Capacità e induttanza nei circuiti elettrici

In termini di circuiti elettrici, la capacità e l'induttanza sono molto importanti, tanto quanto la resistenza. Ma se parliamo di resistenza attiva, intendiamo semplicemente la conversione irreversibile dell'energia elettrica in calore, quindi l'induttanza e la capacità sono legate ai processi di accumulo e conversione dell'energia elettrica, quindi aprono molte utili opportunità pratiche per l'ingegneria elettrica.

Quando la corrente scorre attraverso il circuito, le particelle cariche si spostano da un luogo con un potenziale elettrico più elevato a un luogo con un potenziale più basso.

Diciamo che la corrente scorre attraverso una resistenza attiva, come il filamento di tungsteno di una lampada. Poiché le particelle cariche si muovono direttamente attraverso il tungsteno, l'energia di questa corrente viene continuamente dissipata a causa delle frequenti collisioni dei portatori di corrente con i nodi del reticolo cristallino del metallo.

Qui si può tracciare un'analogia.Il masso giaceva in cima a una montagna boscosa (in un punto di alto potenziale), ma poi è stato spinto giù dalla cima ed è rotolato nella pianura (a un livello di potenziale inferiore) attraverso la foresta, attraverso i cespugli (resistenza), eccetera.

Urtando con le piante, una pietra perde sistematicamente la sua energia, la trasferisce a cespugli e alberi nei momenti di collisione con essi (in modo simile, il calore viene dissipato con resistenza attiva), quindi la sua velocità (valore corrente) è limitata, e lì semplicemente non è il momento di accelerare correttamente.

Nella nostra analogia, la pietra è una corrente elettrica, che muove particelle cariche, e le piante sul suo cammino sono la resistenza attiva di un conduttore; differenza di altezza - la differenza di potenziale elettrico.

Capacità

La capacità, a differenza della resistenza attiva, caratterizza la capacità del circuito di accumulare energia elettrica sotto forma di campo elettrico statico.

Una corrente continua non può continuare a fluire come prima attraverso un circuito con una capacità finché tale capacità non è completamente riempita. Solo quando la capacità è piena i portatori di carica saranno in grado di muoversi ulteriormente alla loro velocità precedente determinata dalla differenza di potenziale e dalla resistenza attiva del circuito.

Un'analogia idraulica visiva è migliore per la comprensione qui. Il rubinetto dell'acqua è collegato alla rete idrica (fonte di alimentazione), il rubinetto viene aperto e l'acqua scorre con una certa pressione e cade a terra. Qui non c'è capacità aggiuntiva, il flusso d'acqua (valore corrente) è costante e non c'è motivo di rallentare l'acqua, cioè di ridurre la velocità del suo flusso.

Ma cosa succede se metti un barile largo proprio sotto il rubinetto (nella nostra analogia, aggiungi un condensatore, condensatore al circuito), la sua larghezza è molto più grande del diametro del getto d'acqua.

Ora la canna è piena (il contenitore è carico, la carica si accumula sulle piastre del condensatore, il campo elettrico si rafforza tra le piastre), ma l'acqua non cade nel terreno. Quando la canna è piena d'acqua fino all'orlo (il condensatore è carico), solo allora l'acqua inizierà a scorrere alla stessa velocità attraverso le estremità della canna fino a terra. Questo è il ruolo di un condensatore o condensatore.

La canna può essere capovolta se lo si desidera, creando brevemente una pressione molte volte maggiore rispetto al solo rubinetto (drenare rapidamente il condensatore), ma la quantità di acqua prelevata dal rubinetto non aumenterà.

Sollevando e poi capovolgendo la canna (caricando e scaricando rapidamente il condensatore per lungo tempo), possiamo cambiare la modalità di consumo dell'acqua (carica elettrica, energia elettrica). Poiché il barile si riempie lentamente d'acqua e il suo bordo verrà raggiunto dopo un po' di tempo, si dice che quando il contenitore è pieno, la corrente porta la tensione (nella nostra analogia, la tensione è l'altezza alla quale il bordo del rubinetto si trova il beccuccio).

Induttanza

L'induttanza, a differenza della capacità, immagazzina l'energia elettrica non in forma statica ma cinetica.

Quando la corrente scorre attraverso la bobina dell'induttore, la carica in essa non si accumula come nel condensatore, continua a muoversi lungo il circuito, ma attorno alla bobina viene rafforzato il campo magnetico associato alla corrente, la cui induzione è proporzionale all'intensità della corrente.

Quando viene applicata una tensione elettrica alla bobina, la corrente nella bobina si accumula lentamente, il campo magnetico immagazzina energia non immediatamente, ma gradualmente, e questo processo impedisce l'accelerazione dei portatori di carica. Pertanto, in induttanza, si dice che la corrente sia in ritardo rispetto alla tensione. Alla fine, però, la corrente raggiunge un valore tale da essere limitata solo dalla resistenza attiva del circuito in cui questa bobina è collegata.

Se una bobina CC viene improvvisamente disconnessa dal circuito a un certo punto, la corrente non sarà in grado di arrestarsi immediatamente, ma inizierà a rallentare rapidamente e apparirà una differenza di potenziale tra i terminali della bobina, più velocemente si interrompe la corrente, cioè il campo magnetico di questa corrente scompare più velocemente...

Un'analogia idraulica è appropriata qui. Immagina un rubinetto dell'acqua con una sfera di gomma molto elastica e morbida sul beccuccio.

Nella parte inferiore della palla c'è un tubo che limita la pressione dell'acqua dalla palla al suolo. Se il rubinetto dell'acqua è aperto, la palla si gonfierà abbastanza forte e l'acqua scorrerà attraverso il tubo in un flusso sottile, ma ad alta velocità si schianterà a terra con schizzi.

Il consumo di acqua è invariato. La corrente scorre attraverso una grande induttanza, mentre la riserva di energia nel campo magnetico è grande (il pallone è gonfiato con acqua). Quando l'acqua inizia a scorrere dal rubinetto, la sfera si gonfia, allo stesso modo l'induttanza immagazzina energia nel campo magnetico quando la corrente inizia ad aumentare.

Se ora chiudiamo la sfera dal rubinetto, la accendiamo dal lato in cui era collegata al rubinetto e la capovolgiamo, allora l'acqua del tubo può raggiungere un'altezza molto più alta dell'altezza del rubinetto, perché l'acqua nella palla gonfiata è sotto pressione.Gli induttori sono usati allo stesso modo nei convertitori di impulsi boost.