Tres paràmetres fonamentals-Resistència, inductància i capacitat

Les resistències (R), els inductors (L) i els condensadors (C) són els tres components principals i paràmetres bàsics de tots els circuits. Cap circuit elèctric pot funcionar sense almenys un d'ells. Val la pena assenyalar que els elements ideals del circuit són diferents dels components físics reals. Un element de circuit és un model ideal simplificat dissenyat per representar una característica elèctrica específica d'un dispositiu físic. En resum, els símbols estandarditzats s'utilitzen als diagrames de circuits per reflectir les propietats elèctriques dels equips i components reals. Per exemple, els dispositius de calefacció com les càrregues resistives, els forns elèctrics i les barres de calefacció es poden representar mitjançant el model d'elements resistius en l'anàlisi de circuits.

 

Tot i així, certs dispositius elèctrics no es poden modelar per un sol element de circuit. Els bobinatges del motor són un exemple típic. Essencialment estructures de bobina, els bobinatges es poden representar per un inductor. Tanmateix, també vénen amb una resistència inherent. Per aquest motiu, cal afegir una resistència per reflectir aquesta propietat resistiva. En conseqüència, quan es construeix un model de circuit per a bobinats de motor, s'expressen com una combinació en sèrie de resistència i inductància.

 

La resistència és el paràmetre elèctric més senzill i intuïtiu. D'acord amb la llei d'Ohm, la seva fórmula de càlcul és (R=U/I). En un circuit, la resistència actua com un obstacle al flux de corrent. Com més gran sigui el valor de la resistència, més forta serà la inhibició del corrent elèctric. Com que les característiques de la resistència són relativament senzilles, passarem a elaborar la inductància i la capacitat.

 

1. Què són la inductància i la capacitat?

Com s'ha esmentat anteriorment, la inductància i la capacitat, igual que la resistència, són paràmetres i components essencials del circuit, però adopten diferents unitats de mesura.

 

La inductància es denota amb la lletraL, amb la unitat de l'enric (H). Defineix la capacitat d'una bobina per generar un camp magnètic. En altres paraules, quan el corrent d'entrada es manté constant, una bobina amb major inductància produirà un camp magnètic més fort. En comparació, la resistència caracteritza l'oposició d'un component al corrent. Sota una tensió fixa, una resistència més alta condueix a un corrent de funcionament més baix.

 

La capacitat està marcada amb la lletraC, mesurat en farads (F). Descriu la capacitat d'un condensador per emmagatzemar càrrega elèctrica i energia elèctrica. Amb una tensió aplicada constant, un condensador amb una capacitat més gran pot emmagatzemar més energia elèctrica.

 

De la mateixa manera, els components inductius també tenen capacitats d'emmagatzematge d'energia. Un camp magnètic més fort comporta una major energia magnètica. Com que els camps magnètics contenen energia, poden exercir força mecànica sobre els imants propers i treballar-hi.

 

2. La relació entre inductància, capacitat i resistència

En essència, la inductància i la capacitat no tenen una correlació inherent amb la resistència, i les seves unitats de mesura són totalment independents. Aquesta distinció, però, es fa destacada en els circuits de corrent altern (AC).

 

En els circuits de corrent continu (DC), els inductors funcionen com a curtcircuits, mentre que els condensadors actuen com a circuits oberts. En els circuits de CA, tanmateix, tant els inductors com els condensadors generen una oposició al corrent depenent de la freqüència-. Aquest tipus d'efecte-limitador de corrent no s'anomena resistència, però reactància, representada pel símbol X. L'oposició reactiva produïda per un inductor es defineix com a reactància inductiva ((XL)), i la generada per un condensador és reactància capacitiva ((XC)).

 

Tant la reactància inductiva com la capacitiva comparteixen la mateixa unitat que la resistència: l'ohm. Les tres magnituds inhibeixen el flux de corrent als circuits. La diferència clau rau en la dependència de la freqüència: la resistència es manté constant independentment de la freqüència, mentre que la reactància inductiva i capacitiva canvia a mesura que la freqüència fluctua. Bàsicament, la reactància en circuits de CA sorgeix de la variació contínua d'energia causada pel canvi de voltatge i corrent.

 

Per als inductors, el corrent fluctuant condueix a canvis continus en els seus camps magnètics i l'energia emmagatzemada. Seguint la llei de la inducció electromagnètica, un camp magnètic induït sempre contraresta els canvis en el camp magnètic original. A mesura que augmenta la freqüència de funcionament, aquest efecte contraactiu s'intensifica, donant lloc a una reactància inductiva més alta.

 

Quan la tensió a través d'un condensador fluctua, la càrrega elèctrica de les seves plaques es desplaça en conseqüència. Com més ràpid canvia el voltatge, més ràpid i més intens es mou la càrrega entre les plaques. El flux dirigit de càrrega elèctrica és exactament el corrent elèctric. En poques paraules, les variacions de tensió més ràpides produeixen un corrent capacitiu més gran, el que significa una inhibició del corrent més feble per part del condensador i una reactància capacitiva més baixa.

 

Per concloure, la reactància inductiva és directament proporcional a la freqüència, mentre que la reactància capacitiva és inversament proporcional a la freqüència.

 

3. Diferències de potència entre inductància, capacitat i resistència

Els elements resistius consumeixen energia contínuament tant en circuits de CC com de CA, on la tensió i el corrent romanen perfectament en fase. El diagrama de corba següent il·lustra les característiques de tensió, corrent i potència d'una resistència en un circuit de CA. Com es mostra al gràfic, la potència resistiva és sempre superior o igual a zero, cosa que indica que les resistències absorbeixen i consumeixen constantment energia elèctrica.

 

 

En els circuits de CA, la potència dissipada per les resistències s'anomena potència mitjana, o més comunament, potència activa, indicada amb la lletra majúscula P. La potència activa reflecteix exclusivament el consum d'energia dels components elèctrics. Per a qualsevol dispositiu que consumeixi electricitat, la potència activa quantifica la magnitud i la velocitat de la seva pèrdua d'energia.

 

En canvi, els inductors i els condensadors no consumeixen energia elèctrica neta. Només emmagatzemen i alliberen energia cíclicament. Els inductors absorbeixen energia elèctrica i la converteixen en energia de camp magnètic, després alliberen l'energia magnètica emmagatzemada de nou en energia elèctrica en un cicle repetit. De la mateixa manera, els condensadors converteixen l'energia elèctrica entrant en energia de camp elèctric, i després descarreguen aquesta energia al circuit en forma d'electricitat.

Aquest intercanvi d'energia cíclic entre els components i la font d'alimentació no implica un consum real d'energia, de manera que no es pot quantificar per la potència activa. Per definir aquesta forma especial d'intercanvi d'energia, els físics van introduir el concepte de potència reactiva, representat per la lletra majúscula Q.

 

Tant la potència activa com la potència reactiva cauen sota la definició de "potència", que descriu la velocitat de transferència o conversió d'energia. La potència activa reflecteix la rapidesa amb què una resistència consumeix energia elèctrica. Per exemple, una bombeta de 100 watts consumeix energia el doble de ràpid que una de 50 watts.

La potència reactiva, en canvi, mesura la taxa d'intercanvi d'energia cíclic entre components inductius/capacitius i la xarxa elèctrica. És fonamental emfatitzar el terme intercanvi d'energia. Una potència reactiva més alta significa que els inductors i condensadors treuen més energia alterna de la font d'alimentació, tot i que aquesta energia només s'utilitza per a l'emmagatzematge i alliberament periòdics, en lloc de consumir-se.