Kapasitans og induktans i elektriske kretser

Når det gjelder elektriske kretser, er kapasitans og induktans veldig viktig, like viktig som motstand. Men hvis vi snakker om aktiv motstand, mener vi ganske enkelt den irreversible konverteringen av elektrisk energi til varme, da er induktans og kapasitans relatert til prosessene for akkumulering og konvertering av elektrisk energi, derfor åpner de opp for mange nyttige praktiske muligheter for elektroteknikk.

Når strøm flyter gjennom kretsen, beveger ladede partikler seg fra et sted med høyere elektrisk potensial til et sted med lavere potensial.

La oss si at strømmen flyter gjennom en aktiv motstand, for eksempel wolframglødetråden til en lampe. Når de ladede partiklene beveger seg direkte gjennom wolfram, forsvinner energien til denne strømmen kontinuerlig på grunn av de hyppige kollisjonene av strømbærere med nodene til metallets krystallgitter.

En analogi kan trekkes her.Steinblokken lå på toppen av et skogkledd fjell (på et punkt med høyt potensial), men så ble den skjøvet av toppen og rullet inn i lavlandet (til et nivå med lavere potensial) gjennom skogen, gjennom busker (motstand), etc.

Ved å kollidere med planter mister en stein systematisk energien sin, overfører den til busker og trær ved kollisjonsøyeblikk med dem (på lignende måte spres varmen med aktiv motstand), derfor er hastigheten (nåværende verdi) begrenset, og der er rett og slett ikke tid til å akselerere skikkelig.

I vår analogi er steinen en elektrisk strøm som beveger ladede partikler, og plantene i dens vei er den aktive motstanden til en leder; høydeforskjell - forskjellen i elektriske potensialer.

Kapasitet

Kapasitans, i motsetning til aktiv motstand, karakteriserer kretsens evne til å akkumulere elektrisk energi i form av et statisk elektrisk felt.

En likestrøm kan ikke fortsette å flyte som før gjennom en krets med en kapasitans før den kapasitansen er helt fylt. Først når kapasiteten er full vil ladningsbærerne kunne bevege seg videre med sin tidligere hastighet bestemt av potensialforskjellen og den aktive motstanden til kretsen.

En visuell hydraulisk analogi er bedre for å forstå her. Vannkranen er koblet til vannforsyningen (strømkilde), kranen åpnes, og vannet renner ut med et visst trykk og faller på bakken. Her er det ingen ekstra kapasitet, vannstrømmen (nåværende verdi) er konstant og det er ingen grunn til å bremse vannet, det vil si å redusere hastigheten på dets strømning.

Men hva om du legger en bred tønne rett under kranen (i vår analogi, legg til en kondensator, kondensator til kretsen), dens bredde er mye større enn diameteren på vannstrålen.

Nå er tønnen fylt (beholderen er ladet, ladningen samler seg på kondensatorplatene, det elektriske feltet styrkes mellom platene), men vannet faller ikke i bakken. Når tønnen er fylt til randen med vann (kondensatoren er ladet), først da vil vannet begynne å strømme med samme strømningshastighet gjennom endene av tønnen til bakken. Dette er rollen til en kondensator eller kondensator.

Tønnen kan veltes om ønskelig, og skaper kort tid mange ganger mer trykk enn fra kranen alene (tapp raskt av kondensatoren), men mengden vann som tas fra springen vil ikke øke.

Ved å løfte og deretter snu tønnen (lade og raskt utlade kondensatoren i lang tid), kan vi endre modusen for vannforbruk (elektrisk ladning, elektrisk energi). Siden tønnen sakte fylles med vann og kanten vil nås etter en tid, sies det at når beholderen er fylt, leder strømmen spenningen (i vår analogi er spenningen høyden som kanten på kranen tuten er plassert).

Induktans

Induktans, i motsetning til kapasitans, lagrer elektrisk energi ikke i statisk, men i kinetisk form.

Når strømmen flyter gjennom spolen til induktoren, akkumuleres ikke ladningen i den som i kondensatoren, den fortsetter å bevege seg langs kretsen, men rundt spolen forsterkes magnetfeltet knyttet til strømmen, hvis induksjon er proporsjonal med strømmens størrelse.

Når en elektrisk spenning påføres spolen, bygges strømmen i spolen sakte opp, magnetfeltet lagrer energi ikke umiddelbart, men gradvis, og denne prosessen forhindrer akselerasjonen av ladningsbærerne. Derfor, i induktans, sies strømmen å ligge etter spenningen. Til slutt når imidlertid strømmen en slik verdi at den bare begrenses av den aktive motstanden til kretsen som denne spolen er koblet til.

Hvis en DC-spole plutselig kobles fra kretsen på et tidspunkt, vil strømmen ikke kunne stoppe umiddelbart, men vil begynne å avta raskt og en potensiell forskjell vil vises over spolens terminaler, jo raskere jo raskere stopper strømmen, det vil si at magnetfeltet til denne strømmen forsvinner raskere...

En hydraulisk analogi er passende her. Se for deg en vannkran med en kule av svært elastisk og myk gummi på tuten.

I bunnen av ballen er det et rør som begrenser vanntrykket fra ballen til bakken. Hvis vannkranen er åpen, vil ballen blåse seg opp ganske kraftig og vannet vil fosse gjennom røret i en tynn stråle, men i høy hastighet vil den krasje i bakken med sprut.

Vannforbruket er uendret. Strømmen går gjennom en stor induktans, mens energireserven i magnetfeltet er stor (ballongen blåses opp med vann). Når vannet akkurat begynner å strømme fra springen, blåses kulen opp, på samme måte lagrer induktansen energi i magnetfeltet når strømmen begynner å øke.

Hvis vi nå skrur av kulen fra kranen, slår den på fra siden den var koblet til kranen og snur den, så kan vannet fra røret nå en mye høyere høyde enn kranens høyde, pga. vannet i den oppblåste ballen er under trykk.Induktorer brukes på samme måte i boost-pulsomformere.