Trzy podstawowe parametry-Rezystancja, indukcyjność i pojemność

Rezystory (R), cewki indukcyjne (L) i kondensatory (C) to trzy podstawowe elementy i podstawowe parametry we wszystkich obwodach. Żaden obwód elektryczny nie może funkcjonować bez przynajmniej jednego z nich. Warto zauważyć, że idealne elementy obwodu różnią się od rzeczywistych elementów fizycznych. Element obwodu to uproszczony idealny model zaprojektowany w celu przedstawienia określonej charakterystyki elektrycznej urządzenia fizycznego. Krótko mówiąc, na schematach obwodów używane są znormalizowane symbole, aby odzwierciedlić właściwości elektryczne rzeczywistego sprzętu i komponentów. Na przykład urządzenia grzewcze, takie jak obciążenia rezystancyjne, piece elektryczne i pręty grzejne, wszystkie można przedstawić za pomocą modelu elementu rezystancyjnego w analizie obwodów.

 

Mimo to niektórych urządzeń elektrycznych nie można modelować za pomocą samego pojedynczego elementu obwodu. Typowym przykładem są uzwojenia silnika. Zasadniczo konstrukcje cewek, uzwojenia mogą być reprezentowane przez cewkę indukcyjną. Jednak wiążą się one również z wrodzonym oporem. Z tego powodu należy dodać rezystor, aby odzwierciedlić tę właściwość rezystancyjną. Odpowiednio, budując model obwodu uzwojeń silnika, są one wyrażane jako szeregowa kombinacja rezystancji i indukcyjności.

 

Rezystancja jest najprostszym i najbardziej intuicyjnym parametrem elektrycznym. Zgodnie z prawem Ohma jego wzór obliczeniowy to (R=U/I). W obwodzie rezystancja stanowi przeszkodę w przepływie prądu. Im wyższa wartość rezystancji, tym silniejsze hamowanie prądu elektrycznego. Ponieważ charakterystyka rezystancji jest stosunkowo prosta, przejdziemy do omówienia indukcyjności i pojemności.

 

1. Czym jest indukcyjność i pojemność?

Jak wspomniano powyżej, indukcyjność i pojemność, podobnie jak rezystancja, są istotnymi parametrami i elementami obwodu, ale przyjmują różne jednostki miary.

 

Indukcyjność jest oznaczona literąL, z jednostką henra (H). Określa zdolność cewki do wytwarzania pola magnetycznego. Innymi słowy, gdy prąd wejściowy pozostaje stały, cewka o większej indukcyjności będzie wytwarzać silniejsze pole magnetyczne. Dla porównania, rezystancja charakteryzuje opór elementu względem prądu. Przy stałym napięciu wyższy opór prowadzi do niższego prądu roboczego.

 

Pojemność jest oznaczona literąC, mierzone w faradach (F). Opisuje zdolność kondensatora do magazynowania ładunku elektrycznego i energii elektrycznej. Przy stałym przyłożonym napięciu kondensator o większej pojemności może zmagazynować więcej energii elektrycznej.

 

Podobnie komponenty indukcyjne mają również możliwości magazynowania energii. Silniejsze pole magnetyczne niesie ze sobą większą energię magnetyczną. Ponieważ pola magnetyczne zawierają energię, mogą wywierać siłę mechaniczną na pobliskie magnesy i wykonywać na nich pracę.

 

2. Zależność między indukcyjnością, pojemnością i rezystancją

Zasadniczo indukcyjność i pojemność nie mają nieodłącznej korelacji z rezystancją, a ich jednostki miary są całkowicie niezależne. To rozróżnienie staje się jednak widoczne w obwodach prądu przemiennego (AC).

 

W obwodach prądu stałego (DC) cewki indukcyjne działają jak zwarcia, podczas gdy kondensatory działają jak obwody otwarte. Niemniej jednak w obwodach prądu przemiennego zarówno cewki indukcyjne, jak i kondensatory generują zależny od częstotliwości opór wobec prądu. Ten rodzaj efektu-ograniczającego prąd nie jest nazywany oporem, ale reaktancja, reprezentowana przez symbol X. Opór reaktywny wytwarzany przez cewkę indukcyjną jest definiowany jako reaktancja indukcyjna ((XL)), a generowany przez kondensator jest reaktancją pojemnościową ((XC)).

 

Zarówno reaktancja indukcyjna, jak i pojemnościowa mają tę samą jednostkę co rezystancja: om. Wszystkie trzy wielkości hamują przepływ prądu w obwodach. Kluczowa różnica polega na zależności od częstotliwości: rezystancja pozostaje stała niezależnie od częstotliwości, podczas gdy reaktancja indukcyjna i pojemnościowa zmieniają się wraz ze zmianami częstotliwości. Zasadniczo reaktancja w obwodach prądu przemiennego wynika z ciągłych zmian energii spowodowanych zmianą napięcia i prądu.

 

W przypadku cewek zmienny prąd prowadzi do ciągłych zmian w ich polach magnetycznych i zmagazynowanej energii. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej indukowane pole magnetyczne zawsze przeciwdziała zmianom pierwotnego pola magnetycznego. Wraz ze wzrostem częstotliwości roboczej ten efekt przeciwny nasila się, co skutkuje wyższą reaktancją indukcyjną.

 

Kiedy napięcie na kondensatorze ulega wahaniom, ładunek elektryczny na jego płytkach odpowiednio się zmienia. Im szybciej zmienia się napięcie, tym szybciej i intensywniej przemieszcza się ładunek pomiędzy płytami. Ukierunkowany przepływ ładunku elektrycznego jest dokładnie prądem elektrycznym. Mówiąc najprościej, szybsze zmiany napięcia wytwarzają większy prąd pojemnościowy, co oznacza słabsze hamowanie prądu przez kondensator i niższą reaktancję pojemnościową.

 

Podsumowując, reaktancja indukcyjna jest wprost proporcjonalna do częstotliwości, podczas gdy reaktancja pojemnościowa jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości.

 

3. Różnice mocy między indukcyjnością, pojemnością i rezystancją

Elementy rezystancyjne zużywają energię w sposób ciągły zarówno w obwodach prądu stałego, jak i przemiennego, gdzie napięcie i prąd pozostają w idealnej fazie. Poniższy wykres krzywej ilustruje charakterystykę napięcia, prądu i mocy rezystora w obwodzie prądu przemiennego. Jak pokazano na wykresie, moc rezystancyjna jest zawsze większa lub równa zeru, co wskazuje, że rezystory stale absorbują i zużywają energię elektryczną.

 

 

W obwodach prądu przemiennego moc rozpraszana przez rezystory określana jest jako moc średnia lub częściej moc czynna, oznaczona dużą literą P. Moc czynna odzwierciedla wyłącznie zużycie energii przez elementy elektryczne. W przypadku każdego urządzenia zużywającego energię elektryczną moc czynna określa ilościowo wielkość i tempo utraty energii.

 

Natomiast cewki indukcyjne i kondensatory nie zużywają żadnej energii elektrycznej netto. Magazynują i uwalniają energię jedynie cyklicznie. Cewki indukcyjne pochłaniają energię elektryczną i przekształcają ją w energię pola magnetycznego, a następnie w powtarzalnym cyklu uwalniają zmagazynowaną energię magnetyczną z powrotem w energię elektryczną. Podobnie kondensatory przekształcają przychodzącą energię elektryczną w energię pola elektrycznego, a następnie rozładowują tę energię z powrotem do obwodu w postaci energii elektrycznej.

Ta cykliczna wymiana energii między komponentami a zasilaczem nie wiąże się z rzeczywistym zużyciem energii, dlatego nie można jej określić ilościowo na podstawie mocy czynnej. Aby zdefiniować tę szczególną formę wymiany mocy, fizycy wprowadzili pojęcie mocy biernej, oznaczonej dużą literą Q.

 

Zarówno moc czynna, jak i moc bierna wchodzą w zakres definicji „mocy”, która opisuje szybkość przesyłu lub konwersji energii. Moc czynna odzwierciedla szybkość, z jaką rezystor zużywa energię elektryczną. Na przykład 100-watowa żarówka zużywa energię dwa razy szybciej niż 50-watowa żarówka.

Natomiast moc bierna mierzy szybkość cyklicznej wymiany energii pomiędzy elementami indukcyjnymi/pojemnościowymi a siecią energetyczną. Bardzo ważne jest podkreślenie terminu wymiana energii. Wyższa moc bierna oznacza, że ​​cewki indukcyjne i kondensatory pobierają więcej energii przemiennej z zasilacza, mimo że energia ta jest wykorzystywana tylko do okresowego magazynowania i uwalniania, a nie jest zużywana.