Kapacitans og induktans i elektriske kredsløb

Med hensyn til elektriske kredsløb er kapacitans og induktans meget vigtige, lige så vigtige som modstand. Men hvis vi taler om aktiv modstand, mener vi simpelthen den irreversible omdannelse af elektrisk energi til varme, så er induktans og kapacitans relateret til processerne med akkumulering og konvertering af elektrisk energi, derfor åbner de op for mange nyttige praktiske muligheder for elektroteknik.

Når strøm løber gennem kredsløbet, bevæger ladede partikler sig fra et sted med højere elektrisk potentiale til et sted med lavere potentiale.

Lad os sige, at strømmen løber gennem en aktiv modstand, såsom wolframglødetråden i en lampe. Da de ladede partikler bevæger sig direkte gennem wolfram, spredes energien af ​​denne strøm kontinuerligt på grund af de hyppige kollisioner af strømbærere med knudepunkterne i metallets krystalgitter.

En analogi kan drages her.Kampestenen lå på toppen af ​​et skovklædt bjerg (på et punkt med højt potentiale), men så blev den skubbet af toppen og rullet ind i lavlandet (til et niveau med lavere potentiale) gennem skoven, gennem buske (modstand), etc.

Ved at kollidere med planter mister en sten systematisk sin energi, overfører den til buske og træer i kollisionsøjeblikket med dem (på lignende måde spredes varme med aktiv modstand), derfor er dens hastighed (aktuel værdi) begrænset, og der er simpelthen ikke tid til at accelerere ordentligt.

I vores analogi er stenen en elektrisk strøm, der bevæger ladede partikler, og planterne på dens vej er en leders aktive modstand; højdeforskel - forskellen i elektriske potentialer.

Kapacitet

Kapacitans, i modsætning til aktiv modstand, karakteriserer kredsløbets evne til at akkumulere elektrisk energi i form af et statisk elektrisk felt.

En jævnstrøm kan ikke fortsætte med at strømme som før gennem et kredsløb med en kapacitans, før den kapacitans er helt fyldt. Først når kapaciteten er fuld, vil ladningsbærerne kunne bevæge sig videre med deres tidligere hastighed bestemt af potentialforskellen og kredsløbets aktive modstand.

En visuel hydraulisk analogi er bedre til at forstå her. Vandhanen er tilsluttet vandforsyningen (strømkilde), vandhanen åbnes, og vandet strømmer ud med et vist tryk og falder på jorden. Her er der ingen ekstra kapacitet, vandstrømmen (aktuel værdi) er konstant, og der er ingen grund til at bremse vandet, det vil sige at reducere hastigheden af ​​dets strømning.

Men hvad hvis du sætter en bred tønde lige under vandhanen (i vores analogi, tilføj en kondensator, en kondensator til kredsløbet), er dens bredde meget større end vandstrålens diameter.

Nu er tønden fyldt (beholderen er opladet, ladningen akkumuleres på kondensatorens plader, det elektriske felt styrkes mellem pladerne), men vandet falder ikke i jorden. Når tønden er fyldt til randen med vand (kondensatoren er opladet), først da vil vandet begynde at strømme med samme strømningshastighed gennem tøndens ender til jorden. Dette er rollen som en kondensator eller kondensator.

Tønden kan væltes, hvis det ønskes, hvilket kortvarigt skaber mange gange mere tryk end fra vandhanen alene (tøm hurtigt kondensatoren), men mængden af ​​vand, der tages fra hanen, vil ikke stige.

Ved at løfte og derefter vende cylinderen (oplade og hurtigt aflade kondensatoren i lang tid), kan vi ændre tilstanden for vandforbrug (elektrisk ladning, elektrisk energi). Da tønden langsomt fyldes med vand, og dens kant vil blive nået efter nogen tid, siges det, at når beholderen er fyldt, leder strømmen spændingen (i vores analogi er spændingen den højde, hvor kanten af ​​vandhanen tuden er placeret).

Induktans

Induktans, i modsætning til kapacitans, lagrer elektrisk energi ikke i statisk, men i kinetisk form.

Når strømmen løber gennem induktorens spole, akkumuleres ladningen i den ikke som i kondensatoren, den fortsætter med at bevæge sig langs kredsløbet, men rundt om spolen forstærkes det magnetiske felt, der er forbundet med strømmen, hvis induktion er proportional med strømmens størrelse.

Når en elektrisk spænding tilføres spolen, opbygges strømmen i spolen langsomt, magnetfeltet lagrer energi ikke umiddelbart, men gradvist, og denne proces forhindrer ladningsbærernes acceleration. Derfor siges strømmen i induktans at halte efter spændingen. Til sidst når strømmen dog en sådan værdi, at den kun begrænses af den aktive modstand i kredsløbet, hvori denne spole er tilsluttet.

Hvis en DC-spole pludselig afbrydes fra kredsløbet på et tidspunkt, vil strømmen ikke være i stand til at stoppe med det samme, men vil begynde at aftage hurtigt, og der vil opstå en potentialforskel på tværs af spolens terminaler, jo hurtigere jo hurtigere stopper strømmen, det vil sige, at denne strøms magnetfelt forsvinder hurtigere...

En hydraulisk analogi er passende her. Forestil dig en vandhane med en kugle af meget elastisk og blød gummi på tuden.

I bunden af ​​bolden er der et rør, der begrænser vandtrykket fra bolden til jorden. Hvis vandhanen er åben, vil bolden pustes ret kraftigt op, og vandet vil strømme gennem røret i en tynd strøm, men ved høj hastighed vil den styrte ned i jorden med stænk.

Vandforbruget er uændret. Strømmen løber gennem en stor induktans, mens energireserven i magnetfeltet er stor (ballonen pustes op med vand). Når vandet lige begynder at strømme fra hanen, pustes kuglen op, ligesom induktansen lagrer energi i magnetfeltet, når strømmen begynder at stige.

Hvis vi nu lukker for kuglen fra vandhanen, tænder for den fra den side, hvor den var forbundet med vandhanen, og vender den om, så kan vandet fra røret nå en meget højere højde end vandhanens højde, pga. vandet i den oppustede kugle er under tryk.Induktorer bruges på samme måde i boost pulsomformere.