Tre grundläggande parametrar-Resistans, induktans och kapacitans

Motstånd (R), induktorer (L) och kondensatorer (C) är de tre primära komponenterna och kärnparametrarna i alla kretsar. Ingen elektrisk krets kan fungera utan minst en av dem. Det är värt att notera att idealiska kretselement skiljer sig från verkliga fysiska komponenter. Ett kretselement är en förenklad idealmodell utformad för att representera en specifik elektrisk egenskap hos en fysisk enhet. Kort sagt, standardiserade symboler används i kretsscheman för att återspegla de elektriska egenskaperna hos aktuell utrustning och komponenter. Till exempel kan värmeanordningar som resistiva belastningar, elektriska ugnar och värmestavar alla representeras av den resistiva elementmodellen i kretsanalys.

 

Trots detta kan vissa elektriska anordningar inte modelleras av ett enda kretselement enbart. Motorlindningar tjänar som ett typiskt exempel. I huvudsak spolstrukturer kan lindningar representeras av en induktor. Men de kommer också med inneboende motstånd. Av denna anledning måste ett motstånd läggas till för att återspegla denna resistiva egenskap. Följaktligen, när man bygger en kretsmodell för motorlindningar, uttrycks de som en seriekombination av motstånd och induktans.

 

Motstånd är den enklaste och mest intuitiva elektriska parametern. I enlighet med Ohms lag är dess beräkningsformel (R=U/I). I en krets fungerar motstånd som ett hinder för strömflödet. Ju högre resistansvärde, desto starkare är dess hämning av elektrisk ström. Eftersom resistansens egenskaper är relativt enkla, kommer vi att gå vidare med att utveckla induktans och kapacitans.

 

1. Vad är induktans och kapacitans?

Som nämnts ovan är induktans och kapacitans, precis som motstånd, viktiga kretsparametrar och komponenter, men de antar olika måttenheter.

 

Induktans betecknas med bokstavenL, med enheten för henry (H). Den definierar en spoles förmåga att generera ett magnetfält. Med andra ord, när inströmmen förblir konstant kommer en spole med högre induktans att producera ett starkare magnetfält. Som jämförelse kännetecknar resistans en komponents motstånd mot ström. Under en fast spänning leder ett högre motstånd till en lägre driftsström.

 

Kapacitans är markerad med bokstavenC, mätt i farad (F). Den beskriver en kondensators förmåga att lagra elektrisk laddning och elektrisk energi. Med en konstant pålagd spänning kan en kondensator med större kapacitans lagra mer elektrisk energi.

 

På liknande sätt har induktiva komponenter också energilagringsförmåga. Ett starkare magnetfält bär större magnetisk energi. Eftersom magnetfält innehåller energi kan de utöva mekanisk kraft på närliggande magneter och utföra arbete på dem.

 

2. Förhållandet mellan induktans, kapacitans och resistans

I huvudsak har induktans och kapacitans ingen inneboende korrelation med resistans, och deras mätenheter är helt oberoende. Denna distinktion blir emellertid framträdande i växelströmskretsar (AC).

 

I likströmskretsar (DC) fungerar induktorer som kortslutningar, medan kondensatorer fungerar som öppna kretsar. I AC-kretsar genererar dock både induktorer och kondensatorer frekvensberoende-motstånd till ström. Denna typ av ström-begränsande effekt kallas inte motstånd, men reaktans, representerad av symbolen X. Den reaktiva oppositionen som produceras av en induktor definieras som induktiv reaktans ((XL)), och den som genereras av en kondensator är kapacitiv reaktans ((XC)).

 

Både induktiv och kapacitiv reaktans delar samma enhet som resistans: ohm. Alla tre kvantiteterna hämmar strömflödet i kretsarna. Den viktigaste skillnaden ligger i frekvensberoende: resistans förblir konstant oavsett frekvens, medan induktiv och kapacitiv reaktans ändras när frekvensen fluktuerar. I grund och botten uppstår reaktans i AC-kretsar från kontinuerlig energivariation orsakad av ändrad spänning och ström.

 

För induktorer leder fluktuerande ström till kontinuerliga förändringar i deras magnetfält och lagrad energi. Enligt lagen om elektromagnetisk induktion motverkar ett inducerat magnetfält alltid förändringar i det ursprungliga magnetfältet. När arbetsfrekvensen ökar förstärks denna motverkande effekt, vilket resulterar i högre induktiv reaktans.

 

När spänningen över en kondensator fluktuerar, skiftar den elektriska laddningen på dess plattor i enlighet med detta. Ju snabbare spänningen ändras, desto snabbare och mer intensivt rör sig laddningen mellan plattorna. Det riktade flödet av elektrisk laddning är exakt elektrisk ström. Enkelt uttryckt ger snabbare spänningsvariationer större kapacitiv ström, vilket innebär svagare ströminhibering av kondensatorn och lägre kapacitiv reaktans.

 

Sammanfattningsvis är induktiv reaktans direkt proportionell mot frekvensen, medan kapacitiv reaktans är omvänt proportionell mot frekvensen.

 

3. Effektskillnader mellan induktans, kapacitans och resistans

Resistiva element förbrukar kontinuerligt ström i både DC- och AC-kretsar, där spänning och ström förblir perfekt i fas. Kurvdiagrammet nedan illustrerar spänning, ström och effektegenskaper hos ett motstånd i en växelströmskrets. Som visas i grafen är resistiv effekt alltid större än eller lika med noll, vilket indikerar att motstånd ständigt absorberar och förbrukar elektrisk energi.

 

 

I växelströmskretsar kallas den effekt som förbrukas av motstånd som medeleffekt, eller mer allmänt, aktiv effekt, betecknad med versaler P. Aktiv effekt återspeglar uteslutande energiförbrukningen för elektriska komponenter. För alla enheter som förbrukar elektricitet kvantifierar aktiv effekt storleken och hastigheten på dess energiförlust.

 

Däremot förbrukar induktorer och kondensatorer ingen nettoelektrisk energi. De lagrar och frigör bara energi cykliskt. Induktorer absorberar elektrisk energi och omvandlar den till magnetfältsenergi och frigör sedan den lagrade magnetiska energin tillbaka till elektrisk energi i en upprepad cykel. Likaså omvandlar kondensatorer inkommande elektrisk energi till elektrisk fältenergi och laddar senare ut denna energi tillbaka till kretsen i form av elektricitet.

Detta cykliska energiutbyte mellan komponenter och strömförsörjningen innebär ingen faktisk energiförbrukning, så det kan inte kvantifieras med aktiv effekt. För att definiera denna speciella form av kraftutbyte introducerade fysiker begreppet reaktiv kraft, representerad av den stora bokstaven Q.

 

Både aktiv effekt och reaktiv effekt faller under definitionen av "effekt", som beskriver hastigheten för energiöverföring eller omvandling. Aktiv effekt reflekterar hur snabbt ett motstånd förbrukar elektrisk energi. Till exempel förbrukar en 100-watts glödlampa energi dubbelt så snabbt som en 50-watts.

Reaktiv effekt mäter däremot hastigheten för cykliskt energiutbyte mellan induktiva/kapacitiva komponenter och elnätet. Det är viktigt att betona termen energiutbyte. En högre reaktiv effekt innebär att induktorer och kondensatorer drar mer alternerande energi från strömförsörjningen, även om denna energi endast används för periodisk lagring och frigöring, snarare än att den förbrukas.