Kľúčový rozdiel – indukčnosť verzus kapacita
Indukčnosť a kapacita sú dve primárne vlastnosti RLC obvodov. Induktory a kondenzátory, ktoré sú spojené s indukčnosťou a kapacitou, sa bežne používajú v generátoroch priebehov a analógových filtroch. Kľúčový rozdiel medzi indukčnosťou a kapacitou je v tom, že indukčnosť je vlastnosťou vodiča nesúceho prúd, ktorý generuje magnetické pole okolo vodiča, zatiaľ čo kapacita je vlastnosťou zariadenia na uchovávanie a ukladanie elektrických nábojov.
Čo je indukčnosť?
Indukčnosť je „vlastnosť elektrického vodiča, ktorou zmena prúdu cez neho indukuje elektromotorickú silu v samotnom vodiči“. Keď sa medený drôt omotá okolo železného jadra a dva okraje cievky sa umiestnia na svorky batérie, zostava cievky sa stane magnetom. Tento jav sa vyskytuje v dôsledku vlastnosti indukčnosti.
Teórie indukčnosti
Existuje niekoľko teórií, ktoré popisujú správanie a vlastnosti indukčnosti vodiča pod prúdom. Jedna teória vynájdená fyzikom Hansom Christianom Ørstedom uvádza, že okolo vodiča vzniká magnetické pole B, keď ním prechádza konštantný prúd I. So zmenou prúdu sa mení aj magnetické pole. Ørstedov zákon sa považuje za prvý objav vzťahu medzi elektrinou a magnetizmom. Keď prúd tečie preč od pozorovateľa, smer magnetického poľa je v smere hodinových ručičiek.
Obrázok 01: Oerstedov zákon
Podľa Faradayovho zákona indukcie, meniace sa magnetické pole indukuje elektromotorickú silu (EMF) v blízkych vodičoch. Táto zmena magnetického poľa je relatívna k vodiču, to znamená, že buď sa pole môže meniť, alebo sa vodič môže pohybovať cez stabilné pole. Toto je najzákladnejší základ elektrických generátorov.
Tretia teória je Lenzov zákon, ktorý hovorí, že generované EMF vo vodiči pôsobí proti zmene magnetického poľa. Napríklad, ak je vodivý drôt umiestnený v magnetickom poli a ak sa pole zníži, vo vodiči sa podľa Faradayovho zákona indukuje EMF v smere, ktorým indukovaný prúd zrekonštruuje redukované magnetické pole. Ak sa konštruuje zmena vonkajšieho magnetického poľa d φ, EMF (ε) sa bude indukovať v opačnom smere. Tieto teórie boli založené na mnohých zariadeniach. Táto indukcia EMF v samotnom vodiči sa nazýva vlastná indukčnosť cievky a zmena prúdu v cievke môže indukovať prúd aj v inom blízkom vodiči. Toto sa nazýva vzájomná indukčnosť.
ε=-dφ/dt
Tu záporné znamienko označuje opozíciu EMG voči zmene magnetického poľa.
Jednotky indukčnosti a aplikácie
Indukčnosť sa meria v Henry (H), jednotke SI pomenovanej po Josephovi Henrym, ktorý indukciu objavil nezávisle. Indukčnosť je v elektrických obvodoch označená ako „L“za názvom Lenz.
Od klasického elektrického zvončeka až po moderné techniky bezdrôtového prenosu energie bola indukcia základným princípom mnohých inovácií. Ako bolo uvedené na začiatku tohto článku, magnetizácia medenej cievky sa používa pre elektrické zvončeky a relé. Relé sa používa na spínanie veľkých prúdov pomocou veľmi malého prúdu, ktorý magnetizuje cievku, ktorá priťahuje pól spínača veľkého prúdu. Ďalším príkladom je vypínací spínač alebo prúdový chránič (RCCB). Tam sú živé a neutrálne vodiče napájania vedené cez samostatné cievky, ktoré zdieľajú rovnaké jadro. V normálnom stave je systém vyvážený, pretože prúd v živom a neutrálnom stave je rovnaký. Pri úniku prúdu v domácom okruhu bude prúd v dvoch cievkach odlišný, čo spôsobí nevyvážené magnetické pole v zdieľanom jadre. Spínací pól sa teda pritiahne k jadru a náhle odpojí obvod. Okrem toho je možné uviesť množstvo ďalších príkladov, ako je transformátor, systém RF-ID, metóda bezdrôtového nabíjania energie, indukčné variče atď.
Induktory sa tiež zdráhajú náhlym zmenám prúdov cez ne. Preto by vysokofrekvenčný signál neprešiel cez induktor; prešli by len pomaly sa meniace komponenty. Tento jav sa využíva pri navrhovaní dolnopriepustných analógových filtračných obvodov.
Čo je kapacita?
Kapacita zariadenia meria schopnosť udržať v ňom elektrický náboj. Základný kondenzátor sa skladá z dvoch tenkých vrstiev kovového materiálu a dielektrického materiálu vloženého medzi ne. Keď sa na dve kovové dosky aplikuje konštantné napätie, uložia sa na nich opačné náboje. Tieto náboje zostanú aj po odpojení napätia. Okrem toho, keď odpor R spojí dve dosky nabitého kondenzátora, kondenzátor sa vybije. Kapacita C zariadenia je definovaná ako pomer medzi nábojom (Q), ktorý drží, a aplikovaným napätím, v, na jeho nabitie. Kapacita sa meria pomocou Faradov (F).
C=Q/v
Čas potrebný na nabitie kondenzátora sa meria pomocou časovej konštanty uvedenej v: R x C. Tu je R odpor pozdĺž dráhy nabíjania. Časová konštanta je čas, ktorý potrebuje kondenzátor na nabitie 63 % svojej maximálnej kapacity.
Vlastnosti kapacity a aplikácie
Kondenzátory nereagujú na konštantné prúdy. Pri nabíjaní kondenzátora sa prúd cez kondenzátor mení, až kým nie je úplne nabitý, ale potom prúd neprechádza cez kondenzátor. Je to preto, že dielektrická vrstva medzi kovovými doskami robí z kondenzátora „vypínač“. Kondenzátor však reaguje na meniace sa prúdy. Podobne ako pri striedavom prúde by zmena striedavého napätia mohla ďalej nabíjať alebo vybíjať kondenzátor, čím by sa stal „spínačom“pre striedavé napätie. Tento efekt sa používa na navrhovanie vysokopriepustných analógových filtrov.
Okrem toho existujú negatívne účinky aj na kapacitu. Ako už bolo spomenuté vyššie, náboje prenášajúce prúd vo vodičoch vytvárajú kapacitu medzi sebou navzájom, ako aj s blízkymi objektmi. Tento efekt sa nazýva rozptylová kapacita. V prenosových vedeniach môže dôjsť k rozptylovej kapacite medzi jednotlivými vedeniami, ako aj medzi vedeniami a zemou, nosnými konštrukciami atď. Vzhľadom na veľké prúdy, ktoré nimi prenášajú, tento rozptylový efekt značne ovplyvňuje výkonové straty v prenosových vedeniach.
Obrázok 02: Paralelný doskový kondenzátor
Aký je rozdiel medzi indukčnosťou a kapacitou?
Indukčnosť verzus kapacita |
|
| Indukčnosť je vlastnosť vodičov prenášajúcich prúd, ktorá generuje magnetické pole okolo vodiča. | Kapacita je schopnosť zariadenia ukladať elektrické náboje. |
| Measurement | |
| Indukčnosť meria Henry (H) a je symbolizovaná ako L. | Kapacita sa meria vo Faradoch (F) a je symbolizovaná ako C. |
| Zariadenia | |
| Elektrický komponent spojený s indukčnosťou je známy ako induktor, ktorý sa zvyčajne vinie s jadrom alebo bez jadra. | Kapacita je spojená s kondenzátormi. V obvodoch sa používa niekoľko typov kondenzátorov. |
| Správanie pri zmene napätia | |
| Reakcia induktorov na pomaly sa meniace napätie. Vysokofrekvenčné striedavé napätie nemôže prechádzať cez induktory. | Nízkofrekvenčné striedavé napätie nemôže prechádzať cez kondenzátory, pretože pôsobí ako bariéra pre nízke frekvencie. |
| Použiť ako filtre | |
| Indukčnosť je dominantným komponentom v dolnopriepustných filtroch. | Kapacita je dominantným komponentom v hornopriepustných filtroch. |
Zhrnutie – Indukčnosť verzus kapacita
Indukčnosť a kapacita sú nezávislé vlastnosti dvoch rôznych elektrických komponentov. Zatiaľ čo indukčnosť je vlastnosťou vodiča prenášajúceho prúd vytvárať magnetické pole, kapacita je mierou schopnosti zariadenia udržať elektrické náboje. Obe tieto vlastnosti sa využívajú v rôznych aplikáciách ako základ. Napriek tomu sa stávajú nevýhodou aj z hľadiska strát výkonu. Odozva indukčnosti a kapacity na meniace sa prúdy naznačuje opačné správanie. Na rozdiel od induktorov, ktoré prechádzajú pomaly sa meniacim striedavým napätím, kondenzátory blokujú pomalé frekvenčné napätia, ktoré nimi prechádzajú. Toto je rozdiel medzi indukčnosťou a kapacitou.
