Kapacitans och induktans i elektriska kretsar

När det gäller elektriska kretsar är kapacitans och induktans mycket viktiga, lika viktiga som resistans. Men om vi pratar om aktivt motstånd menar vi helt enkelt den irreversibla omvandlingen av elektrisk energi till värme, då är induktans och kapacitans relaterade till processerna för ackumulering och omvandling av elektrisk energi, därför öppnar de upp för många användbara praktiska möjligheter för elektroteknik.

När ström flyter genom kretsen rör sig laddade partiklar från en plats med högre elektrisk potential till en plats med lägre potential.

Låt oss säga att strömmen flyter genom ett aktivt motstånd, till exempel volframglödtråden i en lampa. När de laddade partiklarna rör sig direkt genom volfram, försvinner energin från denna ström kontinuerligt på grund av de frekventa kollisioner av strömbärare med noderna i metallens kristallgitter.

En analogi kan dras här.Stenblocket låg på toppen av ett skogbevuxet berg (vid en punkt med hög potential), men sedan trycktes det av toppen och rullades in i låglandet (till en nivå av lägre potential) genom skogen, genom buskar (motstånd), etc.

När en sten kolliderar med växter förlorar en sten systematiskt sin energi, överför den till buskar och träd i ögonblicken av kollision med dem (på liknande sätt avleds värme med aktivt motstånd), därför är dess hastighet (aktuellt värde) begränsad, och där är helt enkelt ingen tid att accelerera ordentligt.

I vår analogi är stenen en elektrisk ström som rör sig laddade partiklar, och växterna i dess väg är det aktiva motståndet hos en ledare; höjdskillnad — skillnaden i elektriska potentialer.

Kapacitet

Kapacitans, till skillnad från aktivt motstånd, kännetecknar kretsens förmåga att ackumulera elektrisk energi i form av ett statiskt elektriskt fält.

En likström kan inte fortsätta att flyta som tidigare genom en krets med en kapacitans förrän den kapacitansen är helt fylld. Först när kapaciteten är full kommer laddningsbärarna att kunna röra sig vidare med sin tidigare hastighet som bestäms av potentialskillnaden och kretsens aktiva resistans.

En visuell hydraulisk analogi är bättre för att förstå här. Vattenkranen är ansluten till vattenförsörjningen (strömkällan), kranen öppnas och vattnet rinner ut med ett visst tryck och faller på marken. Här finns ingen ytterligare kapacitet, vattenflödet (aktuellt värde) är konstant och det finns ingen anledning att sakta ner vattnet, det vill säga att minska hastigheten på dess flöde.

Men vad händer om du lägger ett brett fat precis under kranen (i vår analogi, lägg till en kondensator, kondensator till kretsen), dess bredd är mycket större än vattenstrålens diameter.

Nu är tunnan fylld (behållaren laddas, laddningen ackumuleras på kondensatorns plattor, det elektriska fältet förstärks mellan plattorna), men vattnet faller inte i marken. När tunnan är fylld till brädden med vatten (kondensatorn laddas), först då börjar vattnet rinna med samma flödeshastighet genom ändarna av tunnan till marken. Detta är rollen för en kondensator eller kondensor.

Pipan kan välta om så önskas, vilket kortvarigt skapar många gånger mer tryck än från enbart kranen (töm snabbt kondensorn), men mängden vatten som tas från kranen kommer inte att öka.

Genom att lyfta och sedan vända trumman (laddning och snabbt ladda ur kondensatorn under lång tid) kan vi ändra läget för vattenförbrukning (elektrisk laddning, elektrisk energi). Eftersom tunnan långsamt fylls med vatten och dess kant kommer att nås efter en tid, sägs det att när behållaren är fylld leder strömmen spänningen (i vår analogi är spänningen höjden på vilken kranens kant pipen finns).

Induktans

Induktans, till skillnad från kapacitans, lagrar elektrisk energi inte i statisk utan i kinetisk form.

När strömmen flyter genom induktorns spole ackumuleras inte laddningen i den som i kondensatorn, den fortsätter att röra sig längs kretsen, men runt spolen förstärks magnetfältet som är associerat med strömmen, vars induktion är proportionell mot strömmens storlek.

När en elektrisk spänning läggs på spolen byggs strömmen i spolen upp långsamt, magnetfältet lagrar energi inte omedelbart, utan gradvis, och denna process förhindrar accelerationen av laddningsbärarna. Därför, i induktans, sägs strömmen släpa efter spänningen. Så småningom når emellertid strömmen ett sådant värde att den endast begränsas av det aktiva motståndet hos kretsen i vilken denna spole är ansluten.

Om en likströmsspole plötsligt kopplas bort från kretsen någon gång, kommer strömmen inte att kunna sluta omedelbart, utan kommer att börja sakta ner snabbt och en potentialskillnad kommer att uppstå över spolens terminaler, ju snabbare desto snabbare stoppar strömmen, det vill säga magnetfältet för denna ström försvinner snabbare...

En hydraulisk analogi är lämplig här. Föreställ dig en vattenkran med en boll av mycket elastiskt och mjukt gummi på pipen.

I botten av bollen finns ett rör som begränsar vattentrycket från bollen till marken. Om vattenkranen är öppen kommer bollen att blåsa upp ganska kraftigt och vattnet kommer att forsa genom röret i en tunn ström, men i hög hastighet kommer den att krascha i marken med stänk.

Vattenförbrukningen är oförändrad. Strömmen flyter genom en stor induktans, medan energireserven i magnetfältet är stor (ballongen blåses upp med vatten). När vattnet precis börjar rinna från kranen blåser kulan upp, på samma sätt lagrar induktansen energi i magnetfältet när strömmen börjar öka.

Om vi ​​nu stänger av kulan från kranen, slår på den från sidan där den var kopplad till kranen och vänder på den, så kan vattnet från röret nå en mycket högre höjd än kranens höjd, eftersom vattnet i den uppblåsta bollen är under tryck.Induktorer används på samma sätt i boost-pulsomvandlare.