Ključna razlika – induktivnost proti kapacitivnosti
Induktivnost in kapacitivnost sta dve primarni lastnosti vezij RLC. Induktorji in kondenzatorji, ki so povezani z induktivnostjo oziroma kapacitivnostjo, se pogosto uporabljajo v generatorjih valov in analognih filtrih. Ključna razlika med induktivnostjo in kapacitivnostjo je v tem, da je induktivnost lastnost prevodnika s tokom, ki ustvarja magnetno polje okoli prevodnika, medtem ko je kapacitivnost lastnost naprave za zadrževanje in shranjevanje električnih nabojev.
Kaj je induktivnost?
Induktivnost je »lastnost električnega prevodnika, s katero sprememba toka skozi njega inducira elektromotorno silo v samem prevodniku«. Ko je bakrena žica ovita okoli železnega jedra in sta dva robova tuljave nameščena na priključke akumulatorja, sklop tuljave postane magnet. Do tega pojava pride zaradi lastnosti induktivnosti.
Teorije induktivnosti
Obstaja več teorij, ki opisujejo obnašanje in lastnosti induktivnosti prevodnika, po katerem teče tok. Ena od teorij, ki jo je izumil fizik Hans Christian Ørsted, navaja, da se okoli prevodnika ustvari magnetno polje B, ko skozi njega teče konstanten tok I. S spreminjanjem toka se spreminja tudi magnetno polje. Ørstedov zakon velja za prvo odkritje razmerja med elektriko in magnetizmom. Ko tok teče stran od opazovalca, je smer magnetnega polja v smeri urinega kazalca.
Slika 01: Oerstedov zakon
V skladu s Faradayevim zakonom indukcije spreminjajoče se magnetno polje inducira elektromotorno silo (EMS) v bližnjih prevodnikih. Ta sprememba magnetnega polja je relativna glede na prevodnik, kar pomeni, da se polje lahko spreminja ali pa se prevodnik premika skozi enakomerno polje. To je najbolj temeljna osnova električnih generatorjev.
Tretja teorija je Lenzov zakon, ki pravi, da ustvarjeni EMF v prevodniku nasprotuje spremembi magnetnega polja. Na primer, če prevodno žico postavimo v magnetno polje in če se polje zmanjša, se v prevodniku v skladu s Faradayevim zakonom inducira EMF v smeri, po kateri bo inducirani tok rekonstruiral zmanjšano magnetno polje. Če je sprememba zunanjega magnetnega polja d φ konstruktivna, bo EMF (ε) induciral v nasprotni smeri. Te teorije so bile utemeljene na številnih napravah. Ta indukcija EMF v samem prevodniku se imenuje samoinduktivnost tuljave in sprememba toka v tuljavi lahko inducira tok tudi v drugem bližnjem prevodniku. To se imenuje medsebojna induktivnost.
ε=-dφ/dt
Tukaj negativni predznak označuje nasprotovanje EMG spremembi magnetnega polja.
Enote induktivnosti in uporaba
Induktivnost se meri v Henryju (H), enoti SI, imenovani po Josephu Henryju, ki je neodvisno odkril indukcijo. Induktivnost je v električnih vezjih označena z 'L' po imenu Lenz.
Od klasičnega električnega zvonca do sodobnih tehnik brezžičnega prenosa energije je bila indukcija osnovno načelo številnih inovacij. Kot je bilo omenjeno na začetku tega članka, se magnetizacija bakrene tuljave uporablja za električne zvonce in releje. Rele se uporablja za preklapljanje velikih tokov z uporabo zelo majhnega toka, ki magnetizira tuljavo, ki privlači pol stikala velikega toka. Drug primer je sprožilno stikalo ali odklopnik na diferenčni tok (RCCB). Tam sta napajalna žica pod napetostjo in nevtralna napeljana skozi ločene tuljave, ki imajo isto jedro. V normalnih pogojih je sistem uravnotežen, saj je tok pod napetostjo in nevtralnost enak. Pri uhajanju toka v domačem tokokrogu bo tok v obeh tuljavah različen, kar povzroči neuravnoteženo magnetno polje v skupnem jedru. Tako se stikalni pol pritegne k jedru in nenadoma prekine vezje. Poleg tega bi lahko navedli številne druge primere, kot so transformator, sistem RF-ID, način brezžičnega polnjenja, indukcijski štedilniki itd.
Induktorji prav tako niso naklonjeni nenadnim spremembam tokov skozi njih. Zato visokofrekvenčni signal ne bi šel skozi induktor; samo počasi spreminjajoče se komponente bi prešle. Ta pojav se uporablja pri načrtovanju nizkopasovnih analognih filtrskih vezij.
Kaj je kapacitivnost?
Kapacitivnost naprave meri sposobnost zadrževanja električnega naboja v njej. Osnovni kondenzator je sestavljen iz dveh tankih plasti kovinskega materiala in dielektričnega materiala, stisnjenega med njima. Ko na dve kovinski plošči deluje konstantna napetost, se na njih shranijo nasprotni naboji. Ti naboji bodo ostali tudi, če se napetost odstrani. Poleg tega, ko je upor R nameščen, da poveže obe plošči napolnjenega kondenzatorja, se kondenzator izprazni. Kapacitivnost C naprave je definirana kot razmerje med nabojem (Q), ki ga ima, in uporabljeno napetostjo, v, za njeno polnjenje. Kapacitivnost se meri s faradi (F).
C=Q/v
Čas, potreben za polnjenje kondenzatorja, se meri s časovno konstanto, podano v: R x C. Tukaj je R upor vzdolž polnilne poti. Časovna konstanta je čas, ki ga potrebuje kondenzator, da napolni 63 % svoje največje zmogljivosti.
Lastnosti kapacitivnosti in uporaba
Kondenzatorji se ne odzivajo na konstantne tokove. Pri polnjenju kondenzatorja se tok skozi kondenzator spreminja, dokler ni popolnoma napolnjen, potem pa tok ne teče po kondenzatorju. To je zato, ker zaradi dielektrične plasti med kovinskimi ploščami kondenzator postane "izklopno stikalo". Vendar se kondenzator odziva na različne tokove. Tako kot izmenični tok bi lahko sprememba izmenične napetosti dodatno napolnila ali izpraznila kondenzator, zaradi česar bi postal "stikalo za vklop" za izmenične napetosti. Ta učinek se uporablja za oblikovanje visokoprepustnih analognih filtrov.
Poleg tega obstajajo negativni učinki tudi na kapacitivnost. Kot smo že omenili, naboji, ki prenašajo tok v prevodnikih, ustvarjajo kapacitivnost med seboj in bližnjimi predmeti. Ta učinek se imenuje blodeča kapacitivnost. V daljnovodih za prenos električne energije lahko pride do blodeče kapacitivnosti med posameznimi linijami, pa tudi med vodi in zemljo, podpornimi konstrukcijami itd. Zaradi velikih tokov, ki jih prenašajo, ti blodeči učinki znatno vplivajo na izgube moči v daljnovodih za prenos električne energije.
Slika 02: Vzporedni ploščni kondenzator
Kakšna je razlika med induktivnostjo in kapacitivnostjo?
Induktivnost proti kapacitivnosti |
|
| Induktivnost je lastnost vodnikov s tokom, ki ustvarja magnetno polje okoli prevodnika. | Kapacitivnost je sposobnost naprave za shranjevanje električnih nabojev. |
| Meritev | |
| Induktivnost se meri s Henryjem (H) in je označena kot L. | Kapacitivnost se meri v Faradih (F) in je označena kot C. |
| Naprave | |
| Električna komponenta, povezana z induktivnostjo, je znana kot induktorji, ki se običajno zvijajo z jedrom ali brez jedra. | Kapacitivnost je povezana s kondenzatorji. V vezjih se uporablja več vrst kondenzatorjev. |
| Obnašanje pri spremembi napetosti | |
| Odziv induktorjev na počasi spreminjajoče se napetosti. Visokofrekvenčne izmenične napetosti ne morejo preiti skozi induktorje. | Nizkofrekvenčne izmenične napetosti ne morejo preiti skozi kondenzatorje, saj delujejo kot ovira za nizke frekvence. |
| Uporabi kot filtre | |
| Induktivnost je prevladujoča komponenta v nizkopasovnih filtrih. | Kapacitivnost je prevladujoča komponenta v visokofrekvenčnih filtrih. |
Povzetek – Induktivnost proti kapacitivnosti
Induktivnost in kapacitivnost sta neodvisni lastnosti dveh različnih električnih komponent. Medtem ko je induktivnost lastnost prevodnika, po katerem teče tok, da ustvari magnetno polje, je kapacitivnost merilo sposobnosti naprave, da zadrži električne naboje. Obe lastnosti se uporabljata v različnih aplikacijah kot osnova. Kljub temu postanejo tudi pomanjkljivost v smislu izgub moči. Odziv induktivnosti in kapacitivnosti na različne tokove kaže na nasprotno vedenje. Za razliko od induktorjev, ki prepuščajo počasi spreminjajoče se izmenične napetosti, kondenzatorji blokirajo počasne frekvenčne napetosti, ki prehajajo skozi njih. To je razlika med induktivnostjo in kapacitivnostjo.
