Закон ома для цепи с активным сопротивлением: Активное, емкостное и индуктивное сопротивление. Закон Ома для цепей переменного тока

Закон Ома для переменного тока

После открытия в 1831 году Фарадеем электромагнитной индукции, появились первые генераторы постоянного, а после и переменного тока. Преимущество последних заключается в том, что переменный ток передается потребителю с меньшими потерями.

При увеличении напряжения в цепи, ток будет увеличиваться аналогично случаю с постоянным током. Но в цепи переменного тока сопротивление оказывается катушкой индуктивности и конденсатор. Основываясь на этом, запишем закон Ома для переменного тока: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

где

• I [А] – сила тока,
• U [В] – напряжение,
• Z [Ом] – полное сопротивление цепи.

Нужна помощь в продвижении в интернете? Пишите!!! [Нажмите на этот текст или кликните на картинку ниже]

Полное сопротивление цепи

В общем случае полное сопротивление цепи переменного тока (рис.

1) состоит из активного (R [Ом]), индуктивного, и емкостного сопротивлений. Иными словами, ток в цепи переменного тока зависит не только от активного омического сопротивления, но и от величины емкости (C [Ф]) и индуктивности (L [Гн]). Полное сопротивление цепи переменного тока можно вычислить по формуле:

где

• — индуктивное сопротивление, оказываемое переменному току, обусловленное индуктивностью электрической цепи, создается катушкой.
• — емкостное сопротивление, создается конденсатором.

Полное сопротивление цепи переменного тока можно изобразить графически как гипотенузу прямоугольного треугольника, у которого катетами являются активное и индуктивное сопротивления.

Рис.1. Треугольник сопротивлений

Учитывая последние равенства, запишем формулу закона Ома для переменного тока:

– амплитудное значение силы тока.

Рис.2. Последовательная электрическая цепь из R, L, C элементов.

Из опыта можно определить, что в такой цепи колебания тока и напряжения не совпадают по фазе, а разность фаз между этими величинами зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора:

Решение задач:

Цепь переменного тока состоит из последовательно соединенных конденсатора (емкостью С), катушки индуктивности (L) и активного сопротивления (R). На зажимы цепи подается действующее напряжение (U), частота которого ν. Чему равно действующее значение силы тока в цепи?

Дано:	Решение:
C l U R v I – ?	Запишем закон Ома для переменного тока — где ω=2πν. Амплитудное значение силы тока связано с действующим значением равенством Аналогично для напряжения Подставим в первую формулу

Нужна помощь в продвижении в интернете? Пишите!!! [Нажмите на этот текст или кликните на картинку ниже]

Закон Ома.

Для цепей и тока. Формулы и применение

Георг Симон Ом начал свои исследования вдохновляясь знаменитым трудом Жана Батиста Фурье «Аналитическая теория тепла». В этой работе Фурье представлял тепловой поток между двумя точками как разницу температур, а изменение теплового потока связывал с его прохождением через препятствие неправильной формы из теплоизолирующего материала. Аналогично этому Ом обуславливал возникновение электрического тока разностью потенциалов.

Исходя из этого Ом стал экспериментировать с разными материалами проводника. Для того, чтобы определить их проводимость он подключал их последовательно и подгонял их длину таким образом, чтобы сила тока была одинаковой во всех случаях.

Важно при таких измерениях было подбирать проводники одного и того же диаметра. Ом, замеряя проводимость серебра и золота, получил результаты, которые по современным данным не отличаются точностью. Так, серебряный проводник у Ома проводил меньше электрического тока, чем золотой.

Сам Ом объяснял это тем, что его проводник из серебра был покрыт маслом и из-за этого, по всей видимости, опыт не дал точных результатов.

Однако не только с этим были проблемы у физиков, которые в то время занимались подобными экспериментами с электричеством. Большие трудности с добычей чистых материалов без примесей для опытов, затруднения с калибровкой диаметра проводника искажали результаты тестов. Еще большая загвоздка состояла в том, что сила тока постоянно менялась во время испытаний, поскольку источником тока служили переменные химические элементы. В таких условиях Ом вывел логарифмическую зависимость силы тока от сопротивления провода.

Немногим позже немецкий физик Поггендорф, специализировавшийся на электрохимии, предложил Ому заменить химические элементы на термопару из висмута и меди. Ом начал свои эксперименты заново. В этот раз он пользовался термоэлектрическим устройством, работающем на эффекте Зеебека в качестве батареи. К нему он последовательно подключал 8 проводников из меди одного и того же диаметра, но различной длины. Чтобы измерить силу тока Ом подвешивал с помощью металлической нити над проводниками магнитную стрелку. Ток, шедший параллельно этой стрелке, смещал ее в сторону. Когда это происходило физик закручивал нить до тех пор, пока стрелка не возвращалась в исходное положение. Исходя из угла, на который закручивалась нить можно было судить о значении силы тока.

В результате нового эксперимента Ом пришел к формуле:

Х = a / b + l

Здесь X – интенсивность магнитного поля провода, l – длина провода, a – постоянная величина напряжения источника, b – постоянная сопротивления остальных элементов цепи.

Если обратиться к современным терминам для описания данной формулы, то мы получим, что Х – сила тока, а – ЭДС источника, b + l – общее сопротивление цепи.

Закон Ома для участка цепи

Закон Ома для отдельного участка цепи гласит: сила тока на участке цепи увеличивается при возрастании напряжения и уменьшается при возрастании сопротивления этого участка.

I = U / R

Исходя из этой формулы, мы можем решить, что сопротивление проводника зависит от разности потенциалов. С точки зрения математики, это правильно, но ложно с точки зрения физики. Эта формула применима только для расчета сопротивления на отдельном участке цепи.

Чтобы рассчитать сопротивление проводника, нужно перемножить его длину на удельное сопротивление его материала и разделить на площадь поперечного сечения.

Таким образом формула для расчета сопротивления проводника примет вид:

R = p ⋅ l / s

Закон Ома для полной цепи

Отличие закона Ома для полной цепи от закона Ома для участка цепи заключается в том, что теперь мы должны учитывать два вида сопротивления. Это «R» сопротивление всех компонентов системы и «r» внутреннее сопротивление источника электродвижущей силы. Формула таким образом приобретает вид:

I = U / R + r

Закон Ома для переменного тока

Переменный ток отличается от постоянного тем, что он изменяется с определенными временными периодами. Конкретно он изменяет свое значение и направление. Чтобы применить закон Ома здесь нужно учитывать, что сопротивление в цепи с постоянным током может отличатся от сопротивления в цепи с током переменным. И отличается оно в том случае если в цепи применены компоненты с реактивным сопротивлением. Реактивное сопротивление может быть индуктивным (катушки, трансформаторы, дроссели) и емкостными (конденсатор).

Попробуем разобраться, в чем реальная разница между реактивным и активным сопротивлением в цепи с переменным током. Вы уже должны были понять, что значение напряжение и силы тока в такой цепи меняется со временем и имеют, грубо говоря, волновую форму.

Если мы схематически представим, как с течением времени меняются эти два значения, у нас получится синусоида. И напряжение, и сила тока от нуля поднимаются до максимального значения, затем, опускаясь, проходят через нулевое значение и достигают максимального отрицательного значения. После этого снова поднимаются через нуль до максимального значения и так далее. Когда говорится, что сила тока или напряжение имеет отрицательное значение, здесь имеется ввиду, что они движутся в обратном направлении.

Весь процесс происходит с определенной периодичностью. Та точка, где значение напряжения или силы тока из минимального значения поднимаясь к максимальному значению проходит через нуль называется фазой.

На самом деле, это только предисловие. Вернемся к реактивному и активному сопротивлению. Отличие активного сопротивления от реактивного в том, что в цепи с активным сопротивлением фаза тока совпадает с фазой напряжения. То есть, и значение силы тока, и значение напряжения достигают максимума в одном направлении одновременно. В таком случае наша формула для расчета напряжения, сопротивления или силы тока не меняется.

Если же цепь содержит реактивное сопротивление, фазы тока и напряжения сдвигаются друг от друга на ¼ периода. Это означает, что, когда сила тока достигнет максимального значения, напряжение будет равняться нулю и наоборот. Когда применяется индуктивное сопротивление, фаза напряжения «обгоняет» фазу тока. Когда применяется емкостное сопротивление, фаза тока «обгоняет» фазу напряжения.

Формула для расчета падения напряжения на индуктивном сопротивлении:

U = I ⋅ ωL

Где L – индуктивность реактивного сопротивления, а ω – угловая частота (производная по времени от фазы колебания).

Формула для расчета падения напряжения на емкостном сопротивлении:

U = I / ω ⋅ С

С – емкость реактивного сопротивления.

Эти две формулы – частные случаи закона Ома для переменных цепей.

Полный же будет выглядеть следующем образом:

I = U / Z

Здесь Z – полное сопротивление переменной цепи известное как импеданс.

Сфера применения

Закон Ома не является базовым законом в физике, это лишь удобная зависимость одних значений от других, которая подходит почти в любых ситуациях на практике.

Поэтому проще будет перечислить ситуации, когда закон может не срабатывать:

• Если есть инерция носителей заряда, например, в некоторых высокочастотных электрических полях.
• В сверхпроводниках.
• Если провод нагревается до такой степени, что вольтамперная характеристика перестает быть линейной. Например, в лампах накаливания.
• В вакуумных и газовых радиолампах.
• В диодах и транзисторах.

Похожие темы:

• Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики
• Расчет сечения кабеля. По мощности, току, длине
• Электрические цепи. Виды и составные части. Режимы работы
• Последовательное и параллельное соединение. Применение и схемы
• Фаза и ноль. Работа и измерения. Особенности
• Активное и реактивное сопротивление. Треугольник сопротивлений
• Закон Джоуля-Ленца. работа и применение. Особенности

Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома

Узнайте все о том, как измерять и манипулировать схемой в вашей электронной конструкции с помощью напряжения, тока, сопротивления и закона Ома.

Чтобы понять истинную сущность электричества, нужно понять, как манипулировать и измерять напряжение, ток и сопротивление. Мы взобрались на самые высокие вершины, чтобы найти правильную аналогию для объяснения природы того, как электричество работает в цепи: наши тела в движении.

Напряжение — все дело в потенциале

Представьте, что вы просыпаетесь утром. Вы лежите в постели, хотите еще несколько часов сна, но пришло время вашей ужасной утренней пробежки. Вы знаете, что это полезно для вас, и вы будете чувствовать себя прекрасно, как только начнете двигаться, но каждое утро вы должны делать выбор. Вы можете либо остаться в постели и поспать немного дольше, либо встать и начать двигаться.

Это сущность напряжения; все дело в разнице потенциалов. У всех нас есть потенциал, и когда дело доходит до бега, потенциал, о котором идет речь, делает выбор: бежать или спать. Если вы не решите бежать сегодня утром, ваш потенциал будет дремать, но если вы это сделаете, то этот потенциал вырвется наружу, заставив вас пробежать много миль и зарядив энергией весь оставшийся день.

Напряжение в электричестве

Как и способность двигаться или нет, напряжение представляет собой запасенную электрическую энергию с потенциалом движения. Именно эта сила напряжения побуждает электроны течь по цепи и заставляет их работать час за часом.

Напряжение повсюду, оно только и ждет, чтобы мы воспользовались его потенциалом. Посмотрите на каждую неиспользуемую розетку в вашем доме. В этих розетках гудит напряжение, готовое работать на вас. Но, как и при выборе бежать, у вас есть выбор, подключаться ли к этому источнику напряжения в вашей розетке. Если оставить его в покое, то напряжение останется там, где оно есть, так и не реализовав весь свой потенциал.

В электрической цепи напряжение измеряется путем нахождения так называемой разности потенциалов между двумя точками с помощью мультиметра. Возьмите 9-вольтовую батарею, например, если вы измерите положительный и отрицательный полюсы, вы получите разность потенциалов 9 вольт (или близкую к этому). Положительный конец измеряет 9 В, а отрицательный конец измеряет 0 В. Минус два числа, и вы получите разность потенциалов.

Вы можете использовать мультиметр для быстрого измерения напряжения или разность потенциалов в аккумуляторе. (Источник изображения)

Напряжение бывает двух видов:

1. Напряжение постоянного тока (постоянный ток), обеспечивающее постоянный поток отрицательного электричества.
2. Напряжение переменного тока (переменного тока), которое постоянно переключается с отрицательного на положительное.

Вот символы, которые вы должны искать на схеме для напряжения постоянного тока, напряжения переменного тока и батареи:

Вот некоторые из символов напряжения, на которые следует обратить внимание в вашей следующей схеме — батареи, постоянный и переменный ток.

Отец напряжения — Алессандро Вольта

Человек дня, которому приписывают открытие напряжения – Алессандро Вольта (Источник изображения)

Человек, первым открывший напряжение, был итальянский физик Алессандро Вольта. Он также обнаружил массу других интересных вещей, в том числе:

• Открытие того, что при смешивании метана с воздухом можно создать электрическую искру, что положило начало ныне известному двигателю внутреннего сгорания.
• Открытие того, что электрический потенциал, хранящийся в конденсаторе, пропорционален его электрическому заряду.
• Вольте также приписывают создание первой электрической батареи, называемой вольтовой батареей, которая позволила ученым того времени создать постоянный поток электронов.

Пример вольтовой батареи, впервые созданной Вольтой, которая позволяет ученым создавать постоянный поток электронов. (Источник изображения)

Актуальность – Плывите по течению

Возвращаясь к нашей аналогии с бегом, представьте, что вы приняли решение совершить утреннюю пробежку. На вас надеты кроссовки и шорты для бега, и вы выходите из своей двери, чтобы отправиться в путь. В этот момент у вас есть какое-то движение, когда вы начинаете свой бег, поток.

Может быть, через час вы начнете бегать, готовые пробежать много миль. Когда вы бежите, ваши умные часы точно измеряют, как далеко вы пробежали и как быстро вы двигались. Этот процесс запуска и измерения процесса и есть суть тока.

Ток в электричестве

Подобно тому, как вы делаете шаги для завершения утренней пробежки, ток представляет собой постоянное движение или поток электричества в цепи. Электрический ток, протекающий через вашу цепь, всегда измеряется в амперах или амперах. Но что держит этот поток в движении?

Это напряжение, о котором мы говорили ранее. Точно так же, как вам нужно сказать себе продолжать бежать, как только вы устанете, напряжение является движущей силой тока, которая заставляет его двигаться. Есть две точки зрения на то, как ток течет в цепи; Обычный поток или электронный поток. Давайте посмотрим на оба.

Обычный поток

Обычный поток был первым в период научных открытий, когда люди не понимали, что такое электроны и как они текут в цепи.

В рамках этой модели предполагалось, что электричество течет от плюса к минусу.

Обычный поток с электричеством, протекающим от положительной к отрицательной стороне батареи.

Вы все еще увидите, что этот менталитет используется в схемах сегодня, и хотя он не совсем точен, его немного легче понять, чем электронный поток. В конце концов, если мы вернемся к нашей аналогии с бегом, вы начинаете с положительного источника энергии и бежите, пока она не закончится. Это позитивно-негативные отношения, как и многие вещи в жизни.

Электронный поток

Electron Flow был продолжением обычного потока. Эта модель точно изображает электроны как движущиеся в противоположном направлении, от отрицательного к положительному. Поскольку электроны отрицательны по своей природе, они всегда будут вытекать из отрицательного и бесконечно пытаться найти свой путь к положительной, низковольтной стороне источника питания.

И тем больше ток электронов, причем электроны текут так, как они это делают на самом деле, от минуса к плюсу.

Имеет ли значение, каким образом вы отображаете ток, протекающий в цепи? Не совсем. Вы, вероятно, увидите, что это представлено в обоих направлениях, когда вы смотрите на различные схемы. Взгляните на диоды или транзисторы на следующей схеме, которую вы исследуете; все они будут указывать в направлении обычного потока.

Человек, стоящий за током – Андре-Мари Ампер

Андре-Мари Ампер совершил гораздо больше, чем просто открытие Amperes. (Источник изображения)

Ампер был французским физиком и математиком. Он также был одним из основателей науки классического электромагнетизма. Вы можете поблагодарить Ampere за несколько замечательных вещей, в том числе:

• Его главное открытие, демонстрирующее, что провод, по которому течет электрический ток, может либо притягивать, либо отталкивать другой провод, по которому также протекает ток, без использования физических магнитов.
• Он также был первым, кто выдвинул идею существования частицы, которую мы все широко знаем как электрон.
• Он также организовал химические элементы по их свойствам в периодической таблице за полвека до того, как появилась современная современная периодическая таблица.

Сопротивление — это материальный мир

Наша окончательная концепция: Сопротивление. Представьте, что вы стоите спиной на беговой дорожке. По какой поверхности вы бегаете? Если вам повезет, то вы можете путешествовать по мягкой траве или грунтовой дорожке. Или, может быть, вы предпочитаете твердость улицы или тротуара.

Независимо от того, по какому пути вы бежите, ваши ноги встречают некоторое сопротивление, когда вы продолжаете двигаться вперед. Естественно, не все пути сопротивления одинаковы. Бег по грязи оказывает большее сопротивление вашей способности бежать по сравнению с бегом по грунтовой дорожке или улице. Вот что такое сопротивление — тяга и тяга материального мира.

Сопротивление в электричестве

Через какой бы материал ни проходило электричество, оно будет сталкиваться с некоторым трением, препятствующим его движению. Проще говоря, сопротивление замедляет ток. Хотя в электрической цепи есть определенные компоненты, такие как резистор, единственной задачей которого является сопротивление электричеству, любой физический материал будет оказывать некоторое сопротивление.

Сопротивление измеряется в Ом·Ом и имеет прямое отношение к току и напряжению. Например, чем больше у вас сопротивление, тем меньший ток может течь по цепи. Это как с бегом, чем гуще грязь, тем медленнее ты будешь бежать. Обратное также работает: если вы увеличиваете напряжение, чтобы ток двигался быстрее, ваше сопротивление будет меньше влиять на вашу цепь.

Мастер сопротивления — Георг Саймон Ом

Георг Ом – человек, который объединил напряжение, ток и сопротивление в ныне известный закон Ома. (Источник изображения)

Г-н Ом был немецким физиком и математиком, и именно в дни работы школьным учителем он начал свои исследования с использованием новой электрической батареи, изобретенной Вольтой. С помощью своего собственного оборудования Ом обнаружил, что существует прямая зависимость между напряжением, приложенным к проводнику (например, к медному проводу), и результирующим электрическим током. Это стало известно как ныне известный закон Ома, на который мы все полагаемся сегодня.

Интересно отметить, что, когда Ом представил свои открытия в своей первой книге «Математическое исследование гальванической цепи», колледжу, в котором он работал в то время, это было безразлично. Так что же сделал Ом? Он ушел в отставку и получил новую работу в Нюрнбергской политехнической школе. Именно здесь его работа, к счастью, получила заслуженное внимание.

Собираем все вместе с законом Ома

Итак, пришло время собрать все наши концепции воедино. Вот с чем нам предстоит работать:

• Напряжение (В) — Сохраненное электричество, которое может двигаться. Когда этот потенциал активирован, напряжение действует как своего рода давление, толкая ток по цепи.
• Ток (I) – Поток электричества в цепи. Это можно измерить непосредственно в амперах, и есть две точки зрения на то, как течет ток — обычный поток и электронный поток.
• Сопротивление (R) – Сопротивление, с которым сталкивается электричество, просто протекая через какой-либо физический материал. Это измеряется в Омах.

Собирая все это вместе, мы приходим к закону Ома:

В=ИК

В этом уравнении V = напряжение, I = ток и R = сопротивление. Гибкость закона Ома впечатляет, и его можно использовать для нахождения любого из этих трех значений, когда известны только два из них. Давайте рассмотрим пример, чтобы увидеть, как это работает.

Использование треугольника Ома

Ознакомьтесь с треугольником Ома ниже. Он обеспечивает простое визуальное представление того, как вы можете манипулировать законом Ома, чтобы получить нужные вам ответы. Чтобы использовать его, все, что вам нужно сделать, это закрыть букву значения, которое вам нужно выяснить, а оставшиеся буквы покажут вам, как туда добраться.

«Треугольник Ома» — удобный инструмент, позволяющий точно определить, какой именно вариант закона Ома необходимо использовать.

Взгляните на схему ниже. У нас есть батарея 9В, подключенная к светодиоду и резистору. Единственная проблема заключается в том, что нам нужно выяснить, каково значение резистора.

Наша тренировочная схема для ознакомления с законом Ома. Мы можем использовать известные амперы и вольты, чтобы получить значение нашего резистора.

Для этого давайте посмотрим на наш треугольник Ома. Скрывая R, мы видим, что V больше I, или V делится на I. Таким образом, разделив эти два числа, мы получим значение нашего резистора. Подставим эти числа в это уравнение: R = V/I.

• Начнем с самого очевидного, напряжение нашей батареи 9 вольт.
• Глядя на техническое описание нашего светодиода, мы видим рекомендуемый максимальный ток 16 мА (миллиампер), который преобразуется в 0,016 ампер.
• Подставив эти два числа в наше уравнение, мы получим R = 9 В/0,016 А, что равно 473,68. Это означает, что нам нужен резистор на 473 Ом, чтобы наш светодиод включился!

Сопротивление бесполезно

Понять, как работают вместе напряжение, ток и сопротивление, было не так уж сложно, не так ли? Мы надеемся, что в следующий раз, когда вы отправитесь на утреннюю пробежку, у вас появится новый взгляд на электричество. Почувствуйте, как ваши ноги летят по тротуару или грязи, и помните, что это сопротивление. И когда вы проверяете, как далеко вы пробежали, вы наблюдаете ток в движении! И та сила, которая подняла тебя с постели и заставила бежать? Напряжение.

Готовы сделать свой первый круг сегодня? Попробуйте Autodesk Fusion 360 бесплатно!

Основы электричества: сопротивление, индуктивность и емкость

Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Несколько примеров резисторов. Резисторы преобразуют энергию в тепло и рассеивают его. (Изображение предоставлено Питером Мэтисом, Университет Колорадо)

Электронные схемы — неотъемлемая часть почти всех технологических достижений, происходящих сегодня в нашей жизни. На ум сразу же приходят телевидение, радио, телефоны и компьютеры, но электроника также используется в автомобилях, кухонной технике, медицинском оборудовании и промышленных системах управления. В основе этих устройств лежат активные компоненты или компоненты схемы, которые электронным способом контролируют поток электронов, например полупроводники. Однако эти устройства не могли бы функционировать без гораздо более простых пассивных компонентов, появившихся на много десятилетий раньше полупроводников. В отличие от активных компонентов, пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, не могут управлять потоком электронов с помощью электронных сигналов.

Сопротивление

Как следует из названия, резистор представляет собой электронный компонент, который сопротивляется протеканию электрического тока в цепи.

В таких металлах, как серебро или медь, обладающих высокой электропроводностью и, следовательно, низким удельным сопротивлением, электроны могут свободно переходить от одного атома к другому с небольшим сопротивлением.

Электрическое сопротивление компонента цепи определяется как отношение приложенного напряжения к электрическому току, протекающему через него, согласно HyperPhysics, веб-сайту физических ресурсов, размещенному на факультете физики и астрономии Университета штата Джорджия. Стандартной единицей сопротивления является ом, названный в честь немецкого физика Георга Симона Ома. Определяется как сопротивление в цепи с током 1 ампер при 1 вольте. Сопротивление можно рассчитать с помощью закона Ома, который гласит, что сопротивление равно напряжению, деленному на ток, или R = V/I (чаще пишется как V = IR), где R — сопротивление, V — напряжение, а I — ток.

Резисторы обычно делятся на постоянные и переменные. Резисторы с фиксированным номиналом — это простые пассивные компоненты, которые всегда имеют одинаковое сопротивление в заданных пределах по току и напряжению. Они доступны в широком диапазоне значений сопротивления, от менее 1 Ом до нескольких миллионов Ом.

Переменные резисторы представляют собой простые электромеханические устройства, такие как регуляторы громкости и диммеры, которые изменяют эффективную длину или эффективную температуру резистора при повороте ручки или перемещении ползункового регулятора.

Пример катушки индуктивности из медной проволоки, установленной на печатной плате. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Индуктивность

Катушка индуктивности представляет собой электронный компонент, состоящий из катушки с проволокой, по которой проходит электрический ток, создающий магнитное поле. Единицей индуктивности является генри (H), названный в честь Джозефа Генри, американского физика, который независимо открыл индуктивность примерно в то же время, что и английский физик Майкл Фарадей. Один генри — это величина индуктивности, необходимая для создания 1 вольта электродвижущей силы (электрического давления от источника энергии) при изменении тока со скоростью 1 ампер в секунду.

Одним из важных применений катушек индуктивности в активных цепях является то, что они имеют тенденцию блокировать высокочастотные сигналы, пропуская низкочастотные колебания. Обратите внимание, что это противоположная функция конденсаторов. Объединение двух компонентов в схему может избирательно фильтровать или генерировать колебания практически любой желаемой частоты.

С появлением интегральных схем, таких как микрочипы, катушки индуктивности становятся менее распространенными, потому что трехмерные катушки чрезвычайно сложно изготовить в двухмерных печатных схемах. По этой причине микросхемы разрабатываются без катушек индуктивности и вместо них используют конденсаторы для достижения практически тех же результатов, по словам Майкла Дубсона, профессора физики из Университета Колорадо в Боулдере.

Несколько примеров конденсаторов. Конденсаторы накапливают электрический заряд. (Изображение предоставлено Питером Матисом, Университет Колорадо)

Емкость

Емкость — это способность устройства накапливать электрический заряд, и поэтому электронный компонент, сохраняющий электрический заряд, называется конденсатором. Самый ранний пример конденсатора — лейденская банка. Это устройство было изобретено для накопления статического электрического заряда на проводящей фольге, выложенной внутри и снаружи стеклянной банки.

Простейший конденсатор состоит из двух плоских проводящих пластин, разделенных небольшим зазором. Разность потенциалов, или напряжение, между пластинами пропорциональна разнице в количестве заряда на пластинах. Это выражается как Q = CV, где Q — заряд, V — напряжение, а C — емкость.

Емкость конденсатора — это количество заряда, которое он может хранить на единицу напряжения. Единицей измерения емкости является фарад (Ф), названный в честь Фарадея, и определяется как способность хранить 1 кулон заряда при приложенном потенциале 1 вольт. Один кулон (Кл) — это количество заряда, переносимого током в 1 ампер за 1 секунду.

Для достижения максимальной эффективности пластины конденсатора укладываются слоями или наматываются в катушки с очень маленьким воздушным зазором между ними. В воздушном зазоре часто используются диэлектрические материалы — изоляционные материалы, которые частично блокируют электрическое поле между пластинами. Это позволяет пластинам накапливать больше заряда без образования дуги и короткого замыкания.

Конденсаторы часто используются в активных электронных схемах, в которых используются колеблющиеся электрические сигналы, например, в радиоприемниках и звуковом оборудовании. Они могут заряжаться и разряжаться почти мгновенно, что позволяет использовать их для создания или фильтрации определенных частот в цепях. Колебательный сигнал может заряжать одну пластину конденсатора, в то время как другая пластина разряжается, а затем, когда ток меняется на противоположный, он заряжает другую пластину, в то время как первая пластина разряжается.

Как правило, более высокие частоты могут проходить через конденсатор, в то время как более низкие частоты блокируются. Размер конденсатора определяет частоту среза, при которой сигналы блокируются или пропускаются. Комбинация конденсаторов может использоваться для фильтрации выбранных частот в заданном диапазоне.

Суперконденсаторы производятся с использованием нанотехнологий для создания сверхтонких слоев материалов, таких как графен, для достижения емкости, в 10–100 раз превышающей емкость обычных конденсаторов того же размера; но они имеют гораздо более медленное время отклика, чем обычные диэлектрические конденсаторы, поэтому их нельзя использовать в активных цепях. С другой стороны, иногда их можно использовать в качестве источника питания в определенных приложениях, например, в микросхемах компьютерной памяти, чтобы предотвратить потерю данных при отключении основного питания.

Конденсаторы также являются важными компонентами устройств синхронизации, например, разработанных компанией SiTime, расположенной в Калифорнии. Эти устройства используются в самых разных приложениях, от мобильных телефонов до высокоскоростных поездов и торговли на фондовом рынке. Известные как MEMS (микроэлектромеханические системы), крошечные устройства отсчета времени полагаются на конденсаторы для правильной работы. «Если резонатор [колебательный компонент в устройстве синхронизации] не имеет подходящего конденсатора и нагрузочной емкости, схема синхронизации не будет надежно запускаться, а в некоторых случаях она вообще перестанет колебаться», — сказал Пиюш Севалиа, исполнительный директор. вице-президент по маркетингу SiTime.

Дополнительные ресурсы:

• Узнайте больше о емкости от Университета штата Флорида.
• Подробнее об основах электричества от Нью-Йоркского университета.
• Посмотрите это видео об основах электричества от The Engineering Mindset.

Эта статья была обновлена ​​16 января 2019 г. автором Live Science Рэйчел Росс.

Джим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности.