Χωρητικότητα και αυτεπαγωγή σε ηλεκτρικά κυκλώματα

Όσον αφορά τα ηλεκτρικά κυκλώματα, η χωρητικότητα και η αυτεπαγωγή είναι πολύ σημαντικές, εξίσου σημαντικές με την αντίσταση. Αλλά αν μιλάμε για ενεργή αντίσταση, εννοούμε απλώς τη μη αναστρέψιμη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμότητα, τότε η επαγωγή και η χωρητικότητα σχετίζονται με τις διαδικασίες συσσώρευσης και μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, επομένως ανοίγουν πολλές χρήσιμες πρακτικές ευκαιρίες για την ηλεκτρική μηχανική.

Όταν το ρεύμα ρέει μέσα από το κύκλωμα, τα φορτισμένα σωματίδια μετακινούνται από ένα μέρος με υψηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό σε ένα μέρος με χαμηλότερο δυναμικό.

Ας υποθέσουμε ότι το ρεύμα ρέει μέσα από μια ενεργή αντίσταση, όπως το νήμα βολφραμίου ενός λαμπτήρα. Καθώς τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται απευθείας μέσω του βολφραμίου, η ενέργεια αυτού του ρεύματος διαχέεται συνεχώς λόγω των συχνών συγκρούσεων των φορέων ρεύματος με τους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος του μετάλλου.

Εδώ μπορεί να γίνει μια αναλογία.Ο ογκόλιθος βρισκόταν στην κορυφή ενός δασώδους βουνού (σε σημείο μεγάλου δυναμικού), αλλά στη συνέχεια σπρώχτηκε από την κορυφή και κύλησε στην πεδιάδα (σε επίπεδο χαμηλότερου δυναμικού) μέσα από το δάσος, μέσα από θάμνους (αντίσταση), και τα λοιπά.

Σε σύγκρουση με τα φυτά, μια πέτρα χάνει συστηματικά την ενέργειά της, τη μεταφέρει σε θάμνους και δέντρα τις στιγμές της σύγκρουσης μαζί τους (με παρόμοιο τρόπο, η θερμότητα διαχέεται με ενεργή αντίσταση), επομένως η ταχύτητά της (τρέχουσα τιμή) είναι περιορισμένη και απλά δεν είναι καιρός να επιταχύνεις σωστά.

Στην αναλογία μας, η πέτρα είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα, που κινεί φορτισμένα σωματίδια και τα φυτά στο πέρασμά της είναι η ενεργή αντίσταση ενός αγωγού. διαφορά ύψους — η διαφορά στα ηλεκτρικά δυναμικά.

Χωρητικότητα

Η χωρητικότητα, σε αντίθεση με την ενεργό αντίσταση, χαρακτηρίζει την ικανότητα του κυκλώματος να συσσωρεύει ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή στατικού ηλεκτρικού πεδίου.

Ένα συνεχές ρεύμα δεν μπορεί να συνεχίσει να ρέει όπως πριν μέσω ενός κυκλώματος με χωρητικότητα έως ότου αυτή η χωρητικότητα γεμίσει πλήρως. Μόνο όταν η χωρητικότητα είναι πλήρης, οι φορείς φόρτισης θα μπορούν να κινηθούν περαιτέρω στην προηγούμενη ταχύτητά τους που καθορίζεται από τη διαφορά δυναμικού και την ενεργή αντίσταση του κυκλώματος.

Μια οπτική υδραυλική αναλογία είναι καλύτερη για κατανόηση εδώ. Η βρύση του νερού συνδέεται με την παροχή νερού (πηγή ρεύματος), η βρύση ανοίγει και το νερό ρέει έξω με μια συγκεκριμένη πίεση και πέφτει στο έδαφος. Εδώ δεν υπάρχει επιπλέον χωρητικότητα, η ροή του νερού (τρέχουσα τιμή) είναι σταθερή και δεν υπάρχει λόγος επιβράδυνσης του νερού, δηλαδή μείωσης της ταχύτητας ροής του.

Αλλά τι γίνεται αν βάλετε ένα φαρδύ βαρέλι ακριβώς κάτω από τη βρύση (στην αναλογία μας, προσθέστε έναν πυκνωτή, πυκνωτή στο κύκλωμα), το πλάτος του είναι πολύ μεγαλύτερο από τη διάμετρο του πίδακα νερού.

Τώρα το βαρέλι είναι γεμάτο (το δοχείο φορτίζεται, το φορτίο συσσωρεύεται στις πλάκες του πυκνωτή, το ηλεκτρικό πεδίο ενισχύεται μεταξύ των πλακών), αλλά το νερό δεν πέφτει στο έδαφος. Όταν η κάννη γεμίσει μέχρι το χείλος με νερό (ο πυκνωτής είναι φορτισμένος), μόνο τότε το νερό θα αρχίσει να ρέει με τον ίδιο ρυθμό ροής μέσω των άκρων της κάννης προς το έδαφος. Αυτός είναι ο ρόλος ενός πυκνωτή ή συμπυκνωτή.

Η κάννη μπορεί να ανατραπεί εάν το επιθυμείτε, δημιουργώντας για λίγο πολλές φορές μεγαλύτερη πίεση από ό,τι μόνο από τη βρύση (αποστραγγίστε γρήγορα τον συμπυκνωτή), αλλά η ποσότητα του νερού που λαμβάνεται από τη βρύση δεν θα αυξηθεί.

Ανυψώνοντας και στη συνέχεια αναστρέφοντας την κάννη (φόρτιση και γρήγορη εκφόρτιση του πυκνωτή για μεγάλο χρονικό διάστημα), μπορούμε να αλλάξουμε τον τρόπο κατανάλωσης νερού (ηλεκτρικό φορτίο, ηλεκτρική ενέργεια). Δεδομένου ότι το βαρέλι γεμίζει αργά με νερό και η άκρη του θα φτάσει μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, λέγεται ότι όταν γεμίσει το δοχείο, το ρεύμα οδηγεί την τάση (στην αναλογία μας, η τάση είναι το ύψος στο οποίο η άκρη της βρύσης βρίσκεται το στόμιο).

Επαγωγή

Η επαγωγή, σε αντίθεση με την χωρητικότητα, αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια όχι σε στατική αλλά σε κινητική μορφή.

Όταν το ρεύμα ρέει μέσω του πηνίου του επαγωγέα, το φορτίο σε αυτό δεν συσσωρεύεται όπως στον πυκνωτή, συνεχίζει να κινείται κατά μήκος του κυκλώματος, αλλά γύρω από το πηνίο ενισχύεται το μαγνητικό πεδίο που σχετίζεται με το ρεύμα, η επαγωγή του οποίου είναι ανάλογο με το μέγεθος του ρεύματος.

Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση στο πηνίο, το ρεύμα στο πηνίο συσσωρεύεται αργά, το μαγνητικό πεδίο αποθηκεύει ενέργεια όχι αμέσως, αλλά σταδιακά, και αυτή η διαδικασία εμποδίζει την επιτάχυνση των φορέων φορτίου. Επομένως, στην επαγωγή, το ρεύμα λέγεται ότι καθυστερεί την τάση. Τελικά, όμως, το ρεύμα φτάνει σε τέτοια τιμή που περιορίζεται μόνο από την ενεργή αντίσταση του κυκλώματος στο οποίο είναι συνδεδεμένο αυτό το πηνίο.

Εάν ένα πηνίο DC αποσυνδεθεί ξαφνικά από το κύκλωμα σε κάποιο σημείο, το ρεύμα δεν θα μπορεί να σταματήσει αμέσως, αλλά θα αρχίσει να επιβραδύνεται γρήγορα και μια διαφορά δυναμικού θα εμφανιστεί στους ακροδέκτες του πηνίου, τόσο πιο γρήγορα, τόσο πιο γρήγορα σταματάει το ρεύμα. δηλαδή το μαγνητικό πεδίο αυτού του ρεύματος εξαφανίζεται πιο γρήγορα...

Μια υδραυλική αναλογία είναι κατάλληλη εδώ. Φανταστείτε μια βρύση νερού με μια μπάλα από εξαιρετικά ελαστικό και μαλακό καουτσούκ στο στόμιο.

Στο κάτω μέρος της μπάλας υπάρχει ένας σωλήνας που περιορίζει την πίεση του νερού από την μπάλα στο έδαφος. Εάν η βρύση του νερού είναι ανοιχτή, η μπάλα θα φουσκώσει αρκετά έντονα και το νερό θα τρέξει ορμητικά μέσα από το σωλήνα με ένα λεπτό ρεύμα, αλλά με μεγάλη ταχύτητα, θα πέσει στο έδαφος με πιτσιλιές.

Η κατανάλωση νερού παραμένει αμετάβλητη. Το ρεύμα ρέει μέσα από μια μεγάλη αυτεπαγωγή, ενώ το απόθεμα ενέργειας στο μαγνητικό πεδίο είναι μεγάλο (το μπαλόνι φουσκώνει με νερό). Όταν το νερό μόλις αρχίζει να ρέει από τη βρύση, η μπάλα φουσκώνει, ομοίως, η επαγωγή αποθηκεύει ενέργεια στο μαγνητικό πεδίο όταν το ρεύμα αρχίζει να αυξάνεται.

Αν τώρα κλείσουμε τη μπάλα από τη βρύση, την ανοίξουμε από την πλευρά που ήταν συνδεδεμένη με τη βρύση και την αναποδογυρίσουμε, τότε το νερό από το σωλήνα μπορεί να φτάσει σε πολύ μεγαλύτερο ύψος από το ύψος της βρύσης, γιατί το νερό στη φουσκωμένη μπάλα είναι υπό πίεση.Οι επαγωγείς χρησιμοποιούνται με τον ίδιο τρόπο σε μετατροπείς παλμών ενίσχυσης.