Capacitância e indutância em circuitos elétricos

Em termos de circuitos elétricos, a capacitância e a indutância são muito importantes, tão importantes quanto a resistência. Mas se falamos de resistência ativa, queremos dizer simplesmente a conversão irreversível de energia elétrica em calor, então a indutância e a capacitância estão relacionadas aos processos de acumulação e conversão de energia elétrica, portanto, abrem muitas oportunidades práticas úteis para a engenharia elétrica.

Quando a corrente flui através do circuito, as partículas carregadas se movem de um local de maior potencial elétrico para um local de menor potencial.

Digamos que a corrente flua através de uma resistência ativa, como o filamento de tungstênio de uma lâmpada. Como as partículas carregadas se movem diretamente através do tungstênio, a energia dessa corrente é continuamente dissipada devido às frequentes colisões dos portadores de corrente com os nós da rede cristalina do metal.

Uma analogia pode ser feita aqui.A pedra estava no topo de uma montanha arborizada (em um ponto de alto potencial), mas então foi empurrada para fora do topo e rolou para a planície (para um nível de menor potencial) através da floresta, através de arbustos (resistência), etc.

Ao colidir com plantas, uma pedra perde sistematicamente sua energia, transfere-a para arbustos e árvores nos momentos de colisão com eles (de maneira semelhante, o calor é dissipado com resistência ativa), portanto sua velocidade (valor atual) é limitada e há simplesmente não há tempo para acelerar adequadamente.

Em nossa analogia, a pedra é uma corrente elétrica, movendo partículas carregadas, e as plantas em seu caminho são a resistência ativa de um condutor; diferença de altura - a diferença em potenciais elétricos.

Capacidade

A capacitância, ao contrário da resistência ativa, caracteriza a capacidade do circuito de acumular energia elétrica na forma de um campo elétrico estático.

Uma corrente contínua não pode continuar a fluir como antes através de um circuito com capacitância até que essa capacitância seja completamente preenchida. Somente quando a capacidade estiver cheia, os portadores de carga poderão se mover ainda mais em sua velocidade anterior determinada pela diferença de potencial e pela resistência ativa do circuito.

Uma analogia hidráulica visual é melhor para entender aqui. A torneira de água é conectada ao abastecimento de água (fonte de energia), a torneira é aberta e a água sai com uma certa pressão e cai no chão. Aqui não há capacidade adicional, o fluxo de água (valor atual) é constante e não há razão para desacelerar a água, ou seja, reduzir a velocidade de seu fluxo.

Mas e se você colocar um cano largo bem embaixo da torneira (em nossa analogia, adicionar um capacitor, capacitor ao circuito), sua largura é muito maior que o diâmetro do jato d'água.

Agora o barril está cheio (o recipiente está carregado, a carga se acumula nas placas do capacitor, o campo elétrico é fortalecido entre as placas), mas a água não cai no solo. Quando o barril estiver cheio de água até a borda (o capacitor está carregado), só então a água começará a fluir na mesma taxa de fluxo pelas extremidades do barril até o chão. Este é o papel de um capacitor ou condensador.

O barril pode ser virado se desejado, criando brevemente muitas vezes mais pressão do que apenas com a torneira (drenar rapidamente o condensador), mas a quantidade de água retirada da torneira não aumentará.

Levantando e depois invertendo o barril (carregando e descarregando rapidamente o capacitor por um longo tempo), podemos alterar o modo de consumo de água (carga elétrica, energia elétrica). Como o barril é lentamente preenchido com água e sua borda será alcançada após algum tempo, diz-se que, quando o recipiente é preenchido, a corrente está adiantada da tensão (em nossa analogia, a tensão é a altura em que a borda da torneira bico está localizado).

Indutância

A indutância, ao contrário da capacitância, armazena energia elétrica não na forma estática, mas na forma cinética.

Quando a corrente flui pela bobina do indutor, a carga nele não se acumula como no capacitor, ela continua se movendo ao longo do circuito, mas ao redor da bobina o campo magnético associado à corrente é fortalecido, cuja indução é proporcional ao valor da corrente.

Quando uma tensão elétrica é aplicada à bobina, a corrente na bobina aumenta lentamente, o campo magnético armazena energia não imediatamente, mas gradualmente, e esse processo evita a aceleração dos portadores de carga. Portanto, na indutância, diz-se que a corrente está atrasada em relação à tensão. Eventualmente, porém, a corrente atinge um valor tal que é limitada apenas pela resistência ativa do circuito em que esta bobina está conectada.

Se uma bobina CC for repentinamente desconectada do circuito em algum ponto, a corrente não será capaz de parar imediatamente, mas começará a desacelerar rapidamente e uma diferença de potencial aparecerá nos terminais da bobina, quanto mais rápido, mais rápido ela interrompe a corrente, ou seja, o campo magnético dessa corrente desaparece mais rápido...

Uma analogia hidráulica é apropriada aqui. Imagine uma torneira de água com uma bola de borracha altamente elástica e macia na bica.

No fundo da bola há um tubo que limita a pressão da água da bola até o chão. Se a torneira estiver aberta, a bola vai inflar com bastante força e a água vai correr pelo tubo em um jato fino, mas em alta velocidade vai bater no chão com salpicos.

O consumo de água permanece inalterado. A corrente flui através de uma grande indutância, enquanto a reserva de energia no campo magnético é grande (o balão é inflado com água). Quando a água começa a fluir da torneira, a bola infla, da mesma forma, a indutância armazena energia no campo magnético quando a corrente começa a aumentar.

Se agora fecharmos a bola da torneira, abri-la pelo lado onde ela estava conectada à torneira e virá-la, então a água do cano pode atingir uma altura muito maior do que a altura da torneira, porque a água na bola inflada está sob pressão.Indutores são usados ​​da mesma maneira em conversores de pulso boost.