Три основні параметри-Опір, індуктивність і ємність

Резистори (R), котушки індуктивності (L) і конденсатори (C) є трьома основними компонентами та основними параметрами всіх схем. Жодне електричне коло не може працювати без хоча б одного з них. Варто зауважити, що ідеальні елементи схеми відрізняються від реальних фізичних компонентів. Елемент схеми — це спрощена ідеальна модель, призначена для представлення певної електричної характеристики фізичного пристрою. Коротше кажучи, стандартизовані символи використовуються на схемах для відображення електричних властивостей фактичного обладнання та компонентів. Наприклад, нагрівальні пристрої, такі як резистивні навантаження, електричні печі та нагрівальні стрижні, можуть бути представлені моделлю резистивного елемента в аналізі схеми.

 

Незважаючи на це, деякі електричні пристрої не можуть бути змодельовані одним елементом схеми. Типовим прикладом є обмотки двигуна. По суті, котушкові конструкції, обмотки можуть бути представлені індуктором. Однак вони також мають властивий опір. З цієї причини необхідно додати резистор, щоб відобразити цю резистивну властивість. Відповідно, при побудові моделі схеми для обмоток двигуна вони виражаються у вигляді послідовної комбінації опору та індуктивності.

 

Опір є найпростішим і найбільш інтуїтивно зрозумілим електричним параметром. Відповідно до закону Ома формула його розрахунку має вигляд (R=U/I). У ланцюзі опір діє як перешкода для протікання струму. Чим вище значення опору, тим сильніше його гальмування електричним струмом. Оскільки характеристики опору відносно прості, ми перейдемо до детальнішого вивчення індуктивності та ємності.

 

1. Що таке індуктивність і ємність?

Як згадувалося вище, індуктивність і ємність, як і опір, є важливими параметрами та компонентами схеми, але для них використовуються різні одиниці вимірювання.

 

Індуктивність позначається буквоюL, з одиницею Генрі (H). Він визначає здатність котушки створювати магнітне поле. Іншими словами, коли вхідний струм залишається постійним, котушка з більшою індуктивністю вироблятиме сильніше магнітне поле. Для порівняння, опір характеризує протидію компонента струму. За фіксованої напруги вищий опір призводить до меншого робочого струму.

 

Ємність позначається літероюC, вимірюється у фарадах (F). Він описує здатність конденсатора накопичувати електричний заряд і електричну енергію. При постійній прикладеній напрузі конденсатор з більшою ємністю може зберігати більше електричної енергії.

 

Подібним чином індуктивні компоненти також мають здатність накопичувати енергію. Потужніше магнітне поле несе більшу магнітну енергію. Оскільки магнітні поля містять енергію, вони можуть чинити механічну силу на сусідні магніти та виконувати над ними роботу.

 

2. Зв’язок між індуктивністю, ємністю та опором

По суті, індуктивність і ємність не мають кореляції з опором, і їх одиниці вимірювання є абсолютно незалежними. Однак ця відмінність стає помітною в колах змінного струму (AC).

 

У ланцюгах постійного струму (DC) котушки індуктивності функціонують як короткі ланцюги, тоді як конденсатори діють як розімкнуті ланцюги. Проте в колах змінного струму і котушки індуктивності, і конденсатори створюють -залежну від частоти опору струму. Цей тип ефекту-обмеження струму не називається опором, а реактивний опір, представлений символом X. Реактивний опір, створений індуктором, визначається як індуктивний реактивний опір ((XL)), а той, що створюється конденсатором, є ємнісним реактивним опором ((XC)).

 

Як індуктивний, так і ємнісний реактивний опір мають ту саму одиницю, що й опір: ом. Усі три величини перешкоджають протіканню струму в колах. Ключова відмінність полягає в залежності від частоти: опір залишається постійним незалежно від частоти, тоді як індуктивний і ємнісний реактивний опір змінюються в міру коливань частоти. По суті, реактивний опір у колах змінного струму виникає внаслідок безперервної зміни енергії, викликаної зміною напруги та струму.

 

Для котушок індуктивності коливання струму призводять до постійних змін у їхніх магнітних полях і накопиченій енергії. Відповідно до закону електромагнітної індукції, індуковане магнітне поле завжди протидіє змінам початкового магнітного поля. Зі збільшенням робочої частоти цей протидіючий ефект посилюється, що призводить до підвищення індуктивного опору.

 

Коли напруга на конденсаторі коливається, електричний заряд на його пластинах відповідно зміщується. Чим швидше змінюється напруга, тим швидше і інтенсивніше рухається заряд між пластинами. Спрямований потік електричного заряду і є саме електричний струм. Простіше кажучи, швидші зміни напруги створюють більший ємнісний струм, що означає слабше гальмування струму конденсатором і менший ємнісний опір.

 

Підсумовуючи, індуктивний реактивний опір прямо пропорційний частоті, тоді як ємнісний реактивний опір обернено пропорційний частоті.

 

3. Різниця потужностей між індуктивністю, ємністю та опором

Резистивні елементи безперервно споживають електроенергію в ланцюгах постійного та змінного струму, де напруга та струм зберігають ідеальну фазу. Діаграма кривої нижче ілюструє характеристики напруги, струму та потужності резистора в ланцюзі змінного струму. Як показано на графіку, резистивна потужність завжди більша або дорівнює нулю, що вказує на те, що резистори постійно поглинають і споживають електричну енергію.

 

 

У колах змінного струму потужність, що розсіюється резисторами, називається середньою потужністю або частіше активною потужністю, що позначається великою літерою P. Активна потужність відображає виключно енергоспоживання електричних компонентів. Для будь-якого пристрою, який споживає електроенергію, активна потужність кількісно визначає величину та швидкість його втрати енергії.

 

Навпаки, котушки індуктивності та конденсатори не споживають чистої електричної енергії. Вони лише циклічно накопичують і вивільняють енергію. Індуктори поглинають електричну енергію та перетворюють її в енергію магнітного поля, а потім вивільняють збережену магнітну енергію назад в електричну енергію в повторному циклі. Подібним чином конденсатори перетворюють вхідну електричну енергію в енергію електричного поля, а потім розряджають цю енергію назад у ланцюг у формі електрики.

Цей циклічний обмін енергією між компонентами та джерелом живлення не передбачає фактичного споживання енергії, тому його не можна кількісно визначити активною потужністю. Щоб визначити цю особливу форму обміну електроенергією, фізики ввели поняття реактивної потужності, представленої великою літерою Q.

 

Як активна потужність, так і реактивна потужність підпадають під визначення «потужності», яке описує швидкість передачі або перетворення енергії. Активна потужність відображає швидкість споживання резистором електричної енергії. Наприклад, 100-ватна лампочка споживає електроенергію вдвічі швидше, ніж 50-ватна.

Реактивна потужність, навпаки, вимірює швидкість циклічного обміну енергією між індуктивними/ємнісними компонентами та електромережею. Важливо підкреслити термін енергетичний обмін. Більша реактивна потужність означає, що котушки індуктивності та конденсатори споживають більше змінної енергії від джерела живлення, навіть якщо ця енергія використовується лише для періодичного зберігання та вивільнення, а не споживається.