Βασική διαφορά – Επαγωγή έναντι χωρητικότητας
Η επαγωγή και η χωρητικότητα είναι δύο από τις κύριες ιδιότητες των κυκλωμάτων RLC. Οι επαγωγείς και οι πυκνωτές, που σχετίζονται με την επαγωγή και την χωρητικότητα αντίστοιχα, χρησιμοποιούνται συνήθως σε γεννήτριες κυματομορφής και αναλογικά φίλτρα. Η βασική διαφορά μεταξύ επαγωγής και χωρητικότητας είναι ότι η επαγωγή είναι μια ιδιότητα ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό, ενώ η χωρητικότητα είναι μια ιδιότητα μιας συσκευής να συγκρατεί και να αποθηκεύει ηλεκτρικά φορτία.
Τι είναι η επαγωγή;
Η επαγωγή είναι «η ιδιότητα ενός ηλεκτρικού αγωγού με την οποία μια αλλαγή στο ρεύμα μέσω αυτού προκαλεί ηλεκτροκινητική δύναμη στον ίδιο τον αγωγό». Όταν ένα χάλκινο σύρμα τυλίγεται γύρω από έναν σιδερένιο πυρήνα και οι δύο άκρες του πηνίου τοποθετούνται στους ακροδέκτες της μπαταρίας, το συγκρότημα πηνίου γίνεται μαγνήτης. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω της ιδιότητας της επαγωγής.
Θεωρίες επαγωγής
Υπάρχουν διάφορες θεωρίες που περιγράφουν τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες της επαγωγής ενός αγωγού που φέρει ρεύμα. Μια θεωρία που εφευρέθηκε από τον φυσικό, Hans Christian Ørsted, δηλώνει ότι ένα μαγνητικό πεδίο, B, δημιουργείται γύρω από τον αγωγό όταν ένα σταθερό ρεύμα, I, διέρχεται από αυτόν. Καθώς το ρεύμα αλλάζει, αλλάζει και το μαγνητικό πεδίο. Ο νόμος του Ørsted θεωρείται ως η πρώτη ανακάλυψη της σχέσης μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Όταν το ρεύμα ρέει μακριά από τον παρατηρητή, η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου είναι δεξιόστροφα.
Εικόνα 01: Νόμος του Oersted
Σύμφωνα με τον νόμο επαγωγής του Faraday, ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) σε κοντινούς αγωγούς. Αυτή η αλλαγή του μαγνητικού πεδίου είναι σχετική με τον αγωγό, δηλαδή, είτε το πεδίο μπορεί να ποικίλλει, είτε ο αγωγός μπορεί να κινηθεί μέσα από ένα σταθερό πεδίο. Αυτή είναι η πιο θεμελιώδης βάση των ηλεκτρικών γεννητριών.
Η τρίτη θεωρία είναι ο νόμος του Lenz, ο οποίος δηλώνει ότι το παραγόμενο EMF στον αγωγό αντιτίθεται στην αλλαγή του μαγνητικού πεδίου. Για παράδειγμα, εάν ένα αγώγιμο σύρμα τοποθετηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο και εάν το πεδίο μειωθεί, ένα EMF θα προκληθεί στον αγωγό σύμφωνα με το νόμο του Faraday προς μια κατεύθυνση κατά την οποία το επαγόμενο ρεύμα θα ανακατασκευάσει το μειωμένο μαγνητικό πεδίο. Εάν η αλλαγή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου d φ κατασκευάζεται, το EMF (ε) θα επάγει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτές οι θεωρίες έχουν εφαρμοστεί σε πολλές συσκευές. Αυτή η επαγωγή EMF στον ίδιο τον αγωγό ονομάζεται αυτοεπαγωγή του πηνίου και η διακύμανση του ρεύματος σε ένα πηνίο θα μπορούσε να προκαλέσει ρεύμα και σε έναν άλλο κοντινό αγωγό. Αυτό ονομάζεται αμοιβαία επαγωγή.
ε=-dφ/dt
Εδώ, το αρνητικό πρόσημο υποδηλώνει την αντίθεση του ΗΜΓ στην αλλαγή του μαγνητικού πεδίου.
Μονάδες επαγωγής και εφαρμογής
Η επαγωγή μετριέται σε Henry (H), τη μονάδα SI που πήρε το όνομά του από τον Joseph Henry που ανακάλυψε την επαγωγή ανεξάρτητα. Η επαγωγή σημειώνεται ως «L» στα ηλεκτρικά κυκλώματα μετά το όνομα του Lenz.
Από την κλασική ηλεκτρική καμπάνα έως τις σύγχρονες τεχνικές ασύρματης μεταφοράς ισχύος, η επαγωγή ήταν η βασική αρχή σε πολλές καινοτομίες. Όπως αναφέρθηκε στην αρχή αυτού του άρθρου, η μαγνήτιση ενός πηνίου χαλκού χρησιμοποιείται για ηλεκτρικά κουδούνια και ρελέ. Ένα ρελέ χρησιμοποιείται για την εναλλαγή μεγάλων ρευμάτων χρησιμοποιώντας ένα πολύ μικρό ρεύμα που μαγνητίζει ένα πηνίο που έλκει έναν πόλο ενός διακόπτη του μεγάλου ρεύματος. Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο διακόπτης ενεργοποίησης ή ο διακόπτης κυκλώματος υπολειπόμενου ρεύματος (RCCB). Εκεί, τα ηλεκτροφόρα και ουδέτερα καλώδια της παροχής διέρχονται από ξεχωριστά πηνία που μοιράζονται τον ίδιο πυρήνα. Σε κανονική κατάσταση, το σύστημα είναι ισορροπημένο αφού το ρεύμα σε ενεργό και ουδέτερο είναι το ίδιο. Σε μια διαρροή ρεύματος στο κύκλωμα του σπιτιού, το ρεύμα στα δύο πηνία θα είναι διαφορετικό, δημιουργώντας ένα μη ισορροπημένο μαγνητικό πεδίο στον κοινό πυρήνα. Έτσι, ένας πόλος διακόπτη έλκει στον πυρήνα, αποσυνδέοντας ξαφνικά το κύκλωμα. Επιπλέον, θα μπορούσαν να δοθούν ορισμένα άλλα παραδείγματα όπως μετασχηματιστής, σύστημα RF-ID, μέθοδος ασύρματης φόρτισης ισχύος, επαγωγικές κουζίνες κ.λπ..
Οι επαγωγείς είναι επίσης απρόθυμοι σε ξαφνικές αλλαγές των ρευμάτων μέσω αυτών. Επομένως, ένα σήμα υψηλής συχνότητας δεν θα διέρχεται από έναν επαγωγέα. μόνο σιγά σιγά που αλλάζουν εξαρτήματα θα περνούσαν. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό κυκλωμάτων αναλογικών φίλτρων χαμηλής διέλευσης.
Τι είναι η χωρητικότητα;
Η χωρητικότητα μιας συσκευής μετρά την ικανότητα να συγκρατεί ένα ηλεκτρικό φορτίο σε αυτήν. Ένας βασικός πυκνωτής αποτελείται από δύο λεπτές μεμβράνες από μεταλλικό υλικό και ένα διηλεκτρικό υλικό που βρίσκεται ανάμεσα τους. Όταν εφαρμόζεται σταθερή τάση στις δύο μεταλλικές πλάκες, αντίθετα φορτία αποθηκεύονται σε αυτές. Αυτά τα φορτία θα παραμείνουν ακόμη και αν αφαιρεθεί η τάση. Επιπλέον, όταν τοποθετηθεί αντίσταση R που συνδέει τις δύο πλάκες του φορτισμένου πυκνωτή, ο πυκνωτής αποφορτίζεται. Η χωρητικότητα C της συσκευής ορίζεται ως η αναλογία μεταξύ του φορτίου (Q) που διατηρεί και της εφαρμοζόμενης τάσης, v, για τη φόρτισή της. Η χωρητικότητα μετριέται με Farads (F).
C=Q/v
Ο χρόνος που απαιτείται για τη φόρτιση του πυκνωτή μετριέται με τη σταθερά χρόνου που δίνεται σε: R x C. Εδώ, το R είναι η αντίσταση κατά μήκος της διαδρομής φόρτισης. Η σταθερά χρόνου είναι ο χρόνος που χρειάζεται ο πυκνωτής για να φορτίσει το 63% της μέγιστης χωρητικότητάς του.
Ιδιότητες χωρητικότητας και εφαρμογής
Οι πυκνωτές δεν ανταποκρίνονται σε σταθερά ρεύματα. Κατά τη φόρτιση του πυκνωτή, το ρεύμα που διέρχεται από αυτόν ποικίλλει μέχρι να φορτιστεί πλήρως, αλλά μετά από αυτό, το ρεύμα δεν περνά κατά μήκος του πυκνωτή. Αυτό συμβαίνει επειδή το διηλεκτρικό στρώμα μεταξύ των μεταλλικών πλακών καθιστά τον πυκνωτή «απενεργοποιημένο». Ωστόσο, ο πυκνωτής αποκρίνεται σε διαφορετικά ρεύματα. Όπως και το εναλλασσόμενο ρεύμα, η αλλαγή της τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος θα μπορούσε να φορτίσει ή να αποφορτίσει περαιτέρω έναν πυκνωτή, καθιστώντας τον «ενεργοποιημένο» για τάσεις AC. Αυτό το εφέ χρησιμοποιείται για τη σχεδίαση αναλογικών φίλτρων υψηλής διέλευσης.
Επιπλέον, υπάρχουν αρνητικά αποτελέσματα και στην χωρητικότητα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα φορτία που μεταφέρουν ρεύμα στους αγωγούς δημιουργούν χωρητικότητα μεταξύ τους καθώς και σε κοντινά αντικείμενα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αδέσποτη χωρητικότητα. Στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η αδέσποτη χωρητικότητα θα μπορούσε να συμβεί μεταξύ κάθε γραμμής καθώς και μεταξύ των γραμμών και της γης, των υποστηρικτικών κατασκευών κ.λπ. Λόγω των μεγάλων ρευμάτων που μεταφέρονται από αυτά, αυτά τα φαινόμενα αδέσποσης επηρεάζουν σημαντικά τις απώλειες ισχύος στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας.
Εικόνα 02: Πυκνωτής παράλληλης πλάκας
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ επαγωγής και χωρητικότητας;
επαγωγή έναντι χωρητικότητας |
|
| Η επαγωγή είναι μια ιδιότητα των αγωγών που μεταφέρουν ρεύμα που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό. | Η χωρητικότητα είναι η ικανότητα μιας συσκευής να αποθηκεύει ηλεκτρικά φορτία. |
| Μέτρηση | |
| Η επαγωγή μετριέται με τον Henry (H) και συμβολίζεται ως L. | Η χωρητικότητα μετριέται σε Farads (F) και συμβολίζεται ως C. |
| Συσκευές | |
| Το ηλεκτρικό εξάρτημα που σχετίζεται με την επαγωγή είναι γνωστό ως επαγωγείς, οι οποίοι συνήθως τυλίγονται με πυρήνα ή χωρίς πυρήνα. | Η χωρητικότητα σχετίζεται με πυκνωτές. Υπάρχουν διάφοροι τύποι πυκνωτών που χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα. |
| Συμπεριφορά σε αλλαγή τάσης | |
| Αποκρίνονται τα πηνία σε αργές μεταβαλλόμενες τάσεις. Οι τάσεις εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής συχνότητας δεν μπορούν να περάσουν από επαγωγείς. | Οι τάσεις AC χαμηλής συχνότητας δεν μπορούν να περάσουν μέσα από πυκνωτές, καθώς λειτουργούν ως εμπόδιο στις χαμηλές συχνότητες. |
| Χρήση ως φίλτρα | |
| Η επαγωγή είναι το κυρίαρχο στοιχείο στα χαμηλοπερατά φίλτρα. | Η χωρητικότητα είναι το κυρίαρχο στοιχείο στα φίλτρα υψηλής διέλευσης. |
Σύνοψη – Επαγωγή έναντι χωρητικότητας
Η επαγωγή και η χωρητικότητα είναι ανεξάρτητες ιδιότητες δύο διαφορετικών ηλεκτρικών εξαρτημάτων. Ενώ η αυτεπαγωγή είναι μια ιδιότητα ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα να δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, η χωρητικότητα είναι ένα μέτρο της ικανότητας μιας συσκευής να συγκρατεί ηλεκτρικά φορτία. Και οι δύο αυτές ιδιότητες χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές ως βάση. Ωστόσο, αυτά αποτελούν επίσης μειονέκτημα όσον αφορά τις απώλειες ισχύος. Η απόκριση της επαγωγής και της χωρητικότητας σε ποικίλα ρεύματα υποδηλώνει αντίθετη συμπεριφορά. Σε αντίθεση με τα πηνία που περνούν αργά μεταβαλλόμενες τάσεις AC, οι πυκνωτές εμποδίζουν τις τάσεις αργής συχνότητας που διέρχονται από αυτά. Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ επαγωγής και χωρητικότητας.
