שלושה פרמטרים בסיסיים-התנגדות, השראות וקיבול

נגדים (R), משרנים (L) וקבלים (C) הם שלושת הרכיבים העיקריים ופרמטרי הליבה בכל המעגלים. אף מעגל חשמלי לא יכול לפעול ללא לפחות אחד מהם. ראוי לציין כי רכיבי מעגל אידיאליים שונים ממרכיבים פיזיים אמיתיים. אלמנט מעגל הוא מודל אידיאלי פשוט שנועד לייצג מאפיין חשמלי ספציפי של מכשיר פיזי. בקיצור, סמלים סטנדרטיים משמשים בדיאגרמות מעגלים כדי לשקף את התכונות החשמליות של ציוד ורכיבים בפועל. לדוגמה, התקני חימום כגון עומסים התנגדות, תנורים חשמליים ומוטות חימום יכולים להיות מיוצגים על ידי מודל האלמנטים ההתנגדות בניתוח מעגלים.

 

למרות זאת, לא ניתן לעצב מכשירים חשמליים מסוימים על ידי אלמנט מעגל בודד בלבד. פיתולי מנוע משמשים דוגמה טיפוסית. בעצם מבני סליל, פיתולים יכולים להיות מיוצגים על ידי משרן. עם זאת, הם מגיעים גם עם התנגדות אינהרנטית. מסיבה זו, יש להוסיף נגד שישקף תכונה התנגדות זו. בהתאם לכך, בעת בניית מודל מעגלים לפיתולי מנוע, הם מתבטאים כשילוב סדרתי של התנגדות והשראות.

 

התנגדות היא הפרמטר החשמלי הפשוט והאינטואיטיבי ביותר. בהתאם לחוק אוהם, נוסחת החישוב שלו היא (R=U/I). במעגל, ההתנגדות פועלת כמכשול לזרימת הזרם. ככל שערך ההתנגדות גבוה יותר, כך העיכוב שלה על זרם חשמלי חזק יותר. מכיוון שמאפייני ההתנגדות הם פשוטים יחסית, נעבור לפרט על השראות וקיבול.

 

1. מה הם השראות וקיבול?

כפי שהוזכר לעיל, השראות וקיבול, בדיוק כמו התנגדות, הם פרמטרים ורכיבים חיוניים של מעגל, אך הם מאמצים יחידות מדידה שונות.

 

השראות מסומנת באותL, עם היחידה של הנרי (H). הוא מגדיר את יכולתו של סליל ליצור שדה מגנטי. במילים אחרות, כאשר זרם הכניסה נשאר קבוע, סליל עם השראות גדולה יותר יפיק שדה מגנטי חזק יותר. לשם השוואה, התנגדות מאפיינת התנגדות של רכיב לזרם. תחת מתח קבוע, התנגדות גבוהה יותר מובילה לזרם הפעלה נמוך יותר.

 

קיבול מסומן באותC, נמדד בפאראדות (F). הוא מתאר את יכולתו של קבל לאגור מטען חשמלי ואנרגיה חשמלית. עם מתח מופעל קבוע, קבל עם קיבול גדול יותר יכול לאחסן יותר אנרגיה חשמלית.

 

באופן דומה, לרכיבים אינדוקטיביים יש גם יכולות אחסון אנרגיה. שדה מגנטי חזק יותר נושא אנרגיה מגנטית גדולה יותר. מכיוון ששדות מגנטיים מכילים אנרגיה, הם יכולים להפעיל כוח מכני על מגנטים סמוכים ולבצע עליהם עבודה.

 

2. הקשר בין השראות, קיבול והתנגדות

במהות, לשראות ולקיבול אין מתאם מובנה עם התנגדות, ויחידות המדידה שלהם עצמאיות לחלוטין. הבחנה זו, לעומת זאת, הופכת בולטת במעגלי זרם חילופין (AC).

 

במעגלי זרם ישר (DC), משרנים מתפקדים כמעגלים קצרים, בעוד קבלים פועלים כמעגלים פתוחים. עם זאת, במעגלי AC, גם משרנים וגם קבלים מייצרים התנגדות-תלויה בתדר לזרם. סוג זה של אפקט מגביל זרם- אינו נקרא התנגדות, אלא תגובתיות, המיוצגת על ידי הסמל X. האופוזיציה התגובתית המופקת על ידי משרן מוגדרת כתגובתיות אינדוקטיבית ((XL)), וזו שנוצרת על ידי קבל היא תגובתיות קיבולית ((XC)).

 

גם תגובה אינדוקטיבית וגם תגובת קיבולית חולקות את אותה יחידה כמו התנגדות: האוהם. כל שלוש הכמויות מעכבות את זרימת הזרם במעגלים. ההבדל העיקרי טמון בתלות בתדר: ההתנגדות נשארת קבועה ללא קשר לתדר, ואילו התגובה האינדוקטיבית והקיבולית משתנות כאשר התדר משתנה. ביסודו של דבר, תגובתיות במעגלי AC נובעת משונות אנרגיה מתמשכות הנגרמות על ידי שינוי מתח וזרם.

 

עבור משרנים, זרם משתנה מוביל לשינויים מתמשכים בשדות המגנטיים ובאנרגיה האצורה שלהם. בהתאם לחוק האינדוקציה האלקטרומגנטית, שדה מגנטי מושרה תמיד נוגד שינויים בשדה המגנטי המקורי. ככל שתדר ההפעלה עולה, ההשפעה הנגדית הזו מתעצמת, וכתוצאה מכך תגובת אינדוקטיבית גבוהה יותר.

 

כאשר המתח על פני קבל משתנה, המטען החשמלי על הלוחות שלו משתנה בהתאם. ככל שהמתח משתנה מהר יותר, כך הטעינה נעה מהר יותר ובעוצמה רבה יותר בין הלוחות. הזרימה המכוונת של המטען החשמלי היא בדיוק זרם חשמלי. במילים פשוטות, וריאציות מתח מהירות יותר מייצרות זרם קיבולי גדול יותר, כלומר עיכוב זרם חלש יותר על ידי הקבל ותגובה קיבולית נמוכה יותר.

 

לסיכום, תגובת אינדוקטיבית עומדת ביחס ישר לתדר, בעוד שהתגובה הקיבולית היא ביחס הפוך לתדר.

 

3. הבדלי הספק בין השראות, קיבול והתנגדות

אלמנטים התנגדות צורכים חשמל ברציפות הן במעגלי DC והן במעגלי AC, כאשר המתח והזרם נשארים בשלב מושלם. תרשים העקומה להלן ממחיש את מאפייני המתח, הזרם וההספק של נגד במעגל AC. כפי שמוצג בגרף, הספק ההתנגדות תמיד גדול או שווה לאפס, מה שמצביע על כך שנגדים כל הזמן סופגים וצורכים אנרגיה חשמלית.

 

 

במעגלי AC, ההספק המופץ על ידי נגדים מכונה הספק ממוצע, או יותר נפוץ, הספק פעיל, המסומן באות גדולה P. הספק פעיל משקף באופן בלעדי את צריכת האנרגיה של רכיבים חשמליים. עבור כל מכשיר שצורך חשמל, הספק פעיל מכמת את גודל וקצב איבוד האנרגיה שלו.

 

לעומת זאת, משרנים וקבלים אינם צורכים אנרגיה חשמלית נטו. הם רק אוגרים ומשחררים אנרגיה באופן מחזורי. משרנים סופגים אנרגיה חשמלית וממירים אותה לאנרגיית שדה מגנטי, ואז משחררים את האנרגיה המגנטית האצורה בחזרה לאנרגיה חשמלית במחזור חוזר. כמו כן, קבלים ממירים אנרגיה חשמלית נכנסת לאנרגיית שדה חשמלי, ומאוחר יותר מפרקים אנרגיה זו בחזרה למעגל בצורה של חשמל.

חילוף אנרגיה מחזורי זה בין רכיבים לספק הכוח אינו כרוך בצריכת אנרגיה ממשית, כך שלא ניתן לכמת אותו על ידי הספק פעיל. כדי להגדיר את הצורה המיוחדת הזו של חילופי כוח, הפיזיקאים הציגו את המושג כוח תגובתי, המיוצג על ידי האות הגדולה Q.

 

גם הספק פעיל וגם הספק תגובתי נכנסים להגדרה של "כוח", המתאר את קצב העברת האנרגיה או ההמרה. כוח פעיל משקף כמה מהר הנגד צורך אנרגיה חשמלית. לדוגמה, נורה של 100 וואט צורכת אנרגיה פי שניים מהר יותר מאשר 50 וואט.

הספק תגובתי, לעומת זאת, מודד את קצב חילופי האנרגיה המחזורית בין רכיבים אינדוקטיביים/קיבוליים לרשת החשמל. חשוב להדגיש את המונח חילופי אנרגיה. הספק תגובתי גבוה יותר פירושו שמשרנים וקבלים שואבים יותר אנרגיה מתחלפת מאספקת החשמל, למרות שאנרגיה זו משמשת רק לאחסון ושחרור תקופתיים, במקום להיות נצרך.