Capacitatea și inductanța în circuitele electrice

În ceea ce privește circuitele electrice, capacitatea și inductanța sunt foarte importante, la fel de importante ca și rezistența. Dar dacă vorbim despre rezistența activă, ne referim pur și simplu la conversia ireversibilă a energiei electrice în căldură, atunci inductanța și capacitatea sunt legate de procesele de acumulare și conversie a energiei electrice, prin urmare ele deschid multe oportunități practice utile pentru inginerie electrică.

Când curentul trece prin circuit, particulele încărcate se deplasează dintr-un loc cu potențial electric mai mare într-un loc cu potențial mai scăzut.

Să presupunem că curentul trece printr-o rezistență activă, cum ar fi filamentul de tungsten al unei lămpi. Pe măsură ce particulele încărcate se deplasează direct prin wolfram, energia acestui curent este disipată în mod continuu din cauza ciocnirilor frecvente ale purtătorilor de curent cu nodurile rețelei cristaline ale metalului.

Aici se poate face o analogie.Bolanul era întins pe vârful unui munte împădurit (într-un punct cu potențial ridicat), dar apoi a fost împins de pe vârf și a fost rostogolit în câmpie (la un nivel de potențial mai scăzut) prin pădure, prin tufișuri (rezistență), etc.

Ciocnind cu plante, o piatră își pierde în mod sistematic energia, o transferă tufișurilor și copacilor în momentele de coliziune cu acestea (în mod similar, căldura este disipată cu rezistență activă), prin urmare viteza sa (valoarea curentă) este limitată și acolo pur și simplu nu este momentul să accelerezi corect.

În analogia noastră, piatra este un curent electric, particulele încărcate în mișcare, iar plantele din calea ei sunt rezistența activă a unui conductor; diferență de înălțime — diferența de potențial electric.

Capacitate

Capacitatea, spre deosebire de rezistența activă, caracterizează capacitatea circuitului de a acumula energie electrică sub forma unui câmp electric static.

Un curent continuu nu poate continua să curgă ca înainte printr-un circuit cu o capacitate până când acea capacitate este complet umplută. Numai când capacitatea este plină, purtătorii de sarcină se vor putea deplasa mai departe la viteza lor anterioară determinată de diferența de potențial și rezistența activă a circuitului.

O analogie vizuală hidraulică este mai bună pentru înțelegere aici. Robinetul de apă este conectat la sursa de apă (sursa de alimentare), robinetul este deschis, iar apa curge cu o anumită presiune și cade pe pământ. Aici nu există capacitate suplimentară, debitul de apă (valoarea curentă) este constant și nu există niciun motiv pentru a încetini apa, adică pentru a reduce viteza curgerii acesteia.

Dar dacă puneți un butoi larg chiar sub robinet (în analogia noastră, adăugați un condensator, un condensator la circuit), lățimea sa este mult mai mare decât diametrul jetului de apă.

Acum butoiul este umplut (containerul este încărcat, sarcina se acumulează pe plăcile condensatorului, câmpul electric este întărit între plăci), dar apa nu cade în pământ. Când butoiul este umplut până la refuz cu apă (condensatorul este încărcat), abia atunci apa va începe să curgă cu aceeași rată de curgere prin capetele butoiului către pământ. Acesta este rolul unui condensator sau condensator.

Butoiul poate fi răsturnat dacă se dorește, creând pentru scurt timp de multe ori mai multă presiune decât numai de la robinet (scurgeți rapid condensatorul), dar cantitatea de apă preluată de la robinet nu va crește.

Prin ridicarea și apoi inversarea cilindrului (încărcarea și descărcarea rapidă a condensatorului pentru o lungă perioadă de timp), putem schimba modul de consum de apă (încărcare electrică, energie electrică). Deoarece butoiul este umplut încet cu apă și marginea acestuia va fi atinsă după ceva timp, se spune că atunci când recipientul este umplut, curentul conduce tensiunea (în analogia noastră, tensiunea este înălțimea la care marginea robinetului se află gura de scurgere).

Inductanţă

Inductanța, spre deosebire de capacitate, stochează energia electrică nu în formă statică, ci în formă cinetică.

Când curentul trece prin bobina inductorului, sarcina din acesta nu se acumulează ca în condensator, aceasta continuă să se miște de-a lungul circuitului, dar în jurul bobinei câmpul magnetic asociat curentului este întărit, a cărui inducție este proporţional cu mărimea curentului.

Când o tensiune electrică este aplicată bobinei, curentul din bobină se acumulează lent, câmpul magnetic stochează energie nu imediat, ci treptat, iar acest proces împiedică accelerarea purtătorilor de sarcină. Prin urmare, în inductanță, se spune că curentul întârzie tensiunea. În cele din urmă, însă, curentul atinge o asemenea valoare încât este limitat doar de rezistența activă a circuitului în care este conectată această bobină.

Dacă o bobină de curent continuu este deconectată brusc de la circuit la un moment dat, curentul nu se va putea opri imediat, dar va începe să încetinească rapid și o diferență de potențial va apărea la bornele bobinei, cu cât mai repede, cu atât mai repede oprește curentul, adică câmpul magnetic al acestui curent dispare mai repede...

O analogie hidraulică este potrivită aici. Imaginați-vă un robinet de apă cu o minge de cauciuc foarte elastic și moale pe gura de scurgere.

În partea de jos a mingii este un tub care limitează presiunea apei de la minge la sol. Dacă robinetul de apă este deschis, mingea se va umfla destul de puternic și apa se va repezi prin tub într-un flux subțire, dar la viteză mare, se va prăbuși în pământ cu stropi.

Consumul de apă rămâne neschimbat. Curentul trece printr-o inductanță mare, în timp ce rezerva de energie din câmpul magnetic este mare (balonul este umflat cu apă). Când apa începe să curgă de la robinet, mingea se umflă, în mod similar, inductanța stochează energie în câmpul magnetic atunci când curentul începe să crească.

Dacă acum oprim mingea de la robinet, o deschidem din partea în care era conectată la robinet și o întoarcem, atunci apa din conductă poate ajunge la o înălțime mult mai mare decât înălțimea robinetului, deoarece apa din bila umflată este sub presiune.Inductoarele sunt utilizate în același mod în convertizoare de impulsuri de impuls.