Jos haluat saada intuitiivisen käsityksen siitä, miten tämä voi olla totta, harkitaan ensin kelaa, koska se tekee paremman fyysisen analogian. Induktiivisella kuormalla varustetussa vaihtovirtapiirissä jännite johtaa virtaa 90 astetta. Se on kapasitiivisen kuormituksen vastakohta.

Miksi? No, induktori on kuin vauhtipyörä, joka antaa inertian virralle. Jännitteen oikea nimi on sähkömoottori. Eli se on voima , joka saa sähkön liikkumaan. Kun sähkö liikkuu, me kutsumme sitä virraksi.

Kuvittele vauhtipyörä. Vauhtipyörän kulmahitaus (koko ja paino) on kelan arvo. Jännite on voima, jonka kohdistat vauhtipyörään. Nykyinen on vauhtipyörän pyörimisnopeus. Sano nyt, että käytät voimaa tähän vauhtipyörään. Se ei ala pyöriä välittömästi. Pikemminkin käyttämäsi voima kiihdyttää sitä. Nyt käytät voimaa toiseen suuntaan. Se ei käännä suuntaa välittömästi. Ensin sen on hidastuttava, ja lopulta se kääntyy toiseen suuntaan. Mutta siihen mennessä, kun se on tehnyt tämän, olet siirtynyt eteenpäin ja muuttanut voimasuuntaa jälleen. vauhtipyörä, vauhtipyörän nopeus on 90 astetta vaiheen ulkopuolella siihen kohdistuvalla voimalla.

Mene nyt kehittämään hyvä kondensaattorin henkinen malli ja harkitse samanlaista asiaa. Sen pitäisi olla järkevämpää, vain kun virta ja jännite ovat päinvastaiset tai vaihesiirto toiseen suuntaan.

Kondensaattorin läpi kulkevan virran kaava on:

I = C * (dV / dt)

Pieni d tarkoittaa pientä muutosta, joka tunnetaan nimellä delta (δ)
Tämä tarkoittaa mitä nopeampi jännitteen muutos, sitä suurempi virta kondensaattorin läpi. Kondensaattori toimii erottimena.
Jos nyt liitämme siniaaltojännitteen kondensaattorin yli, virran laskenta on tämän jännitteen johdannainen.

Laskennan perusteella tiedämme, että synnin johdannainen (ωt) on ω cos (ωt):

Jos piirrämme nämä arvot:

Voit nähdä, että kun jännite muuttuu nopeimmin (nollapisteessä), virta on suurin ja kun jännite ei muutu ( siniaallon huippu) virta on nolla. Voimme nähdä 90 asteen vaihesiirron selvästi.
Tämä selittää myös sen, miksi kondensaattori estää DC: n mutta kulkee AC: n läpi.

Ajattele vesisäiliötä, johon joko pumpataan vettä sisään tai ulos niin, että säiliön taso seuraa siniä ajan myötä. Ajattele nyt, miltä säiliöön menevä vesivirta näyttää ajan funktiona. Kun säiliön taso on jommassakaan huipussa, se ei muutu, joten säiliöön ei tule virtaa. Kun säiliön taso on keskellä (säiliön tason sini on 0), kun suurin määrä vettä pumpataan sisään tai ulos, riippuen siitä, onko säiliön taso ylös- tai alaspäin.

Jos mieti tätä enemmän, huomaat, että pumpattava virta on suoraan verrannollinen siihen, kuinka nopeasti säiliön taso nousee. Matemaattisesti ilmaistuna virta on tason derivaatti. Ei pitäisi olla vaikea nähdä nyt, että virta on myös sinimuotoinen ja johtaa säiliön tasoa 90 °.

Kondensaattori on melkein sama asia, paitsi että säiliön taso on jännite ja vesivirta on nyt sähkövirta.

Lisätty vastauksena kommentteihin:

Kyllä, tiedän, että tämä ei ole suuri analogia kondensaattorin toiminnasta. Joustava kalvo on parempi analogia siihen. Mutta kysymys ei ollut siitä, mikä kondensaattori on, mutta miksi jännite ja virta olivat 90 ° poissa vaiheen keskenään. Luulin, että säiliön analogia helpotti sen visualisointia.

Induktorissa jännite johtaa virtaa, koska induktorissa virtaa virtaa. Voisit kutsua sitä inertiaksi, mutta pohjimmiltaan se on sähkömagneettinen kenttä, jonka induktori tuottaa energiakseen. Tämä kenttä antaa nykyiselle "vauhdille", koska kun syöttöjännite muuttuu, jo vakiintunut magneettikenttä yrittää ylläpitää samaa virtausta hidastamalla virran "vasteaikaa". Kenttä vastustaa myös alkuperäistä käynnistystä saman "inertian" vuoksi. Kuvittele kaveri, jolla teräspallo on ketjutettu jalkaan - hän on jännite ja pallo on virta, jonka hän vetää ympäriinsä. Kun hän saa pallon liikkumaan, se ei halua pysähtyä.

Toisaalta kondensaattorit toimivat lataamalla dielektrisen väliaineen toinen puoli elektroneilla. Tällä kertaa voimme kuvitella, että sama kaveri kyntää vain lunta lapioilla. Lumi (virta) johtaa 90 astetta vaiheesta pois, koska käytetty jännite on suoraan verrannollinen siihen, kuinka paljon ylimääräisiä elektroneja (virtaa) on pinottu kondensaattorin toiselle puolelle. Lumilapion täyttyessä tulee piste, johon emme voi enää työntää - jännite kondensaattorin ja syöttöjännitteen välillä on nolla, mutta mittaamalla kannen liittimien välillä tasaantuu syöttöjännite. Virtaavat elektronit ovat katalysaattori, joka muuttaa jännitettä kulkiessaan kondensaattorin läpi, jolloin virta johtaa vaiheeseen.

Vaihesiirtymäidea voidaan ymmärtää ja selittää intuitiivisesti vesianalogian avulla. Kuvittele, että täytät (sinimuotoisesti) astian vedellä ja kuvitat tämän prosessin graafisesti (valitse puolet veden suurimmasta korkeudesta nollatasona - maa).

Analogia. Joten avaat ensin ja suljet sitten (sinimuotoisesti) syöttöhanan. Huomaa kuitenkin, että suljet hanan (prosessin toisessa osassa) veden taso nousee edelleen ... on outoa, että suljet hanan, mutta vesi jatkuu edelleen ... Lopuksi hana on täysin suljettu (nollavirta), mutta vesitaso (jännite) on suurin.

Nyt sinun on muutettava virtauksen (virta) suuntaa saadaksesi veden tason laskemaan. Tätä tarkoitusta varten avaat (ja suljet myöhemmin) toisen hanan pohjassa veden ottamiseksi (nyt vedät virtaa kondensaattorista). Mutta jälleen kerran, huolimatta siitä, että suljet hanan, vesitaso laskee edelleen ... ja on jälleen outoa, että suljet hanan, mutta vesi jatkuu edelleen. Lopuksi olet sulkenut hanan kokonaan (nollavirta), mutta veden taso on suurin negatiivinen (suurin negatiivinen jännite).

Joten, perusajatus kaikenlaisille paineita varastoiville elementeille - kuten määrät (vesi, ilma, hiekka, raha, data ...), nimeltään integraattorit , on:

Lähtöpaineen kaltaisen määrän merkki voidaan muuttaa vain muuttamalla tulovirtauksen kaltaisen määrän suuntaa (virta, vesivirta, ilmavirta jne.); sitä ei voida muuttaa muuttamalla virtauksen kaltaisen määrän suuruutta.

Kondensaattori. Selitetään nyt ilmiö täysin sähköisesti. Kuvittele, että käytämme kondensaattoria sinimuotoisella virtalähteellä ("virtalähde" ​​tarkoittaa, että se tuottaa ja kulkee sinimuotoisen virran kaikesta huolimatta). Riippumatta siitä, mikä jännite (pudotus) kondensaattorissa on - nolla (tyhjä kondensaattori), positiivinen (ladattu kondensaattori) tai jopa negatiivinen (käänteisesti ladattu kondensaattori), virtalähteemme siirtää halutun virran haluttuun suuntaan kondensaattorin läpi. Kondensaattorin poikki oleva jännite ei estä virtaa (se estää, mutta virtalähde kompensoi sen).

Joten, kunnes tulovirta on positiivinen (kuvittele positiivinen puoli-siniaalto), se tulee kondensaattoriin ja sen jännite kasvaa jatkuvasti virran suuruudesta huolimatta (vain muutosnopeus vaihtelee) ... Kuvittele ... virta kasvaa nopeasti -> hidastuu -> pienenee nopeasti ... ja lopulta tulee nollaksi. Kondensaattorin yli on tällä hetkellä maksimijännite (pudotus).

Siten kondensaattorin yli menevällä maksimijännitteellä ei ole virtaa sen läpi ... Nyt virta muuttaa suuntaa ja alkaa nopeasti kasvaa uudelleen -> hidastuu -> pienenee nopeasti ... ja muuttuu nollaksi uudestaan ​​... ja uudestaan ​​ja uudestaan ​​ja uudestaan ​​...

Joten tässä järjestelyssä vaihesiirto on vakio ja tarkalleen 90 aste ihanteellisen tulovirtalähteen takia, joka kompensoi jotenkin jännitteen pudotuksen (häviöt) kondensaattorin yli.

RC-piiri. Tarkastellaan nyt kaikkialla olevaa RC-piiriä. Ensinnäkin, rakennetaan se. Koska on väärin ajaa kondensaattoria suoraan jännitelähteellä, meidän on käytettävä sitä virtalähteellä. Yhdistetään tätä tarkoitusta varten vastus jännitelähteen ja kondensaattorin välille tulojännitteen muuntamiseksi virraksi; joten vastus toimii tässä jännite-virta-muuntimena .

Kuvittele, kuinka tulojännite VIN muuttuu sinimuotoisesti. Alussa jännite kasvaa nopeasti ja virta I = (VIN - VC) / R virtaa tulolähteestä vastuksen läpi ja tulee kondensaattoriin; lähtöjännite alkaa kasvaa laiska. Jonkin ajan kuluttua tulojännite lähestyy sinihuippua ja alkaa sitten laskea. Mutta kunnes tulojännite on korkeampi kuin kondensaattorin yli kulkeva jännite, virta kulkee edelleen samaan suuntaan. Kuten yllä, on outoa, että tulojännite pienenee, mutta kondensaattorin jännite kasvaa edelleen. Kuvaannollisesti nämä kaksi jännitettä liikkuvat toisiaan vastaan ​​ja kohtaavat lopulta. Tässä hetkessä nämä kaksi jännitettä yhtenevät; virta on nolla ja kondensaattorin jännite on suurin. Tulojännite laskee edelleen ja tulee pienemmäksi kuin kondensaattorin jännite. Virta muuttaa suuntaansa, alkaa virrata kondensaattorista vastuksen läpi ja menee tulojännitelähteeseen.

On erittäin mielenkiintoista, että kondensaattori toimii jännitelähteenä, joka "työntää" virran tulojännitteeseen. lähde toimii kuormana. Ennen kuin lähde oli lähde ja kondensaattori oli kuorma; nyt lähde on kuormitus ja kondensaattori on lähde ...

Joten hetki, jolloin kaksi jännitettä yhtenevät ja virta muuttaa suuntaa, on maksimilähtöjännitteen hetki. Huomaa, että se riippuu tulojännitteen muutosnopeudesta (taajuus): mitä korkeampi taajuus on, niin pieni kondensaattorin yli oleva maksimijännite on ... mitä myöhemmin hetki on ... sitä suurempi on vaihesiirto kaksi jännitettä on ... Suurimmalla taajuudella kondensaattorin poikki oleva jännite ei voi liikkua maasta ja virran suunnanmuutoksen hetki on, kun tulojännite ylittää nollan (tilanne on samanlainen kuin syötetyn virran järjestely) kondensaattori).

Johtopäätöksenä on, että tässä järjestelyssä vaihesiirto vaihtelee nollasta 90 asteeseen, kun taajuus vaihtelee nollasta äärettömään epätäydellisen tulovirran lähteen takia, joka ei pysty kompensoimaan jännitteen pudotusta (häviöitä) kondensaattori.

Nämä selitykset perustuvat vanhaan Wikipedia-keskusteluun.

Induktiivisessa piirissä tuotettu taka-emf on aluksi erittäin korkea, kun kela on jännitteettömänä ja sen yli kohdistettu jännitteen muutos on maks.Tämä taka-emf vastustaa alun perin nykyistä virtausta.Kun induktorin yli kohdistettu jännite muuttuu nollaksi, ennen tuotettua magneettivuotoa indusoidaan jäännösvirraksi kutsuttu virta, joka pysyy myös sen jälkeen, kun se on saavuttanut nollan.Siksi induktiiviset piirit tuottavat viiveen.

Minulla ei ole asianmukaista selitystä kapasitiivisen piirin nykyiselle lyijylle, mikä on auttanut minua muistamaan johtavan konseptin: Kun kondensaattorin yli syötettyä jännitettä kasvatetaan yhteen suuntaan, se latautuu ja kun se onvähentynyt, se purkautuu.Pohjimmiltaan se varaa varauksen jännitteen kasvaessa.Mutta kun kapasitanssi on saavutettu, se ei ota virtaa, vaikka jännite kasvaa.Vastaavasti purkautumisen aikana kondensaattori purkautuu ennen kuin jännite saavuttaa nollan, se ei voi enää syöttää virtaa.Siksi kapasitiiviset piirijohdot.

4) Aluksi meidän tulisi tietää, että pyörivästä koneesta tuotettu generointijännite on sinimuotoista, ts. jokaisessa jaksossa on 4 neljäsosaa. 1. vuosineljännes - roikkuva nousu, 2. vuosineljännes - kasvava lasku, 3. vuosineljännes - taaksepäin laskeva nousu ja 4. vuosineljännes - käänteinen kasvava lasku. Kondensaattorissa vaihtovirran 1. neljänneksen (roikkuvan nousun) aikana lataus tapahtuu ja taka-emf kerääntyy 0: sta lähdejännitteeseen latausten asteittaisella täyttämisellä. Tässä 2 huomioitavaa asiaa: Ensinnäkin: Koska vaihtojännite on sinimuotoinen, sen marginaalinen nousu on roikkuva tyyppi (edustaa Cos-toiminto). Esimerkiksi hetkellisen jännitteen kuvio contant-aikavälillä olisi sanoa v1 = 20, v2 = 35, v3 = 48, v4 = 58, v5 = 66 ja niin edelleen. Toinen: Jatkuvassa latausprosessissa, kun lähde on jokin jännite, esimerkiksi v3, kondensaattori saavuttaa edellisen lähdejännitteen (sanotaan v2) sillä hetkellä. Koska hetkellinen virta tapahtuu hetkellisen jännitteen (vs –vc) eron vuoksi millä tahansa ajanhetkellä; Joten ajan myötä jänniteero laskee, hetkellinen virta vähenee. Lähdejännitteen maksimin hetkellä marginaaliero on melkein nolla; siten hetkellinen virta on nolla. Kondensaattori kyllästyy. (Huomaa: Koska vastus on hyvin pieni, kasvuaika on vähäinen, koska aikavakio τ = RC eli kondensaattorin jännite saavuttaa lähdejännitteen melkein välittömästi. Vaikka vs = vmax Sin ωt, vc = vmax Sin (ωt - τ )) Tätä back-emf: ää pidetään ikään kuin vastaava resistanssi kuin resistiivinen piiri, jota kutsutaan reaktanssiksi. Hetkellinen reaktanssi (xc) on aikaperusteinen parametri, joka vaihtelee 0: sta äärettömään, toisin kuin vakio. Yksinkertaisuuden vuoksi keskimääräistä reaktanssia (Xc) käytetään yleisesti ja se mitataan Vmax: lla latauksen lopussa jaettuna Imax: lla latauksen alkaessa (ei järkeä!). Olen selittänyt latausprosessin.Vastaavasti purkamisen, käänteisen lataamisen, päinvastaisen purkamisen prosessi voidaan visualisoida.Tämä on analoginen hydraulisäiliön täyttämisen kanssa.