Pojemność i indukcyjność w obwodach elektrycznych

Jeśli chodzi o obwody elektryczne, pojemność i indukcyjność są bardzo ważne, tak samo ważne jak rezystancja. Ale jeśli mówimy o rezystancji czynnej, mamy na myśli po prostu nieodwracalną konwersję energii elektrycznej w ciepło, wówczas indukcyjność i pojemność są związane z procesami akumulacji i konwersji energii elektrycznej, dlatego otwierają wiele przydatnych praktycznych możliwości dla elektrotechniki.

Kiedy prąd przepływa przez obwód, naładowane cząstki przemieszczają się z miejsca o wyższym potencjale elektrycznym do miejsca o niższym potencjale.

Powiedzmy, że prąd przepływa przez aktywny opór, taki jak włókno wolframowe lampy. Ponieważ naładowane cząstki poruszają się bezpośrednio przez wolfram, energia tego prądu jest stale rozpraszana z powodu częstych zderzeń nośników prądu z węzłami sieci krystalicznej metalu.

Można tu wyciągnąć analogię.Głaz leżał na szczycie zalesionej góry (w punkcie o dużym potencjale), ale został zepchnięty z wierzchołka i stoczył się na nizinę (do poziomu o niższym potencjale) przez las, przez krzaki (opór), itp.

Zderzając się z roślinami kamień systematycznie traci swoją energię, przekazując ją w momentach zderzenia z krzakami i drzewami (podobnie ciepło jest odprowadzane aktywnym oporem), dlatego jego prędkość (wartość prądu) jest ograniczona i tam po prostu nie ma czasu na odpowiednie przyspieszenie.

W naszej analogii kamień jest prądem elektrycznym poruszającym naładowane cząstki, a rośliny na jego drodze są aktywnym oporem przewodnika; różnica wysokości — różnica potencjałów elektrycznych.

Pojemność

Pojemność, w przeciwieństwie do rezystancji czynnej, charakteryzuje zdolność obwodu do gromadzenia energii elektrycznej w postaci statycznego pola elektrycznego.

Prąd stały nie może dalej płynąć jak poprzednio przez obwód o określonej pojemności, dopóki ta pojemność nie zostanie całkowicie wypełniona. Tylko wtedy, gdy pojemność jest pełna, nośniki ładunku będą mogły poruszać się dalej z poprzednią prędkością określoną przez różnicę potencjałów i rezystancję czynną obwodu.

Wizualna analogia hydrauliczna jest tutaj lepsza do zrozumienia. Kran wody jest podłączony do źródła wody (źródła zasilania), kran jest otwierany, a woda wypływa pod pewnym ciśnieniem i spada na ziemię. Tutaj nie ma dodatkowej przepustowości, przepływ wody (aktualna wartość) jest stały i nie ma powodu, aby spowalniać wodę, czyli zmniejszać prędkość jej przepływu.

Ale co, jeśli umieścisz szeroką beczkę tuż pod kranem (w naszej analogii dodasz kondensator, kondensator do obwodu), jej szerokość jest znacznie większa niż średnica strumienia wody.

Teraz beczka jest napełniona (pojemnik jest naładowany, ładunek gromadzi się na okładkach kondensatora, między okładkami wzmacnia się pole elektryczne), ale woda nie opada na ziemię. Kiedy beczka zostanie wypełniona po brzegi wodą (kondensator jest naładowany), dopiero wtedy woda zacznie płynąć z taką samą prędkością przez końce beczki do ziemi. To jest rola kondensatora lub kondensatora.

W razie potrzeby beczkę można odwrócić, wytwarzając na chwilę wielokrotnie większe ciśnienie niż z samego kranu (szybko opróżnij skraplacz), ale ilość wody pobieranej z kranu nie wzrośnie.

Poprzez podniesienie, a następnie odwrócenie beczki (ładowanie i szybkie rozładowywanie kondensatora przez długi czas) możemy zmienić tryb zużycia wody (ładunek elektryczny, energia elektryczna). Ponieważ beczka jest powoli napełniana wodą, a jej krawędź zostanie osiągnięta po pewnym czasie, mówi się, że podczas napełniania pojemnika prąd wyprzedza napięcie (w naszej analogii napięcie to wysokość, na której krawędź kranu znajduje się wylewka).

Indukcyjność

Indukcyjność, w przeciwieństwie do pojemności, przechowuje energię elektryczną nie w postaci statycznej, ale kinetycznej.

Gdy prąd przepływa przez cewkę induktora, ładunek w nim nie gromadzi się jak w kondensatorze, nadal porusza się wzdłuż obwodu, ale wokół cewki wzmacnia się pole magnetyczne związane z prądem, którego indukcja jest proporcjonalna do wielkości prądu.

Po przyłożeniu napięcia elektrycznego do cewki prąd w cewce narasta powoli, pole magnetyczne magazynuje energię nie natychmiast, ale stopniowo, a proces ten zapobiega przyspieszaniu nośników ładunku. Dlatego w indukcyjności mówi się, że prąd opóźnia się w stosunku do napięcia. Ostatecznie jednak prąd osiąga taką wartość, że ogranicza go jedynie rezystancja czynna obwodu, w którym ta cewka jest podłączona.

Jeśli cewka prądu stałego zostanie nagle odłączona od obwodu w pewnym momencie, prąd nie będzie w stanie natychmiast się zatrzymać, ale zacznie gwałtownie zwalniać, a na zaciskach cewki pojawi się różnica potencjałów, im szybciej, tym szybciej zatrzymuje prąd, czyli pole magnetyczne tego prądu zanika szybciej...

Odpowiednia jest tutaj analogia hydrauliczna. Wyobraź sobie kran z kulką z bardzo elastycznej i miękkiej gumy na wylewce.

Na dnie piłki znajduje się rurka, która ogranicza ciśnienie wody z piłki do podłoża. Jeśli kran z wodą jest otwarty, piłka dość mocno się napompuje, a woda popłynie przez rurkę cienkim strumieniem, ale przy dużej prędkości uderzy o ziemię z rozpryskami.

Zużycie wody bez zmian. Prąd przepływa przez dużą indukcyjność, podczas gdy rezerwa energii w polu magnetycznym jest duża (balon napełnia się wodą). Kiedy woda zaczyna płynąć z kranu, piłka napełnia się, podobnie indukcyjność magazynuje energię w polu magnetycznym, gdy prąd zaczyna rosnąć.

Jeśli teraz wyłączymy kulę z kranu, włączymy ją od strony, z której była podłączona do kranu i odwrócimy ją, to woda z rury może osiągnąć znacznie większą wysokość niż wysokość kranu, ponieważ woda w napompowanej piłce jest pod ciśnieniem.Cewki indukcyjne są używane w ten sam sposób w przetwornicach impulsów podwyższających.