto, la diferencia en la fuerza (entre intervalos de tiempo iguales) es máxima cuando la fuerza es cercana a cero y mínima cuando la fuerza está en el pico) Para ser claros, es como obtener estos resultados en pruebas posteriores 0, 50, 60, 65, 67, 68, 67, 65, 60, 50, 0, -50, -60 … Observe que su puntaje sigue aumentando de 0 a un máximo de 68, pero la mejora es máxima cerca de 0 y mínima cerca de 68.

4. Un condensador, cuando se carga, empuja las cargas en la dirección opuesta del flujo y, mientras se descarga, en la misma dirección del flujo. Creo que si comprende los conceptos básicos de los condensadores, entonces esto debe ser obvio para usted, pero no obstante, aquí es una descripción de la carga del condensador.

A la izquierda, verá que las cargas están siendo empujadas por la fuente, en sentido horario, esto hace que la placa superior de la tapa sea positiva y la placa inferior, negativa. Entonces, una fracción de segundo después (como se muestra en la imagen de la derecha), la placa superior empuja las cargas entrantes, reduciendo la fuerza neta que actúa sobre la carga (fuerza desde la fuente – fuerza desde la tapa) y, por lo tanto, disminuye la velocidad de la carga. cargos (y por lo tanto el actual)

Uff, ahora que tenemos todos los elementos básicos que necesitamos. Conectemos un condensador (sin carga) a un generador de CA. Solo mostraré una carga en todo el circuito (es una molestia dibujar muchas cargas, usar la imaginación. Recuerde que hay cargas en todas partes, incluso dentro de la bobina del generador)

Ahora cerraré el circuito, y en este momento (t = 0) asumiré que la fuerza del suministro también es cero y aumenta hacia un máximo positivo (empuje en sentido horario). Si suponemos que el período de tiempo de oscilación de la fuerza es de 10 segundos, entonces veamos qué sucede solo un milisegundo después de cerrar el interruptor.

El impulso desde la fuente aumenta en una cantidad (extremadamente) pequeña, que se muestra con la marca de flecha roja (lo he exagerado en la figura). Como el condensador aún no está cargado, existe una fuerza neta de ‘sentido horario’ sobre las cargas, lo que hace que se muevan con cierta velocidad constante hacia la derecha. (Recuerde que las cargas no se aceleran, punto 1). A continuación, trazaré el gráfico de tiempo de velocidad. El punto azul representa la velocidad actual. (Sé que esta es la velocidad 1 ms después de cerrar el interruptor, pero en comparación con 10 segundos, esto está casi en el punto cero, así que déjame un poco de holgura)

Dentro del siguiente milisegundo, la tapa se carga hasta que empuja las cargas exactamente con la misma fuerza. Entonces, ¿esto significa que las cargas dejan de moverse? (¿como la fuerza neta es cero ahora?) ¡No! Porque en este momento, la fuerza de entrada (desde el generador) habría aumentado (y, por lo tanto, la fuerza neta seguiría siendo en sentido horario). Pero aqui es real pateador. Aunque la fuerza ha aumentado, la fuerza neta sobre la carga (fuerza del generador – fuerza debida al límite) será menor. ¿Recuerdas el punto 3? La fuerza del generador ha aumentado de 1 ms a 2 ms, pero no tanto como lo hizo de 0 a 1 ms. Puede ver esto visualmente representado en el diagrama a continuación

La marca de flecha blanca representa la fuerza neta sobre las cargas. Esta fuerza neta (de 1 ms a 2 ms) es menor de lo que era (de 0 a 1 ms). Esto hace que la velocidad de la carga disminuya y, en consecuencia, la corriente también disminuye. Como se muestra en el gráfico, por el segundo punto azul.

Ahora esta farsa continúa. A medida que pasa el tiempo, la fuerza del generador aumenta y el capacitor se sigue cargando e intenta igualar esta fuerza. (En mi ejemplo, la fuerza del contador del condensador se retrasa por la fuerza del generador en 1 ms, esto es casi cero, en comparación con el período de tiempo de 10 segundos).
Ahora avancemos rápidamente a la situación, cuando la fuerza del generador es máxima. Como la tapa está 1 ms atrás, la fuerza sobre la tapa también es, casi, casi, casi máxima, y ​​por lo tanto, la fuerza neta es casi, casi, casi cero, haciendo que las cargas se detengan y la corriente cero, como se muestra en la imagen a continuación.

Deberías tomar un descanso en este punto y tratar de digerirlo correctamente. Porque si lo haces, el resto será muy fácil. Nuevamente aclaro el punto clave. Cuando la fuerza pasa de cero al máximo, la fuerza sigue aumentando, pero la mejora en la fuerza sigue disminuyendo, por lo tanto, la fuerza del contador del condensador se recupera rápidamente. Regrese a su analogía de puntajes. Imagina que la puntuación de tus amigos en la prueba es exactamente igual a la que obtuviste en la prueba anterior. Entonces su puntaje (en negrita) y el puntaje de sus amigos (en cursiva) serán así
0 – -… .. 50 0 ……. 60 50…. 65 60 ….. 67 65 ……. 68 67

Solo vea, cómo la diferencia entre su puntaje (que representa la fuerza debida al generador) y el puntaje de sus amigos (contra fuerza debido al capacitor) disminuye rápidamente y se acerca a cero cuando su puntaje se acerca al máximo.

Así que ahora tenemos el condensador completamente cargado, la fuerza máxima del generador, la fuerza máxima del contador del condensador (voltaje máximo dentro del condensador) y, por lo tanto, la velocidad de carga cero (corriente en el circuito = cero)

Ahora casi puede continuar todo esto solo, veamos rápidamente qué sucede.
Un milisegundo después, la fuerza debida al generador cae por debajo de cero. Pero la tapa todavía está teniendo un empuje máximo. Por lo tanto, el contra empuje debido al condensador gana y, por lo tanto, las cargas comienzan a fluir hacia atrás. Con solo una pequeña, pequeña velocidad, porque la fuerza neta es muy pequeña. (Continuaré con la analogía de los puntajes). Ahora los puntajes son 67 68. Esto hace que la corriente negativa, también conocida como flujo en sentido antihorario. Representado por el último punto azul en el gráfico.

Ahora, la fuerza del generador, comienza a caer más y más rápido, y a medida que el condensador sigue, la fuerza neta (en sentido contrario a las agujas del reloj, porque la fuerza del condensador está ganando ahora, se está descargando por cierto) comienza a aumentar, nuevamente consideremos la puntuación analogía
65 67 ………. 60 65 ………… 50 60 ……… .. 0 50 ……….

Claramente puede ver que la diferencia en los puntajes (fuerza) sigue aumentando, esto hace que la velocidad de las cargas (flujo en sentido contrario a las agujas del reloj, también conocida como corriente negativa) sea cada vez más rápida, hasta que la fuerza del generador sea cero, cuando la velocidad va a máximo.

Ahora, si espera un milisegundo más tarde, la fuerza del generador aumentaría de cero a algún valor en la dirección opuesta (en sentido antihorario) y el condensador se habría descargado por completo, dejándonos de nuevo en el cuadrado 1, pero esta vez, en el direccion opuesta. Aquí están tus puntajes y los de tus amigos

-50 0 ………. -60-50 ……… .. -65-60 ……… -67-65 ……… .. -68-67

Observe nuevamente, inicialmente la diferencia es enorme (manteniendo la velocidad máxima), y luego la diferencia sigue disminuyendo casi reduciéndose a cero (cuando la fuerza debida al generador es máxima negativa y, por lo tanto, la corriente disminuye a cero). [Pero tenga en cuenta que esta vez su amigo estaba por delante de usted (-50 es más que -60 ¿recuerda? ;-))] dando el resto del gráfico de esta manera.

Creo que el resto ahora es bastante simple, así que conectemos los puntos azules y miremos nuestro gráfico actual

Si analiza cuidadosamente el gráfico, verá que la corriente primero alcanza el máximo, y luego el voltaje alcanza el máximo (después de un cuarto de período de tiempo), de manera similar, la corriente primero llega a cero, y luego el voltaje (nuevamente, después de un cuarto del periodo de tiempo).
Por lo tanto, es tentador decir que la corriente es un cuarto de período antes del voltaje. Pero también se podría decir que la corriente es 3 cuartos de período de tiempo detrás del voltaje. Un cuarto de período por delante es mucho mejor que pensar 3 cuartos de tiempo por detrás, ¿verdad? Así, el famoso dicho en un circuito de CA capacitivo puro, la corriente es un cuarto de período de tiempo por delante de la tensión.
[Mi gráfico final es para la fuerza y ​​la velocidad frente al tiempo, pero recuerde que la fuerza del condensador es la misma que la fuerza del generador, si hicimos nuestros pasos de tiempo (1 ms en nuestro ejemplo) arbitrariamente pequeños (aproximándose a cero), y esto la fuerza no es más que una representación de la diferencia de potencial, voltaje, a través del condensador, y la velocidad es una representación de la corriente en el circuito]

Uf, finalmente hecho. Avíseme si esto fue lo suficientemente detallado. Gracias por leer 🙂

Answer 2

Físicamente, es la corriente la que altera la carga en las placas (y, por lo tanto, el voltaje) en un condensador. Cuanto más se carga el condensador, mayor es el campo opuesto en las placas, por lo que “reacciona” al flujo de corriente al desarrollar el potencial.

Es más claro si observa una fuente de corriente sinusoidal que impulsa el condensador, no una fuente de voltaje. Ahora, mientras la corriente esté en una dirección, el condensador se cargará (el campo a través de sus placas se acumulará ya que está bombeando electrones en una dirección). Cuando la corriente es alta (la parte superior plana de la onda sinusoidal), el voltaje se acumula rápidamente (forma la pendiente ascendente de la onda sinusoidal de voltaje). Cuando la corriente es baja (cerca del cruce por cero de la onda sinusoidal), la acumulación de voltaje se aplana en su punto máximo.
Ahora, cuando la corriente se invierte, la carga comienza a acumularse en las placas del condensador en la dirección opuesta. El voltaje ahora comienza a reducirse del máximo, pasa su cruce por cero y alcanzará su máximo negativo cuando la corriente vuelva a su cruce por cero.
Por lo tanto, es este patrón de carga-descarga del condensador el que hace que el voltaje se retrase detrás de la corriente.

Si lee esto mientras observa las formas de onda de corriente y voltaje de un condensador, le ayudará a ver por qué la corriente lleva el voltaje 90 grados.

Answer 3

Inspirándome en las maravillosas explicaciones dadas por Rushil Kishore, y estudiando las consultas de los otros usuarios que desean conocer el caso de las formas de onda no senoidales, me gustaría agregar a sus entradas.

La carga almacenada en un condensador, q = Cv ……… .eq (1)
donde C–> capacitancia;
v–> voltaje;
La corriente, i, a través del condensador, i = dq / dt …… ..eq (2)
usando eq (1) en eq (2), obtenemos i = C (dv / dt)

Aquí las matemáticas pueden ser muy útiles. La primera derivada de, digamos, una variable ‘v’ llevaría a la variable ‘v’ misma en fase, en un ángulo de 90 grados, en el sentido de que alcanzará su pico antes de ‘v’. La segunda derivada de una variable ‘v’ llevaría a la ‘v’ por 90 + 90 grados = 180; la salida estará en una fase de 180 grados de oposición a la entrada; Se invierte. entendamos esto usando algunos ejemplos, si la comilla simple representa la derivada, podemos escribir,
cos x = (sin x) ‘
-sin x = (cos x) ‘= ((sin x)’) ‘= (sin x)’ ‘
-sin x = (sin x) ” -> ambos en oposición de fase de 180 grados entre sí.

Obteniendo pistas de las formulaciones anteriores, podemos escribir;

i = Cv ‘ ; Yo lidero el voltaje .

La corriente a través de un condensador anticipa bastante el cambio en el voltaje a través del condensador. Cada vez que hay un aumento de voltaje en el capacitor, lo anticipa rápidamente y aumenta la corriente en sí mismo, en lugar de aumentar el potencial en sus terminales. Por lo tanto, los altos voltios transitorios producidos durante la conmutación pueden suprimirse efectivamente al aumentar (conducir) la corriente a través de él. La capacidad del condensador lo convierte en un regulador de voltaje, que absorbe las desviaciones excesivas de las corrientes.

Ahora tomemos inductor,

v = Ldi / dt = Li ‘-> v conduce i. El inductor anticipa los cambios en la corriente y responde de manera proactiva mediante el desarrollo de una fem inversa a través de él. Si la corriente disminuye repentinamente, la polaridad y magnitud de la fem de retorno sería tal que la corriente se mantenga constante a través de ella.
El inductor actúa como un regulador de corriente.
El inductor y el condensador se pueden usar en una red pi para suavizar también las variaciones de corriente y voltaje.

Espero que esto ayude.

Answer 4

Es solo una convención. Describe la diferencia de tiempo entre los valores pico de corriente y voltaje. Como en el pico de corriente, viene después del pico de voltaje o la corriente de pico viene antes del pico de voltaje.

Pero entonces surge la pregunta, en un sistema cíclico, algo que viene antes de algo también puede ser declarado como algo que viene después de lo anterior.

Hay correlaciones físicas con el fenómeno real en los Inductores o Caps, como explican con tanta lucidez otros aquí, pero para la mayoría del trabajo de ingeniería, puede tomarse como una convención y matemáticamente hablando, solo nos indica a los ingenieros que usemos correctamente ‘ -ve ‘signos, de acuerdo con otros ingenieros.

Similar a “Norte” y “Sur” o la carga -ve para un electrón, simplemente impone una convención uniforme para los cálculos.

Answer 5

sí, está bien … corriente conduce voltaje en caso de condensador …
usted sabe sobre el condensador (la cantidad que puede almacenar la energía en forma de carga) …
ahora … este condensador está conectado directamente a una lámpara a través del cable de cobre …
la lámpara brillará por un momento … y, por lo tanto, debe haber corriente en ese cable …
(puede ver, desde donde se ha producido esta corriente sin ningún suministro externo)
obviamente, debido a las cargas presentes en el condensador …
por lo tanto, si colocamos un condensador en el circuito … una corriente fluye sin ningún potencial externo … y, por lo tanto, esa corriente está conduciendo el voltaje …
, y el diagrama fasorial es solo una forma de mostrar la magnitud y las fases de diferentes cantidades …

Answer 6

¿Cómo sabrá si la corriente adelanta / atrasa la tensión suministrada si no es sinusoidal? Como tal, no hay una explicación física, según yo. ¡Tengo curiosidad por saber qué sucederá si se aplica un voltaje triangular / algún otro a través de un condensador!

Answer 7

Además de la hermosa explicación del Sr. Kishore, agregaría …

La corriente que fluye a través de un condensador se da como

i = c ( dv / dt )

Entonces, matemáticamente se puede afirmar que el dispositivo diferenciaría la forma de onda del voltaje para obtener la corriente.

Ahora, considere una onda sinusoidal, su diferenciación conduciría a una onda co-sinusoidal. Y como una onda cosenoidal tiene relación con la onda sinusoidal

CosA = Sin (A + pi / 2)

Por lo tanto, se puede afirmar que si el voltaje es una onda sinusoidal, entonces la corriente tendría una forma de onda cosenoidal. Y a medida que el coseno avanza por pi / 2, la noción es “leads actuales”.

La noción puede no ser válida para las formas de onda irregulares. pero en la práctica, la mayoría de los casos tendrían ondas sinusoidales y así continúa …

Answer 8

Para una carga resistiva, el voltaje y la corriente están en el mismo hase, pero en el caso de cargas capacitivas o inductivas, la corriente y el voltaje no necesitan estar en la misma fase. El capacitor tiene una propiedad nnate para oponerse a cambios repentinos de voltaje. Actúa como una fuente de voltaje temporal dependiente del tiempo que se opone al cambio de voltaje. Esta oposición crea un retraso en el voltaje.

Considere un voltaje variable en el tiempo a través de un condensador. Deje que sea inicialmente V1 y cambie a V2. El condensador tiende a mantener el voltaje V1 a través de él, pero esto es solo por un tiempo limitado y pronto el voltaje a través de él se convierte en V2. Pero hay un intervalo de tiempo antes de que esto suceda. Lo mismo sucede en una excitación de CA.

Answer 9

El flujo de carga en las placas del condensador (terminales) desarrolla un voltaje en sus terminales. Por lo tanto, cuanto mayor es el índice de flujo de carga (corriente), mayor es el índice de acumulación de voltaje. Esto significa mayor la corriente, mayor es la tasa de cambio de voltaje.

En CA, en la corriente cero, la tasa de cambio de corriente es máxima, por lo que el voltaje es máximo. A medida que aumenta la corriente, un cuarto de ciclo después, la corriente instantánea está en su punto máximo, por lo que el voltaje en el instante es cero.

Por lo tanto, la corriente cero viene primero y la tensión cero 90 grados después. Las formas de onda de la forma de onda de voltaje se pueden ver siguiendo la forma de onda de corriente después de un espacio de 90 grados, y el aumento y la caída de voltaje también siguen el aumento y la caída de corriente como se puede ver en estas formas de onda.

Answer 10

• Creo que la cuestión del significado físico de “la corriente conduce el voltaje en un condensador y la corriente atrasa el voltaje en un inductor” conduce a la teoría de la relatividad de Einstein.
• Básicamente sabemos que el voltaje es la causa y la corriente es el efecto. Puede ser que los electrones hagan la cosa (lo que los seres humanos no han experimentado) viajando en el tiempo cuando se encuentra con un inductor o un condensador.
• Por lo tanto, al ir al futuro, la corriente conduce a un condensador y al viajar a través del tiempo y al pasado, la corriente se atrasa en un inductor.

Creo que esta respuesta podría ser el fenómeno físico que está pasando en cualquier inductor o condensador.

Answer 11

Esto podría responder a sus preguntas:

Cómo el condensador mantiene el voltaje constante | Explicado – TheElectricalGuy

Answer 12

No tiene ningún significado físico.

Es una diferencia de fase que da como resultado un cable de corriente en el voltaje en el caso del condensador.

Afecta el factor de potencia. Y ayuda a mejorar pf si es menor debido a la carga inductiva.