Pendulum Listrik

Kapasitor menyimpan energi dalam bentuk medan listrik, dan secara elektrik memanifestasikan energi yang tersimpan itu sebagai potensial:tegangan statis . Induktor menyimpan energi dalam bentuk medan magnet, dan secara elektrik memanifestasikan energi yang tersimpan itu sebagai gerakan kinetik elektron:arus .

Kapasitor dan induktor adalah sisi lain dari koin reaktif yang sama, menyimpan dan melepaskan energi dalam mode komplementer. Ketika kedua jenis komponen reaktif ini dihubungkan secara langsung, kecenderungan komplementernya untuk menyimpan energi akan menghasilkan hasil yang tidak biasa.

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

Jika kita berasumsi bahwa kedua komponen dikenai tegangan tiba-tiba (misalnya, dari baterai yang terhubung sesaat), kapasitor akan terisi dengan sangat cepat dan induktor akan melawan perubahan arus, meninggalkan kapasitor dalam keadaan terisi dan induktor dalam keadaan terisi. keadaan habis.

Status Awal:

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

Kapasitor akan mulai kosong, tegangannya menurun. Sementara itu, induktor akan mulai membangun “muatan” dalam bentuk medan magnet seiring dengan meningkatnya arus dalam rangkaian.

Pengosongan kapasitor:penurunan tegangan; pengisian induktor:peningkatan arus.

Induktor, yang masih mengisi daya, akan menjaga arus mengalir di sirkuit sampai kapasitor benar-benar habis, meninggalkan tegangan nol di atasnya.

Kapasitor habis sepenuhnya:tegangan nol; induktor terisi penuh:arus maksimum.

Induktor akan mempertahankan aliran arus bahkan tanpa tegangan yang diterapkan. Bahkan, itu akan menghasilkan tegangan (seperti baterai) untuk menjaga arus dalam arah yang sama. Kapasitor, sebagai penerima arus ini, akan mulai mengakumulasi muatan dalam polaritas yang berlawanan seperti sebelumnya.

Pengisian kapasitor:peningkatan tegangan (dalam polaritas yang berlawanan); pengosongan induktor:arus menurun.

Ketika induktor akhirnya kehabisan cadangan energinya dan elektron berhenti, kapasitor akan mencapai muatan (tegangan) penuh dalam polaritas yang berlawanan seperti ketika dimulai.

Kapasitor terisi penuh:tegangan pada (-) puncak; induktor habis sepenuhnya:arus nol.

Sekarang kita berada pada kondisi yang sangat mirip dengan di mana kita mulai:kapasitor terisi penuh dan arus nol di sirkuit. Kapasitor, seperti sebelumnya, akan mulai melepaskan muatan melalui induktor, menyebabkan peningkatan arus (dalam arah yang berlawanan seperti sebelumnya) dan penurunan tegangan karena menghabiskan cadangan energinya sendiri.

Pengosongan kapasitor:penurunan tegangan; pengisian induktor:peningkatan arus.

Akhirnya kapasitor akan mengalir ke nol volt, meninggalkan induktor terisi penuh dengan arus penuh yang melaluinya.

Kapasitor habis sepenuhnya:tegangan nol; induktor terisi penuh:arus pada (-) puncak.

Induktor, yang ingin mempertahankan arus dalam arah yang sama, akan bertindak seperti sumber lagi, menghasilkan tegangan seperti baterai untuk melanjutkan aliran. Dengan demikian, kapasitor akan mulai terisi dan arus akan berkurang besarnya.

Pengisian kapasitor:peningkatan tegangan; pengosongan induktor:arus menurun.

Akhirnya kapasitor akan terisi penuh kembali karena induktor menghabiskan semua cadangan energinya untuk mempertahankan arus. Tegangan akan sekali lagi berada pada puncak positifnya dan arus pada nol. Ini menyelesaikan satu siklus penuh pertukaran energi antara kapasitor dan induktor.

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

Osilasi ini akan berlanjut dengan amplitudo yang terus menurun karena kehilangan daya dari resistansi nyasar di sirkuit, hingga proses berhenti sama sekali.

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

Pada ketinggian puncak setiap ayunan pendulum, massa berhenti sebentar dan beralih arah. Pada titik inilah energi potensial (ketinggian) maksimum dan energi kinetik (gerak) nol.

Saat massa berayun kembali ke arah lain, ia melewati dengan cepat melalui titik di mana tali diarahkan lurus ke bawah. Pada titik ini, energi potensial (ketinggian) adalah nol dan energi kinetik (gerak) maksimum. Seperti sirkuit, osilasi bolak-balik pendulum akan berlanjut dengan amplitudo yang terus diredam, akibat gesekan udara (resistensi) yang menghilangkan energi.

Seperti halnya sirkuit, posisi pendulum dan pengukuran kecepatan melacak dua gelombang sinus (berbeda fase 90 derajat) dari waktu ke waktu.

Pendulum mentransfer energi antara energi kinetik dan energi potensial saat berayun dari rendah ke tinggi.

Dalam fisika, osilasi gelombang sinus alami semacam ini untuk sistem mekanis disebut Gerakan Harmonik Sederhana (sering disingkat “SHM”). Prinsip dasar yang sama mengatur osilasi sirkuit kapasitor/induktor dan aksi pendulum, karenanya kesamaan dalam efeknya.

Ini adalah sifat yang menarik dari setiap pendulum bahwa waktu periodiknya diatur oleh panjang tali yang menahan massa, dan bukan berat massa itu sendiri. Itulah sebabnya pendulum akan terus berayun pada frekuensi yang sama dengan penurunan amplitudo osilasi. Tingkat osilasi tidak tergantung pada jumlah energi yang tersimpan di dalamnya.

Hal yang sama berlaku untuk rangkaian kapasitor/induktor. Laju osilasi sangat bergantung pada ukuran kapasitor dan induktor, bukan pada jumlah tegangan (atau arus) pada setiap puncak gelombang.

Kemampuan sirkuit semacam itu untuk menyimpan energi dalam bentuk tegangan dan arus yang berosilasi telah membuatnya mendapatkan nama sirkuit tangki . Sifatnya mempertahankan frekuensi alami tunggal terlepas dari seberapa banyak atau sedikit energi yang sebenarnya disimpan di dalamnya memberikan arti khusus dalam desain sirkuit listrik.

Namun, kecenderungan untuk berosilasi, atau bergaung , pada frekuensi tertentu tidak terbatas pada sirkuit yang dirancang khusus untuk tujuan itu. Faktanya, hampir semua rangkaian AC dengan kombinasi kapasitansi dan induktansi (biasa disebut "sirkuit LC") akan cenderung menunjukkan efek yang tidak biasa ketika frekuensi sumber daya AC mendekati frekuensi alami tersebut.

Ini benar terlepas dari tujuan sirkuit yang dimaksudkan.

Jika frekuensi catu daya untuk suatu rangkaian sama persis dengan frekuensi alami kombinasi LC rangkaian, rangkaian dikatakan dalam keadaan resonansi . Efek yang tidak biasa akan mencapai maksimum dalam kondisi resonansi ini.

Untuk alasan ini, kita harus dapat memprediksi berapa frekuensi resonansi untuk berbagai kombinasi L dan C, dan menyadari apa efek resonansi.

TINJAUAN:

• Sebuah kapasitor dan induktor yang terhubung langsung membentuk sesuatu yang disebut rangkaian tangki , yang berosilasi (atau bergema ) pada satu frekuensi tertentu. Pada frekuensi tersebut, energi dikocok secara bergantian antara kapasitor dan induktor dalam bentuk tegangan dan arus bolak-balik yang berbeda fasa 90 derajat.
• Bila frekuensi catu daya untuk rangkaian AC sama persis dengan frekuensi osilasi alami rangkaian tersebut sebagaimana diatur oleh komponen L dan C, kondisi resonansi akan tercapai.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Dasar-dasar Komunikasi Radio
• Lembar Kerja Resonansi