Question:
Diminution de l'énergie stockée après la connexion d'un autre condensateur
user7777777
2013-07-10 11:27:38 UTC
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Un condensateur de 3 µF chargé à 100 V est connecté à travers un condensateur de 6 µF non chargé. Ainsi, l'énergie stockée initiale est: 15mJ et la finale: 5mJ. Qu'arrive-t-il aux 10 mJ d'énergie?

[Une pompe de charge peut-elle être efficace à 100%, avec des composants idéaux?] (Http://electronics.stackexchange.com/questions/54992/can-a-charge-pump-be-100-effic-given-ideal-components ) [Perte d'énergie lors de la charge d'un condensateur] (http://www.smpstech.com/charge.htm)
Six réponses:
Wouter van Ooijen
2013-07-10 11:45:17 UTC
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Il se dissipe dans la résistance non nulle des fils de connexion. Vous pouvez calculer que la dissipation ne dépend pas de la résistance réelle, donc la réduire n'aide pas.

lié: énergie dans les condensateurs (il doit y en avoir plus mais je ne peux pas les trouver)

@ Wouter van Ooijen Alors est-il faux de dire que l'énergie a disparu en étincelle?
Quelle étincelle? S'il y a eu une étincelle (vous n'en avez pas mentionné une) qui aura bien sûr dissipé de l'énergie. Mais cette étincelle faisait également partie d'un chemin (évidemment pas zéro ohm), alors autant dire qu'elle s'est dissipée dans le chemin conducteur entre les condensateurs.
Je ne suis pas satisfait de cette réponse Wouter. Je pense que Jim a frappé la tache bien que je réalise qu'en pratique, des courants insoutenables couleront !!!
@Andy: malheureusement, la nature n'est pas obligée de se conformer à notre intuition. Pour toute résistance non nulle, la réponse de Jim est fausse.
@WoutervanOoijen Oui, j'y ai réfléchi et ça ne va pas. Je pense qu'une simulation est nécessaire !!
Ou vérifiez les maths (Vasiliy l'a fait pour vous).
J'ai vérifié avec un simulateur et cela concorde avec votre réponse - pour une très petite valeur de résistance, le courant de crête est massif et l'énergie prélevée sur le circuit par la chaleur de la résistance est de 7,5 mJ (c'était avec 2 bouchons de 3uF pas un 3uF et 6uF). Abaisser la résistance ou l'augmenter fait exactement la même chose - 7,5 mJ perdus à jamais !!
Vasiliy
2013-07-10 12:24:30 UTC
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Comme l'a déjà dit Wounter van Ooijen, c'est une question de résistance parasitaire, qui est toujours présente. La preuve:

enter image description here

EDIT: Même si les réponses fournies doivent satisfaire n'importe quel ingénieur sur cette planète (blague), il semble que le cas des fils à résistance nulle soit toujours en cours considéré comme un scénario de violation possible de la conservation de l'énergie (blague).

En fait, une réponse complète à cette question doit aborder le cas de la résistivité nulle car tout le monde a entendu parler des supraconducteurs . Eh bien, il s'avère que les mêmes questions ont déjà été posées au forum de physique. L'une des meilleures réponses peut être trouvée ici.

Le manuel que j'ai lu disait: "La résistance ralentira cependant le temps nécessaire à la tension pour atteindre sa valeur finale, qui est de cinq constantes de temps après la commutation. Cette fois est nulle si la résistance est nulle." Cela signifie-t-il que la résistance doit toujours être ajoutée au circuit, pour éviter ce "saut" de tension (car selon le livre le temps ** est ** nul)?
Vous n'avez pas besoin d'ajouter la résistance, elle sera présente. Sans résistance, le circuit ne peut pas être analysé à t = 0 (au moment où vous connectez les condensateurs): quel serait le courant?
@Wouter van Ooijen Merci beaucoup! Est-il valable de dire que le temps est nul pour que la tension atteigne sa valeur finale sans résistance?
Avec un peu de handwaving, c'est correct. L'énoncé le plus précis serait que pour la résistance approchant de zéro tout critère non-100% pour la finale sera atteint dans un temps proche de zéro de la même manière. (Le ciritérium à 100% ne sera * jamais * atteint pour une résistance non nulle, donc cela n'a pas beaucoup de sens de l'utiliser.)
@user7777777, J'ai édité ma réponse à la lumière de votre intérêt supplémentaire pour les conducteurs à résistivité zéro. Suivez le lien - il y a un fil très intéressant de l'autre côté. J'espère que cela t'aides
@Vasiliy Zukanov En effet cela aide, merci beaucoup pour votre aide!
@user7777777, vous souhaite la bienvenue. Vous pouvez également accepter ma réponse si vous pensez qu'elle répond mieux à votre question, bien que la réponse de Wouter van Ooijen soit correcte.
Alfred Centauri
2013-07-10 17:12:02 UTC
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Ce problème est un classique et il fournit un merveilleux exemple des limites de la théorie des circuits idéaux.

Il y a trois hypothèses sous-jacentes à la théorie des circuits idéaux et l'une de ces hypothèses est, essentiellement, d'ignorer le soi -inductance du circuit.

Mais tout circuit (chemin fermé) a une inductance. Ainsi, même si nous gardons l'idéalisation du fil à résistance nulle et des condensateurs idéaux, nous ne pouvons pas échapper à l'inductance fondamentale du circuit (à moins que nous ne réduisions le circuit à une taille nulle).

Une analyse minutieuse montrera que, même si la résistance est nulle (ou effectivement) de sorte qu'il n'y a pas de perte résistive effective, il y a de l'énergie "perdue" dans le champ électromagnétique; l'énergie "perdue" est rayonnée sous forme de rayonnement électromagnétique.

Une dérivation détaillée peut être trouvée dans Un paradoxe de condensateur.

Je pense que c'est la réponse la plus appropriée ici.
Pour que les bouchons 3µF et 6µF conservent la même charge combinée et l'énergie stockée qu'ils le feraient lorsqu'ils seraient chargés respectivement à 100V et zéro 0V, ils doivent soit contenir 100V et 0V, soit -33,3V et 66,7V. Dans tout autre état, ils détiendront soit une quantité de charge différente, soit une quantité d'énergie différente. On pourrait voir deux calottes parfaites, parfaitement connectées, comme ayant un état qui alternera entre les deux conditions indiquées «infiniment rapides» tant que la connexion parfaite demeure. Ce serait la limite du comportement en présence d'inductance sans perte mais pas de résistance ...
... en supposant que la connexion n'a été ouverte qu'à un moment où l'énergie stockée de l'inducteur était nulle. Avec une inductance non nulle, la vitesse d'oscillation serait finie, mais à condition que la connexion reste parfaitement fermée chaque fois que l'énergie de l'inducteur était non nulle, l'existence d'autres états pendant lesquels l'énergie de l'inducteur était temporairement non nulle n'affecterait pas l'état. du système une fois la connexion correctement interrompue.
Phil Frost
2013-07-10 17:03:21 UTC
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L'intuition nous dirait que si nous pouvions d'une manière ou d'une autre connecter les condensateurs avec une résistance nulle, l'énergie serait conservée. Mais c'est faux. Notre intuition vient du fait que généralement la puissance diminue lorsque la résistance s'approche de zéro. Par exemple:

schematic

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

$$ P = 1A \ cdot V \\ V = 1A \ cdot R $$

Par conséquent, comme \ $ R \ à 0 \ Omega \ $, alors \ $ V \ à0V \ $. Clairement, \ $ 1A \ cdot 0V = 0W \ $, donc nous pouvons dire:

$$ \ lim_ {R \ to 0} (1A) ^ 2R = 0W $$

C'est le cas habituel car bien que les circuits que nous fabriquons ne soient pas que des sources de courant, ils ont une certaine résistance quelque part qui limite le courant. Ainsi, nous avons l'habitude de penser minimiser la résistance involontaire pour minimiser les pertes .

Autre exemple:

schematic

simuler ce circuit

$$ P = 1V \ cdot I \\ I = 1V / R $$

Par conséquent, comme \ $ R \ à 0 \ Omega \ $, alors \ $ I \ $ devient plus grand, puis vous atteignez une division par zéro. Par conséquent, nous ne pouvons pas évaluer la limite:

$$ \ lim_ {R \ to 0} \ frac {(1V) ^ 2} {R} $$

Maintenant, considérez qu'à l'instant où vous connectez les condensateurs, ils ressemblent à des sources de tension, et vous pouvez voir qu'il n'est pas possible de connecter même des condensateurs idéaux avec des conducteurs idéaux. Même si vous les connectez avec des résistances très petites , le courant monte, les pertes \ $ I ^ 2R \ $ passent par le toit, et vous n'êtes pas mieux lotis que de les avoir connectés avec une grande résistance. Il doit nécessairement y avoir une sorte d'impédance entre les condensateurs pour que ce circuit soit mathématiquement cohérent: si ce n'est pas une résistance, alors peut-être une inductance.

Andy aka
2013-07-11 18:49:15 UTC
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Cette réponse est plus ou moins une exploration plus approfondie du transfert d'énergie. Court-circuiter un condensateur à un autre est bien sûr un non-sens si vous voulez économiser de l'énergie. Cela a déjà été prouvé dans les réponses, donc je ne m'attarderai pas là-dessus à part de dire "vous ne vous attendriez pas à ce qu'un convertisseur de tension abaisseur fonctionne sans inductance". Eh bien, sérieusement, vous ne le feriez pas, pourquoi quelqu'un (y compris moi) pourrait-il être assez stupide LOL.

L'énergie de C1 peut être transférée vers C2 sans résistance et cela dépend bien sûr de l'inductance de les fils. Si une inductance sans perte connectait C1 à C2, l'énergie serait conservée et resterait osciller à jamais entre les deux condensateurs et l'inductance. Mais je pensais que ce ne serait pas cool s'il pouvait atteindre un état d'équilibre. Donc, j'ai pensé que s'il y avait une résistance de câble - les oscillations s'éteindraient MAIS l'énergie de 10mJ est toujours perdue dans la dissipation thermique de la résistance. Ensuite, j'ai pensé à ceci: -

enter image description here

Il s'avère qu'avec une diode parfaite et aucune perte, vous pouvez réussir à prendre toute l'énergie du capuchon gauche et à la mettre la bonne casquette. 15mJ est transféré avec succès d'un capuchon 3uF à un autre capuchon 3uF et les tensions se stabilisent. Les pertes de diode perdront environ 2 mJ si elles sont prises en compte.

Plus à suivre.

Je vois ce que tu as fait ici. Sans la diode et avec la condition initiale qu'un condensateur est chargé et l'autre déchargé, le circuit oscillerait (en supposant une perte au rayonnement négligeable); les condensateurs se chargeraient et se déchargeraient alternativement complètement. Avec la diode (idéale) en circuit, l'oscillation passe par 1/2 cycle, puis s'arrête au point où le courant passe par zéro. Agréable.
Devesh
2014-03-25 21:05:01 UTC
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Je ne suis probablement pas assez habile pour dire quelque chose d'intéressant (je ne suis pas un ingénieur en électronique, seulement un passionné d'électronique) mais j'ai dû surmonter le problème de transfert d'énergie grâce aux condensateurs dans le passé et j'ai "partiellement" trouvé une solution (testée dans mon petit laboratoire).

L'idée est similaire à celle schématisée par Andy Aka mais, au lieu d'un simple inducteur, j'ai utilisé un inducteur complémentaire et, au lieu d'une simple diode, j'ai utilisé un Schottky (pour exploiter l'effet d'avalanche): j'ai découvert qu'avec ces deux composants mis en série, j'étais capable de transférer les 65-70% de l'énergie du condensateur chargé vers le vide.

Je pense que la quantité / pourcentage d'énergie transférée pourrait dépendre de la fréquence de résonance: je n'avais ni temps ni ressources pour tester toutes les harmoniques possibles de cette résonance, donc une enquête plus approfondie est nécessaire.

Si quelqu'un trouvé des solutions appréciables à ce problème, merci de me contacter: fabrizioricciarelli@gmail.com

Acclamations

Devesh

La connexion de deux condensateurs chargés différemment via un fil non inductif est analogue à une collision inélastique entre deux objets; la conservation de la quantité de mouvement impliquera une perte d'énergie cinétique. Ajouter un inducteur équivaudrait à ajouter de l'élasticité; tout comme l'ajout d'élasticité rendrait possible une variété de combinaisons de vitesses de fin où l'énergie cinétique et le moment sont tous deux conservés, l'ajout d'inductance rendrait possible la conservation de l'énergie électrique.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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