Τι είναι ένα κύκλωμα μόνο πηνίου;

Κύκλωμα Απολυτού Διελκτικού

Ένα κύκλωμα που αποτελείται μόνο από έναν απολύτως διελκτικό με διελκτικότητα C (μετρημένη σε φαράδες) ονομάζεται Κύκλωμα Απολυτού Διελκτικού. Οι διελκτικοί αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο, μια ιδιότητα που ονομάζεται διελκτικότητα (συχνά αναφέρεται και ως "καταναλωτής"). Σε δομικό επίπεδο, ο διελκτικός αποτελείται από δύο ηλεκτροποιημένες πλάκες που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό μέσο – κοινά διηλεκτρικά υλικά περιλαμβάνουν γυαλί, χαρτί, μίκα και στρώματα οξειδίου. Σε ένα ιδανικό κύκλωμα AC διελκτικού, ο ρεύματα προηγείται της τάσης κατά γωνία φάσης 90 βαθμών.

Όταν εφαρμόζεται τάση σε έναν διελκτικό, δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών του, αλλά κανένας ρεύμα δεν διασχίζει το διηλεκτρικό μέσο. Με μια μεταβαλλόμενη πηγή AC τάσης, συνεχής ροή ρεύματος συμβαίνει λόγω της κυκλικής φόρτωσης και ξεφόρτωσης του διελκτικού.

Εξήγηση και Εξαγωγή του Κυκλώματος Διελκτικού

Ο διελκτικός αποτελείται από δύο απομονωμένες πλάκες που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό μέσο, λειτουργώντας ως συσκευή αποθήκευσης ηλεκτρικής φόρτησης. Φορτώνεται όταν συνδέεται με μια πηγή ενέργειας και ξεφορτώνεται όταν αποσυνδέεται. Όταν συνδέεται σε μια DC πηγή, φορτώνεται σε τάση ίση με την εφαρμοσμένη δυναμική, εκφράζοντας το ρόλο του ως ενεργό στοιχείο που αντιστέκεται στις αλλαγές της τάσης.

Ας υποθέσουμε ότι η εναλλασσόμενη τάση που εφαρμόζεται στο κύκλωμα δίνεται από την εξίσωση:

Η φορτία του διελκτικού σε οποιαδήποτε στιγμή δίνεται ως:

Το ρεύμα που ρέει μέσω του κυκλώματος δίνεται από την εξίσωση:

Βάζοντας την τιμή της q από την εξίσωση (2) στην εξίσωση (3) θα πάρουμε

Τώρα, βάζοντας την τιμή της v από την εξίσωση (1) στην εξίσωση (3) θα πάρουμε

Που Xc = 1/ωC δηλώνει την αντίσταση στην ροή εναλλασσόμενου ρεύματος από έναν απολύτως διελκτικό, γνωστή ως διελκτική αντίδραση. Το ρεύμα φθάνει στη μέγιστη του τιμή όταν sin(ωt + π/2) = 1. Έτσι, το μέγιστο ρεύμα I_m εκφράζεται ως:

Υποκαθιστώντας την τιμή του I_m στην εξίσωση (4) θα πάρουμε:

Διάγραμμα Φάσης και Καμπύλη Δύναμης

Σε ένα κύκλωμα απολυτού διελκτικού, το ρεύμα μέσω του διελκτικού προηγείται της τάσης κατά γωνία φάσης 90 βαθμών. Το διάγραμμα φάσης και οι καμπύλες για τάση, ρεύμα και δύναμη είναι εξηγημένες παρακάτω:

Στην καμπύλη παραπάνω, η κόκκινη καμπύλη αντιπροσωπεύει το ρεύμα, η μπλε καμπύλη αντιπροσωπεύει την τάση και η ροζ καμπύλη αντιπροσωπεύει τη δύναμη. Όταν η τάση αυξάνεται, ο διελκτικός φορτώνεται στη μέγιστη τιμή, δημιουργώντας ένα θετικό μισό κύκλο· όταν η τάση μειώνεται, ο διελκτικός ξεφορτώνεται, δημιουργώντας ένα αρνητικό μισό κύκλο. Μια προσεκτική μελέτη της καμπύλης αποκαλύπτει ότι όταν η τάση φθάνει στο μέγιστό της, το ρεύμα πέφτει σε μηδέν, σημαίνοντας ότι δεν ρέει κανένα ρεύμα σε αυτή τη στιγμή. Όταν η τάση μειώνεται στο π και γίνεται αρνητική, το ρεύμα φθάνει στο μέγιστό του, ενεργοποιώντας την ξεφόρτωση του διελκτικού – και αυτός ο κύκλος φόρτωσης-ξεφόρτωσης συνεχίζεται.

Η τάση και το ρεύμα δεν φθάνουν ποτέ στα μέγιστά τους ταυτόχρονα λόγω της 90° διαφοράς φάσης, όπως φαίνεται στο διάγραμμα φάσης όπου το ρεύμα (Im) προηγείται της τάσης (Vm) κατά π/2. Η τακτική δύναμη σε αυτό το κύκλωμα απολυτού διελκτικού ορίζεται από p = vi.

Άρα, μπορεί να συμπεραχθεί από την παραπάνω εξίσωση ότι η μέση δύναμη σε ένα κύκλωμα διελκτικού είναι μηδέν. Η μέση δύναμη σε ένα μισό κύκλο είναι μηδέν λόγω της συμμετρίας της καμπύλης, όπου οι περιοχές των θετικών και αρνητικών κύκλων είναι ίδιες.

Κατά το πρώτο τεταρτημόριο, η δύναμη που παρέχεται από την πηγή αποθηκεύεται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται μεταξύ των πλακών του διελκτικού. Κατά το επόμενο τεταρτημόριο, καθώς το ηλεκτρικό πεδίο αφανίζεται, η αποθηκευμένη ενέργεια επιστρέφεται στην πηγή. Αυτή η κυκλική διαδικασία αποθήκευσης και επιστροφής ενέργειας συνεχίζεται συνεχώς, αποτελώντας μηδενική συνολική κατανάλωση δύναμης από το κύκλωμα διελκτικού.