Kolm põhiparameetrit-Takistus, induktiivsus ja mahtuvus

Takistid (R), induktiivpoolid (L) ja kondensaatorid (C) on kõigi vooluahelate kolm peamist komponenti ja põhiparameetrit. Ükski elektriahel ei tööta ilma vähemalt üheta. Väärib märkimist, et ideaalsed vooluahela elemendid erinevad tegelikest füüsilistest komponentidest. Skeemielement on lihtsustatud ideaalne mudel, mis on loodud esindama füüsilise seadme konkreetset elektrilist omadust. Lühidalt öeldes kasutatakse lülitusskeemides standardseid sümboleid tegelike seadmete ja komponentide elektriliste omaduste kajastamiseks. Näiteks kütteseadmeid, nagu takistuslikud koormused, elektriahjud ja küttevardad, saab vooluringi analüüsis esitada takistusliku elemendi mudeliga.

 

Sellegipoolest ei saa teatud elektriseadmeid modelleerida ainult ühe vooluahela elemendiga. Tüüpiliseks näiteks on mootori mähised. Sisuliselt mähised, mähised võivad olla kujutatud induktiivpooliga. Kuid nendega kaasneb ka loomupärane vastupanu. Sel põhjusel tuleb selle takistusliku omaduse kajastamiseks lisada takisti. Vastavalt sellele väljendatakse mootori mähiste vooluringi mudeli koostamisel neid takistuse ja induktiivsuse jadakombinatsioonina.

 

Takistus on kõige lihtsam ja intuitiivsem elektriline parameeter. Ohmi seaduse kohaselt on selle arvutusvalem (R=U/I). Vooluahelas takistab takistus voolu liikumist. Mida suurem on takistuse väärtus, seda tugevam on selle elektrivoolu pärssimine. Kuna takistuse omadused on suhteliselt lihtsad, jätkame induktiivsuse ja mahtuvuse üksikasjalikumalt.

 

1. Mis on induktiivsus ja mahtuvus?

Nagu eespool mainitud, on induktiivsus ja mahtuvus, nagu ka takistus, olulised vooluahela parameetrid ja komponendid, kuid need kasutavad erinevaid mõõtühikuid.

 

Induktiivsus on tähistatud tähegaL, koos henri ühikuga (H). See määrab mähise võime genereerida magnetvälja. Teisisõnu, kui sisendvool jääb konstantseks, tekitab suurema induktiivsusega mähis tugevama magnetvälja. Võrdluseks, takistus iseloomustab komponendi vastuseisu voolule. Fikseeritud pinge korral põhjustab suurem takistus väiksema töövoolu.

 

Mahtuvus on tähistatud tähegaC, mõõdetuna faraadides (F). See kirjeldab kondensaatori võimet salvestada elektrilaengut ja elektrienergiat. Konstantse rakendatud pinge korral suudab suurema mahtuvusega kondensaator salvestada rohkem elektrienergiat.

 

Samamoodi on induktiivkomponentidel ka energia salvestamise võime. Tugevam magnetväli kannab endas suuremat magnetenergiat. Kuna magnetväljad sisaldavad energiat, võivad nad avaldada mehaanilist jõudu lähedalasuvatele magnetitele ja nendega tööd teha.

 

2. Induktiivsuse, mahtuvuse ja takistuse vaheline seos

Sisuliselt ei ole induktiivsusel ja mahtuvusel olemuslikku korrelatsiooni takistusega ning nende mõõtühikud on täiesti sõltumatud. See eristus muutub aga vahelduvvoolu (AC) ahelates silmatorkavaks.

 

Alalisvooluahelates toimivad induktiivpoolid lühistena, kondensaatorid aga avatud ahelatena. Sellegipoolest tekitavad vahelduvvooluahelates nii induktiivpoolid kui ka kondensaatorid sagedusest{1}}sõltuva opositsiooni voolule. Seda tüüpi voolu-piiravat efekti ei nimetata takistuseks, vaid reaktants, mida tähistab sümbol X. Induktiivpooli tekitatud reaktiivne opositsioon on defineeritud kui induktiivreaktiiv ((XL)) ja kondensaatori poolt genereeritav on mahtuvuslik reaktiiv ((XC)).

 

Nii induktiivne kui ka mahtuvuslik reaktiivtakistus jagavad sama ühikut nagu takistus: oomi. Kõik kolm suurust pärsivad voolu liikumist ahelates. Peamine erinevus seisneb sagedussõltuvuses: takistus jääb sagedusest sõltumata konstantseks, samas kui induktiivne ja mahtuvuslik reaktiivtaksus muutuvad sageduse kõikumisel. Põhimõtteliselt tuleneb vahelduvvooluahelate reaktants pidevast energiamuutusest, mis on põhjustatud pinge ja voolu muutumisest.

 

Induktiivpoolide puhul põhjustab kõikuv vool nende magnetväljade ja salvestatud energia pidevaid muutusi. Järgides elektromagnetilise induktsiooni seadust, neutraliseerib indutseeritud magnetväli alati algse magnetvälja muutusi. Töösageduse kasvades see vastuaktiivne efekt intensiivistub, mille tulemuseks on suurem induktiivne reaktants.

 

Kui kondensaatori pinge kõigub, nihkub selle plaatide elektrilaeng vastavalt. Mida kiiremini pinge muutub, seda kiiremini ja intensiivsemalt liigub laeng plaatide vahel. Elektrilaengu suunatud voog on täpselt elektrivool. Lihtsamalt öeldes toodavad kiiremad pingemuutused suurema mahtuvusliku voolu, mis tähendab kondensaatori nõrgemat voolu pärssimist ja madalamat mahtuvuslikku reaktiivsust.

 

Kokkuvõtteks võib öelda, et induktiivne reaktiivsus on otseselt võrdeline sagedusega, samas kui mahtuvuslik reaktiivsus on pöördvõrdeline sagedusega.

 

3. Induktiivsuse, mahtuvuse ja takistuse võimsuse erinevused

Takistavad elemendid tarbivad voolu pidevalt nii alalis- kui ka vahelduvvooluahelates, kus pinge ja vool püsivad ideaalselt faasis. Allolev kõverdiagramm illustreerib vahelduvvooluahelas oleva takisti pinge, voolu ja võimsuse omadusi. Nagu graafikul näidatud, on takistusvõimsus alati suurem kui null või sellega võrdne, mis näitab, et takistid neelavad ja tarbivad pidevalt elektrienergiat.

 

 

Vahelduvvooluahelates nimetatakse takistite poolt hajutatud võimsust keskmiseks võimsuseks või sagedamini aktiivvõimsuseks, mida tähistatakse suure tähega P. Aktiivvõimsus kajastab eranditult elektrikomponentide energiatarbimist. Iga elektrit tarbiva seadme puhul mõõdab aktiivvõimsus selle energiakao suurust ja kiirust.

 

Seevastu induktiivpoolid ja kondensaatorid ei tarbi netoelektrienergiat. Nad salvestavad ja vabastavad energiat ainult tsükliliselt. Induktiivpoolid neelavad elektrienergiat ja muudavad selle magnetvälja energiaks, seejärel vabastavad salvestatud magnetenergia korduva tsükli käigus tagasi elektrienergiaks. Samuti muundavad kondensaatorid sissetuleva elektrienergia elektrivälja energiaks ja vabastavad selle energia hiljem elektri kujul tagasi ahelasse.

See tsükliline energiavahetus komponentide ja toiteallika vahel ei hõlma tegelikku energiatarbimist, seega ei saa seda aktiivvõimsuse järgi kvantifitseerida. Selle elektrivahetuse erivormi määratlemiseks võtsid füüsikud kasutusele reaktiivvõimsuse mõiste, mida tähistab suur täht Q.

 

Nii aktiivvõimsus kui ka reaktiivvõimsus kuuluvad mõiste "võimsus" alla, mis kirjeldab energia ülekande või muundamise kiirust. Aktiivvõimsus näitab, kui kiiresti takisti elektrienergiat tarbib. Näiteks 100-vatine lambipirn tarbib energiat kaks korda kiiremini kui 50-vatine.

Reaktiivvõimsus seevastu mõõdab tsüklilise energiavahetuse kiirust induktiivsete/mahtuvuslike komponentide ja elektrivõrgu vahel. Oluline on rõhutada mõistet energiavahetus. Suurem reaktiivvõimsus tähendab, et induktiivpoolid ja kondensaatorid võtavad toiteallikast rohkem vahelduvat energiat, kuigi seda energiat kasutatakse ainult perioodiliseks salvestamiseks ja vabastamiseks, mitte tarbimiseks.