Trei parametri fundamentali-Rezistență, inductanță și capacitate

Rezistoarele (R), inductoarele (L) și condensatoarele (C) sunt cele trei componente primare și parametrii de bază din toate circuitele. Niciun circuit electric nu poate funcționa fără cel puțin unul dintre ele. Este de remarcat faptul că elementele circuitului ideal sunt diferite de componentele fizice reale. Un element de circuit este un model ideal simplificat conceput pentru a reprezenta o caracteristică electrică specifică a unui dispozitiv fizic. Pe scurt, simbolurile standardizate sunt folosite în diagramele de circuit pentru a reflecta proprietățile electrice ale echipamentelor și componentelor reale. De exemplu, dispozitivele de încălzire precum sarcinile rezistive, cuptoarele electrice și barele de încălzire pot fi toate reprezentate de modelul elementului rezistiv în analiza circuitului.

 

Chiar și așa, anumite dispozitive electrice nu pot fi modelate doar de un singur element de circuit. Înfășurările motorului servesc ca exemplu tipic. În esență, structuri de bobine, înfășurările pot fi reprezentate de un inductor. Cu toate acestea, ele vin și cu rezistență inerentă. Din acest motiv, trebuie adăugat un rezistor pentru a reflecta această proprietate rezistivă. În consecință, atunci când se construiește un model de circuit pentru înfășurările motorului, acestea sunt exprimate ca o combinație în serie de rezistență și inductanță.

 

Rezistența este cel mai simplu și mai intuitiv parametru electric. În conformitate cu legea lui Ohm, formula sa de calcul este (R=U/I). Într-un circuit, rezistența acționează ca un obstacol în calea curgerii curentului. Cu cât valoarea rezistenței este mai mare, cu atât este mai puternică inhibiția sa asupra curentului electric. Deoarece caracteristicile rezistenței sunt relativ simple, vom continua să detaliem inductanța și capacitatea.

 

1. Ce sunt inductanța și capacitatea?

După cum sa menționat mai sus, inductanța și capacitatea, la fel ca și rezistența, sunt parametri și componente esențiale ale circuitului, dar adoptă diferite unități de măsură.

 

Inductanța este indicată prin literăL, cu unitatea de henry (H). Definește capacitatea unei bobine de a genera un câmp magnetic. Cu alte cuvinte, atunci când curentul de intrare rămâne constant, o bobină cu inductanță mai mare va produce un câmp magnetic mai puternic. Prin comparație, rezistența caracterizează opoziția unei componente față de curent. Sub o tensiune fixă, o rezistență mai mare duce la un curent de funcționare mai mic.

 

Capacitatea este marcată cu literaC, măsurată în faradi (F). Descrie capacitatea unui condensator de a stoca sarcina electrică și energia electrică. Cu o tensiune aplicată constantă, un condensator cu o capacitate mai mare poate stoca mai multă energie electrică.

 

În mod similar, componentele inductive posedă și capacități de stocare a energiei. Un câmp magnetic mai puternic transportă o energie magnetică mai mare. Deoarece câmpurile magnetice conțin energie, ele pot exercita forță mecanică asupra magneților din apropiere și pot lucra asupra lor.

 

2. Relația dintre inductanță, capacitate și rezistență

În esență, inductanța și capacitatea nu au o corelație inerentă cu rezistența, iar unitățile lor de măsură sunt complet independente. Această distincție, totuși, devine proeminentă în circuitele de curent alternativ (AC).

 

În circuitele de curent continuu (DC), inductoarele funcționează ca scurtcircuite, în timp ce condensatoarele acționează ca circuite deschise. În circuitele de curent alternativ, totuși, atât inductoarele, cât și condensatoarele generează opoziție dependentă de frecvență-la curent. Acest tip de efect de limitare a curentului-nu se numește rezistență, dar reactanța, reprezentată de simbolul X. Opoziția reactivă produsă de un inductor este definită ca reactanță inductivă ((XL)), iar cea generată de un condensator este reactanța capacitivă ((XC)).

 

Atât reactanța inductivă, cât și cea capacitivă au aceeași unitate ca și rezistența: ohmul. Toate cele trei cantități inhibă fluxul de curent în circuite. Diferența cheie constă în dependența de frecvență: rezistența rămâne constantă indiferent de frecvență, în timp ce reactanța inductivă și capacitivă se modifică pe măsură ce frecvența fluctuează. În mod fundamental, reactanța în circuitele de curent alternativ apare din variația continuă a energiei cauzată de schimbarea tensiunii și a curentului.

 

Pentru inductori, curentul fluctuant duce la modificări continue ale câmpurilor lor magnetice și ale energiei stocate. Urmând legea inducției electromagnetice, un câmp magnetic indus contracarează întotdeauna modificările câmpului magnetic original. Pe măsură ce frecvența de funcționare crește, acest efect contraactiv se intensifică, rezultând o reactanță inductivă mai mare.

 

Când tensiunea pe un condensator fluctuează, sarcina electrică de pe plăcile sale se schimbă în consecință. Cu cât tensiunea se schimbă mai repede, cu atât sarcina se mișcă mai rapid și mai intens între plăci. Fluxul direcționat al sarcinii electrice este exact curent electric. Mai simplu spus, variațiile mai rapide ale tensiunii produc un curent capacitiv mai mare, ceea ce înseamnă o inhibiție mai slabă a curentului de către condensator și o reactanță capacitivă mai mică.

 

În concluzie, reactanța inductivă este direct proporțională cu frecvența, în timp ce reactanța capacitivă este invers proporțională cu frecvența.

 

3. Diferențele de putere între inductanță, capacitate și rezistență

Elementele rezistive consumă energie în mod continuu atât în ​​circuitele DC cât și AC, unde tensiunea și curentul rămân perfect în fază. Diagrama curbă de mai jos ilustrează caracteristicile de tensiune, curent și putere ale unui rezistor într-un circuit de curent alternativ. După cum se arată în grafic, puterea rezistivă este întotdeauna mai mare sau egală cu zero, ceea ce indică faptul că rezistențele absorb și consumă în mod constant energie electrică.

 

 

În circuitele de curent alternativ, puterea disipată de rezistențe este denumită putere medie sau, mai frecvent, putere activă, notată cu litera P. Puterea activă reflectă exclusiv consumul de energie al componentelor electrice. Pentru orice dispozitiv care consumă energie electrică, puterea activă cuantifică magnitudinea și rata pierderii sale de energie.

 

În schimb, inductoarele și condensatoarele nu consumă energie electrică netă. Ele stochează și eliberează energie doar ciclic. Inductoarele absorb energia electrică și o convertesc în energie de câmp magnetic, apoi eliberează energia magnetică stocată înapoi în energie electrică într-un ciclu repetat. De asemenea, condensatoarele convertesc energia electrică primită în energie de câmp electric și mai târziu descarcă această energie înapoi în circuit sub formă de electricitate.

Acest schimb ciclic de energie între componente și sursa de alimentare nu implică un consum real de energie, deci nu poate fi cuantificat prin puterea activă. Pentru a defini această formă specială de schimb de putere, fizicienii au introdus conceptul de putere reactivă, reprezentat de litera majusculă Q.

 

Atât puterea activă, cât și puterea reactivă se încadrează în definiția „puterii”, care descrie rata de transfer sau conversie a energiei. Puterea activă reflectă cât de repede un rezistor consumă energie electrică. De exemplu, un bec de 100 de wați consumă energie de două ori mai repede decât unul de 50 de wați.

Puterea reactivă, dimpotrivă, măsoară rata de schimb ciclic de energie între componentele inductive/capacitive și rețeaua electrică. Este esențial să subliniem termenul de schimb de energie. O putere reactivă mai mare înseamnă că inductorii și condensatorii atrag mai multă energie alternativă din sursa de alimentare, chiar dacă această energie este folosită doar pentru stocare și eliberare periodică, mai degrabă decât consumată.