Капацитет и индуктивност у електричним колима

У погледу електричних кола, капацитивност и индуктивност су веома важни, једнако важни као и отпор. Али ако говоримо о активном отпору, мислимо једноставно на неповратну конверзију електричне енергије у топлоту, онда су индуктивност и капацитивност повезани са процесима акумулације и конверзије електричне енергије, стога отварају многе корисне практичне могућности за електротехнику.

Када струја протиче кроз коло, наелектрисане честице се крећу са места већег електричног потенцијала на место нижег потенцијала.

Рецимо да струја тече кроз активни отпор, као што је волфрамова нит лампе. Како се наелектрисане честице крећу директно кроз волфрам, енергија ове струје се непрекидно расипа услед честих судара носилаца струје са чворовима кристалне решетке метала.

Овде се може повући аналогија.Стена је лежала на врху шумовите планине (на месту високог потенцијала), али је потом одгурнута са врха и откотрљана у низију (до нивоа нижег потенцијала) кроз шуму, кроз жбуње (отпор), итд.

У судару са биљкама, камен систематски губи енергију, преноси је на жбуње и дрвеће у моментима судара са њима (на сличан начин се топлота распршује уз активни отпор), стога је његова брзина (тренутна вредност) ограничена, а тамо једноставно није време за правилно убрзање.

У нашој аналогији, камен је електрична струја, која покреће наелектрисане честице, а биљке на његовом путу су активни отпор проводника; висинска разлика — разлика у електричним потенцијалима.

Капацитет

Капацитет, за разлику од активног отпора, карактерише способност кола да акумулира електричну енергију у облику статичког електричног поља.

Једносмерна струја не може наставити да тече као раније кроз коло са капацитивношћу све док се тај капацитет потпуно не попуни. Тек када је капацитет пун, носиоци наелектрисања ће моћи да се крећу даље својом претходном брзином одређеном разликом потенцијала и активним отпором кола.

Овде је визуелна хидрауличка аналогија боља за разумевање. Славина за воду се прикључује на довод воде (извор струје), славина се отвара, а вода под одређеним притиском истиче и пада на тло. Овде нема додатног капацитета, проток воде (тренутна вредност) је константан и нема разлога да се вода успорава, односно смањује брзина њеног тока.

Али шта ако ставите широко буре тачно испод славине (по нашој аналогији, додајте кондензатор, кондензатор у коло), његова ширина је много већа од пречника воденог млаза.

Сада је буре напуњено (контејнер је напуњен, пуњење се акумулира на плочама кондензатора, електрично поље је ојачано између плоча), али вода не пада у земљу. Када се буре напуни до врха водом (кондензатор је напуњен), тек тада ће вода почети да тече истом брзином кроз крајеве бурета до земље. Ово је улога кондензатора или кондензатора.

Буре се по жељи може преврнути, стварајући накратко вишеструко већи притисак него из саме славине (брзо испразнити кондензатор), али се количина воде која се узима из славине неће повећати.

Подизањем, а затим окретањем бурета (дуго пуњење и брзо пражњење кондензатора) можемо променити начин потрошње воде (електрично пуњење, електрична енергија). Будући да се буре полако пуни водом и да ће се његова ивица достићи након неког времена, каже се да када се посуда напуни струја води напон (у нашој аналогији, напон је висина на којој се ивица славине излив се налази).

Индуктивност

Индуктивност, за разлику од капацитивности, складишти електричну енергију не у статичком, већ у кинетичком облику.

Када струја протиче кроз завојницу индуктора, наелектрисање у њему се не акумулира као у кондензатору, наставља да се креће дуж кола, али око завојнице се појачава магнетно поље повезано са струјом, чија је индукција сразмерно величини струје.

Када се електрични напон примени на калем, струја у завојници се полако повећава, магнетно поље складишти енергију не одмах, већ постепено, и овај процес спречава убрзање носилаца набоја. Стога се у индуктивности каже да струја заостаје за напоном. На крају, међутим, струја достиже такву вредност да је ограничена само активним отпором кола у које је овај калем повезан.

Ако се једносмерни калем изненада искључи из кола у неком тренутку, струја неће моћи одмах да се заустави, већ ће почети да успорава брзо и потенцијална разлика ће се појавити на терминалима завојнице, што је брже што брже зауставља струју, односно магнетно поље ове струје брже нестаје...

Овде је прикладна хидрауличка аналогија. Замислите славину за воду са лоптом од високо еластичне и меке гуме на изливу.

На дну лопте је цев која ограничава притисак воде од лопте до тла. Ако је славина за воду отворена, лопта ће се прилично снажно надувати и вода ће јурити кроз цев у танком млазу, али великом брзином удариће се у земљу уз прскање.

Потрошња воде је непромењена. Струја тече кроз велику индуктивност, док је резерва енергије у магнетном пољу велика (балон је надуван водом). Када вода тек почне да тече из славине, лопта се надувава, сходно томе, индуктивност складишти енергију у магнетном пољу када струја почне да расте.

Ако сада искључимо лоптицу са славине, укључимо је са стране на којој је била спојена на славину, па је преврнемо, онда вода из цеви може достићи много већу висину од висине славине, јер вода у надуваној кугли је под притиском.Индуктори се користе на исти начин у претварачима импулса појачања.