Hasta ahora he establecido lo siguiente:
La corriente es el movimiento de carga en el tiempo, medido en coulombs / segundo.
La carga es el electrón en un átomo.
El voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos y la energía por unidad de carga.
Sin embargo, no entiendo por qué sucede esto:
¿Cómo es posible que en el momento t = 0 la corriente esté presente en un circuito RC sin la diferencia de potencial? ¿Qué causó que la carga fluyera en primer lugar?
La imagen en tu pregunta asume que la forma de onda de voltaje comenzó un tiempo antes y que el comienzo transitorio de la misma ya no afecta a las cosas.
Básicamente, Q = CV y esto se traduce en I = C dv / dt y, si aplicó una onda sinusoidal, el diferencial de esa tensión de onda sinusoidal da lugar a la onda de coseno de la corriente pero, por supuesto, en t = 0 las cosas son un poco diferente; Para empezar, no puede comenzar repentinamente una onda sinusoidal desde el reposo, lo que implicaría un ancho de banda infinito. Dado este hecho, hay un pequeño tiempo finito en el que la corriente aumenta rápidamente hasta el valor de inicio en su imagen. A partir de ahí sigue prácticamente la ecuación dada arriba.
Una analogía mecánica podría considerarse como un volante, es decir, una masa en rotación. La fuerza aplicada en el extremo del volante acelerará la velocidad a la que gira el volante, pero cuando el volante (sin pérdida asumida) tiene una velocidad constante, no se necesita ninguna fuerza. Puedes imaginar la velocidad del volante como el voltaje; el volante se ha cargado hasta la velocidad n y ya no se necesita ninguna fuerza para mantenerlo cargado a esa velocidad. Al igual que un capacitor, una vez cargado a un voltaje constante, no se necesita corriente para mantener un capacitor perfecto a ese voltaje.
Sin embargo, si aplicó una fuerza constante para desacelerar el volante, la velocidad se desacelerará linealmente y si la fuerza constante es una verdadera fuerza constante, la velocidad del volante se desacelerará a través de n = 0 y comenzará a girar en la dirección opuesta después de un poco mientras. La fuerza es -X y la velocidad desciende linealmente. Igual que con el capacitor, si toma una corriente constante del capacitor, el voltaje cae linealmente y eventualmente se vuelve negativo y se carga hasta un voltaje negativo.
Para responder a su pregunta, comencemos con una fuente de CC simple, p. ej. una batería. Justo cuando enciendes el circuito, el esquema aparece así:
Elcondensadorescomounniñohambrientoyalguienleestásirviendogalletasenunplato.Ustedestátratandodemedirsuvelocidaddealimentaciónalcontrolarsuplato,locualesunplanequivocadoporqueinicialmente,cuandoelniñotienemuchahambre,veráunplatovacío.Peroamedidaquesuestómagosellene,suvelocidadparacomersevolveráceroyveráunplatolleno.Eseeselcasoconelcondensador.
Inicialmente,habráunagrancorrienteatravésdelcondensadorqueesencialmentelohaceequivalenteauncortocircuito.Suponiendoqueelcableseadeunaresistenciainsignificante,esencialmenteestáponiendosussondasjuntas,loqueledaráunalecturadevoltajecero.
Ahoradejequeelcircuitoreposeporuntiempohastaqueelcondensadorsecargue.Ahoraelcircuitoequivalentesevealgoasícomo:
Ahora es un circuito abierto con flujo de corriente cero (idealmente). Ahora podrá medir el voltaje de carga real (5V).
Ahora que llegas a tu duda, inicialmente en t = 0, había una fuente potencial que hacía que los electrones se movieran. Sin embargo, la corriente se movía tan rápidamente a través del condensador que no pudo medir una caída potencial a través de él.
En este punto podría pensar, ¿a dónde se fue ese potencial?
Bueno, digamos que está usando una batería de 5 V junto con un capacitor ideal de resistencia cero. La caída potencial se producirá a través de la resistencia interna de la batería, dándole este escenario:
Nuevamente, estás poniendo las sondas juntas en t = 0 y por lo tanto obtendrás un voltaje cero. Simplemente no puede medir ningún voltaje de esta manera en t = 0.
Entonces, ¿cómo puede alguien medirlo?
Hay dos formas:
1) Manera imposible: divida la batería en dos componentes: una batería ideal y una resistencia equivalente a la resistencia interna y coloque las sondas a través de la resistencia. Esto le dará un potencial de batería en t = 0.
2) Posible manera - Generalmente la resistencia interna es pequeña. Tome una resistencia más grande y póngala en serie con el capacitor y mida el voltaje en esa resistencia. En t = 0, esto le dará casi el potencial de la batería. Casi porque también hay una caída potencial en la resistencia interna.
Sin embargo, después de mucho tiempo, la corriente disminuirá a cero y el circuito estará esencialmente abierto. En circuitos abiertos, no hay puntos de resistencias y, por lo tanto, el circuito se vuelve equivalente al circuito cargado inicialmente, donde puede medir todo el potencial de la batería a través del capacitor.
Primero, observe que su forma de onda muestra lo que sucede en el estado estacionario sinusoidal. Esto implica que la tensión y la corriente han sido sinusoides estables durante todo el tiempo. Así que no hay "en primer lugar" en tu gráfica.
La razón es que hay una corriente en t = 0 porque el voltaje está cambiando en t = 0. Para que el voltaje comience a aumentar, debe estar bombeando carga en las placas del capacitor. Creo que estás tratando de aplicar el pensamiento de CC a un circuito de CA. El voltaje puede ser cero en t = 0, pero su primera derivada no lo es. ¡Ese derivado tiene un significado físico! Es lo que realmente importa para el condensador.
Creo que el punto principal aquí es que la noción de corriente de retraso de voltaje en 90 grados es un mejor caso teórico, y en la práctica el retraso será ligeramente menor.
En realidad, los cables de conexión tienen cierta resistencia, por lo que el punto en el cual el voltaje del capacitor es cero ocurrirá un poco más tarde que el punto en el que la salida del generador de CA es cero. De ahí el PD que conduce la corriente.
Me gusta pensar de la siguiente manera:
Los condensadores son básicamente dos placas aisladas por un dieléctrico. Para tener un voltaje entre las dos placas debes cargarlas primero. Para cargarlas, debe generar corriente, por lo que el voltaje entre las placas es como una respuesta a la corriente que dio.
Los inductores, por otro lado, se comportan con respecto a la Ley de Lenz. La tensión está correlacionada con el campo eléctrico. Entonces, cuando aplica voltaje (campo eléctrico) en un devanado, hace que fluya una corriente en él, lo que nos lleva a pensar que la corriente en un inductor es como una respuesta al voltaje aplicado.
Si miras hacia atrás en el gráfico, la ecuación \ $ I = C * {dV} / {dt} \ $ no iguala un nivel a un nivel con un cambio de fase. Equivale un nivel a una tasa de cambio o una pendiente. Requiere corriente para cambiar el voltaje, y eso es exactamente lo que está sucediendo en el gráfico.
Los puntos instantáneos son raros.
Ahora que hemos eliminado los cálculos, también mencionaré que nunca obtendrás esa gráfica en la vida real. Los condensadores reales también tienen cierta inductancia, que suavizará la transición brusca al principio, asumiendo que \ $ V = I = 0 \ $ para comenzar.
Los condensadores necesitan corriente para desarrollar tensión.
Así que primero debe haber corriente antes de la tensión.
Tensión de los cables de corriente. (sin juego de palabras)
El voltaje se retrasa con la corriente.
Solo intento visualizar de forma intuitiva.
Para mí, la respuesta a esta pregunta es muy intuitiva. A pesar de los cálculos matemáticos, es realmente muy simple si se reduce a lo que sucede con un condensador en un circuito de CC.
Si conecta una batería a un capacitor, la corriente debe fluir hacia el capacitor para cargarla. Si el condensador no está cargado, entonces el voltaje a través del condensador es cero antes de que se conecte a la batería. En el instante (y cuando digo instantáneo, me refiero a un punto infinitamente pequeño en el tiempo) la batería está conectada al condensador, la batería comienza a cargar el condensador, pero el condensador no se carga al voltaje de la batería instantáneamente. No importa el valor del capacitor, toma algo de tiempo para que esto suceda. Es muy rápido para un pequeño valor de capacitancia, y toma más tiempo para un gran valor de capacitancia, pero no importa el tamaño del capacitor, requiere cierta cantidad de tiempo.
La corriente es inicialmente alta, pero a medida que la carga de voltaje a través del capacitor se aproxima al voltaje de la batería, la cantidad de corriente cae hasta que el capacitor está completamente cargado. Por lo tanto, la tensión está detrás (retrasada) de la corriente.
Cuando el capacitor se carga al voltaje de la batería, para un capacitor perfecto, la corriente es cero; para un condensador del mundo real en buen estado de funcionamiento, la corriente es extremadamente pequeña.
Piense en lo que sucedería si conectara un capacitor de 100,000 mfd a través de una fuente de alimentación de 12 voltios? Si lo hace, es mejor que lo conecte a través de una resistencia para limitar la corriente a un valor seguro, o tenga una fuente de alimentación de gran capacidad de potencia. Cuando se conecta por primera vez, el condensador sería casi un cortocircuito. La corriente estaría limitada solo por el valor de la resistencia. Cuando el capacitor está cargado a 12 voltios, la corriente será casi cero para un capacitor de buena calidad.
Es por eso que los transmisores de gran tamaño cargan sus condensadores de la fuente de alimentación del rectificador lleno de aceite a través de una resistencia de valor apropiado, que se cortocircita por un contactor una vez que el condensador está completamente cargado (generalmente después de aproximadamente 1 segundo después de que se enciende la fuente de alimentación ).
Esto es más complicado de visualizar en un circuito de CA, pero funciona exactamente de la misma manera. La matemática se vuelve más complicada. Pero esta es la razón por la que un banco de condensadores, que se desvía a través de una línea de alimentación de CA, puede proporcionar energía reactiva para el soporte de voltaje cuando la línea tiene cargas inductivas. Justo después de que la onda sinusoidal apenas comienza a acercarse a cero, el voltaje del capacitor todavía se está acumulando casi 90 grados detrás de la forma de onda de la línea de alimentación y comienza a descargar su energía para soportar el voltaje de la línea de alimentación. Sin tales bancos de condensadores, nuestro sistema de energía sería muy ineficiente.
Espero que esto ayude a su comprensión.