Применительно к электрическим цепям, емкость и индуктивность имеют очень важное значение, не менее важное чем активное сопротивление. Но если говоря об активном сопротивлении, мы подразумеваем просто необратимое превращение электрической энергии в тепло, то индуктивность и емкость связаны с процессами накопления и преобразования электрической энергии, поэтому они открывают для электротехники многие полезные практические возможности.
Когда по цепи течет ток, заряженные частицы движутся от места с более высоким электрическим потенциалом — к месту с потенциалом более низким.
Допустим, ток проходит через активное сопротивление, например через вольфрамовую нить накала лампы. По мере движения заряженных частиц непосредственно через вольфрам, энергия данного тока непрерывно рассеивается из-за частых столкновений носителей тока с узлами кристаллической решетки металла.
Здесь можно провести такую аналогию. Валун лежал на вершине лесистой горы (в точке с высоким потенциалом), но вот его подтолкнули с вершины, и он покатился в низину (к уровню более низкого потенциала) через лес, через кусты (активное сопротивление) и т. д.
Сталкиваясь с растениями, валун систематически теряет свою энергию, передает ее кустам и деревьям в моменты столкновений с ними (подобным образом рассеивается тепло на активном сопротивлении), его скорость (величина тока) поэтому ограничена, он просто не успевает как следует разогнаться.
В нашей аналогии валун — это электрический ток, движущиеся заряженные частицы, а растения на его пути — это активное сопротивление проводника; перепад высот — разность электрических потенциалов.
Емкость
Емкость же, в отличие от активного сопротивления, характеризует способность цепи накапливать электрическую энергию в форме статического электрического поля.
Постоянный ток не может продолжать идти как прежде через цепь, обладающую емкостью, пока данная емкость целиком не заполнится. Только когда емкость заполнится — носители заряда смогут двинуться дальше со своей прежней скоростью, определяемой разностью потенциалов и активным сопротивлением цепи.
Здесь для понимания лучше подойдет наглядная гидравлическая аналогия. Водопроводный кран присоединен к водопроводу (источник тока), кран открыт, и вода с определенным напором вытекает, падает на землю. Здесь нет никакой дополнительной емкости, расход воды (величина тока) постоянен и нет причин для замедления воды, то есть для уменьшения скорости ее расхода.
Но что если прямо под кран поставить широкую бочку (в нашей аналогии - добавить в цепь емкость, конденсатор), ее ширина значительно больше диаметра струи воды.
Теперь наполняется бочка (заряжается емкость, заряд накапливается на обкладках конденсатора, между обкладками усиливается электрическое поле), а на землю вода не попадает. Когда же бочка заполнится водой до краев (конденсатор зарядится), только тогда вода начнет с прежним уровнем расхода стекать через края бочки на землю. Такова роль емкости или конденсатора.
Бочку можно при желании опрокинуть, кратковременно создав многократно больший напор чем просто из крана (быстро разрядить конденсатор), однако количество воды, взятой из крана, не прибавится.
Набирая и затем опрокидывая бочку (длительно заряжая и быстро разряжая конденсатор), мы можем изменить режим расхода воды (электрического заряда, электрической энергии). Поскольку бочка наполняется водой медленно, и ее край будет достигнут через какое-то время, то говорят, что при зарядке емкости ток опережает напряжение (в нашей аналогии напряжение — это высота, на которой расположен край носика крана).
Индуктивность
Индуктивность, в отличие от емкости, накапливает электрическую энергию не в статической, а в кинетической форме.
Когда ток течет через катушку индуктивности, заряд в ней не накапливается как в емкости, он продолжает двигаться по цепи, зато вокруг катушки усиливается связанное с током магнитное поле, индукция которого пропорциональна величине тока.
Когда к катушке приложено электрическое напряжение, ток в катушке нарастает медленно, магнитное поле запасает энергию не мгновенно, а постепенно, и этот процесс мешает носителям заряда разогнаться. Поэтому говорят, что в индуктивности ток отстает от напряжения. Однако в конце концов ток достигает такого значения, которое становится ограничено лишь активным сопротивлением цепи, в которую включена данная катушка.
Если катушку с установившимся током в какой-то момент резко отключить от цепи, ток не сможет остановиться мгновенно, однако начнет быстро замедляться, а на выводах катушки возникнет разность потенциалов тем большая, чем быстрее остановится ток, то есть чем быстрее исчезнет магнитное поле этого тока.
Здесь подойдет такая гидравлическая аналогия. Представим себе водопроводный кран, на носик которого надет шар из очень эластичной и мягкой резины.
Снизу на шаре есть трубочка, ограничивающая напор воды из шара на землю. Если водопроводный кран открыт, то шар довольно сильно надуется, а вода устремится через трубочку тоненькой струйкой но с большой скоростью, она будет с брызгами врезаться в землю.
Расход воды неизменен. Ток через большую индуктивность течет, при этом запас энергии в магнитном поле велик (шар надут водой). Когда вода только начинает течь из крана, шар надувается, таким же образом индуктивность запасает энергию в магнитном поле когда ток начинает усиливаться.
Если теперь отсоединить шар от крана, заткнуть его с той стороны, где он был присоединен к крану, и перевернуть, то вода из трубочки сможет достичь значительно большей высоты чем высота крана, поскольку вода в надутом шаре находится под давлением. Подобным образом индуктивности используются в повышающих импульсных преобразователях.
Андрей Повный