Een elektrische slinger

Condensatoren slaan energie op in de vorm van een elektrisch veld en manifesteren die opgeslagen energie elektrisch als een potentiaal:statische spanning . Inductoren slaan energie op in de vorm van een magnetisch veld en manifesteren die opgeslagen energie elektrisch als een kinetische beweging van elektronen:stroom .

Condensatoren en inductoren zijn keerzijden van dezelfde reactieve munt, die energie opslaan en vrijgeven in complementaire modi. Wanneer deze twee soorten reactieve componenten direct met elkaar verbonden zijn, zal hun complementaire neiging om energie op te slaan een ongebruikelijk resultaat opleveren.

Als de condensator of de inductor in een geladen toestand begint, wisselen de twee componenten onderling energie uit, heen en weer, waardoor hun eigen wisselspannings- en stroomcycli ontstaan.

Als we aannemen dat beide componenten worden onderworpen aan een plotselinge toepassing van spanning (bijvoorbeeld van een tijdelijk aangesloten batterij), zal de condensator zeer snel opladen en zal de inductor weerstand bieden tegen stroomverandering, waardoor de condensator in de opgeladen toestand blijft en de inductor in de ontladen toestand.

Oorspronkelijke staat:

condensator opgeladen:spanning op (+) piek; spoel ontladen:nulstroom.

De condensator begint te ontladen en de spanning neemt af. Ondertussen begint de spoel een "lading" op te bouwen in de vorm van een magnetisch veld naarmate de stroom in het circuit toeneemt.

Ontlading condensator:spanning neemt af; inductor opladen:stroom neemt toe.

De spoel, die nog steeds aan het opladen is, zal de stroom in het circuit laten stromen totdat de condensator volledig is ontladen, waardoor er nul spanning over blijft.

Condensator volledig ontladen:nulspanning; spoel volledig opgeladen:maximale stroom.

De inductor zal de stroom behouden, zelfs als er geen spanning wordt toegepast. In feite zal het een spanning genereren (zoals een batterij) om de stroom in dezelfde richting te houden. De condensator, die deze stroom ontvangt, begint een lading te accumuleren in de tegenovergestelde polariteit als voorheen.

Opladen van condensator:toenemende spanning (in tegengestelde polariteit); spoel ontladen:stroom neemt af.

Wanneer de inductor eindelijk zijn energiereserve heeft uitgeput en de elektronen tot stilstand komen, zal de condensator de volledige (spannings)lading hebben bereikt in de tegenovergestelde polariteit als toen hij begon.

Condensator volledig opgeladen:spanning op (-) piek; spoel volledig ontladen:nulstroom.

Nu bevinden we ons in een toestand die erg lijkt op waar we begonnen:de condensator volledig opgeladen en nulstroom in het circuit. De condensator begint, net als voorheen, te ontladen via de inductor, wat een toename van de stroom veroorzaakt (in de tegenovergestelde richting als voorheen) en een afname van de spanning omdat het zijn eigen energiereserve uitput.

Ontlading condensator:spanning neemt af; inductor opladen:stroom neemt toe.

Uiteindelijk zal de condensator ontladen tot nul volt, waardoor de spoel volledig geladen blijft met volledige stroom erdoorheen.

Condensator volledig ontladen:nulspanning; spoel volledig opgeladen:stroom op (-) piek.

De inductor, die de stroom in dezelfde richting wil houden, zal weer als een bron werken en een spanning genereren zoals een batterij om de stroom voort te zetten. Door dit te doen, zal de condensator beginnen op te laden en zal de stroom in grootte afnemen.

Opladen condensator:spanningsverhoging; spoel ontladen:stroom neemt af.

Uiteindelijk zal de condensator weer volledig worden opgeladen omdat de inductor al zijn energiereserves verbruikt om de stroom te behouden. De spanning zal weer op zijn positieve piek zijn en de stroom op nul. Dit voltooit een volledige cyclus van de energie-uitwisseling tussen de condensator en de spoel.

Condensator volledig opgeladen:spanning op (+) piek; spoel volledig ontladen:nulstroom.

Deze oscillatie zal doorgaan met een gestaag afnemende amplitude als gevolg van vermogensverliezen door verdwaalde weerstanden in het circuit, totdat het proces helemaal stopt.

Over het algemeen is dit gedrag vergelijkbaar met dat van een slinger:terwijl de slingermassa heen en weer zwaait, vindt er een transformatie van energie plaats van kinetisch (beweging) naar potentieel (hoogte), op dezelfde manier als de manier waarop energie wordt overgedragen in het condensator/spoelcircuit heen en weer in de afwisselende vormen van stroom (kinetische beweging van elektronen) en spanning (potentiële elektrische energie).

Op de piekhoogte van elke slingerbeweging stopt de massa even en verandert van richting. Op dit punt is de potentiële energie (hoogte) maximaal en is de kinetische energie (beweging) nul.

Terwijl de massa de andere kant op zwaait, gaat deze snel door een punt waar de snaar recht naar beneden wijst. Op dit punt is de potentiële energie (hoogte) nul en is de kinetische energie (beweging) maximaal. Net als het circuit, zal de heen-en-weer oscillatie van een slinger doorgaan met een gestaag gedempte amplitude, het resultaat van luchtwrijving (weerstand) die energie dissipeert.

Net als het circuit volgen de positie- en snelheidsmetingen van de slinger in de loop van de tijd twee sinusgolven (90 graden uit fase).

Slinger brengt energie over tussen kinetische en potentiële energie terwijl deze van laag naar hoog zwaait.

In de natuurkunde wordt dit soort natuurlijke sinusgolfoscillatie voor een mechanisch systeem Simple Harmonic Motion genoemd. (vaak afgekort als “SHM”). Dezelfde onderliggende principes regelen zowel de oscillatie van een condensator/inductorcircuit als de actie van een slinger, vandaar de gelijkaardige werking.

Het is een interessante eigenschap van elke slinger dat zijn periodieke tijd wordt bepaald door de lengte van de snaar die de massa vasthoudt, en niet door het gewicht van de massa zelf. Daarom zal een slinger met dezelfde frequentie blijven zwaaien als de trillingen in amplitude afnemen. De oscillatiesnelheid is onafhankelijk van de hoeveelheid energie erin opgeslagen.

Hetzelfde geldt voor het condensator/spoelcircuit. De oscillatiesnelheid is strikt afhankelijk van de afmetingen van de condensator en de spoel, niet van de hoeveelheid spanning (of stroom) bij elke respectieve piek in de golven.

Het vermogen van een dergelijk circuit om energie op te slaan in de vorm van oscillerende spanning en stroom heeft het de naam tankcircuit opgeleverd . De eigenschap om een ​​enkele natuurlijke frequentie te behouden, ongeacht hoeveel of weinig energie er daadwerkelijk in wordt opgeslagen, geeft het een speciale betekenis in het ontwerp van elektrische circuits.

Deze neiging om te oscilleren of te resoneren , op een bepaalde frequentie is niet beperkt tot circuits die exclusief voor dat doel zijn ontworpen. In feite zal bijna elk AC-circuit met een combinatie van capaciteit en inductantie (gewoonlijk een "LC-circuit" genoemd) ongebruikelijke effecten vertonen wanneer de frequentie van de AC-stroombron die natuurlijke frequentie nadert.

Dit geldt ongeacht het beoogde doel van het circuit.

Als de voedingsfrequentie voor een circuit exact overeenkomt met de natuurlijke frequentie van de LC-combinatie van het circuit, bevindt het circuit zich in een staat van resonantie . De ongebruikelijke effecten zullen het maximum bereiken in deze toestand van resonantie.

Om deze reden moeten we kunnen voorspellen wat de resonantiefrequentie zal zijn voor verschillende combinaties van L en C, en ons bewust zijn van de effecten van resonantie.

BEOORDELING:

• Een condensator en een spoel die direct met elkaar verbonden zijn, vormen een tankcircuit , die oscilleert (of resoneert) ) op een bepaalde frequentie. Bij die frequentie wordt energie afwisselend geschud tussen de condensator en de inductor in de vorm van wisselspanning en stroom die 90 graden uit fase met elkaar zijn.
• Als de voedingsfrequentie voor een wisselstroomcircuit exact overeenkomt met de natuurlijke oscillatiefrequentie van dat circuit, zoals ingesteld door de L- en C-componenten, is er een toestand van resonantie zal zijn bereikt.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Grondbeginselen van radiocommunicatie
• Resonantie-werkblad