พารามิเตอร์พื้นฐานสามค่า-ความต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และความจุ

ตัวต้านทาน (R) ตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) เป็นส่วนประกอบหลักสามประการและพารามิเตอร์หลักในทุกวงจร ไม่มีวงจรไฟฟ้าใดสามารถทำงานได้หากไม่มีอย่างน้อยหนึ่งวงจร เป็นที่น่าสังเกตว่าองค์ประกอบของวงจรในอุดมคตินั้นแตกต่างจากส่วนประกอบทางกายภาพจริง องค์ประกอบวงจรเป็นแบบจำลองในอุดมคติที่เรียบง่ายซึ่งออกแบบมาเพื่อแสดงคุณลักษณะทางไฟฟ้าเฉพาะของอุปกรณ์ทางกายภาพ กล่าวโดยย่อ สัญลักษณ์มาตรฐานจะถูกใช้ในแผนภาพวงจรเพื่อสะท้อนคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอุปกรณ์และส่วนประกอบจริง ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ทำความร้อน เช่น โหลดตัวต้านทาน เตาไฟฟ้า และแท่งทำความร้อนสามารถแสดงด้วยแบบจำลององค์ประกอบตัวต้านทานในการวิเคราะห์วงจร

 

ถึงกระนั้น อุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิดก็ไม่สามารถสร้างแบบจำลองด้วยองค์ประกอบวงจรเดียวเพียงอย่างเดียวได้ ขดลวดมอเตอร์เป็นตัวอย่างทั่วไป โดยพื้นฐานแล้วโครงสร้างขดลวด ขดลวดสามารถแสดงโดยตัวเหนี่ยวนำ อย่างไรก็ตาม พวกเขายังมาพร้อมกับการต่อต้านโดยธรรมชาติอีกด้วย ด้วยเหตุนี้จึงต้องเพิ่มตัวต้านทานเพื่อสะท้อนถึงคุณสมบัติต้านทานนี้ ดังนั้น เมื่อสร้างแบบจำลองวงจรสำหรับขดลวดมอเตอร์ ขดลวดมอเตอร์จะแสดงเป็นชุดค่าผสมของความต้านทานและความเหนี่ยวนำ

 

ความต้านทานเป็นพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่ง่ายและใช้งานง่ายที่สุด ตามกฎของโอห์ม สูตรการคำนวณคือ (R=U/I) ในวงจร ความต้านทานทำหน้าที่เป็นอุปสรรคต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า ยิ่งค่าความต้านทานสูง การยับยั้งกระแสไฟฟ้าก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น เนื่องจากลักษณะของความต้านทานค่อนข้างตรงไปตรงมา เราจะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้าต่อไป

 

1. ตัวเหนี่ยวนำและความจุคืออะไร?

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น ตัวเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้า เช่นเดียวกับความต้านทาน คือพารามิเตอร์และส่วนประกอบของวงจรที่จำเป็น แต่พวกมันใช้หน่วยการวัดที่แตกต่างกัน

 

ตัวเหนี่ยวนำแสดงด้วยตัวอักษรLด้วยหน่วยของเฮนรี่ (H) กำหนดความสามารถของคอยล์ในการสร้างสนามแม่เหล็ก กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อกระแสอินพุตคงที่ ขดลวดที่มีความเหนี่ยวนำมากกว่าจะสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงกว่า จากการเปรียบเทียบ ความต้านทานจะแสดงลักษณะของการต่อต้านของส่วนประกอบต่อกระแสไฟฟ้า ภายใต้แรงดันไฟฟ้าคงที่ ความต้านทานที่สูงขึ้นจะทำให้กระแสไฟฟ้าในการทำงานลดลง

 

ความจุจะถูกทำเครื่องหมายด้วยตัวอักษรCวัดเป็นฟารัด (F) อธิบายความสามารถของตัวเก็บประจุในการเก็บประจุไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้คงที่ ตัวเก็บประจุที่มีความจุมากกว่าสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากขึ้น

 

ในทำนองเดียวกัน ส่วนประกอบอุปนัยก็มีความสามารถในการกักเก็บพลังงานเช่นกัน สนามแม่เหล็กที่แรงกว่าจะพาพลังงานแม่เหล็กได้มากกว่า เนื่องจากสนามแม่เหล็กมีพลังงานอยู่ จึงสามารถออกแรงทางกลกับแม่เหล็กที่อยู่ใกล้เคียงและดำเนินการกับแม่เหล็กเหล่านั้นได้

 

2. ความสัมพันธ์ระหว่างตัวเหนี่ยวนำ ความจุ และความต้านทาน

โดยพื้นฐานแล้ว ความเหนี่ยวนำและความจุไม่มีความสัมพันธ์กับความต้านทานโดยธรรมชาติ และหน่วยการวัดมีความเป็นอิสระโดยสิ้นเชิง อย่างไรก็ตามความแตกต่างนี้มีความโดดเด่นในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ (AC)

 

ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ตัวเหนี่ยวนำทำหน้าที่เป็นวงจรไฟฟ้าลัดวงจร ในขณะที่ตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นวงจรเปิด อย่างไรก็ตาม ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ทั้งตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุจะสร้างความถี่-ซึ่งตรงกันข้ามกับกระแส เอฟเฟกต์การจำกัดกระแสประเภทนี้-ไม่เรียกว่าแนวต้าน แต่ รีแอกแตนซ์แสดงด้วยสัญลักษณ์ X ฝ่ายค้านรีแอกทีฟที่สร้างโดยตัวเหนี่ยวนำถูกกำหนดให้เป็นรีแอกแทนซ์แบบเหนี่ยวนำ ((XL)) และที่สร้างโดยตัวเก็บประจุคือรีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟ ((XC))

 

รีแอคแทนซ์ทั้งแบบอุปนัยและแบบคาปาซิทีฟใช้หน่วยเดียวกันกับความต้านทาน: โอห์ม ปริมาณทั้งสามจะยับยั้งการไหลของกระแสในวงจร ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่การพึ่งพาความถี่: ความต้านทานยังคงที่โดยไม่คำนึงถึงความถี่ ในขณะที่รีแอกแทนซ์แบบอุปนัยและแบบคาปาซิทีฟจะเปลี่ยนไปเมื่อความถี่ผันผวน โดยพื้นฐานแล้ว รีแอกแตนซ์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับเกิดจากการแปรผันของพลังงานอย่างต่อเนื่องที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงแรงดันและกระแส

 

สำหรับตัวเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าที่ผันผวนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในสนามแม่เหล็กและพลังงานที่สะสมไว้ ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำจะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กดั้งเดิมเสมอ เมื่อความถี่ในการทำงานเพิ่มขึ้น ผลตอบโต้นี้จะรุนแรงขึ้น ส่งผลให้ปฏิกิริยาอินดักทีฟสูงขึ้น

 

เมื่อแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวเก็บประจุผันผวน ประจุไฟฟ้าบนเพลตจะเปลี่ยนไปตามนั้น ยิ่งแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงเร็วเท่าใด ประจุก็จะเคลื่อนที่ระหว่างแผ่นได้เร็วและเข้มข้นมากขึ้นเท่านั้น กระแสประจุไฟฟ้าโดยตรงคือกระแสไฟฟ้านั่นเอง พูดง่ายๆ ก็คือ การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่เร็วขึ้นจะทำให้เกิดกระแสคาปาซิทีฟที่มากขึ้น ซึ่งหมายความว่าตัวเก็บประจุจะยับยั้งกระแสไฟที่อ่อนลงและรีแอกแทนซ์แบบคาปาซิทีฟที่ต่ำกว่า

 

โดยสรุป รีแอคแทนซ์แบบเหนี่ยวนำจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ ในขณะที่รีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟจะแปรผกผันกับความถี่

 

3. ความแตกต่างของกำลังระหว่างตัวเหนี่ยวนำ ความจุ และความต้านทาน

องค์ประกอบตัวต้านทานใช้พลังงานอย่างต่อเนื่องในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ โดยที่แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ายังคงอยู่ในเฟสอย่างสมบูรณ์ แผนภาพเส้นโค้งด้านล่างแสดงคุณลักษณะแรงดันไฟฟ้า กระแส และกำลังของตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ดังที่แสดงในกราฟ กำลังต้านทานจะมากกว่าหรือเท่ากับศูนย์เสมอ ซึ่งบ่งชี้ว่าตัวต้านทานจะดูดซับและใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

 

 

ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ กำลังที่กระจายโดยตัวต้านทานเรียกว่ากำลังเฉลี่ย หรือโดยทั่วไปคือกำลังไฟฟ้าที่ใช้งาน ซึ่งแสดงด้วยตัวพิมพ์ใหญ่ P กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานสะท้อนถึงการใช้พลังงานของส่วนประกอบไฟฟ้าโดยเฉพาะ สำหรับอุปกรณ์ใดๆ ก็ตามที่ใช้พลังงานไฟฟ้า พลังงานที่ใช้งานจะวัดปริมาณขนาดและอัตราการสูญเสียพลังงาน

 

ในทางตรงกันข้าม ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุไม่ใช้พลังงานไฟฟ้าสุทธิ พวกมันจัดเก็บและปล่อยพลังงานเป็นวงจรเท่านั้น ตัวเหนี่ยวนำดูดซับพลังงานไฟฟ้าและแปลงเป็นพลังงานสนามแม่เหล็ก จากนั้นปล่อยพลังงานแม่เหล็กที่เก็บไว้กลับเป็นพลังงานไฟฟ้าในวงจรซ้ำ ในทำนองเดียวกัน ตัวเก็บประจุจะแปลงพลังงานไฟฟ้าที่เข้ามาเป็นพลังงานสนามไฟฟ้า และต่อมาจะปล่อยพลังงานนี้กลับสู่วงจรในรูปของไฟฟ้า

การแลกเปลี่ยนพลังงานแบบวงจรระหว่างส่วนประกอบและแหล่งจ่ายไฟนี้ไม่เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานจริง ดังนั้นจึงไม่สามารถวัดปริมาณด้วยพลังงานที่ใช้งานอยู่ได้ เพื่อกำหนดรูปแบบพิเศษของการแลกเปลี่ยนพลังงาน นักฟิสิกส์ได้แนะนำแนวคิดเรื่องพลังงานปฏิกิริยา ซึ่งแสดงด้วยอักษรตัวใหญ่ Q

 

ทั้งพลังงานที่ใช้งานและพลังงานปฏิกิริยาอยู่ภายใต้คำจำกัดความของ "พลังงาน" ซึ่งอธิบายอัตราการถ่ายโอนหรือการแปลงพลังงาน กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานอยู่สะท้อนถึงความเร็วที่ตัวต้านทานใช้พลังงานไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น หลอดไฟขนาด 100 วัตต์ใช้พลังงานเร็วกว่าหลอดไฟขนาด 50 วัตต์ถึงสองเท่า

ในทางตรงกันข้าม พลังงานรีแอกทีฟจะวัดอัตราการแลกเปลี่ยนพลังงานแบบไซคลิกระหว่างส่วนประกอบอุปนัย/ตัวเก็บประจุและระบบโครงข่ายไฟฟ้า สิ่งสำคัญคือต้องเน้นคำว่าการแลกเปลี่ยนพลังงาน พลังงานรีแอกทีฟที่สูงขึ้นหมายความว่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุดึงพลังงานสลับจากแหล่งจ่ายไฟมากขึ้น แม้ว่าพลังงานนี้จะใช้เพื่อการจัดเก็บและปล่อยเป็นระยะเท่านั้น แทนที่จะถูกใช้ไป