Конденсатор на воде

Конденсатор — это камера, в которой надувается упругий резиновый шарик. Вода в шарик заходит, а такое же количество воды вытесняется из камеры наружу — это и есть ток заряда. Шарик надулся до упора — ток прекратился, и мотор (водяная мельница) останавливается.

Расчёт времени зарядки
┄ напряжение насоса━ напряжение на конденсаторе━ ток (по модулю, справа, % от начального)
Напряжение на конденсаторе0
Ток (расход воды)0
τ = R·C0
Заряд Q = C·U0
Энергия W = C·U²/20
Обороты мотора0

Как заряжается конденсатор

Этап 1 — зарядка началась

Идёт зарядка. Вода заходит в резиновый шарик (1) и надувает его, а вода из камеры (2) вытесняется вправо. В это время конденсатор пропускает ток, и мотор вращается быстро.

Этап 2 — шарик растягивается

Чем сильнее растянута резина, тем сильнее она сопротивляется: давление в шарике растёт, и вода течёт всё медленнее. Мотор замедляется.

Этап 3 — заряжен

Шарик заполнил камеру, его давление уравновесило насос. Конденсатор перестал пропускать ток: мотор остановился. Постоянный ток не проходит.

Что делает конденсатор

Постоянный ток не проходит

Давление не меняется — шарик замер, вода стоит. Ток есть только пока идёт зарядка, потом ток = 0, мотор не крутится.

Запасает заряд

Чем больше камера (ёмкость C) и давление U, тем больше воды помещается в шарике: Q = C · U.

Запасает энергию

Растянутая резина — это пружина. Если убрать насос, шарик вытолкнет воду обратно и ещё раз раскрутит мотор: W = C · U² / 2.
Время зарядки: τ = R · C. За время τ конденсатор заряжается до 63 %, за 3τ — до 95 %, за 5τ — до 99 %. Пример: 1000 Ом × 1000 мкФ = 1000 Ом × 0,001 Ф = 1 с, полная зарядка за ≈ 5 с.
Формулы: Q = C · U  ·  W = C · U² / 2  ·  I = (Uнасоса − Uc) / R

Где это применяют

Сглаживание пульсаций

В блоке питания конденсатор — «буферный бак»: пока давление падает, он отдаёт воду обратно, пока растёт — запасает.

RC-задержки и таймеры

Узкая труба и камера: медленно заряжается и включает схему не сразу. Время задаётся τ = R · C.

Фильтры и развязка

Пропускает быстрые изменения, не пропускает постоянку — так отделяют звук от постоянного смещения.