Kapasitansi dan induktansi dalam rangkaian listrik

Dalam hal rangkaian listrik, kapasitansi dan induktansi sangat penting, sama pentingnya dengan resistansi. Tetapi jika kita berbicara tentang resistansi aktif, yang kami maksud hanyalah konversi energi listrik yang tidak dapat diubah menjadi panas, maka induktansi dan kapasitansi terkait dengan proses akumulasi dan konversi energi listrik, oleh karena itu membuka banyak peluang praktis yang berguna untuk teknik kelistrikan.

Ketika arus mengalir melalui rangkaian, partikel bermuatan bergerak dari tempat dengan potensial listrik lebih tinggi ke tempat dengan potensial listrik lebih rendah.

Katakanlah arus mengalir melalui resistansi aktif, seperti filamen tungsten lampu. Saat partikel bermuatan bergerak langsung melalui tungsten, energi arus ini terus-menerus hilang karena seringnya tabrakan pembawa arus dengan simpul kisi kristal logam.

Sebuah analogi dapat ditarik di sini.Batu besar itu tergeletak di atas gunung berhutan (pada titik berpotensi tinggi), tetapi kemudian didorong dari atas dan digulingkan ke dataran rendah (ke tingkat potensi lebih rendah) melalui hutan, melalui semak-semak (perlawanan), dll.

Bertabrakan dengan tumbuhan, batu secara sistematis kehilangan energinya, memindahkannya ke semak-semak dan pepohonan pada saat bertabrakan dengannya (dengan cara yang sama, panas dihamburkan dengan resistansi aktif), oleh karena itu kecepatannya (nilai arus) terbatas, dan di sana tidak ada waktu untuk berakselerasi dengan benar.

Dalam analogi kita, batu adalah arus listrik, partikel bermuatan yang bergerak, dan tumbuhan di jalurnya adalah resistansi aktif dari sebuah konduktor; perbedaan ketinggian - perbedaan potensial listrik.

Kapasitas

Kapasitansi, tidak seperti resistansi aktif, mencirikan kemampuan rangkaian untuk mengakumulasi energi listrik dalam bentuk medan listrik statis.

Arus searah tidak dapat terus mengalir seperti sebelumnya melalui rangkaian dengan kapasitansi sampai kapasitansi tersebut terisi penuh. Hanya ketika kapasitas penuh, pembawa muatan dapat bergerak lebih jauh dengan kecepatan sebelumnya yang ditentukan oleh perbedaan potensial dan resistansi aktif sirkuit.

Analogi hidraulik visual lebih baik untuk dipahami di sini. Keran air dihubungkan dengan suplai air (sumber listrik), keran dibuka, dan air mengalir keluar dengan tekanan tertentu dan jatuh ke tanah. Di sini tidak ada kapasitas tambahan, aliran air (nilai arus) konstan dan tidak ada alasan untuk memperlambat air, yaitu mengurangi kecepatan alirannya.

Tetapi bagaimana jika Anda meletakkan tong lebar tepat di bawah faucet (dalam analogi kami, tambahkan kapasitor, kapasitor ke sirkuit), lebarnya jauh lebih besar dari diameter jet air.

Sekarang tong sudah terisi (wadah diisi, muatan terakumulasi di pelat kapasitor, medan listrik diperkuat di antara pelat), tetapi air tidak jatuh ke tanah. Ketika laras diisi sampai penuh dengan air (kapasitor diisi), barulah air akan mulai mengalir dengan laju aliran yang sama melalui ujung laras ke tanah. Ini adalah peran kapasitor atau kondensor.

Laras dapat dibalik jika diinginkan, secara singkat menciptakan tekanan berkali-kali lebih banyak daripada dari keran saja (kuras kondensor dengan cepat), tetapi jumlah air yang diambil dari keran tidak akan bertambah.

Dengan mengangkat dan membalikkan laras (mengisi dan mengosongkan kapasitor dengan cepat untuk waktu yang lama), kita dapat mengubah mode konsumsi air (muatan listrik, energi listrik). Karena tong perlahan-lahan diisi dengan air dan ujungnya akan tercapai setelah beberapa saat, dikatakan bahwa ketika wadah diisi, arus memimpin tegangan (dalam analogi kita, tegangan adalah ketinggian di mana tepi keran cerat berada).

Induktansi

Induktansi, tidak seperti kapasitansi, menyimpan energi listrik tidak dalam bentuk statis tetapi dalam bentuk kinetik.

Ketika arus mengalir melalui kumparan induktor, muatan di dalamnya tidak terakumulasi seperti pada kapasitor, ia terus bergerak di sepanjang rangkaian, tetapi di sekitar kumparan medan magnet yang terkait dengan arus diperkuat, induksinya adalah sebanding dengan besarnya arus.

Ketika tegangan listrik diterapkan ke koil, arus dalam koil menumpuk secara perlahan, medan magnet tidak segera menyimpan energi, tetapi secara bertahap, dan proses ini mencegah percepatan pembawa muatan. Oleh karena itu, dalam induktansi, arus dikatakan tertinggal dari tegangan. Namun, akhirnya, arus mencapai nilai sedemikian rupa sehingga hanya dibatasi oleh resistansi aktif dari rangkaian di mana koil ini terhubung.

Jika kumparan DC tiba-tiba terputus dari rangkaian di beberapa titik, arus tidak akan dapat segera berhenti, tetapi akan mulai melambat dengan cepat dan perbedaan potensial akan muncul di seluruh terminal kumparan, semakin cepat berhenti arus, artinya, medan magnet dari arus ini menghilang lebih cepat...

Analogi hidrolik cocok di sini. Bayangkan keran air dengan bola karet yang sangat elastis dan lembut di ceratnya.

Di bagian bawah bola terdapat tabung yang membatasi tekanan air dari bola ke tanah. Jika keran air terbuka, bola akan mengembang cukup kuat dan air akan mengalir deras melalui tabung dalam aliran tipis, tetapi dengan kecepatan tinggi akan menabrak tanah dengan cipratan.

Konsumsi air tidak berubah. Arus mengalir melalui induktansi besar, sedangkan cadangan energi di medan magnet besar (balon dipompa dengan air). Saat air baru mulai mengalir dari keran, bola mengembang, demikian pula induktansi menyimpan energi di medan magnet saat arus mulai meningkat.

Jika sekarang kita mematikan bola dari keran, menyalakannya dari sisi yang terhubung ke keran, dan membaliknya, maka air dari pipa bisa mencapai ketinggian yang jauh lebih tinggi dari ketinggian keran, karena air dalam bola yang digelembungkan berada di bawah tekanan.Induktor digunakan dengan cara yang sama dalam meningkatkan konverter pulsa.