לשאלה "מהי עכבה", אציין כי עכבה היא מושג רחב של פיזיקה באופן כללי, שעכבה חשמלית היא רק דוגמה אחת לכך.

כדי להבין מה זה אומר ואיך זה עובד, לעתים קרובות קל יותר לשקול עכבה מכנית במקום זאת. חשוב לנסות לדחוף (להחליק) ספה כבדה על הרצפה.
אתה מפעיל כמות מסוימת של כוח, והספה מחליקה במהירות מסוימת, תלוי כמה אתה דוחף חזק, משקל הספה, הסוג משטח הרצפה, סוג הרגליים שיש לספה, וכן הלאה. למצב זה ניתן להגדיר עכבה מכנית שנותנת את היחס בין כמה חזק אתה דוחף לאיזו מהירות עוברת הספה.

זה ממש דומה למעגל חשמלי DC, שבו אתה מחיל מסוים כמות המתח על פני מעגל, והזרם זורם בקצב מקביל מסוים דרכו.

במקרה של הספה והמעגל, התגובה לקלט שלך עשויה להיות פשוטה ודי לינארית: נגד המציית לחוק אוהם, כאשר העכבה החשמלית שלו היא רק ההתנגדות, והספה עשויה להיות יש רגלי מחליק חיכוך המאפשרות לו לנוע במהירות פרופורציונאלית לכוח שלך. *

מעגלים ומערכות מכניות עשויים להיות גם לא לינאריים. אם המעגל שלך מורכב ממתח משתנה הממוקם על פני הנגד בסדרה עם דיודה, הזרם יהיה קרוב לאפס עד שתעלה על המתח הקדמי של הדיודה, בנקודה זו הזרם יתחיל לזרום דרך הנגד, בהתאם למאוהם חוֹק. כמו כן, לספה היושבת על הרצפה בדרך כלל תהיה חיכוך סטטי כלשהו: היא לא תתחיל לזוז עד שתלחץ בכמות מסוימת של כוח ראשוני. לא במערכת המכנית וגם החשמלית אין עכבה לינארית אחת שניתן להגדיר. במקום זאת, הדבר הטוב ביותר שאתה יכול לעשות הוא להגדיר בנפרד עכבות בתנאים שונים. (העולם האמיתי הוא הרבה יותר כזה.)

גם כאשר הדברים מאוד ברורים וליניאריים, חשוב לציין כי עכבה רק מתארת ​​יחס - זה לא מתאר את הגבולות למערכת, וזה לא "רע". אתה בהחלט יכול לקבל כמה שיותר זרם / מהירות שאתה רוצה (במערכת אידיאלית) על ידי הוספת מתח נוסף / דחיפה חזקה יותר.

מערכות מכניות יכולות גם להעניק תחושה די טובה של עכבת AC. דמיין שאתה רוכב על אופניים. בכל חצי מחזור של הדוושות אתה דוחף שמאלה, דוחף ימינה. אתה יכול גם לדמיין לדווש ברגל אחת בלבד ובמצמד הבוהן, כך שתדחף ותמשוך בכל מחזור הדוושה שלך. זה כמו להפעיל מתח זרם זרם מעגל: אתה דוחף ומשוך בתורו, באופן מחזורי, בתדר מסוים.

אם התדר איטי מספיק - כמו כשאתה נעצר על אופניים, הבעיה של דחיפת הדוושות כלפי מטה היא רק בעיה "DC", כמו דחיפת הספה. כאשר אתה מזרז, הדברים יכולים להתנהג אחרת.

עכשיו, נניח שאתה רוכב במהירות מסוימת, והאופניים שלך הם שלוש הילוכים עם יחסי העברה נמוכים, בינוניים והיי. . בינוני מרגיש טבעי, הילוך היי קשה להפעיל מספיק כוח בכדי לחולל שינוי, ובהילוך נמוך, אתה פשוט מסובב את הדוושות מבלי להעביר אנרגיה לגלגלים. זה עניין של התאמת עכבה , שם אתה יכול להעביר יעיל כוח לגלגלים רק כאשר הם מציגים מידה מסוימת של עמידות פיזית לכף הרגל שלך - לא יותר מדי, לא מעט מדי. התופעה החשמלית המקבילה נפוצה מאוד גם כן; אתה זקוק לקווים תואמים עכבה כדי להעביר כוח RF בצורה יעילה מנקודה A לנקודה B, ובכל פעם שתחבר שני קווי תמסורת יחדיו, יהיה אובדן כלשהו בממשק.

ההתנגדות שהדוושות מספקות לרגליים זה פרופורציונאלי לכמה חזק אתה לוחץ, וזה קשור הכי קרוב להתנגדות פשוטה - במיוחד במהירויות נמוכות. גם במעגלים של זרם חילופין, נגד מתנהג כמו נגד (עד לנקודה מסוימת).

זה דומה להתנהגות של קבלים, ומודל טוב למדי לעכבה מכנית של אופניים יהיה נגד במקביל לקבל.

ב- dc (מהירות אפס) אתה פשוט רואה את ההתנגדות הגבוהה והקבועה כמעכבת שלך. ככל שתדר הדיווש גדל, עכבת הקבל הופכת נמוכה מזו של הנגד ומאפשרת לזרם לזרום בצורה כזו.

ישנם, כמובן, רכיבי חשמל שונים אחרים והאנלוגיות המכניות שלהם **, אך דיון זה אמור לתת לך אינטואיציה ראשונית לגבי הרעיון הכללי להישאר מקורקע (משחק מילים המיועד) כאשר אתה לומד על ההיבטים המתמטיים של מה שלעתים יכול להיראות נושא מופשט מאוד.

* מילה ל בררן: החוק של אוהם לעולם אינו מדויק עבור מכשיר אמיתי, וכוחות חיכוך בעולם האמיתי לעולם אינם נותנים מהירות פרופורציונאלית בדיוק לכוח. עם זאת, "די לינארי" קל. אני מנסה להיות חינוכי וכל הדברים כאן. חתוך לי קצת רפיון.

** למשל, משרן הוא משהו כמו גלגל קפיצי על הגלגל שלך שמוסיף גרור ככל שתגיע לתדר גבוה יותר)

העכבה של אלמנט מעגל היא היחס בין מתח לזרם באותו אלמנט.

מתחים וזרמים קבועים

למתח וזרמים קבועים עכבה היא רק התנגדות. נגד הוא מכשיר השומר על אותו יחס מתח וזרם, גם כשהמתח משתנה. הם לינאריים - כפול המתח וגם הזרם מכפיל. אם תצייר גרף של מתח מול זרם, השיפוע יהיה העכבה.

קבל, שהוא כמו שתי לוחות מתכת, פועל כמו מעגל פתוח לזרמים ומתחים קבועים. משרן, שפירושו חוט מתולתל, פועל כמו קצר חשמלי לזרמים ומתחים קבועים.

(במציאות זה לא ממש נקי. נגדים נוטים להעביר פחות זרם, אז הם צריכים כשהם מגיעים קבלים מאפשרים לדלוף מעט זרם, גם כאשר הם לא צריכים. למשרנים יש מעט התנגדות, כמו כל חוט רגיל.)

מתחים וזרמים המשתנים עם הזמן

כאן זה נהיה מעניין יותר. אלמנטים מסוימים במעגל, כמו קבלים ומשרנים, מאפשרים זרימת זרם פחות או יותר בהתאם לתדירות המתח שהם נתונים להם. אתה יכול לחשוב עליהם כעל נגדים תלויי תדרים. החלק התלוי בתדירות של העכבה נקרא תגובתיות. הוסף תגובת התנגדות ותקבל עכבה.

דוגמאות לתגובה

נניח שהייתה לך תיבה שיצרה גלי סינוס של משרעת 120 V. הגדרת תיבה למשך 60 מחזורים לשנייה וחבר את אות התיבה על פני קבלים 0.1 F. הזרם שזורם יהיה גל סינוס באותו תדר. הזרם יהיה:

I = V * 2 * pi * תדר * C

I = 120 * 2 * 3.14 * 60 * 0.1 = 4522 אמפר.

(במציאות, כל כך הרבה זרם יביא להתפוצצות הקבל.)

אם תכפיל את תדירות גל הסינוס, הזרם יוכפל. סוג זה של התנהגות שימושי במסנני RC - אתה יכול ליצור מעגלים בעלי התנגדות גבוהה בתדר אחד, אך התנגדות נמוכה בתא אחר, המאפשר לך לבחור אות מבין רעש, למשל.

משרן מתנהג באופן דומה, אך ככל שאתה מגביר את התדירות, העכבה עולה ולא פוחתת.

העולם האמיתי

במציאות לכל דבר יש התנגדות כמו וכן כמה תגובתיות (או מעט קיבוליות או השראות, אך לא את שניהם). בנוסף, לכל המעגלים יש ליניאריות, כמו תלות בטמפרטורה או אפקטים גיאומטריים שגורמים להם לסטות מהמודל האידיאלי.

כמו כן, המתחים והזרמים איתם אנו מתמודדים הם לעולם לא גלי סינוס מושלמים - הם ' מחדש שילוב של תדרים.

לדוגמה, נניח שאתה מפעיל סולנואיד כדי לפתוח נעילת דלת, כמו זמזמים בבנייני דירות. הסולנואיד הוא משרן מסיבי היוצר שדה מגנטי המושך אחורה את תפס נגד כוח הקפיץ. כשאתה מכבה את הסולנואיד, אתה מבצע שינוי דרסטי עם הזמן. כשאתה מנסה לגרום לזרם לרדת במהירות, ההשראות של הסולנואיד גורמות למתח לעלות במהירות.

זו הסיבה שאתה רואה מה שמכונה "דיודת זבוב" במקביל למשרנים גדולים - כדי לאפשר הנוכחי יירד לאט יותר, תוך הימנעות משיעור המתח שנגרם כתוצאה משינוי בתדירות גבוהה.

השלב הבא

מכאן, השלב הבא הוא למד כיצד לדגמן מעגלים הבנויים ממספר אלמנטים תגוביים (נניח, חבורה של נגדים וקבלים). לשם כך, עלינו לעקוב לא רק אחר משרעת המתח והזרם, אלא גם את מעבר הפאזות ביניהם - פסגות גלי הסינוס אינן מסתדרות בזמן.

(לצערי, אני צריך לעשות קצת עבודה כאן, אז אצטרך להשאיר אותך עם הקישור הזה: http://www.usna.edu/MathDept/CDP/ComplexNum/Module_6/ComplexPhasors.htm)

עכבה היא הרחבה של מושג ההתנגדות הכוללת את השפעות הקיבול וההשראות. למשרנים ולקבלים יש "תגובתיות" ועכבה היא השילוב של השפעות ההתנגדות והתגובה.

מבוא n00b: בעיקרון, זה מאפשר לך לחשוב על קבלים ומשרנים כאילו היו נגדים, מה שהופך את החישובים לפשוטים יותר ויותר אינטואיטיבי. למשל, אם אתה יודע לחשב את הפלט של מחלק מתח התנגדות גרידא:

אז אתה יכול גם לחשב את גודל הפלט של מסנן RC ב תדר נתון:

אמור ש R הוא 1 kΩ ו- C הוא 1 uF, למשל, ואתה רוצה לדעת את מתח המוצא אם אתה מזין גל סינוס ב 160 הרץ. התגובה של הקבל ב -160 הרץ היא בעוצמה של בערך 1 kΩ, כך ששני הנגדים זהים והמתח בכל אחד מהם יהיה זהה. בכל רכיב יש 0.707 ממתח הכניסה על פניו, אם כי לא 0.5, כמו במקרה ההתנגדות.

בתדרים אחרים, גודל התגובה של הקבל יהיה שונה, ולכן המסנן מגיב באופן שונה לתדרים שונים. אתה יכול גם לעבוד עם מספרים דמיוניים כדי לחשב את תזוזת השלב בפלט, אך לעתים קרובות הגודל הוא החלק היחיד שאכפת לך ממנו.

האנלוגיה המכנית שאני אוהבת עכבה היא קפיץ תלוי אנכית ועליו אוסף משקולות. אם המערכת תחילה חסרת תנועה ואחת מביאה טמלה קצרה כלפי מעלה למשקל בחלקו העליון, ומחזירה אותה במהירות למקומה המקורי, ההפרעה תעבור לאורך הקפיץ. כל משקל יימשך כלפי מעלה על ידי המשקל שלמעלה, ואז ידחוף כלפי מעלה על המשקל מעל (ונדחק כלפי מטה על ידיו) בזמן שהוא מושך כלפי מעלה על המשקל שלמטה (ונמשך כלפי מטה על ידיו), ולבסוף יידחף כלפי מעלה על ידי משקל מתחת. לאחר שכל הדברים האלה קרו, המשקל יחזור למקומו המקורי ולמהירות (אפסית).

שים לב שהתנהגות הגל המתפשט כלפי מטה אינה תלויה בדבר שמתחתיו. אולם לאחר שהגל מגיע לקרקעית, אחד משלושה דברים עשוי לקרות תלוי אם קצה הקפיץ משתלשל, קבוע למשהו או קבוע למשהו שיכול לנוע עם התנגדות מסוימת.

אם קצה הקפיץ משתלשל, למשקל התחתון לא יהיה שום דבר שמתחתיו כדי להפיל אותו כשהוא מטלטל כלפי מעלה. ההשפעה של זה תהיה שהמשקל יתנודד מעלה יותר מאשר אחרת, ויותר מהמשקל לעיל היה מצפה לבטל את האנרגיה שלו. זה בתורו יביא למשקל לדחוף כלפי מעלה על המשקל שלמעלה, וליצור גל העולה כלפי מעלה אשר יהיה (הפסדי חיכוך נעדרים) יהיה שווה בגודלו לגל הראשוני כלפי מטה. כיוון התזוזה יהיה זהה לגל המקורי (כלומר כלפי מעלה) אך הלחץ יהיה הפוך (הגל המקורי היה גל מתח; הריבאונד יהיה דחיסה).

אם תחתית הקפיץ מחוברת למשהו שזז מעט, אך לא כמו מעיין משתלשל, שתי ההתנהגויות לעיל עשויות להתבטל במידה מסוימת. אם מאפשרים לתחתית הקפיץ לנוע בדיוק בכמות הנכונה, ההתנהגויות יתבטלו והגל ייעלם. אחרת גל מסוג זה או אחר יתאושש, אך הגודל בדרך כלל יהיה פחות ממה שהיה עושה בקצה תלוי או קבוע. כמות ההתנגדות הנדרשת מוגדרת ביעילות על ידי העכבה, שהיא בתורו פונקציה של מסת המשקולות וקבוע הקפיץ של המעיינות. דֶגֶם. לדוגמא, אם כל המשקולות מעל משקל נקודה מסוים 100 גרם בעוד ששקלים מתחת למשקל 200 גרם, וכל הקפיצים שווים, המעבר מהמשקלים הבהירים למשקלים הכבדים יותר יביא לכך שאנרגיית הגל תשתקף כלפי מעלה (באופן דומה לקצה התחתון הקבוע) מכיוון שהמשקולות הכבדות לא יזוזו כמצופה. תפיסת המפתח היא שעבור דברים שנדחפים לחזור למהירות אפסית, עליהם להעביר הן את האנרגיה הקינטית והן את המומנטום שלהם. אם הם יכולים להעביר את האנרגיה והמומנטום שלהם למשהו עם מאפיינים זהים לכל מה שדחף אותם, הם יקבלו את כל האנרגיה והמומנטום ויעבירו אותם הלאה. אחרת הם יצטרכו להחזיר חלק מהאנרגיה ו / או המומנטום.

אגביל את תשובתי לתחום החשמלי. עכבה (Z) היא פשוטו כמשמעו רק V / I. זה פשוט כמו זה. אבל 'זה' לא כל כך פשוט בכל המקרים. נתחיל בפשטות ונעבוד.

אם העכבה היא נגד פשוט גושי ו- V הוא מתח DC (frequecy = f = 0), נוכל לכתוב מחדש את Z = V / I כדי שיהיה R = V /I.

אם העכבה נובעת מכובע או משרן, אז העכבה תלויה בתדירות.

אם התדרים גבוהים מספיק כדי שהרכיבים לא יופיעו כאלמנטים גושים עכבה אינה תלויה רק ​​בתדרים אלא בתלות במיקום. לפעמים אלמנטים אלה נועדו להפצה (למשל, מדריכי גלים, אנטנות וגלי EM בחלל פנוי) ולפעמים לא. רווח (מימד אחד) הוא. . . Z = V / I. אבל 'V' ו- 'I' הם כמויות וקטור מורכבות של הצורה (A) (e) ^ (j (wt + x)), כאשר j = SQRT (-1), 'A' הוא קבוע, 'e 'הוא הבסיס של הלוגריתם הטבעי,' w 'הוא תדר ברדיאנים / שנייה,' t 'הוא זמן בשניות, ו-' x 'הוא מרחק לאורך נתיב 1-D. מכיוון ש- Z הוא יחס בין שני הווקטורים המורכבים הללו, גם הוא ווקטור מורכב המשתנה בזמן ובמרחב. מהנדס החשמל מתפעל כמויות אלו למשך הזמן והמיקום הרצוי, ואז לוקח את החלק האמיתי של V או I (או Z) כדי להשיג את מה שנצפה בעולם האמיתי.