Primer vistazo a mi circuito. La fuente de voltaje tiene un valor de 5 V con un ángulo de fase de cero y la impedancia del capacitor es de 5. Entonces la corriente es obviamente 1A con un ángulo de fase de 90 °.
¿Cuál es la razón física detrás de este cambio de fase? Puedo probar matemáticamente que un condensador puede realizar un cambio de fase inicial de 90 °. Pero quiero saber la razón física para ello.
Si, en lugar de una onda sinusoidal, considera la posibilidad de encender el circuito por primera vez, con una fuente de voltaje de CC y un condensador descargado.
Inmediatamente después de que se encienda, la corriente máxima estará fluyendo y la tensión mínima estará en el condensador.
Mientras espera, la corriente se reducirá a medida que se cargue el condensador, pero el voltaje aumentará .
Cuando el voltaje llegue a su máximo , la corriente habrá alcanzado el mínimo .
Y eso es básicamente, es una descripción de un par de ondas sinusoidales (una tensión, una corriente), 90 grados fuera de fase, con alternancia de mínimos y máximos mutuamente excluyentes.
Intentaré una explicación básica.
Deje que la fuente de voltaje sea un voltaje constante, V. Por lo tanto, la carga en el capacitor es constante (Q = CV). Ahora digamos que el voltaje cambia. La carga en el capacitor también debe cambiar, por lo tanto, cierta corriente fluye para agregar o eliminar la carga. La cantidad de carga que se mueve es, por lo tanto, proporcional al cambio en el voltaje.
Ahora representemos la tensión en función del tiempo, V (t). Entonces, la cantidad de carga en el capacitor es Q (t) = CV (t). La derivada de la tensión es la tasa de cambio de la tensión en algún momento t. Por lo tanto, la tasa de cambio de carga es proporcional a la tasa de cambio de voltaje. dQ (t) / dt = C dV (t) / dt. Actual es la tasa de cambio de carga - dQ (t) / dt. Por lo tanto, la corriente es proporcional a la tasa de cambio (derivada) del voltaje.
La derivada de una onda sinusoidal es una onda coseno. Por lo tanto, la corriente para un voltaje de onda sinusoidal será una onda coseno, 90 grados fuera de fase.
Bueno, después de unos 20 años de ingeniería en circuitos digitales, creo que todavía sé la respuesta.
A medida que su fuente de voltaje se mueve más allá de cero grados. Tiene 0 voltios de salida. Sin embargo, el voltaje está aumentando rápidamente. Por lo tanto, la fuerza del campo eléctrico en el dieléctrico de la tapa está cambiando rápidamente, y a medida que el campo se vuelve más fuerte, expulsa más electrones de la placa lateral positiva (debido al aumento de la fuerza eléctrica sobre ellos creada por el campo). Aquí es importante darse cuenta de que una tapa es esencialmente un circuito abierto, solo una forma especial. Por lo tanto, la corriente no fluye a través de un condensador (ideal aquí, podemos hablar sobre el efecto de la fuga más adelante si lo desea), sino más bien hacia o desde una placa u otra. Esto hace que se genere un campo eléctrico en el dieléctrico que afecta a los electrones libres en la otra placa a través de la fuerza eléctrica. Para explicar toda esa física, necesitamos entrar en la ley de Gauss, etc., así que no haré eso aquí.
Cada placa es una porción relativamente grande de metal conductor, por lo que existen muchos electrones libres en ella. Muchos más que están involucrados en un nivel razonable de flujo de corriente. Por lo tanto, la diferencia de voltaje entre las placas, generada por su fuente, empujará los electrones libres desde el lado negativo de la fuente a la placa a la que está conectado. Esto crea un campo eléctrico dentro del dieléctrico de la tapa de tal manera que los electrones son empujados por la fuerza eléctrica hacia afuera de la placa opuesta. El circuito los lleva de vuelta a la pierna positiva de tu fuente. A medida que más y más carga es empujada hacia la placa negativa, el campo se vuelve más fuerte y más electrones son expulsados de la otra placa.
Sin embargo, dado que la tasa de cambio de voltaje se está desacelerando a medida que alcanzamos el voltaje máximo (a 90 grados), nuestra intensidad de campo sigue aumentando, pero más lentamente todo el tiempo. Por esa razón, cada vez se expulsan menos electrones de la placa positiva por unidad de tiempo (por lo que el flujo de corriente se está reduciendo). En el punto de voltaje máximo, la tasa de cambio de voltaje es cero, por lo que hay cero electrones más que se expulsan de esa placa positiva. En ese punto, el voltaje comienza a caer y el campo se debilita. Esto permite que algunos de los electrones expulsados de la placa positiva regresen a ella. A medida que la tasa de cambio del voltaje se acelera y el voltaje en sí vuelve a cero voltios, la velocidad a la que los electrones regresan a la placa positiva se acelera (la corriente aumenta). Cuando el voltaje está en cero, está cambiando a su velocidad máxima, por lo que tiene un flujo de corriente máximo en el circuito (los electrones regresan a la placa tan rápido como lo harán para este circuito). La otra mitad de la forma de onda (lóbulo negativo de la sinusoide de voltaje) es la misma, pero cambie las placas que estoy llamando negativas y positivas, ya que el voltaje se invierte en este punto (la corriente no se revierte en el punto de 90 grados , y lo hará de nuevo a 270).
Supongo que podría escribirse de manera más elegante, pero entiendes lo que quiero decir aquí. ¿Puedes imaginar el efecto del campo dentro del dieléctrico de la tapa y su relación con los electrones que fluyen desde o hacia las placas? (los voltajes positivos y negativos no son realmente eso, solo indican que están asociados con vectores actuales de dirección opuesta)
Q = CV (un fundamental básico, es decir, carga = capacitancia x voltaje)
Diferencie ambos lados manteniendo la capacitancia constante: -
\ $ \ dfrac {dQ} {dt} = C \ dfrac {dv} {dt} \ $
\ $ \ dfrac {dQ} {dt} \ $ es actual por lo tanto I = C \ $ \ dfrac {dv} {dt} \ $
Ahora, si el voltaje es una onda sinusoidal, la corriente será un coseno (debido a la diferenciación de v w.r.t. t), es decir, se desplazará 90 grados hacia adelante.
Si está buscando una explicación más detallada, pruebe el sitio de física.
Esto podría pensarse mejor en términos de lo que se denomina "corriente de desplazamiento" si desea ingresar al comportamiento físico. ¿Cómo puede haber flujo de corriente a través del capacitor? ¡Las placas no están conectadas en absoluto! Bueno, hay algo entre las placas, un medio dieléctrico, como el vidrio. Dentro de ese vidrio hay cargas positivas de núcleos rodeados por cargas negativas de electrones en órbita. Debido a que es un aislante, los electrones no son libres de fluir a través del material, pero tampoco están bloqueados en su lugar, están en una nube alrededor de cada núcleo.
Cuando hay un aumento en el voltaje (pero tiene que ser un cambio), entonces los electrones ya no están centrados en los átomos, se mueven hacia la placa positiva del capacitor (a diferencia de las cargas se atraen). Debido a que son una carga negativa, lo vemos como un flujo de corriente de placa positiva a placa negativa. Pero si el voltaje deja de cambiar, permanecen en su nueva posición de equilibrio. Es solo el CAMBIO en el voltaje que causa algún movimiento de las cargas de electrones, ya que no pueden abandonar la vecindad de sus átomos. Luego, cuando disminuyes el voltaje, vuelven a estar "en el centro" y eso es una corriente negativa.
Es por eso que la corriente es proporcional a la tasa de cambio de voltaje (dV / dt), y es por eso que la corriente es mayor cuando el voltaje cambia más rápido (que es cuando la sinusoide de voltaje se encuentra en cero) cuando la tensión ha dejado de cambiar (que es cuando la sinusoide de tensión ha alcanzado un valor máximo o mínimo) en una excitación sinusoidal.
ElectroBOOM lo explica muy simplemente en el siguiente video: enlace (6:15)
Lea otras preguntas en las etiquetas capacitor phase-shift