Kapasitanssi ja induktanssi sähköpiireissä

Sähköpiirien kannalta kapasitanssi ja induktanssi ovat erittäin tärkeitä, yhtä tärkeitä kuin vastus. Mutta jos puhumme aktiivisesta resistanssista, tarkoitamme yksinkertaisesti sähköenergian peruuttamatonta muuntamista lämmöksi, niin induktanssi ja kapasitanssi liittyvät sähköenergian kertymis- ja muunnosprosesseihin, joten ne avaavat monia hyödyllisiä käytännön mahdollisuuksia sähkötekniikalle.

Kun virta kulkee piirin läpi, varautuneet hiukkaset siirtyvät korkeamman sähköpotentiaalin paikasta pienemmän potentiaalin paikkaan.

Oletetaan, että virta kulkee aktiivisen vastuksen, kuten lampun volframilangan, läpi. Kun varautuneet hiukkaset liikkuvat suoraan volframin läpi, tämän virran energia hajoaa jatkuvasti johtuen virrankantajien toistuvista törmäyksistä metallin kidehilan solmujen kanssa.

Tästä voidaan vetää analogia.Kivilohkare makasi metsäisen vuoren huipulla (kohdassa, jossa oli korkea potentiaali), mutta sitten se työnnettiin pois huipulta ja kiertyi alamäelle (alemmalle potentiaalille) metsän läpi, pensaiden läpi (vastus), jne.

Törmäykseen kasveihin kivi menettää järjestelmällisesti energiaansa, siirtää sen pensaisiin ja puihin törmäyshetkellä niiden kanssa (samalla tavalla lämpö haihtuu aktiivisella vastuksella), joten sen nopeus (virta-arvo) on rajoitettu, ja ei yksinkertaisesti ole aikaa kiihtyä kunnolla.

Analogiamme mukaan kivi on sähkövirta, joka siirtää varautuneita hiukkasia, ja sen tiellä olevat kasvit ovat johtimen aktiivista vastusta; korkeusero — sähköpotentiaalien ero.

Kapasiteetti

Kapasitanssi, toisin kuin aktiivinen vastus, luonnehtii piirin kykyä kerätä sähköenergiaa staattisen sähkökentän muodossa.

Tasavirta ei voi jatkaa virtaamista entiseen tapaan kapasitanssin piirin läpi, ennen kuin tämä kapasitanssi on täysin täytetty. Vasta kun kapasiteetti on täynnä, varauksenkuljettajat voivat liikkua pidemmälle aiemmalla nopeudellaan, jonka määrää potentiaaliero ja piirin aktiivinen vastus.

Visuaalinen hydraulinen analogia on parempi ymmärtää tässä. Vesihana liitetään vesijohtoon (virtalähteeseen), hana avataan ja vesi virtaa ulos tietyllä paineella ja putoaa maahan. Täällä ei ole lisäkapasiteettia, veden virtaus (nykyarvo) on vakio, eikä ole mitään syytä hidastaa vettä eli vähentää sen virtausnopeutta.

Mutta entä jos laitat leveän tynnyrin suoraan hanan alle (analogiassamme lisää kondensaattori, kondensaattori piiriin), sen leveys on paljon suurempi kuin vesisuihkun halkaisija.

Nyt tynnyri on täytetty (säiliö on ladattu, varaus kerääntyy kondensaattorin levyille, sähkökenttä vahvistuu levyjen välillä), mutta vesi ei putoa maahan. Kun tynnyri täytetään reunoja myöten vedellä (kondensaattori on ladattu), vasta sitten vesi alkaa virrata samalla virtausnopeudella tynnyrin päiden läpi maahan. Tämä on kondensaattorin tai kondensaattorin rooli.

Tynnyri voidaan haluttaessa kaataa, jolloin syntyy hetkeksi monta kertaa enemmän painetta kuin pelkästä hanasta (tyhjennä lauhdutin nopeasti), mutta hanasta otetun veden määrä ei kasva.

Nostamalla ja kääntämällä tynnyriä (lataamalla ja purkamalla kondensaattoria nopeasti pitkään) voimme muuttaa vedenkulutustapaa (sähkövaraus, sähköenergia). Koska tynnyri täyttyy hitaasti vedellä ja sen reuna saavutetaan jonkin ajan kuluttua, sanotaan, että kun säiliö täytetään, virta johtaa jännitettä (analogiamme jännite on korkeus, jolla hanan reuna nokka sijaitsee).

Induktanssi

Induktanssi, toisin kuin kapasitanssi, varastoi sähköenergiaa ei staattisessa vaan kineettisessä muodossa.

Kun virta kulkee induktorin kelan läpi, siihen oleva varaus ei kerry kuten kondensaattorissa, se jatkaa liikkumista piiriä pitkin, mutta kelan ympärillä virtaan liittyvä magneettikenttä vahvistuu, jonka induktio on verrannollinen virran suuruuteen.

Kun kelaan syötetään sähköjännite, käämin virta kasvaa hitaasti, magneettikenttä ei varastoi energiaa välittömästi, vaan vähitellen ja tämä prosessi estää varauksenkuljettajien kiihtymisen. Siksi induktanssissa virran sanotaan viivästävän jännitettä. Lopulta virta saavuttaa kuitenkin sellaisen arvon, että sitä rajoittaa vain sen piirin aktiivinen vastus, johon tämä kela on kytketty.

Jos DC-käämi katkeaa äkillisesti piiristä jossain vaiheessa, virta ei voi pysähtyä heti, vaan alkaa hidastua nopeasti ja potentiaaliero ilmaantuu kelan liittimiin, mitä nopeammin sitä nopeammin se katkaisee virran, eli tämän virran magneettikenttä katoaa nopeammin...

Hydraulinen analogia sopii tähän. Kuvittele vesihana, jonka suussa on erittäin joustavaa ja pehmeää kumia oleva pallo.

Pallon pohjassa on putki, joka rajoittaa veden painetta pallosta maahan. Jos vesihana on auki, pallo täyttyy melko voimakkaasti ja vesi ryntää putken läpi ohuena virtana, mutta suurella nopeudella se törmää roiskeilla maahan.

Vedenkulutus on ennallaan. Virta kulkee suuren induktanssin läpi, kun taas energiareservi magneettikentässä on suuri (ilmapallo täytetään vedellä). Kun vesi vain alkaa virrata hanasta, pallo täyttyy, samoin induktanssi varastoi energiaa magneettikenttään, kun virta alkaa kasvaa.

Jos nyt suljemme pallon hanasta, käännämme sen puolelta, jossa se oli liitetty hanaan, ja käännämme sen ympäri, niin putkesta tuleva vesi voi nousta paljon korkeammalle kuin hanan korkeus, koska täytetyssä pallossa oleva vesi on paineen alaisena.Induktoreita käytetään samalla tavalla tehostuspulssimuuntimissa.