Kapacitivnost i induktivitet u električnim krugovima

U smislu električnih krugova, kapacitet i induktivitet su vrlo važni, jednako važni kao i otpor. Ali ako govorimo o aktivnom otporu, mislimo jednostavno na nepovratnu pretvorbu električne energije u toplinu, tada su induktivitet i kapacitet povezani s procesima akumulacije i pretvorbe električne energije, stoga otvaraju mnoge korisne praktične mogućnosti za elektrotehniku.

Kada struja teče strujnim krugom, nabijene čestice se pomiču s mjesta većeg električnog potencijala na mjesto nižeg potencijala.

Recimo da struja teče kroz aktivni otpor, kao što je volframova nit žarulje. Kako se nabijene čestice kreću izravno kroz volfram, energija ove struje kontinuirano se rasipa zbog čestih sudara nositelja struje s čvorovima kristalne rešetke metala.

Ovdje se može povući analogija.Stena je ležala na vrhu šumovite planine (na točki visokog potencijala), ali je onda odgurnuta s vrha i otkotrljana u nizinu (na razinu nižeg potencijala) kroz šumu, kroz grmlje (otpor), itd.

Sudarajući se s biljkama, kamen sustavno gubi svoju energiju, prenosi je na grmlje i drveće u trenucima sudara s njima (na sličan način se aktivnim otporom odvodi toplina), stoga mu je brzina (trenutna vrijednost) ograničena, a tu jednostavno nema vremena za pravilno ubrzanje.

U našoj analogiji, kamen je električna struja, pokretne nabijene čestice, a biljke na njegovom putu su aktivni otpor vodiča; visinska razlika — razlika električnih potencijala.

Kapacitet

Kapacitet, za razliku od aktivnog otpora, karakterizira sposobnost kruga da akumulira električnu energiju u obliku statičkog električnog polja.

Istosmjerna struja ne može nastaviti teći kao prije kroz krug s kapacitetom sve dok se taj kapacitet potpuno ne ispuni. Tek kada je kapacitet pun, nositelji naboja moći će se kretati dalje svojom prethodnom brzinom određenom razlikom potencijala i aktivnim otporom kruga.

Vizualna hidraulička analogija ovdje je bolja za razumijevanje. Slavina se spoji na vodovod (izvor struje), otvori se slavina, a voda pod određenim pritiskom istječe i pada na tlo. Ovdje nema dodatnog kapaciteta, protok vode (trenutna vrijednost) je konstantan i nema razloga usporavati vodu, odnosno smanjivati ​​brzinu njenog protoka.

Ali što ako stavite široku bačvu točno ispod slavine (u našoj analogiji, dodajte kondenzator, kondenzator u krug), njegova širina je mnogo veća od promjera vodenog mlaza.

Sada je bačva napunjena (posuda je napunjena, naboj se nakuplja na pločama kondenzatora, električno polje je ojačano između ploča), ali voda ne pada u zemlju. Kada se bačva do vrha napuni vodom (kondenzator je napunjen), tek tada će voda početi teći istom brzinom kao i kroz krajeve bačve prema tlu. Ovo je uloga kondenzatora ili kondenzatora.

Bačva se po želji može prevrnuti, nakratko stvoriti višestruko veći pritisak nego iz same slavine (brzo isprazniti kondenzator), ali se količina vode koja se uzima iz slavine neće povećati.

Podizanjem pa okretanjem bačve (dugotrajno punjenje i brzo pražnjenje kondenzatora) možemo promijeniti način potrošnje vode (električni naboj, električna energija). Budući da se bačva polako puni vodom i da će njezin rub biti dosegnut nakon nekog vremena, kaže se da kada je posuda napunjena, struja vodi napon (u našoj analogiji, napon je visina na kojoj je rub slavine nalazi se izljev).

Induktivitet

Induktivitet, za razliku od kapaciteta, ne pohranjuje električnu energiju u statičkom, već u kinetičkom obliku.

Kada struja teče kroz svitak induktora, naboj u njemu se ne nakuplja kao u kondenzatoru, on se nastavlja kretati duž strujnog kruga, ali oko svitka se pojačava magnetsko polje povezano sa strujom, čija je indukcija proporcionalan veličini struje.

Kada se na zavojnicu dovede električni napon, struja u zavojnici se polako povećava, magnetsko polje ne pohranjuje energiju odmah, već postupno, a taj proces sprječava ubrzanje nositelja naboja. Stoga se u induktivnosti kaže da struja zaostaje za naponom. Međutim, na kraju struja dosegne toliku vrijednost da je ograničena samo aktivnim otporom strujnog kruga u koji je uključena ova zavojnica.

Ako se istosmjerna zavojnica iznenada odvoji od strujnog kruga u nekom trenutku, struja se neće moći odmah zaustaviti, već će početi brzo usporavati i razlika potencijala će se pojaviti na stezaljkama zavojnice, što brže što brže zaustavlja struju, odnosno magnetsko polje ove struje brže nestaje...

Ovdje je prikladna hidraulička analogija. Zamislite slavinu s kuglicom od vrlo elastične i mekane gume na izljevu.

Na dnu lopte nalazi se cijev koja ograničava pritisak vode s lopte na tlo. Ako je slavina za vodu otvorena, lopta će se prilično napuhati i voda će projuriti kroz cijev u tankom mlazu, ali pri velikoj brzini, uz prskanje će se srušiti na tlo.

Potrošnja vode je nepromijenjena. Struja teče kroz veliki induktivitet, dok je rezerva energije u magnetskom polju velika (balon je napuhan vodom). Kada voda tek počne teći iz slavine, kuglica se napuhuje, slično tome, induktivnost pohranjuje energiju u magnetskom polju kada struja počne rasti.

Ako sada zavrnemo kuglu sa slavine, otvorimo je sa strane gdje je bila spojena na slavinu i okrenemo je, tada voda iz cijevi može doseći puno veću visinu od visine slavine, jer voda u napuhanoj lopti je pod pritiskom.Induktori se koriste na isti način u pretvaračima impulsa pojačanja.