Kapazität und Induktivität in Stromkreisen

In Bezug auf Stromkreise sind Kapazität und Induktivität sehr wichtig, ebenso wichtig wie der Widerstand. Wenn wir jedoch von aktivem Widerstand sprechen, meinen wir einfach die irreversible Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, dann hängen Induktivität und Kapazität mit den Prozessen der Akkumulation und Umwandlung elektrischer Energie zusammen und eröffnen daher viele nützliche praktische Möglichkeiten für die Elektrotechnik.

Wenn Strom durch den Stromkreis fließt, bewegen sich geladene Teilchen von einem Ort mit höherem elektrischem Potenzial zu einem Ort mit niedrigerem Potenzial.

Nehmen wir an, der Strom fließt durch einen aktiven Widerstand, beispielsweise den Wolframfaden einer Lampe. Da sich geladene Teilchen direkt durch Wolfram bewegen, wird die Energie dieses Stroms aufgrund der häufigen Kollisionen von Stromträgern mit den Knoten des Kristallgitters des Metalls kontinuierlich abgeführt.

Hier lässt sich eine Analogie ziehen.Der Felsbrocken lag auf der Spitze eines bewaldeten Berges (an einem Punkt mit hohem Potenzial), aber dann wurde er von der Spitze gestoßen und ins Tiefland (auf ein Niveau mit niedrigerem Potenzial) gerollt, durch den Wald, durch Büsche (Widerstand), usw.

Bei der Kollision mit Pflanzen verliert ein Stein systematisch seine Energie und überträgt sie in den Momenten der Kollision mit ihnen auf Büsche und Bäume (auf ähnliche Weise wird Wärme durch aktiven Widerstand abgeführt), daher ist seine Geschwindigkeit (aktueller Wert) begrenzt und dort Es ist einfach keine Zeit, richtig zu beschleunigen.

In unserer Analogie ist der Stein ein elektrischer Strom, der geladene Teilchen bewegt, und die Pflanzen auf seinem Weg sind der aktive Widerstand eines Leiters; Höhenunterschied – der Unterschied in den elektrischen Potentialen.

Kapazität

Die Kapazität charakterisiert im Gegensatz zum aktiven Widerstand die Fähigkeit des Stromkreises, elektrische Energie in Form eines statischen elektrischen Feldes zu speichern.

Ein Gleichstrom kann nicht wie bisher durch einen Stromkreis mit einer Kapazität fließen, bis diese Kapazität vollständig gefüllt ist. Erst wenn die Kapazität voll ist, können sich die Ladungsträger mit ihrer bisherigen Geschwindigkeit weiterbewegen, die durch die Potentialdifferenz und den Wirkwiderstand des Stromkreises bestimmt wird.

Eine visuelle hydraulische Analogie ist hier zum Verständnis besser geeignet. Der Wasserhahn wird an die Wasserversorgung (Stromquelle) angeschlossen, der Wasserhahn geöffnet und das Wasser fließt mit einem bestimmten Druck heraus und fällt auf den Boden. Hier gibt es keine zusätzliche Kapazität, der Wasserdurchfluss (aktueller Wert) ist konstant und es besteht kein Grund, das Wasser zu verlangsamen, also die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren.

Was aber, wenn Sie ein breites Fass direkt unter den Wasserhahn stellen (in unserer Analogie fügen Sie dem Stromkreis einen Kondensator hinzu), ist seine Breite viel größer als der Durchmesser des Wasserstrahls.

Jetzt ist das Fass gefüllt (der Behälter ist aufgeladen, die Ladung sammelt sich auf den Platten des Kondensators, das elektrische Feld wird zwischen den Platten verstärkt), aber das Wasser fällt nicht in den Boden. Erst wenn das Fass bis zum Rand mit Wasser gefüllt ist (der Kondensator ist aufgeladen), beginnt das Wasser mit der gleichen Fließgeschwindigkeit durch die Enden des Fasses zum Boden zu fließen. Dies ist die Rolle eines Kondensators oder Kondensators.

Das Fass kann bei Bedarf umgedreht werden, wodurch kurzzeitig ein Vielfaches mehr Druck entsteht als durch den Wasserhahn allein (Kondensator schnell entleeren), die aus dem Wasserhahn entnommene Wassermenge erhöht sich jedoch nicht.

Durch Anheben und anschließendes Umdrehen des Fasses (Laden und schnelles Entladen des Kondensators über einen längeren Zeitraum) können wir die Art des Wasserverbrauchs (elektrische Ladung, elektrische Energie) ändern. Da sich das Fass langsam mit Wasser füllt und nach einiger Zeit seinen Rand erreicht, sagt man, dass beim Füllen des Behälters der Strom der Spannung vorauseilt (in unserer Analogie ist die Spannung die Höhe, auf der sich der Rand des Wasserhahns befindet). Auslauf befindet).

Induktivität

Im Gegensatz zur Kapazität speichert die Induktivität elektrische Energie nicht in statischer, sondern in kinetischer Form.

Wenn der Strom durch die Spule des Induktors fließt, sammelt sich die Ladung darin nicht wie im Kondensator an, sie bewegt sich weiter entlang des Stromkreises, aber um die Spule herum wird das mit dem Strom verbundene Magnetfeld verstärkt, dessen Induktion ist proportional zur Größe des Stroms.

Wenn an die Spule eine elektrische Spannung angelegt wird, baut sich der Strom in der Spule langsam auf, das Magnetfeld speichert Energie nicht sofort, sondern nach und nach, und dieser Vorgang verhindert die Beschleunigung der Ladungsträger. Bei der Induktivität wird daher gesagt, dass der Strom der Spannung nacheilt. Irgendwann erreicht der Strom jedoch einen solchen Wert, dass er nur durch den aktiven Widerstand des Stromkreises begrenzt wird, in den diese Spule geschaltet ist.

Wenn eine Gleichstromspule irgendwann plötzlich vom Stromkreis getrennt wird, kann der Strom nicht sofort stoppen, sondern beginnt sich schnell zu verlangsamen und an den Spulenanschlüssen entsteht eine Potenzialdifferenz, die umso schneller ist, je schneller der Strom gestoppt wird. das heißt, das Magnetfeld dieses Stroms verschwindet schneller...

Hier ist eine hydraulische Analogie angebracht. Stellen Sie sich einen Wasserhahn mit einer Kugel aus hochelastischem und weichem Gummi am Auslauf vor.

An der Unterseite des Balls befindet sich ein Rohr, das den Wasserdruck vom Ball auf den Boden begrenzt. Bei geöffnetem Wasserhahn bläst sich der Ball recht stark auf und das Wasser strömt in einem dünnen Strahl durch das Rohr, bei hoher Geschwindigkeit stürzt es jedoch spritzend auf den Boden.

Der Wasserverbrauch bleibt unverändert. Der Strom fließt durch eine große Induktivität, während die Energiereserve im Magnetfeld groß ist (der Ballon wird mit Wasser aufgeblasen). Wenn das Wasser gerade erst aus dem Wasserhahn zu fließen beginnt, bläht sich die Kugel auf, und die Induktivität speichert Energie im Magnetfeld, wenn der Strom ansteigt.

Wenn wir nun die Kugel vom Wasserhahn abdrehen, sie von der Seite, an der sie mit dem Wasserhahn verbunden war, aufdrehen und umdrehen, dann kann das Wasser aus dem Rohr eine viel höhere Höhe als die Höhe des Wasserhahns erreichen, denn Das Wasser im aufgeblasenen Ball steht unter Druck.Induktoren werden auf die gleiche Weise verwendet in Hochsetzstellern.