Elektrische Slinger: Hoe Condensatoren en Spoelen Energie Uitwisselen

Condensatoren slaan energie op in de vorm van een elektrisch veld, en manifesteren die opgeslagen energie elektrisch als een potentiaal: statische spanning. Spoelen 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 spoelen zijn de keersides van dezelfde reactieve munt, die energie opslaan en vrijgeven in complementaire modi. Wanneer deze twee typen reactieve componenten direct met elkaar verbonden worden, zullen hun complementaire neigingen om energie op te slaan een ongewone resultaat produceren.

Als ofwel de condensator of de spoel begint in een geladen toestand, zullen de twee componenten energie tussen zich heen en weer uitwisselen, creërend hun eigen AC-spannings- en stroomcycli.

Als we aannemen dat beide componenten worden blootgesteld aan een plotselinge toepassing van spanning (zeg, van een momentaan aangesloten batterij), zal de condensator heel snel opladen en de spoel verandering in stroom weerstaan, wat de condensator in de geladen toestand laat en de spoel in de ontladen toestand.

Initiële Toestand:

Condensator geladen: spanning op (+) piek; spoel ontladen: nul stroom.

De condensator zal beginnen te ontladen, de spanning daalt. Tussenwhile begint de spoel een "lading" op te bouwen in de vorm van een magnetisch veld toenemende stroom in de stroom.

Condensator ontladend: spanning dalend; spoel ladend: stroom toenemend.

De spoel, nog steeds ladend, zal stroom in de stroom laten vloeien tot de volledig ontladen is, wat nul spanning erover laat.

Condensator volledig ontladen: nul spanning; spoel volledig geladen: maximum stroom.

De spoel zal stroomdoorloop handhaven zelfs zonder aangelegde spanning. In feite zal het een spanning opwekken (als een batterij) om de stroom in dezelfde richting te laten lopen. De condensator, als ontvanger van deze stroom, zal beginnen een lading op te bouwen in de tegengestelde polariteit als voorheen.

Condensator ladend: spanning stijgend (in tegengestelde polariteit); spoel ontladend: stroom afnemend.

Wanneer de spoel ten slotte ontdaan is van zijn energiereserve en de elektronen tot stilstand komen, zal de condensator volledige (spannings)lading bereikt hebben in de tegengestelde polariteit als toen het begon.

Condensator volledig geladen: spanning op (-) piek; spoel volledig ontladen: nul stroom.

Nu zijn we in een toestand heel vergelijkbaar met waar we begonnen: de condensator volgeladen en nul stroom in de stroom. De condensator, zoals eerder, zal beginnen te ontladen door de spoel, wat een toename in stroom (in de tegengestelde richting als voorheen) en een daling in spanning veroorzaakt naarmate het zijn eigen energiereserve opbruikt.

Condensator ontladend: spanning dalend; spoel ladend: stroom toenemend.

Uiteindelijk zal de condensator ontladen tot nul volt, wat de spoel volledig geladen laat met volle stroom doorheen.

Condensator volledig ontladen: nul spanning; spoel volledig geladen: stroom op (-) piek.

De spoel, verlangend de stroom in dezelfde richting te handhaven, zal weer als een bron optreden, een spanning opwekken als een batterij om de stroom voort te zetten. In dit doen, zal de condensator beginnen op te laden en de stroom zal in grootte afnemen.

Condensator ladend: spanning stijgend; spoel ontladend: stroom afnemend.

Uiteindelijk zal de condensator weer volledig geladen raken naarmate de spoel al zijn energiereserves opbruikt in de poging stroom te handhaven. De spanning zal opnieuw op zijn positieve piek zijn en de stroom op nul. Dit voltooit één volledige cyclus van de energie-uitwisseling tussen de condensator en spoel.

Condensator volledig geladen: spanning op (+) piek; spoel volledig ontladen: nul stroom.

Deze oscillatie zal voortduren met stelselmatig afnemende amplitude door energievals door afwijkende weerstanden in de stroom, tot het proces volledig stopt.

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

Op de piekhoogte van elke zwaai van een slinger stopt de massa kort en wisselt van richting. Op dit punt is potentiele energie (hoogte) maximaal en kinetische energie (beweging) nul.

Als de massa de andere kant op zwaait, passeert het snel een punt waar de touw recht naar beneden wijst. Op dit punt is potentiele energie (hoogte) nul en kinetische energie (beweging) maximaal. Net als de stroom, zal de slinger zijn heen-en-weer oscillatie voortzetten met een stelselmatig gedempte amplitude, het resultaat van luchtwrijving (weerstand) die energie dissipeert.

Ook net als de stroom, traceren de positie en snelheidsmetingen van de slinger twee sinusgolven (90 graden uit fase) over de tijd.

Slinger overdraagt energie tussen kinetische en potentiele energie als het zwaait laag naar hoog.

In de natuurkunde heet dit soort natuurlijke sinusgolf-oscillatie voor een mechanisch systeem Eenvoudige Harmonische Beweging (vaak afgekort als "SHM"). Dezelfde onderliggende principes regeren zowel de oscillatie van een condensator/spoel stroom als de werking van een slinger, vandaar de gelijkenis in effect.

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

Hetzelfde geldt voor de condensator/spoel stroom. De oscillatiesnelheid is strikt afhankelijk van de groottes van de condensator en spoel, niet van de hoeveelheid spanning (of stroom) op elk respectievelijk piek in de golven.

De vermogen van zo'n stroom om energie op te slaan in de vorm van oscillerende spanning en stroom heeft het de naam tankstroom verdiend. Zijn eigenschap om een enkele, natuurlijke frequentie te handhaven ongeacht hoeveel of weinig energie er daadwerkelijk in opgeslagen zit, geeft het bijzondere betekenis in elektrisch stroomontwerp.

Echter, deze neiging te oscilleren, of te resoneren, op een bepaalde frequentie is niet beperkt tot stromingen exclusief ontworpen voor dat doel. In feite zal bijna elke AC-stroom met een combinatie van capaciteit en inductie (vaak een "LC-stroom" genoemd) neigen om ongewone effecten te manifesteren wanneer de AC-voedingsfrequentie die natuurlijke frequentie benadert.

Dit is waar ongeacht het beoogde doel van de stroom.

Als de voedingsfrequentie voor een stroom precies overeenkomt met de natuurlijke oscillatiefrequentie van de stroom zijn LC-combinatie, wordt gezegd dat de stroom in een toestand van resonantie verkeert. De ongewone effecten zullen maximum bereiken in deze toestand van resonantie.

Om deze reden moeten we in staat zijn te voorspellen wat de resonante frequentie zal zijn voor diverse combinaties van L en C, en bewust zijn van wat de effecten van resonantie zijn.

HERZIENING:

• Een condensator en spoel direct met elkaar verbonden vormen een tankstroom, die oscilleert (of resoneert) op één specifieke frequentie. Op die frequentie wordt energie afwisselend tussen de condensator en de spoel geschoven in de vorm van wisselende spanning en stroom 90 graden uit fase met elkaar.
• Wanneer de voedingsfrequentie voor een AC-stroom precies overeenkomt met die stroom zijn natuurlijke oscillatiefrequentie zoals ingesteld door de L en C componenten, is een toestand van resonantie bereikt.

GERELATEERDE WERKBLADEN:

• Fundamentelen van Radio Communicatie Werkblad
• Resonantie Werkblad