커패시터는 전기장의 형태로 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 전기적으로 전위로 나타냅니다: 정전압 . 인덕터는 자기장의 형태로 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 전자의 운동으로 전기적으로 나타냅니다: 전류 .
커패시터와 인덕터는 동일한 반응성 동전의 반대편으로, 보완 모드에서 에너지를 저장하고 방출합니다. 이 두 가지 유형의 반응성 구성 요소가 직접 연결되면 에너지를 저장하려는 보완적 경향으로 인해 특이한 결과가 발생합니다.
커패시터나 인덕터 중 하나가 충전된 상태에서 시작하면 두 구성 요소는 서로 에너지를 교환하여 자체적인 AC 전압 및 전류 주기를 생성합니다.
두 구성 요소 모두에 갑자기 전압이 인가되었다고 가정하면(예를 들어, 잠시 연결된 배터리에서) 커패시터는 매우 빠르게 충전되고 인덕터는 전류의 변화에 반대하여 커패시터는 충전된 상태가 되고 인덕터는 방전된 상태가 됩니다.
초기 상태:
충전된 커패시터: 전압은 (+) 피크, 방전된 인덕터: 전류는 0입니다.
커패시터는 방전을 시작하고 전압은 감소합니다. 한편, 인덕터는 회로에서 전류가 증가함에 따라 자기장의 형태로 "전하"를 축적하기 시작합니다.
커패시터 방전: 전압 감소, 인덕터 충전: 전류 증가.
인덕터는 계속 충전 중이므로 커패시터가 완전히 방전되어 커패시터에 걸리는 전압이 0이 될 때까지 회로에 전류가 흐르도록 합니다.
커패시터가 완전히 방전되면 전압이 0이고, 인덕터가 완전히 충전되면 전류가 최대가 됩니다.
인덕터는 전압이 인가되지 않아도 전류 흐름을 유지합니다. 사실, 인덕터는 전류를 같은 방향으로 유지하기 위해 전압(배터리와 같음)을 생성합니다. 이 전류를 받는 커패시터는 이전과 마찬가지로 반대 극성으로 전하를 축적하기 시작합니다.
커패시터 충전: 전압이 증가합니다(반대 극성). 인덕터 방전: 전류가 감소합니다.
인덕터가 마침내 에너지 저장고를 모두 소진하고 전자의 이동이 중단되면 커패시터는 시작했을 때와 반대 극성으로 최대(전압) 전하에 도달하게 됩니다.
커패시터가 완전히 충전됨: 전압이 (-) 피크임; 인덕터가 완전히 방전됨: 전류가 0임.
이제 우리는 시작했던 곳과 매우 유사한 상태에 있습니다. 커패시터는 완전 충전 상태이고 회로에 전류가 없습니다. 이전과 마찬가지로 커패시터는 인덕터를 통해 방전되기 시작하여 전류가 증가하고(이전과 반대 방향으로) 자체 에너지 저장량이 고갈되면서 전압이 감소합니다.
커패시터 방전: 전압 감소, 인덕터 충전: 전류 증가.
결국 커패시터는 0볼트까지 방전되고 인덕터는 최대 전류로 완전히 충전됩니다.
커패시터가 완전히 방전되면 전압이 0이고, 인덕터가 완전히 충전되면 전류가 (-) 피크에 도달합니다.
같은 방향으로 전류를 유지하려는 인덕터는 다시 소스처럼 작동하여 배터리처럼 전압을 생성하여 흐름을 계속합니다. 그렇게 하면 커패시터가 충전되기 시작하고 전류의 크기가 감소합니다.
커패시터 충전: 전압 증가, 인덕터 방전: 전류 감소.
결국 인덕터가 전류를 유지하려고 모든 에너지 저장량을 소모함에 따라 커패시터는 다시 완전히 충전됩니다. 전압은 다시 양의 피크에 도달하고 전류는 0이 됩니다. 이로써 커패시터와 인덕터 간의 에너지 교환의 완전한 한 주기가 완료됩니다.
커패시터가 완전히 충전됨: 전압은 (+) 피크임; 인덕터가 완전히 방전됨: 전류는 0임.
이러한 진동은 회로 내의 누수 저항으로 인한 전력 손실로 인해 진폭이 꾸준히 감소하면서 계속되다가 결국에는 과정이 완전히 중단됩니다.
전반적으로 이러한 행동은 진자의 행동과 유사합니다. 진자 질량이 앞뒤로 흔들리면 운동 에너지에서 위치 에너지로 에너지가 변환됩니다. 이는 에너지가 커패시터/인덕터 회로에서 전류(전자의 운동)와 전압(위치 전기 에너지)의 교류 형태로 앞뒤로 전달되는 방식과 비슷합니다.
진자의 각 스윙의 최고 높이에서 질량은 잠시 멈추고 방향을 바꿉니다. 이 지점에서 위치 에너지(높이)는 최대이고 운동 에너지(운동)는 0입니다.
질량이 반대 방향으로 휘두르면서 줄이 바로 아래를 가리키는 지점을 빠르게 통과합니다. 이 지점에서 위치 에너지(높이)는 0이고 운동 에너지(운동)는 최대입니다. 회로와 마찬가지로 진자의 앞뒤 진동은 꾸준히 감쇠된 진폭으로 계속되며, 이는 공기 마찰(저항)이 에너지를 소산시키는 결과입니다.
또한 회로와 마찬가지로 진자의 위치와 속도 측정은 시간에 따른 두 개의 사인파(90도 위상 차이)를 추적합니다.
진자는 낮은 위치에서 높은 위치로 흔들리면서 운동 에너지와 위치 에너지 사이에서 에너지를 전달합니다.
물리학에서 기계 시스템에 대한 이런 종류의 자연적 사인파 진동을 단순 조화 운동( Simple Harmonic Motion , 종종 "SHM"으로 약칭)이라고 합니다. 동일한 기본 원리가 커패시터/인덕터 회로의 진동과 진자의 작용을 모두 지배하므로 효과가 비슷합니다.
모든 진자의 흥미로운 특성은 주기 시간이 질량 자체의 무게가 아니라 질량을 고정한 줄의 길이에 의해 결정된다는 것입니다. 그래서 진자는 진동의 진폭이 감소함에 따라 같은 주파수로 계속 흔들립니다. 진동 속도는 저장된 에너지의 양과 무관합니다.
커패시터/인덕터 회로에도 마찬가지입니다. 진동 속도는 파동의 각 피크에서 전압(또는 전류)의 양이 아니라 커패시터와 인덕터의 크기에 따라 엄격하게 달라집니다.
이러한 회로가 진동 전압과 전류의 형태로 에너지를 저장할 수 있는 능력 때문에 탱크 회로라는 이름이 붙었습니다 . 실제로 얼마나 많은 에너지가 저장되는지에 관계없이 단일 자연 주파수를 유지하는 특성으로 인해 전기 회로 설계에서 특별한 의미가 있습니다.
그러나 특정 주파수에서 진동하거나 공진하는 이러한 경향은 그 목적으로만 설계된 회로에만 국한되지 않습니다. 사실, 커패시턴스와 인덕턴스의 조합을 가진 거의 모든 AC 회로(일반적으로 "LC 회로"라고 함)는 AC 전원 주파수가 그 자연 주파수에 접근하면 비정상적인 효과가 나타나는 경향이 있습니다.
이는 회로의 의도된 목적과 관계없이 적용됩니다.
회로의 전원 공급 주파수가 회로의 LC 조합의 자연 주파수와 정확히 일치하면 회로는 공진 상태에 있다고 합니다 . 이 공진 상태에서는 비정상적인 효과가 최대치에 도달합니다.
이러한 이유로 우리는 L과 C의 다양한 조합에 대한 공진 주파수가 어떻게 될지 예측할 수 있어야 하며, 공진의 효과가 무엇인지 알아야 합니다.
검토:
- 커패시터와 인덕터가 직접 연결되어 탱크 회로 라고 하는 것을 형성하는데 , 이는 특정 주파수에서 진동(또는 공진 )합니다. 해당 주파수에서 에너지는 커패시터와 인덕터 사이에서 교류 전압과 전류의 형태로 번갈아가며 섞이며 서로 위상이 90도 어긋납니다.
- AC 회로의 전원 공급 주파수가 L 및 C 구성 요소에 의해 설정된 해당 회로의 자연적 진동 주파수와 정확히 일치하면 공진 조건 에 도달하게 됩니다.