Kapacita a indukčnosť v elektrických obvodoch

Z hľadiska elektrických obvodov sú kapacita a indukčnosť veľmi dôležité, rovnako dôležité ako odpor. Ale ak hovoríme o aktívnom odpore, máme na mysli jednoducho nevratnú premenu elektrickej energie na teplo, potom indukčnosť a kapacita súvisia s procesmi akumulácie a premeny elektrickej energie, a preto otvárajú veľa užitočných praktických príležitostí pre elektrotechniku.

Keď obvodom preteká prúd, nabité častice sa presúvajú z miesta s vyšším elektrickým potenciálom do miesta s nižším potenciálom.

Povedzme, že prúd preteká aktívnym odporom, akým je napríklad volfrámové vlákno žiarovky. Keď sa nabité častice pohybujú priamo volfrámom, energia tohto prúdu sa neustále rozptyľuje v dôsledku častých kolízií prúdových nosičov s uzlami kryštálovej mriežky kovu.

Tu možno načrtnúť analógiu.Balvan ležal na vrchole zalesnenej hory (na mieste vysokého potenciálu), ale potom bol z vrcholu odtlačený a odvalený do nížiny (na úroveň nižšieho potenciálu) cez les, cez kríky (odpor), atď.

Pri zrážke s rastlinami kameň systematicky stráca svoju energiu, odovzdáva ju kríkom a stromom v momentoch zrážky s nimi (podobným spôsobom sa teplo odvádza s aktívnym odporom), preto je jeho rýchlosť (aktuálna hodnota) obmedzená a tam jednoducho nie je čas poriadne zrýchliť.

V našej analógii je kameň elektrický prúd, pohybujúce sa nabité častice a rastliny v jeho ceste sú aktívnym odporom vodiča; výškový rozdiel — rozdiel elektrických potenciálov.

Kapacita

Kapacita, na rozdiel od aktívneho odporu, charakterizuje schopnosť obvodu akumulovať elektrickú energiu vo forme statického elektrického poľa.

Jednosmerný prúd nemôže ďalej prúdiť ako predtým cez obvod s kapacitou, kým sa táto kapacita úplne nenaplní. Len keď je kapacita plná, nosiče náboja sa budú môcť pohybovať ďalej svojou predchádzajúcou rýchlosťou určenou rozdielom potenciálov a aktívnym odporom obvodu.

Tu je lepšia vizuálna hydraulická analógia. Vodný kohútik sa pripojí na prívod vody (zdroj energie), otvorí sa kohútik a voda vyteká pod určitým tlakom a padá na zem. Tu nie je žiadna dodatočná kapacita, prietok vody (aktuálna hodnota) je konštantný a nie je dôvod spomaľovať vodu, to znamená znižovať rýchlosť jej prúdenia.

Ale čo keď dáte široký sud priamo pod kohútik (v našej analógii pridajte kondenzátor, kondenzátor do okruhu), jeho šírka je oveľa väčšia ako priemer vodného prúdu.

Teraz je sud naplnený (nádoba je nabitá, náboj sa hromadí na doskách kondenzátora, medzi doskami sa posilní elektrické pole), ale voda nepadá do zeme. Keď sa sud naplní vodou až po okraj (kondenzátor je nabitý), až potom začne voda tiecť rovnakou rýchlosťou toku cez konce suda až k zemi. Toto je úloha kondenzátora alebo kondenzátora.

Sud je možné na želanie prevrátiť, čím sa nakrátko vytvorí mnohonásobne väčší tlak ako zo samotného kohútika (rýchlo vypustite kondenzátor), ale množstvo vody odobratej z kohútika sa nezvýši.

Zdvihnutím a následným prevrátením suda (nabíjanie a rýchle vybíjanie kondenzátora na dlhú dobu) môžeme zmeniť režim spotreby vody (elektrický náboj, elektrická energia). Keďže sud sa pomaly plní vodou a po nejakom čase dosiahne jeho okraj, hovorí sa, že keď je nádoba naplnená, prúd vedie napätie (v našej analógii je napätie výška, v ktorej je okraj kohútika výtok sa nachádza).

Indukčnosť

Indukčnosť, na rozdiel od kapacity, neukladá elektrickú energiu v statickej, ale v kinetickej forme.

Keď prúd preteká cievkou tlmivky, náboj sa v nej nehromadí ako v kondenzátore, ďalej sa pohybuje po obvode, ale okolo cievky sa zosilňuje magnetické pole spojené s prúdom, ktorého indukcia je úmerné veľkosti prúdu.

Keď je na cievku privedené elektrické napätie, prúd v cievke narastá pomaly, magnetické pole neukladá energiu okamžite, ale postupne a tento proces zabraňuje zrýchleniu nosičov náboja. Preto sa pri indukčnosti hovorí, že prúd zaostáva za napätím. Nakoniec však prúd dosiahne takú hodnotu, že je obmedzený len aktívnym odporom obvodu, v ktorom je táto cievka zapojená.

Ak sa jednosmerná cievka v určitom bode náhle odpojí od obvodu, prúd sa nebude môcť okamžite zastaviť, ale začne sa rýchlo spomaľovať a na svorkách cievky sa objaví potenciálny rozdiel, čím rýchlejšie, tým rýchlejšie zastaví prúd, to znamená, že magnetické pole tohto prúdu rýchlejšie mizne...

Tu je vhodná hydraulická analógia. Predstavte si vodovodný kohútik s guľôčkou z vysoko elastickej a mäkkej gumy na výlevke.

V spodnej časti lopty je trubica, ktorá obmedzuje tlak vody z lopty na zem. Ak je vodovodný kohútik otvorený, loptička sa dosť silno nafúkne a voda sa bude hrnieť cez hadičku tenkým prúdom, no pri vysokej rýchlosti sa so špliechaním zrúti do zeme.

Spotreba vody je nezmenená. Prúd preteká veľkou indukčnosťou, pričom energetická rezerva v magnetickom poli je veľká (balónik je nafúknutý vodou). Keď voda práve začne tiecť z kohútika, guľa sa nafúkne, podobne aj indukčnosť ukladá energiu do magnetického poľa, keď sa prúd začne zvyšovať.

Ak teraz vypneme guľôčku z kohútika, zapneme zo strany, kde bola napojená na kohútik a prevrátime, tak voda z potrubia môže siahať do oveľa väčšej výšky ako je výška kohútika, pretože voda v nafúknutej lopte je pod tlakom.Induktory sa používajú rovnakým spôsobom v zosilňovacích impulzných meničoch.