Kapacitāte un induktivitāte elektriskajās ķēdēs

Elektrisko ķēžu ziņā kapacitāte un induktivitāte ir ļoti svarīgas, tikpat svarīgas kā pretestība. Bet, ja runājam par aktīvo pretestību, ar to saprotam vienkārši neatgriezenisku elektriskās enerģijas pārvēršanu siltumā, tad induktivitāte un kapacitāte ir saistītas ar elektriskās enerģijas uzkrāšanas un pārveidošanas procesiem, tāpēc paver daudzas noderīgas praktiskas iespējas elektrotehnikā.

Kad strāva plūst caur ķēdi, uzlādētas daļiņas pārvietojas no vietas ar augstāku elektrisko potenciālu uz vietu ar zemāku potenciālu.

Pieņemsim, ka strāva plūst caur aktīvo pretestību, piemēram, lampas volframa kvēldiegu. Tā kā lādētās daļiņas pārvietojas tieši caur volframu, šīs strāvas enerģija tiek nepārtraukti izkliedēta, jo strāvas nesēji bieži saduras ar metāla kristāliskā režģa mezgliem.

Šeit var izdarīt analoģiju.Akmens gulēja meža kalna virsotnē (augsta potenciāla punktā), bet pēc tam tika nogrūsts no virsotnes un ripināja zemienē (līdz zemāka potenciāla līmenim) cauri mežam, caur krūmiem (pretestība), utt.

Saduroties ar augiem, akmens sistemātiski zaudē savu enerģiju, sadursmes brīdī ar tiem nodod krūmiem un kokiem (līdzīgā veidā ar aktīvo pretestību tiek izkliedēts siltums), tāpēc tā ātrums (strāvas vērtība) ir ierobežots, un tur vienkārši nav laika pienācīgi paātrināties.

Mūsu analoģijā akmens ir elektriskā strāva, kas pārvieto lādētas daļiņas, un tā ceļā esošie augi ir vadītāja aktīvā pretestība; augstuma starpība — elektrisko potenciālu starpība.

Jauda

Kapacitāte, atšķirībā no aktīvās pretestības, raksturo ķēdes spēju uzkrāt elektrisko enerģiju statiskā elektriskā lauka veidā.

Līdzstrāva nevar turpināt plūst kā iepriekš caur ķēdi ar kapacitāti, līdz šī kapacitāte nav pilnībā piepildīta. Tikai tad, kad jauda būs pilna, lādiņnesēji varēs virzīties tālāk ar savu iepriekšējo ātrumu, ko nosaka potenciālu starpība un ķēdes aktīvā pretestība.

Šeit labāk ir saprast vizuālo hidraulisko analoģiju. Ūdens jaucējkrāns ir pievienots ūdens padevei (barošanas avotam), jaucējkrāns tiek atvērts, un ūdens ar noteiktu spiedienu izplūst un nokrīt zemē. Šeit nav papildu jaudas, ūdens plūsma (pašreizējā vērtība) ir nemainīga un nav pamata palēnināt ūdeni, tas ir, samazināt tā plūsmas ātrumu.

Bet ko darīt, ja tieši zem jaucējkrāna ievietojat plašu mucu (mūsu analoģijā pievienojiet ķēdei kondensatoru, kondensatoru), tā platums ir daudz lielāks par ūdens strūklas diametru.

Tagad muca ir piepildīta (trauks ir uzlādēts, lādiņš uzkrājas uz kondensatora plāksnēm, starp plāksnēm tiek pastiprināts elektriskais lauks), bet ūdens nekrīt zemē. Kad muca līdz malām ir piepildīta ar ūdeni (kondensators ir uzlādēts), tikai tad ūdens sāks plūst ar tādu pašu plūsmas ātrumu caur mucas galiem uz zemi. Šī ir kondensatora vai kondensatora loma.

Mucu pēc vēlēšanās var apgāzt, uz īsu brīdi radot daudzkārt lielāku spiedienu nekā no jaucējkrāna vien (ātri iztukšojiet kondensatoru), taču no krāna paņemtā ūdens daudzums nepalielināsies.

Paceļot un pēc tam apgriežot mucu (ilgstoši uzlādējot un ātri izlādējot kondensatoru), varam mainīt ūdens patēriņa režīmu (elektrības lādiņš, elektroenerģija). Tā kā muca lēnām tiek piepildīta ar ūdeni un pēc kāda laika tiks sasniegta tās mala, tiek teikts, ka tad, kad tvertne ir piepildīta, strāva vada spriegumu (mūsu analoģijā spriegums ir augstums, kurā jaucējkrāna mala snīpis atrodas).

Induktivitāte

Induktivitāte, atšķirībā no kapacitātes, uzglabā elektrisko enerģiju nevis statiskā, bet gan kinētiskā formā.

Strāvai plūstot caur induktora spoli, lādiņš tajā neuzkrājas kā kondensatorā, tas turpina kustēties pa ķēdi, bet ap spoli tiek nostiprināts ar strāvu saistītais magnētiskais lauks, kura indukcija ir proporcionāls strāvas stiprumam.

Pieliekot spolei elektrisko spriegumu, strāva spolē veidojas lēni, magnētiskais lauks uzglabā enerģiju nevis uzreiz, bet pakāpeniski, un šis process novērš lādiņnesēju paātrināšanos. Tāpēc induktivitātē strāva atpaliek no sprieguma. Tomēr galu galā strāva sasniedz tādu vērtību, ka to ierobežo tikai ķēdes, kurā šī spole ir pievienota, aktīvā pretestība.

Ja kādā brīdī pēkšņi tiek atvienota līdzstrāvas spole no ķēdes, strāva nevarēs nekavējoties apstāties, bet sāks strauji palēnināties un spoles spailēm parādīsies potenciālu atšķirība, jo ātrāk, jo ātrāk tā aptur strāvu, tas ir, šīs strāvas magnētiskais lauks pazūd ātrāk...

Šeit ir piemērota hidrauliskā līdzība. Iedomājieties ūdens jaucējkrānu ar ļoti elastīgas un mīkstas gumijas lodi uz snīpi.

Bumbiņas apakšā ir caurule, kas ierobežo ūdens spiedienu no bumbas līdz zemei. Ja ūdens krāns ir atvērts, bumbiņa diezgan spēcīgi uzpūtīsies un ūdens tievā strūkliņā izplūdīs cauri caurulei, bet lielā ātrumā ar šļakatām ietrieksies zemē.

Ūdens patēriņš nemainīgs. Strāva plūst caur lielu induktivitāti, savukārt enerģijas rezerve magnētiskajā laukā ir liela (balons ir piepūsts ar ūdeni). Kad ūdens tikko sāk tecēt no krāna, bumba piepūšas, tāpat induktivitāte uzglabā enerģiju magnētiskajā laukā, kad strāva sāk pieaugt.

Ja tagad no jaucējkrāna bumbiņu nogriežam, ieslēdzam no tās puses, kur tā bija savienota ar jaucējkrānu, un apgriežam otrādi, tad ūdens no caurules var sasniegt daudz lielāku augstumu nekā jaucējkrāna augstums, jo ūdens piepūstajā bumbiņā ir zem spiediena.Tādā pašā veidā tiek izmantoti induktori pastiprināšanas impulsu pārveidotājos.