Band Listrik: Bagaimana Kapasitor dan Induktor Bertukar Energi

Kapasitor menyimpan energi dalam bentuk medan listrik, dan secara listrik mewujudkan energi yang tersimpan tersebut sebagai potensial: tegangan statis. Induktor menyimpan energi dalam bentuk medan magnet, dan secara listrik mewujudkan energi yang tersimpan tersebut sebagai gerak kinetik elektron: arus.

Kapasitor dan induktor adalah dua sisi koin reaktif yang sama, menyimpan dan melepaskan energi dalam mode komplementer. Ketika kedua jenis komponen reaktif ini disambungkan langsung bersama-sama, kecenderungan komplementer mereka untuk menyimpan energi akan menghasilkan hasil yang tidak biasa.

Jika kapasitor atau induktor dimulai dalam keadaan terisi, kedua komponen akan bertukar energi di antara mereka, bolak-balik, menciptakan siklus tegangan dan arus AC mereka sendiri.

Jika kita mengasumsikan bahwa kedua komponen tunduk pada aplikasi tiba-tiba tegangan (misalnya, dari baterai yang terhubung sesaat), kapasitor akan sangat cepat terisi dan induktor akan menolak perubahan arus, sehingga meninggalkan kapasitor dalam keadaan terisi dan induktor dalam keadaan terosong.

 

Keadaan Awal:

Kapasitor terisi: tegangan pada puncak (+); induktor terosong: arus nol.

 

Kapasitor akan mulai terosong, tegangannya menurun. Sementara itu, induktor akan mulai membangun “isi” dalam bentuk medan magnet saat arus meningkat dalam rangkaian.

 

Kapasitor terosong: tegangan menurun; induktor terisi: arus meningkat.

 

Induktor, yang masih terisi, akan menjaga arus mengalir dalam rangkaian hingga kapasitor telah sepenuhnya terosong, sehingga meninggalkan nol tegangan di seluruhnya.

 

Kapasitor sepenuhnya terosong: tegangan nol; induktor sepenuhnya terisi: arus maksimum.

 

Induktor akan menjaga aliran arus bahkan tanpa tegangan yang diberikan. Faktanya, ia akan menghasilkan tegangan (seperti baterai) untuk menjaga arus tetap berarah sama. Kapasitor, sebagai penerima arus ini, akan mulai mengumpulkan muatan dengan polaritas berlawanan dari sebelumnya.

 

Kapasitor terisi: tegangan meningkat (dengan polaritas berlawanan); induktor terosong: arus menurun.

 

Ketika induktor akhirnya kehabisan cadangan energinya dan elektron berhenti, kapasitor akan mencapai (tegangan) muatan penuh dengan polaritas berlawanan dari saat memulai.

 

Kapasitor sepenuhnya terisi: tegangan pada puncak (–); induktor sepenuhnya terosong: arus nol.

 

Sekarang kita berada dalam kondisi yang sangat mirip dengan di mana kita memulai: kapasitor pada muatan penuh dan arus nol dalam rangkaian. Kapasitor, seperti sebelumnya, akan mulai terosong melalui induktor, menyebabkan peningkatan arus (dalam arah berlawanan dari sebelumnya) dan penurunan tegangan saat menguras cadangan energinya sendiri.

 

Kapasitor terosong: tegangan menurun; induktor terisi: arus meningkat.

 

Akhirnya kapasitor akan terosong hingga nol volt, sehingga meninggalkan induktor sepenuhnya terisi dengan arus penuh melalui dirinya.

 

Kapasitor sepenuhnya terosong: tegangan nol; induktor sepenuhnya terisi: arus pada puncak (–).

 

Induktor, yang ingin menjaga arus tetap berarah sama, akan bertindak sebagai sumber lagi, menghasilkan tegangan seperti baterai untuk melanjutkan aliran. Dalam melakukan ini, kapasitor akan mulai terisi dan arus akan menurun magnitudo-nya.

 

Kapasitor terisi: tegangan meningkat; induktor terosong: arus menurun.

 

Akhirnya kapasitor akan menjadi sepenuhnya terisi lagi saat induktor mengeluarkan semua cadangan energinya untuk menjaga arus. Tegangan akan sekali lagi berada pada puncak positifnya dan arus pada nol. Ini menyelesaikan satu siklus penuh dari pertukaran energi antara kapasitor dan induktor.

 

Kapasitor sepenuhnya terisi: tegangan pada puncak (+); induktor sepenuhnya terosong: arus nol.

 

Oscilasi ini akan berlanjut dengan amplitudo yang terus menurun karena kerugian daya dari resistansi sisa dalam rangkaian, hingga prosesnya berhenti sama sekali.

Secara keseluruhan, perilaku ini mirip dengan band: saat massa band goyah ke belakang dan ke depan, ada transformasi energi yang terjadi dari kinetik (gerakan) ke potensial (tinggi), dengan cara yang mirip dengan cara energi ditransfer dalam rangkaian kapasitor/induktor bolak-balik dalam bentuk arus (gerakan elektron kinetik) dan tegangan (energi potensial listrik).

Pada puncak tinggi setiap goyang band, massa sejenak berhenti dan berbalik arah. Ini adalah titik di mana energi potensial (tinggi) pada maksimum dan energi kinetik (gerakan) pada nol.

Saat massa goyah kembali ke arah lain, ia melewati titik di mana tali ditunjukkan lurus ke bawah dengan cepat. Pada titik ini, energi potensial (tinggi) pada nol dan energi kinetik (gerakan) pada maksimum. Seperti rangkaian, osilasi bolak-balik band akan berlanjut dengan amplitudo yang terus damped, hasil dari gesekan udara (resistansi) yang menghabiskan energi.

Sama seperti rangkaian, pengukuran posisi dan kecepatan band mencetak dua gelombang sinus (90 derajat di luar fase) seiring waktu.

 

Band mentransfer energi antara energi kinetik dan potensial saat goyah dari rendah ke tinggi.

 

Dalam fisika, jenis osilasi gelombang sinus alami ini untuk sistem mekanik disebut Gerakan Harmonik Sederhana (sering disingkat sebagai “SHM”). Prinsip dasar yang sama mengatur baik osilasi rangkaian kapasitor/induktor maupun gerakan band, sehingga kesamaan dalam efek.

Ini adalah properti menarik dari setiap band bahwa periode waktu-nya ditentukan oleh panjang tali yang memegang massa, dan bukan oleh bobot massa itu sendiri. Itu sebabnya band akan terus goyang pada frekuensi yang sama saat osilasi menurun amplitudo. Tingkat osilasi independen dari jumlah energi yang disimpan di dalamnya.

Hal yang sama berlaku untuk rangkaian kapasitor/induktor. Tingkat osilasi bergantung ketat pada ukuran kapasitor dan induktor, bukan pada jumlah tegangan (atau arus) pada setiap puncak masing-masing dalam gelombang.

Kemampuan rangkaian tersebut untuk menyimpan energi dalam bentuk tegangan dan arus osilasi telah memberinya nama rangkaian tangki. Properti-nya untuk mempertahankan satu frekuensi alami terlepas dari seberapa banyak atau sedikit energi yang sebenarnya disimpan di dalamnya memberikan signifikansi khusus dalam desain rangkaian listrik.

Namun, kecenderungan untuk osilasi, atau resonansi, pada frekuensi tertentu tidak terbatas pada rangkaian yang secara eksklusif dirancang untuk tujuan itu. Faktanya, hampir setiap rangkaian AC dengan kombinasi kapasitansi dan induktansi (sering disebut “rangkaian LC”) akan cenderung menunjukkan efek yang tidak biasa saat frekuensi sumber daya AC mendekati frekuensi alaminya.

Ini benar terlepas dari tujuan yang dimaksudkan rangkaian.

Jika frekuensi pasokan daya untuk rangkaian tepat cocok dengan frekuensi osilasi alami dari kombinasi LC rangkaian, maka kondisi resonansi telah tercapai. Efek yang tidak biasa akan mencapai maksimum dalam kondisi resonansi ini.

Itu sebabnya kita perlu dapat memprediksi frekuensi resonansi yang akan terjadi untuk berbagai kombinasi L dan C, dan sadar akan efek resonansi apa saja.

 

TINJAUAN:

• Kapasitor dan induktor yang disambungkan langsung bersama-sama membentuk sesuatu yang disebut rangkaian tangki, yang osilasi (atau resonansi) pada satu frekuensi tertentu. Pada frekuensi tersebut, energi secara bergantian diacak antara kapasitor dan induktor dalam bentuk tegangan dan arus bolak-balik yang 90 derajat di luar fase satu sama lain.
• Ketika frekuensi pasokan daya untuk rangkaian AC tepat cocok dengan frekuensi osilasi alami rangkaian tersebut seperti yang ditetapkan oleh komponen L dan C, kondisi resonansi akan tercapai.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Dasar Komunikasi Radio
• Lembar Kerja Resonansi