Pendulul electric

Pendulul electric

Scop

Condensatoarele stocheaza energie sub forma de camp electric, iar aceasta energie stocata se manifesta electric sub forma de potential: tensiune statica. Bobinele stocheaza energie sub forma de camp magnetic, iar aceasta energie stocata se manifesta electric sub forma cinetica: curent. Ambele elemente sunt insa fetele opuse ale aceleiasi monede; ambele sunt elemente reactive ce stocheaza si elibereaza energie in doua moduri complementare. Cand aceste doua tipuri de componente reactive sunt conectate impreuna, rezultatul modului lor complementar de stocare a energiei este unul neobisnuit.

Descriere

Condensator incarcat, bobina descarcata

Daca unul dintre cele doua componente, fie condensatorul, fie bobina, este initial incarcat, cele doua componente vor schimba energie intre ele, de la unul la altul, creand propria lor tensiune si curent alternativ. Daca presupunem ca ambele componente sunt supuse unei tensiuni aplicate brusc (de la o baterie, de exemplu), condensatorul se va incarca foarte repede, iar bobina se va opune variatiei curentului; prin urmare condensatorul va fi incarcat, iar bobina descarcata.

Descarcarea condensatorului si incarcarea bobinei

Condensatorul va incepe sa-si descarce energia inmagazinata pe bobina, prin urmare, tensiunea va descreste. Intre timp, bobina va conduce curent electric si va inmagazina energie sub forma de camp magnetic; rezultatul este cresterea curentului in circuit.

Condensator descarcat, bobina incarcata

Bobina va continua sa se incarce si sa mentina curgerea electronilor in circuit pana cand condensatorul va fi complet descarcat (tensiune zero la bornele sale).

Incarcarea condensatorului si descarcarea bobinei

Bobina va mentine curentul chiar si fara existenta unei tensiuni aplicate la bornele sale; de fapt, va genera o tensiune (precum o baterie) pentru mentinerea directiei curentului. Condensatorul, fiind elementul ce primeste acest curent, va incepe sa acumuleze o sarcina de polaritate inversa fata de polaritatea sa initiala.

Condensator incarcat la polaritate inversa, bobina descarcata

Atunci cand curentul prin bobina se epuizeaza iar energia inmagazinata ajunge la zero, tensiunea condensatorului va fi maxima, si de polaritate opusa tensiunii initiale.

Descarcarea condensatorului si incarcarea bobinei

Am ajuns acum la o situatie foarte similara celei initiale: condensatorul este complet incarcat iar curentul prin circuit este zero (bobina descarcata). Condensatorul va incepe (din nou) sa se descarce prin/pe bobina, ducand la cresterea curentului (in directie opusa fata de cazul initial) si descresterea tensiunii pe masura ce energia inmagazinata de condensator tinde spre zero.

Condensator descarcat si bobina incarcata la un curent invers

Intr-un final, condensatorul se va descarca complet (zero volti), iar bobina va deveni incarcata complet (curent maxim).

Condensatorul se incarca si bobina se descarca

Bobina, incercand sa mentina directia curentului, se va comporta din nou precum o sursa, generand tensiune electrica precum o baterie pentru mentinerea acestuia. In acest fel, condensatorul va incepe sa se incarce din nou, iar amplitudinea curentului din circuit va descreste din nou.

Condensator incarcat complet, bobina descarcata complet (situatia initiala)

Pana la urma condensatorul se va incarca complet (din nou) pe masura ce energia bobinei se apropie de zero. Tensiunea se va afla din nou la valoarea maxima pozitiva, iar curentul la zero. Acest ultim pas duce la completarea unei perioade pe parcursul carei cele doua componente au schimbat intre ele aceeasi energie electrica.

Explicatie

Aceasta oscilatie a energiei de la un component la altul va continua cu o amplitudine a semnalelor din ce in ce mai mica, descrestere datorata pierderilor de putere cauzate de rezistentele parazite din circuit, pana cand intregul proces se opreste cu totul. In mare, acest comportament este asemanator comportamentului pendulului: pe masura ce masa pendulului oscileaza inainte si inapoi, exista o transformare continua intre energia cinetica (miscare) si energia potentiala (inaltime), asemanator circuitului format din bobina si condensator.

In punctul in care inaltimea pendulului este maxima, masa acestuia se opreste pentru o scurta perioada de timp, urmata de schimbarea directiei sale de miscare. In acest punct, energia potentiala este maxima iar energia cinetica este zero. Pe masura ce masa oscileaza inapoi, trece rapid printr-un punct in care coarda este directionata perpendicular pe directia pamantului. In acest punct, energia potentiala este zero iar energia cinetica este la valoarea sa maxima. Precum un circuit, oscilatia inainte si inapoi a pendulului va continua cu o amplitudine a oscilatiilor din ce in ce mai mica, descrestere datorata frecarii cu aerul (rezistenta) ce disipa energie. Tot precum in cazul circuitului de mai sus, pozitia si viteza pendulului trasate pe un grafic (timp-amplitudine) contureaza doua unde sinusoidale defazate intre ele cu 90⁰.

In fizica, aceasta oscilatie sinusoidala naturala este cunoscuta sub numele de miscare armonica simpla. Aceleasi principii stau insa si la baza circuitelor formate din condensator si bobina, de genul celui vazut mai sus. O proprietate interesanta al oricarui tip de pendul, este ca perioada sa depinde de lungimea bratului si nu de greutatea masei de la capatul acesteia. De aceea pendulul va continua sa oscileze la aceeasi frecventa pe masura ce amplitudinea oscilatiilor scade. Rata oscilatiilor este independenta de cantitatea de energie stocata in pendul.

Acelasi lucru este valabil si pentru circuitul bobina/condensator. Rata oscilatiilor este strict dependenta de marimea condensatorului si a bobinei, si nu de cantitatea de tensiune (sau curent) disponibila in circuit. Proprietatea sa de a mentine o singura frecventa, naturala, indiferent de valoarea energiei stocate, este de o mare importanta in realizarea circuitelor electrice.

Frecventa naturala (de rezonanta)

Frecventa naturala reprezinta frecventa la care sistemul "vibreaza" dupa ce acesta a fost pus in miscare, fara sa existe vreo interventie din afara acestuia. Acesta frecventa mai poarta si numele de frecventa de rezonanta.

Rezonanta

Daca frecventa sursei de alimentare a circuitului este exact frecventa naturala de oscilatie a combinatiei LC, spunem ca circuitul se afla intr-o stare de rezonanta. Efectele neobisnuite vor atinge un maxim in aceasta conditie de rezonanta. Din acest motiv, trebuie sa calculam din timp frecventa de rezonanta pentru diferite combinatii de L si C, si sa tinem cont de efectele acesteia asupra circuitului.

Observatie

Totusi, aceasta tendinta de oscilatie, sau rezonanta, la o anumita frecventa, nu este limitata doar la circuitele concepute special in acest scop. De fapt, aproape orice circuit de curent alternativ ce contine o combinatie de capacitati si inductivitati (circuit "LC") tinde sa manifeste efecte neobisnuite atunci cand frecventa sursei de alimentare in curent alternativ se apropie de frecventa naturala. Acest lucru este valabil indiferent de scopul pentru care circuitul a fost creat.