Номер 6, страница 63, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

6. Почему в цепи постоянного тока с конденсатором ток не течет, а переменный ток течет?

6. Это явление объясняется принципом работы конденсатора и его поведением в зависимости от характера электрического тока (постоянный или переменный).

Конденсатор в цепи постоянного тока.

Конденсатор представляет собой две проводящие пластины (обкладки), разделенные слоем диэлектрика — материала, не проводящего ток. Когда конденсатор включают в цепь источника постоянного напряжения, происходит следующее: в течение очень короткого времени через цепь протекает зарядный ток. Электроны от одного полюса источника накапливаются на одной обкладке конденсатора, а с другой обкладки они уходят к другому полюсу источника. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на обкладках конденсатора не станет равным напряжению источника питания. Как только конденсатор полностью зарядится, он создает в цепи встречное электрическое поле, которое полностью компенсирует поле источника. Движение зарядов прекращается, поскольку между обкладками находится изолятор, который не позволяет зарядам проходить сквозь него. Таким образом, в установившемся режиме конденсатор в цепи постоянного тока эквивалентен разрыву цепи, и ток через него не течет.

Конденсатор в цепи переменного тока.

В цепи переменного тока напряжение и направление тока постоянно изменяются во времени, обычно по синусоидальному закону. Когда к такой цепи подключен конденсатор, он попеременно то заряжается, то разряжается.

1. В течение четверти периода, когда напряжение на источнике растет от нуля до максимума, конденсатор заряжается. В цепи течет ток.

2. В следующей четверти периода напряжение источника падает, и конденсатор разряжается, поддерживая ток в цепи.

3. Затем напряжение источника меняет полярность, и конденсатор начинает заряжаться в обратном направлении (перезаряжаться).

4. Этот циклический процесс зарядки-разрядки-перезарядки повторяется непрерывно. Хотя заряды (электроны) по-прежнему не могут пройти сквозь диэлектрик, их постоянное перемещение к обкладкам и от них во внешней цепи создает эффект непрерывного протекания переменного тока.

Сопротивление, которое конденсатор оказывает переменному току, называется ёмкостным сопротивлением ($X_C$) и определяется формулой:

$X_C = \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{2\pi f C}$

где $\text{C}$ — ёмкость конденсатора, $\omega$ — угловая частота, а $\text{f}$ — частота переменного тока.

Из этой формулы видно, что для постоянного тока, у которого частота $f=0$, ёмкостное сопротивление $X_C$ становится бесконечно большим ($X_C \rightarrow \infty$). Это и является формальным объяснением, почему конденсатор блокирует постоянный ток. Для переменного же тока, у которого частота $f > 0$, ёмкостное сопротивление имеет конечное значение, позволяя току протекать. Причем чем выше частота, тем меньше сопротивление конденсатора и тем легче через него протекает ток.

Ответ: В цепи постоянного тока конденсатор быстро заряжается и действует как разрыв цепи, поскольку его обкладки разделены диэлектриком, блокирующим дальнейшее движение зарядов. В цепи переменного тока из-за постоянной смены полярности напряжения происходит непрерывный процесс перезарядки конденсатора, что эквивалентно протеканию переменного тока через него, хотя физически заряды сквозь диэлектрик не проходят.