cómo se produce un retraso de fase en condensadores/inductores con imágenes visuales

Por desgracia, la mayoría de los educadores parecen centrarse en la memorización de ecuaciones, en lugar de la intuición y la comprensión. La mejor explicación "intuitiva" de capacitores que he visto hasta ahora proviene de William Beaty. Aquí hay una imagen de esa explicación:

Beaty habla mucho sobre cómo funcionan realmente las cosas y distingue entre el "punto de vista euclidiano o griego" que implica memorizar ecuaciones; vs. el "punto de vista babilónico" donde los conceptos son mucho más importantes que las ecuaciones. Intenta obtener imágenes y analogías para dar una comprensión visual y visceral de algo.( a )

La mayoría de estas descripciones "intuitivas" de dispositivos eléctricos utilizan una analogía hidráulica .

Tanto con capacitores como con inductores, la energía se puede almacenar "en" el dispositivo. A menudo, alternamos rápidamente entre bombear energía al dispositivo y extraer la energía del dispositivo.

Cada vez que tenemos algo en una caja que almacena algo (energía, arroz, agua, canicas, etc.) y cada vez que alternamos entre poner algo dentro de la caja y sacar algo gradualmente de la caja, los picos (máximo) de la "cantidad de cosas en la caja" siempre retrasa el comienzo de poner algo en la caja. Además, el punto más bajo en los valles (mínimo) "cantidad de cosas en la caja" siempre retrasa el comienzo de sacar cosas de la caja. El momento en que tenemos la cantidad máxima de cosas en esa caja ocurre en el instante en que dejamos de poner cosas en la caja y comenzamos a sacar cosas de la caja.

Agregamos más energía a un capacitor empujando electrones en un lado (y sacando la misma cantidad de electrones del otro lado). El voltaje ("presión") a través del capacitor se puede usar para calcular cuánta energía se almacena en el capacitor.

Agregamos más energía a un inductor forzando una fuerza electromotriz a través de sus terminales. El flujo de electrones ("corriente") a través del inductor se puede utilizar para calcular cuánta energía se almacena "en" el inductor.

Piensa de esta manera simple:

1. un capacitor está hecho de dos placas y no hay voltaje entre ellas en el estado inicial.

2. si se aplica voltaje externo, todavía no hay voltaje entre las placas.

3. el condensador comienza a cargarse para alcanzar el potencial de los terminales; al hacerlo, consumirá corriente, inicialmente el valor máximo, luego cada vez menos a medida que se carga por completo.

Y aquí está la imagen para ayudar:

La forma de onda azul es el paso de voltaje de entrada, los negros y rojos son el voltaje y la corriente a través del capacitor. Las fórmulas son las que usted conoce.

A partir de aquí, puede extrapolar con lo que dijo Curd, y luego más adelante.

Bueno, este es el tipo de cosas que todo el mundo debería entender a su manera intuitiva. Una de las formas de imaginar este retraso es esta:

La ecuación que describe el condensador:

$${I}_{C}= C\cdot \frac{d}{dt}{U}_{c}$$ Así que tenemos un derivado allí. Supongamos que el voltaje de nuestro capacitor es una onda sinusoidal. ¿Cuál es la derivada de una onda sinusoidal? un coseno Y viceversa.

Ahora, entiendo que ya sabes tanto como esto. Para tener una idea más clara de lo que realmente está sucediendo con la corriente y el voltaje, pruebe este simulador electrónico visualmente agradable . Hay toneladas de más ejemplos. Puede construir su propio circuito y observar la corriente y el voltaje de una manera atractiva, en lugar de mirar gráficos.

La persona que hizo este simulador también tiene muchas aplicaciones java de física interesantes. Ayudan a comprender el magnetismo, la acústica y muchos otros.

Si he cometido algún error a continuación, espero que alguien con más conocimientos me corrija, me vote en contra o lo que sea. :)

Primero revise estas dos fuentes para ver algunos buenos gráficos de voltaje y corriente para condensadores e inductores.

Mayúsculas: http://www.tpub.com/neets/book2/4b.htm

Inductores: http://www.tpub.com/neets/book2/4.htm

Ahora, para un capacitor, lo carga aplicando una fuente de voltaje en este caso, su onda sinusoidal. Bueno, la tasa de carga de un condensador está directamente relacionada con la tasa de cambio de la fuente de voltaje que aplica (consulte las fuentes a continuación). Cuando comienza a aplicar su onda sinusoidal en T (0), está en la tasa máxima de cambio y, por lo tanto, el capacitor almacena carga a la tasa máxima (de todos modos, para esta onda sinusoidal aplicada). Así que aquí estás cargando lo más rápido que puedes, lo que significa que la corriente está entrando a gritos en el capacitor. En verdad, los electrones fluyen hacia una placa y hacia la otra mientras crean un campo eléctrico entre las dos placas. Entonces, la corriente fluye pero no fluye físicamente a través del espacio o la dialéctica entre ambas placas.

Ahora, a medida que avanza a lo largo de su onda sinusoidal, la tasa de cambio de voltaje disminuye T (1) en el diagrama, por lo que fluye menos corriente.

Cuando llega a T (2), el punto cero no hay tasa de cambio, por lo que no fluye corriente.

Por eso es que hay esa diferencia de fase.

Ahora para el inductor. A medida que la corriente fluye hacia un inductor, se crea un campo magnético a su alrededor. La creación de ese campo se opone al espacio que lo rodea y, además, el material que se encuentra en ese espacio cambia la cantidad de empuje que sentirá (así que piense en núcleos de hierro, etc.). Ahora, al comienzo de su onda sinusoidal (T (0) en el diagrama), está tratando de cambiar la corriente y el inductor lo está empujando hacia atrás diciendo que no pasará corriente. El voltaje está tratando de empujar la corriente a través de la cual está creando nuestro campo magnético que está siendo empujado hacia atrás por el espacio que lo rodea, por lo que, en última instancia, el flujo de corriente se detiene. Básicamente, el inductor retrocede con una caída de voltaje que detiene el flujo de electrones.

Justo cuando el voltaje comienza a bajar en el segundo cuarto de un ciclo, el campo que acaba de crear comienza a colapsar y la corriente sale del inductor (T(1) en el diagrama). La cantidad de flujo de corriente aumenta hasta que el voltaje llega a la marca cero, aquí fluye la corriente máxima. A medida que continúa, la tasa de cambio de voltaje aumenta y el inductor comienza a ahogar el flujo de corriente hasta que nuevamente alcanza su tasa máxima de cambio y no hay flujo en absoluto.

Espero que ayude, también utilicé este otro sitio como referencia: http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_15/1.html Tiene una buena explicación de los inductores.

No le proporciono imágenes visuales, sino una descripción visual de alguna manera:

Como puede ver una resistencia como un dispositivo que "convierte" la corriente en voltaje (así como el voltaje en corriente), puede ver un capacitor como un dispositivo que convierte la carga en voltaje.

La carga es corriente integrada a lo largo del tiempo.

Entonces, si la corriente fluye a través de un capacitor, no ve el voltaje instantáneamente, sino solo después de que se haya acumulado una cantidad de carga.

Entonces, la corriente a través de un capacitor es proporcional a la tasa de cambio del voltaje, es decir, es proporcional a la inclinación de la curva de voltaje versus tiempo.

Dado que las señales de corriente y voltaje son señales sinusoidales, se produce el cambio de fase porque

cos(peso) = sen(peso + 90°)

y

d/dt sen(peso) = w * cos(peso)

De una manera muy intuitiva, para que un capacitor aumente su voltaje, necesita acumular carga, por lo que primero debe haber algo de corriente durante un tiempo. Por lo tanto, el voltaje retrasa la corriente en el tiempo.

Además, el voltaje aumentará si la corriente es positiva (porque la carga se acumula) y disminuirá (y eventualmente se volverá negativo) cuando la corriente sea negativa. En consecuencia, los picos de voltaje ocurren cuando la corriente cruza cero (cambia de signo), porque pasa de aumentar a disminuir, y viceversa. Esto explica exactamente la fase de 90 grados.

El comportamiento del inductor se puede explicar de manera muy similar, pero invirtiendo los roles. El razonamiento comenzaría diciendo que para que la corriente se acumule a través de un inductor, debería haber un voltaje presente por un tiempo, por lo tanto, la corriente retrasa al voltaje en el tiempo. Etc.

Para una comprensión real, debemos descartar las matemáticas y centrarnos en las cosas físicas.
Piense que cualquier capacitor es solo una estructura hecha de un par de placas (con un material dieléctrico intercalado entre las placas, como l: l). No se puede usar a menos que esté cargado, es decir, una placa está cargada con carga +ve (y la otra placa tiene carga -ve).

Durante la carga, cada placa comienza a recibir las cargas respectivas y, gradualmente, la placa se acumula con más y más cargas. El aumento de cargas es en realidad el aumento de la concentración de carga, también llamado aumento de potencial (Vc).

Para aumentar gradualmente la carga, el proveedor de carga debe tener más potencial que el del capacitor. Si el proveedor es de potencial constante (Vs), entonces, gradualmente, la diferencia de potencial (Vs-Vc) se reduce, lo que resulta en una caída gradual de la corriente. Finalmente, Vc alcanza Vs y la corriente se detiene. Si analizamos la situación, la corriente de carga está cayendo y el potencial del capacitor (Vc) está aumentando.

Si el proveedor de carga es una fuente de CA, el potencial del proveedor aumenta gradualmente en el primer trimestre y cae en el segundo trimestre y así sucesivamente. Durante el primer cuarto, el capacitor se carga y gradualmente alcanza el voltaje de la fuente. Durante el segundo trimestre, el capacitor se descarga de regreso al proveedor ya que el potencial de este último es más bajo que el primero. Este fenómeno se repite en cada medio ciclo. La carga se considera como el fenómeno de referencia. La entrada de carga al condensador es la primera acción y la acumulación potencial es el resultado posterior. Llamamos retrasos al potencial (voltaje) a la corriente.