Avainero – induktanssi vs kapasitanssi
Induktanssi ja kapasitanssi ovat kaksi RLC-piirien ensisijaista ominaisuutta. Induktoreita ja kondensaattoreita, jotka liittyvät induktanssiin ja vastaavasti kapasitanssiin, käytetään yleisesti a altomuotogeneraattoreissa ja analogisissa suodattimissa. avainero induktanssin ja kapasitanssin välillä on se, että induktanssi on virtaa kuljettavan johtimen ominaisuus, joka muodostaa magneettikentän johtimen ympärille, kun taas kapasitanssi on laitteen ominaisuus, joka pitää ja varastoi sähkövarauksia.
Mikä on induktanssi?
Induktanssi on "sähköjohtimen ominaisuus, jolla sen läpi kulkeva virran muutos indusoi sähkömotorisen voiman itse johtimessa". Kun kuparilanka kiedotaan rautasydämen ympärille ja kelan kaksi reunaa asetetaan akun napoihin, kelakokoonpanosta tulee magneetti. Tämä ilmiö johtuu induktanssin ominaisuudesta.
Induktanssiteoriat
On olemassa useita teorioita, jotka kuvaavat virtaa kuljettavan johtimen induktanssin käyttäytymistä ja ominaisuuksia. Eräs fyysikon Hans Christian Ørstedin keksimä teoria väittää, että magneettikenttä B syntyy johtimen ympärille, kun sen läpi kulkee vakiovirta I. Virran muuttuessa magneettikenttä muuttuu. Ørstedin lakia pidetään ensimmäisenä löytönä sähkön ja magnetismin välisestä suhteesta. Kun virta kulkee poispäin havaitsijasta, magneettikentän suunta on myötäpäivään.
Kuva 01: Oerstedin laki
Faradayn induktiolain mukaan muuttuva magneettikenttä indusoi sähkömotorisen voiman (EMF) lähellä oleviin johtimiin. Tämä magneettikentän muutos on suhteessa johtimeen, eli joko kenttä voi vaihdella tai johdin voi liikkua tasaisen kentän läpi. Tämä on sähkögeneraattoreiden perustavanlaatuisin perusta.
Kolmas teoria on Lenzin laki, jonka mukaan johtimessa syntyvä EMF vastustaa magneettikentän muutosta. Esimerkiksi, jos johtava lanka asetetaan magneettikenttään ja jos kenttä pienenee, EMF indusoituu johtimeen Faradayn lain mukaisesti suuntaan, jossa indusoitunut virta rekonstruoi vähentyneen magneettikentän. Jos ulkoisen magneettikentän muutos d φ on rakentava, EMF (ε) indusoituu vastakkaiseen suuntaan. Nämä teoriat on jaettu moniin laitteisiin. Tätä itse johtimessa olevaa EMF-induktiota kutsutaan kelan itseinduktanssiksi, ja virran vaihtelu kelassa voi indusoida virran myös toisessa lähellä olevassa johtimessa. Tätä kutsutaan keskinäiseksi induktanssiksi.
ε=-dφ/dt
Tässä negatiivinen merkki osoittaa EMG:n vastustuksen magneettikentän muutokselle.
Induktanssin yksiköt ja sovellus
Induktanssi mitataan Henryllä (H), SI-yksiköllä, joka on nimetty Joseph Henryn mukaan, joka löysi induktion itsenäisesti. Induktanssi on merkitty L-kirjaimella sähköpiireissä Lenzin nimen jälkeen.
Klassisesta sähkökellosta nykyaikaisiin langattomiin tehonsiirtotekniikoihin, induktio on ollut monien innovaatioiden perusperiaate. Kuten tämän artikkelin alussa mainittiin, kuparikelan magnetointia käytetään sähkökelloille ja releille. Relettä käytetään suurten virtojen kytkemiseen erittäin pienellä virralla, joka magnetoi käämin, joka vetää puoleensa suuren virran kytkimen napaa. Toinen esimerkki on laukaisukytkin tai vikavirtasuojakytkin (RCCB). Siellä syötteen jännitteiset ja nollajohtimet johdetaan erillisten kelojen läpi, jotka jakavat saman ytimen. Normaalitilassa järjestelmä on tasapainotettu, koska jännitteellä ja nollavirta on sama. Kotipiirin virtavuodossa kahden käämin virta on erilainen, mikä muodostaa epätasapainoisen magneettikentän jaettuun ytimeen. Siten kytkimen napa vetää puoleensa ytimeen ja katkaisee äkillisesti piirin. Lisäksi voitaisiin antaa useita muita esimerkkejä, kuten muuntaja, RF-ID-järjestelmä, langaton virranlatausmenetelmä, induktioliesi jne.
Induktorit ovat myös haluttomia äkillisille virtojen muutoksille niiden läpi. Siksi korkeataajuinen signaali ei kulkisi induktorin läpi; vain hitaasti muuttuvat komponentit ohittaisivat. Tätä ilmiötä käytetään alipäästöanalogisten suodatinpiirien suunnittelussa.
Mikä on kapasitanssi?
Laitteen kapasitanssi mittaa kykyä pitää siinä sähkövaraus. Peruskondensaattori koostuu kahdesta ohuesta metallimateriaalikalvosta ja niiden välissä olevasta dielektrisestä materiaalista. Kun vakiojännite kohdistetaan kahteen metallilevyyn, niille varastoidaan vastakkaiset varaukset. Nämä varaukset säilyvät, vaikka jännite poistetaan. Lisäksi, kun resistanssi R asetetaan yhdistämään varatun kondensaattorin kaksi levyä, kondensaattori purkautuu. Laitteen kapasitanssi C määritellään sen varauksen (Q) ja sen lataamiseen käytetyn jännitteen v väliseksi suhteeksi. Kapasitanssi mitataan Faradeilla (F).
C=Q/v
Kondensaattorin lataamiseen kuluva aika mitataan aikavakiolla, joka on annettu muodossa: R x C. Tässä R on resistanssi latausreitillä. Aikavakio on aika, jonka kondensaattori lataa 63 % enimmäiskapasiteetistaan.
Kapasitanssin ja sovelluksen ominaisuudet
Kondensaattorit eivät reagoi vakiovirtoihin. Kondensaattoria ladattaessa sen läpi kulkeva virta vaihtelee, kunnes se on täysin latautunut, mutta sen jälkeen virta ei kulje kondensaattoria pitkin. Tämä johtuu siitä, että metallilevyjen välinen dielektrinen kerros tekee kondensaattorista "off-kytkimen". Kondensaattori reagoi kuitenkin vaihteleviin virtoihin. Vaihtovirran tapaan vaihtojännitteen muutos voi edelleen ladata tai purkaa kondensaattoria, mikä tekee siitä AC-jännitteiden "on-kytkimen". Tätä tehostetta käytetään analogisten ylipäästösuodattimien suunnittelussa.
Lisäksi kapasitanssilla on kielteisiä vaikutuksia. Kuten aiemmin mainittiin, johtimissa virtaa kuljettavat varaukset muodostavat kapasitanssia sekä toistensa että lähellä olevien esineiden välillä. Tätä vaikutusta kutsutaan hajakapasitanssiksi. Voimansiirtolinjoissa hajakapasitanssia voi esiintyä kunkin linjan välillä sekä johtojen ja maan, tukirakenteiden jne. välillä. Niiden kuljettamien suurten virtojen vuoksi nämä hajavaikutukset vaikuttavat merkittävästi voimansiirtolinjojen tehohäviöihin.
Kuva 02: Rinnakkaislevykondensaattori
Mitä eroa on induktanssilla ja kapasitanssilla?
Induktanssi vs kapasitanssi |
|
| Induktanssi on virtaa kuljettavien johtimien ominaisuus, joka synnyttää magneettikentän johtimen ympärille. | Kapasitanssi on laitteen kyky varastoida sähkövarauksia. |
| Mittaus | |
| Induktanssin mittaa Henry (H) ja se symboloi L. | Kapasitanssi mitataan faradeina (F) ja symboloi C. |
| Laitteet | |
| Induktanssiin liittyvä sähkökomponentti tunnetaan induktoreina, jotka yleensä kiertyvät sydämen kanssa tai ilman sydäntä. | Kapasitanssi liittyy kondensaattoreihin. Piireissä käytetään useita erilaisia kondensaattoreita. |
| Käyttäytyminen jännitteen muuttuessa | |
| Induktorit reagoivat hitaasti muuttuviin jännitteisiin. Korkeataajuiset vaihtovirtajännitteet eivät voi kulkea kelojen läpi. | Matalataajuiset vaihtovirtajännitteet eivät pääse kulkemaan kondensaattoreiden läpi, koska ne estävät matalien taajuuksien. |
| Käytä suodattimina | |
| Induktanssi on hallitseva komponentti alipäästösuodattimissa. | Kapasitanssi on hallitseva komponentti ylipäästösuodattimissa. |
Yhteenveto – Induktanssi vs kapasitanssi
Induktanssi ja kapasitanssi ovat kahden eri sähkökomponentin itsenäisiä ominaisuuksia. Vaikka induktanssi on virtaa kuljettavan johtimen ominaisuus rakentaa magneettikenttä, kapasitanssi on mitta laitteen kyvystä pitää sähkövarauksia. Molempia ominaisuuksia käytetään erilaisissa sovelluksissa perustana. Tästä tulee kuitenkin haittaa myös tehohäviöiden kann alta. Induktanssin ja kapasitanssin vaste vaihteleviin virtoihin osoittaa päinvastaista käyttäytymistä. Toisin kuin induktorit, jotka kulkevat hitaasti muuttuvia vaihtojännitteitä, kondensaattorit estävät niiden läpi kulkevat hitaiden taajuuksien jännitteet. Tämä on ero induktanssin ja kapasitanssin välillä.
