Kapacita a indukčnost v elektrických obvodech

Z hlediska elektrických obvodů jsou kapacita a indukčnost velmi důležité, stejně jako odpor. Ale pokud mluvíme o aktivním odporu, máme na mysli jednoduše nevratnou přeměnu elektrické energie na teplo, pak indukčnost a kapacita souvisí s procesy akumulace a přeměny elektrické energie, takže otevírají mnoho užitečných praktických příležitostí pro elektrotechniku.

Když obvodem protéká proud, nabité částice se pohybují z místa s vyšším elektrickým potenciálem do místa s nižším potenciálem.

Řekněme, že proud protéká aktivním odporem, jako je wolframové vlákno lampy. Jak se nabité částice pohybují přímo wolframem, energie tohoto proudu se neustále rozptyluje v důsledku častých srážek nosičů proudu s uzly krystalové mřížky kovu.

Zde lze nakreslit analogii.Balvan ležel na vrcholu zalesněné hory (v bodě vysokého potenciálu), ale pak byl odsunut z vrcholu a odvalen do nížiny (na úroveň nižšího potenciálu) lesem, křovím (odpor), atd.

Srážkou s rostlinami kámen systematicky ztrácí svou energii, v okamžicích střetu s nimi ji předává keřům a stromům (obdobným způsobem se teplo odvádí s aktivním odporem), proto je jeho rychlost (aktuální hodnota) omezena a tam prostě není čas pořádně zrychlit.

V naší analogii je kámen elektrický proud, pohybující se nabité částice a rostliny v jeho cestě jsou aktivním odporem vodiče; výškový rozdíl — rozdíl elektrických potenciálů.

Kapacita

Kapacita, na rozdíl od aktivního odporu, charakterizuje schopnost obvodu akumulovat elektrickou energii ve formě statického elektrického pole.

Stejnosměrný proud nemůže dále protékat jako dříve obvodem s kapacitou, dokud není tato kapacita zcela naplněna. Pouze když je kapacita plná, budou se nosiče náboje schopny pohybovat dále svou předchozí rychlostí určenou rozdílem potenciálů a aktivním odporem obvodu.

Zde je pro pochopení lepší vizuální hydraulická analogie. Vodovodní kohoutek se napojí na přívod vody (zdroj energie), kohoutek se otevře a voda vytéká pod určitým tlakem a padá na zem. Zde není žádná dodatečná kapacita, průtok vody (aktuální hodnota) je konstantní a není důvod vodu zpomalovat, tedy snižovat rychlost jejího proudění.

Ale co když dáte širokou hlaveň přímo pod kohoutek (v naší analogii přidejte do obvodu kondenzátor, kondenzátor), jeho šířka je mnohem větší než průměr vodního paprsku.

Nyní je sud naplněn (nádoba je nabitá, náboj se hromadí na deskách kondenzátoru, mezi deskami je zesíleno elektrické pole), ale voda nepadá do země. Když se sud naplní vodou až po okraj (kondenzátor je nabitý), teprve potom začne voda téct stejnou rychlostí proudění přes konce sudu k zemi. To je role kondenzátoru nebo kondenzátoru.

Barel lze na přání převrátit, čímž se nakrátko vytvoří mnohonásobně větší tlak než ze samotného kohoutku (rychle vypusťte kondenzátor), ale množství vody odebrané z kohoutku se nezvýší.

Zvednutím a následným převrácením sudu (dlouhodobé nabíjení a rychlé vybíjení kondenzátoru) můžeme změnit režim spotřeby vody (elektrický náboj, elektrická energie). Vzhledem k tomu, že sud se pomalu plní vodou a po nějaké době dojde k jeho okraji, říká se, že když je nádoba naplněna, proud vede napětí (v naší analogii je napětí výškou, ve které je okraj kohoutku hubice je umístěna).

Indukčnost

Indukčnost, na rozdíl od kapacity, neukládá elektrickou energii ve statické, ale v kinetické formě.

Když proud protéká cívkou induktoru, náboj se v ní nehromadí jako v kondenzátoru, dále se pohybuje po obvodu, ale kolem cívky se zesílí magnetické pole spojené s proudem, jehož indukce je úměrné velikosti proudu.

Když je na cívku přivedeno elektrické napětí, proud v cívce narůstá pomalu, magnetické pole neukládá energii okamžitě, ale postupně a tento proces zabraňuje zrychlování nosičů náboje. Proto se v indukčnosti říká, že proud zpožďuje napětí. Nakonec však proud dosáhne takové hodnoty, že je omezen pouze činným odporem obvodu, ve kterém je tato cívka zapojena.

Pokud je stejnosměrná cívka v určitém okamžiku náhle odpojena od obvodu, proud se nebude moci okamžitě zastavit, ale začne se rychle zpomalovat a na svorkách cívky se objeví rozdíl potenciálů, čím rychleji, tím rychleji zastaví proud, to znamená, že magnetické pole tohoto proudu mizí rychleji...

Zde je vhodná hydraulická analogie. Představte si vodovodní kohoutek s kuličkou z vysoce elastické a měkké gumy na výlevce.

Ve spodní části koule je trubka, která omezuje tlak vody z koule na zem. Pokud je vodovodní kohoutek otevřený, míč se poměrně silně nafoukne a voda se bude řítit trubicí tenkým proudem, ale ve vysoké rychlosti se s cákancemi zřítí do země.

Spotřeba vody se nemění. Proud protéká velkou indukčností, přičemž energetická rezerva v magnetickém poli je velká (balónek je nafouknutý vodou). Když voda právě začne téct z kohoutku, kulička se nafoukne, podobně indukčnost ukládá energii do magnetického pole, když se proud začne zvyšovat.

Pokud nyní vypneme kouli z kohoutku, zapneme ze strany, kde byla napojena na kohoutek, a převrátíme, pak voda z potrubí může dosahovat mnohem vyšší výšky, než je výška kohoutku, protože voda v nafouknuté kouli je pod tlakem.Induktory se používají stejným způsobem v booster pulzních měničích.