Kapacitivnost in induktivnost v električnih tokokrogih

V smislu električnih tokokrogov sta kapacitivnost in induktivnost zelo pomembni, prav tako pomembni kot upor. Če pa govorimo o aktivnem uporu, mislimo preprosto na nepovratno pretvorbo električne energije v toploto, potem sta induktivnost in kapacitivnost povezana s procesi akumulacije in pretvorbe električne energije, zato odpirajo veliko uporabnih praktičnih priložnosti za elektrotehniko.

Ko tok teče skozi tokokrog, se nabiti delci premaknejo z mesta z višjim električnim potencialom na mesto z nižjim potencialom.

Recimo, da tok teče skozi aktivni upor, kot je volframova žarilna nitka v žarnici. Ker se nabiti delci premikajo neposredno skozi volfram, se energija tega toka nenehno razprši zaradi pogostih trkov tokovnih nosilcev z vozlišči kristalne mreže kovine.

Tu lahko potegnemo analogijo.Balvan je ležal na vrhu gozdnate gore (na mestu visokega potenciala), nato pa ga je odrinilo z vrha in odkotalilo v nižino (na nivo nižjega potenciala) skozi gozd, skozi grmovje (upor), itd.

Ob trčenju z rastlinami kamen sistematično izgublja svojo energijo, jo v trenutku trka vanje prenaša na grmovje in drevesa (na podoben način se toplota odvaja z aktivnim uporom), zato je njegova hitrost (trenutna vrednost) omejena in tam preprosto ni časa za pravilno pospeševanje.

V naši analogiji je kamen električni tok, premikajoče se nabite delce, rastline na njegovi poti pa so aktivni upor prevodnika; višinska razlika — razlika v električnih potencialih.

Zmogljivost

Kapacitivnost, za razliko od aktivnega upora, označuje sposobnost vezja, da kopiči električno energijo v obliki statičnega električnega polja.

Enosmerni tok ne more naprej teči kot prej skozi vezje s kapacitivnostjo, dokler ta kapacitivnost ni popolnoma zapolnjena. Šele ko je kapaciteta polna, se bodo nosilci naboja lahko premikali naprej s svojo prejšnjo hitrostjo, ki jo določata potencialna razlika in aktivni upor vezja.

Tu je za razumevanje boljša vizualna hidravlična analogija. Vodno pipo priključimo na vodovod (napajalnik), pipo odpremo in voda z določenim pritiskom priteče ven in pade na tla. Tu ni dodatne kapacitete, pretok vode (trenutna vrednost) je konstanten in ni razloga za upočasnjevanje vode, to je zmanjšanje hitrosti njenega toka.

Kaj pa, če postavite širok sod tik pod pipo (po naši analogiji dodajte kondenzator, kondenzator v vezje), njegova širina je veliko večja od premera vodnega curka.

Zdaj je sod napolnjen (posoda je napolnjena, naboj se nabira na ploščah kondenzatorja, med ploščama se okrepi električno polje), vendar voda ne pade v zemljo. Ko bo sod do vrha napolnjen z vodo (kondenzator je nabit), šele takrat bo voda začela teči z enako hitrostjo toka skozi konce soda proti tlom. To je vloga kondenzatorja ali kondenzatorja.

Sod lahko po želji prevrnemo in za kratek čas ustvarimo večkrat večji pritisk kot iz same pipe (hitro izpraznimo kondenzator), vendar se količina vode, ki jo vzamemo iz pipe, ne bo povečala.

Z dvigom in nato obračanjem soda (dolgotrajno polnjenje in hitro praznjenje kondenzatorja) lahko spremenimo način porabe vode (električni naboj, električna energija). Ker se sod počasi polni z vodo in bo njegov rob čez nekaj časa dosežen, pravimo, da ko je posoda napolnjena, tok vodi napetost (v naši analogiji je napetost višina, na kateri je rob pipe izliv).

Induktivnost

Induktivnost za razliko od kapacitivnosti ne shranjuje električne energije v statični, ampak v kinetični obliki.

Ko tok teče skozi tuljavo induktorja, se naboj v njem ne kopiči kot v kondenzatorju, ampak se še naprej giblje vzdolž tokokroga, toda okoli tuljave se s tokom poveča magnetno polje, katerega indukcija je sorazmerno z velikostjo toka.

Ko je na tuljavo priključena električna napetost, se tok v tuljavi počasi poveča, magnetno polje ne shranjuje energije takoj, ampak postopoma, ta proces pa preprečuje pospeševanje nosilcev naboja. Zato pri induktivnosti pravimo, da tok zaostaja za napetostjo. Sčasoma pa tok doseže takšno vrednost, da je omejen le z aktivnim uporom vezja, v katerega je ta tuljava vključena.

Če se enosmerna tuljava na neki točki nenadoma odklopi iz tokokroga, se tok ne bo mogel takoj ustaviti, ampak se bo začel hitro upočasnjevati in na sponkah tuljave se bo pojavila potencialna razlika, čim hitreje ustavi tok, to pomeni, da magnetno polje tega toka hitreje izgine ...

Tukaj je primerna hidravlična analogija. Predstavljajte si vodno pipo s kroglo iz zelo elastične in mehke gume na izlivu.

Na dnu žoge je cev, ki omejuje pritisk vode iz žoge na tla. Če je pipa za vodo odprta, se bo žogica precej močno napihnila in voda bo v tankem curku drla skozi cev, pri veliki hitrosti pa bo z brizgami treščila v tla.

Poraba vode je nespremenjena. Tok teče skozi veliko induktivnost, medtem ko je zaloga energije v magnetnem polju velika (balon je napihnjen z vodo). Ko voda šele priteče iz pipe, se kroglica napihne, podobno induktivnost shrani energijo v magnetnem polju, ko tok začne naraščati.

Če zdaj kroglico iz pipe zapremo, jo prižgemo s tiste strani, kjer je bila priključena na pipo in jo obrnemo, potem lahko voda iz cevi doseže veliko večjo višino, kot je višina pipe, ker voda v napihnjeni žogi je pod pritiskom.Induktorji se uporabljajo na enak način v ojačevalnih impulznih pretvornikih.