wie eine Phasenverzögerung in Kondensatoren / Induktivitäten mit visuellen Bildern auftritt

Leider scheinen sich die meisten Pädagogen eher auf das Auswendiglernen von Gleichungen als auf Intuition und Verständnis zu konzentrieren. Die beste "intuitive" Erklärung von Kondensatoren , die ich bisher gesehen habe, kommt von William Beaty. Hier ist ein Bild aus dieser Erklärung:

Beaty spricht viel darüber, wie die Dinge wirklich funktionieren, und unterscheidet zwischen dem euklidischen oder "griechischen Standpunkt", der das Auswendiglernen von Gleichungen beinhaltet; gegenüber dem „babylonischen Standpunkt“, wo Konzepte viel wichtiger sind als Gleichungen. Er versucht, Bilder und Analogien zu bekommen, um etwas visuell und aus dem Bauch heraus zu verstehen. ( a )

Die meisten dieser "intuitiven" Beschreibungen elektrischer Geräte verwenden eine hydraulische Analogie .

Sowohl mit Kondensatoren als auch mit Induktivitäten kann Energie "im" Gerät gespeichert werden. Oft gehen wir schnell hin und her zwischen dem Pumpen von Energie in das Gerät und dem Zurückziehen der Energie aus dem Gerät.

Immer wenn wir etwas in einer Kiste haben, die etwas speichert – Energie, Reis, Wasser, Murmeln usw. – und immer dann hin und her gehen, zwischen dem allmählichen Einlegen von etwas in die Kiste und dem allmählichen Entnehmen von etwas aus der Kiste – die Spitzen (Maximum) der "Menge an Sachen in der Kiste" hinkt immer dem Beginn des Einpackens in die Kiste hinterher. Auch der tiefste Punkt in den Tälern (Minimum) "Menge an Sachen in der Box" liegt immer hinter dem Beginn der Entnahme von Sachen aus der Box. Der Zeitpunkt, an dem wir die maximale Menge an Sachen in dieser Kiste haben, passiert in dem Moment, in dem wir aufhören, Sachen in die Kiste zu packen, und anfangen, Sachen aus der Kiste zu nehmen.

Wir fügen einem Kondensator mehr Energie hinzu, indem wir Elektronen auf eine Seite drücken (und die gleiche Anzahl von Elektronen auf der anderen Seite herausziehen). Aus der Spannung („Druck“) am Kondensator lässt sich berechnen, wie viel Energie im Kondensator gespeichert ist.

Wir fügen einem Induktor mehr Energie hinzu, indem wir eine elektromotorische Kraft über seine Anschlüsse zwingen. Aus dem Elektronenfluss („Strom“) durch den Induktor lässt sich berechnen, wie viel Energie „in“ dem Induktor gespeichert ist.

Denken Sie auf diese einfache Weise:

1. Ein Kondensator besteht aus zwei Platten, zwischen denen im Anfangszustand keine Spannung anliegt.

2. wenn externe Spannung angelegt wird, ist noch keine Spannung zwischen den Platten vorhanden.

3. Kondensator beginnt sich aufzuladen, um das Potential der Anschlüsse zu erreichen; Dabei verbraucht es Strom, anfänglich den maximalen Wert, dann immer weniger, wenn es auf den vollen Zustand aufgeladen wird.

Und hier ist das Bild zur Hilfe:

Die blaue Wellenform ist die Eingangsstufenspannung, die schwarzen und roten sind die Spannung und der Strom durch den Kondensator. Die Formeln sind die Ihnen bekannten.

Von hier an können Sie mit dem, was Curd gesagt hat, extrapolieren und dann weiter.

Nun, so etwas sollte jeder auf seine/ihre eigene intuitive Weise verstehen. Eine Möglichkeit, sich diese Verzögerung vorzustellen, ist folgende:

Die Gleichung, die den Kondensator beschreibt:

$${I}_{C}= C\cdot \frac{d}{dt}{U}_{c}$$ Wir haben also ein Derivat drin. Angenommen, die Spannung unseres Kondensators ist eine Sinuswelle. Was ist die Ableitung einer Sinuswelle? Ein Kosinus. Und umgekehrt.

Nun, ich verstehe, dass Sie bereits so viel wissen. Um ein besseres Gefühl dafür zu bekommen, was tatsächlich mit Strom und Spannung passiert, probieren Sie diesen optisch ansprechenden elektronischen Simulator aus . Es gibt unzählige weitere Beispiele. Sie können Ihre eigene Schaltung bauen und Strom und Spannung auf ansprechende Weise beobachten, anstatt auf Diagramme zu schauen.

Die Person, die diesen Simulator erstellt hat, hat auch viele interessante Physik-Java-Anwendungen. Sie helfen beim Verständnis von Magnetismus, Akustik und vielen anderen.

Wenn ich unten irgendwelche Fehler gemacht habe, hoffe ich, dass mich jemand mit mehr Wissen korrigiert, mich abwertet oder was auch immer. :)

Schauen Sie sich zuerst diese beiden Quellen an, um einige schöne Diagramme von Spannung und Strom für Kappen und Induktivitäten zu erhalten.

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

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

Jetzt laden Sie einen Kondensator auf, indem Sie eine Spannungsquelle anlegen, in diesem Fall Ihre Sinuswelle. Nun, die Rate, mit der sich ein Kondensator auflädt, hängt direkt mit der Änderungsrate der von Ihnen angelegten Spannungsquelle zusammen (siehe Quellen unten). Wenn Sie beginnen, Ihre Sinuswelle bei T (0) anzulegen, haben Sie die maximale Änderungsrate und somit speichert der Kondensator Ladung mit der maximalen Rate (jedenfalls für diese angelegte Sinuswelle). Hier lädst du also so schnell du kannst auf, was bedeutet, dass Strom in den Kondensator schreit. In Wahrheit fließen Elektronen in eine Platte hinein und aus der anderen heraus, während sie ein elektrisches Feld zwischen den beiden Platten erzeugen. Strom fließt also, aber er fließt nicht physikalisch durch den Raum oder die Dialektik zwischen beiden Platten.

Wenn Sie nun entlang Ihrer Sinuswelle gehen, nimmt die Spannungsänderungsrate T (1) im Diagramm ab, sodass weniger Strom fließt.

Wenn Sie zu T (2) gelangen, dem Nullpunkt, gibt es keine Änderungsrate, sodass kein Strom fließt.

Deshalb gibt es diesen Phasenunterschied.

Nun zum Induktor. Wenn Strom in einen Induktor fließt, wird um ihn herum ein Magnetfeld erzeugt. Der Schaffung dieses Feldes steht der Raum um es herum entgegen, und außerdem ändert das Material, das sich in diesem Raum befindet, die Menge des Rückstoßes, den es spüren wird (denken Sie also an Eisenkerne usw.). Jetzt versuchen Sie am Anfang Ihrer Sinuswelle (T (0) im Diagramm), den Strom zu ändern, und die Induktivität drückt auf Sie zurück und sagt, dass kein Strom fließen soll. Die Spannung versucht, Strom durchzudrücken, der unser Magnetfeld erzeugt, das durch den Raum um ihn herum zurückgeschoben wird, sodass der Stromfluss letztendlich aufrechterhalten wird. Grundsätzlich drückt der Induktor mit einem Spannungsabfall zurück, der den Elektronenfluss stoppt.

Sobald die Spannung im zweiten Viertel eines Zyklus abfällt, beginnt das gerade erzeugte Feld zusammenzubrechen und Strom fließt aus der Induktivität (T (1) im Diagramm). Die Höhe des Stromflusses nimmt zu, bis die Spannung die Nullmarke erreicht, hier fließt der maximale Strom. Wenn Sie weitermachen, nimmt die Spannungsänderungsrate zu und die Induktivität beginnt, den Stromfluss abzuwürgen, bis Sie wieder Ihre maximale Änderungsrate erreichen und überhaupt kein Fluss mehr vorhanden ist.

Hoffe, das hilft, ich habe auch diese andere Seite als Referenz verwendet: http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_15/1.html Es hat eine nette Erklärung von Induktivitäten.

Ich liefere Ihnen keine visuellen Bilder, sondern eine irgendwie visuelle Beschreibung:

Da Sie einen Widerstand als ein Gerät sehen können, das Strom in Spannung „umwandelt“ (sowie Spannung in Strom), können Sie einen Kondensator als ein Gerät sehen, das Ladung in Spannung umwandelt.

Die Ladung ist über die Zeit integriert.

Wenn also Strom durch einen Kondensator fließt, sehen Sie die Spannung nicht sofort, sondern erst, nachdem sich eine gewisse Ladung angesammelt hat.

Der Strom durch einen Kondensator ist also proportional zur Änderungsrate der Spannung, dh er ist proportional zur Steilheit der Spannungs-Zeit-Kurve.

Da Strom- und Spannungssignale Sinussignale sind ergibt sich die Phasenverschiebung da

cos(wt) = sin(wt + 90°)

und

d/dt sin(wt) = w * cos(wt)

Damit ein Kondensator seine Spannung erhöht, muss er auf sehr intuitive Weise Ladung ansammeln, also muss zuerst eine Weile Strom fließen. Daher eilt die Spannung dem Strom zeitlich nach.

Außerdem steigt die Spannung an, wenn der Strom positiv ist (weil sich Ladung ansammelt), und nimmt ab (und wird schließlich negativ), wenn der Strom negativ ist. Folglich treten die Spannungsspitzen auf, wenn der Strom Null durchquert (das Vorzeichen ändert), weil er von Inkrementieren auf Dekrementieren umschaltet und umgekehrt. Das erklärt die exakt 90 Grad Phase.

Das Induktorverhalten kann auf sehr ähnliche Weise erklärt werden, jedoch mit umgekehrten Rollen. Die Argumentation würde damit beginnen, dass für den Aufbau von Strom durch eine Induktivität eine Spannung für eine Weile vorhanden sein müsste, daher eilt der Strom der Spannung zeitlich nach. Usw.

Für ein wirkliches Verständnis sollten wir die Mathematik verwerfen und uns auf die physikalischen Dinge konzentrieren.
Stellen Sie sich vor, dass jeder Kondensator nur eine Struktur aus einem Plattenpaar ist (mit einem dielektrischen Material zwischen den Platten, wie l:l). Es ist nicht verwendbar, es sei denn, es ist aufgeladen, dh eine Platte ist mit +ve-Ladung geladen (und die andere Platte ist mit -ve-Ladung).

Während des Ladevorgangs beginnt jede Platte, die entsprechenden Ladungen zu erhalten, und allmählich baut sich die Platte mit immer mehr Ladungen auf. Der Ladungsanstieg ist eigentlich der Anstieg der Ladungskonzentration, auch Potentialanstieg (Vc) genannt.

Um die Ladung allmählich zu erhöhen, muss der Ladelieferant mehr Potential haben als der Kondensator. Wenn der Lieferer ein konstantes Potential (Vs) hat, verringert sich allmählich die Potentialdifferenz (Vs-Vc), was zu einem allmählichen Abfall des Stroms führt. Schließlich erreicht Vc Vs und der Strom stoppt. Wenn wir die Situation analysieren, fällt der Ladestrom mit steigendem Kondensatorpotential (Vc).

Wenn der Ladelieferant eine Wechselstromquelle ist, steigt das Lieferpotential im ersten Quartal allmählich an und fällt im zweiten Quartal und so weiter. Während des 1. Quartals wird der Kondensator aufgeladen und erreicht allmählich die Quellenspannung. Während des 2. Quartals entlädt sich der Kondensator zurück zum Lieferanten, da das Potential des letzteren niedriger ist als das des ersteren. Dieses Phänomen wiederholt sich in jedem Halbzyklus. Als Bezugsphänomen wird die Aufladung betrachtet. Der Ladungszufluss zum Kondensator ist die erste Aktion und der Potentialaufbau ist die nachfolgende Folge. Wir nennen das Potential (Spannung), das dem Strom nacheilt.