Klíčový rozdíl – indukčnost vs. kapacita
Indukčnost a kapacita jsou dvě primární vlastnosti RLC obvodů. Induktory a kondenzátory, které jsou spojeny s indukčností a kapacitou, se běžně používají v generátorech průběhu a analogových filtrech. Klíčový rozdíl mezi indukčností a kapacitou je ten, že indukčnost je vlastnost vodiče přenášejícího proud, který generuje magnetické pole kolem vodiče, zatímco kapacita je vlastnost zařízení, které drží a uchovává elektrické náboje.
Co je indukčnost?
Indukčnost je „vlastnost elektrického vodiče, kterou změna proudu procházejícího vodičem indukuje elektromotorickou sílu v samotném vodiči“. Když se měděný drát omotá kolem železného jádra a dva okraje cívky se umístí na svorky baterie, sestava cívky se stane magnetem. K tomuto jevu dochází díky vlastnosti indukčnosti.
Teorie indukčnosti
Existuje několik teorií, které popisují chování a vlastnosti indukčnosti vodiče pod proudem. Jedna teorie vynalezená fyzikem Hansem Christianem Ørstedem uvádí, že kolem vodiče vzniká magnetické pole B, když jím prochází konstantní proud I. Jak se mění proud, mění se i magnetické pole. Ørstedův zákon je považován za první objev vztahu mezi elektřinou a magnetismem. Když proud teče pryč od pozorovatele, směr magnetického pole je ve směru hodinových ručiček.
Obrázek 01: Oerstedův zákon
Podle Faradayova zákona indukce indukuje měnící se magnetické pole elektromotorickou sílu (EMF) v blízkých vodičích. Tato změna magnetického pole je relativní k vodiči, to znamená, že buď se pole může měnit, nebo se vodič může pohybovat v ustáleném poli. Toto je nejzákladnější základ elektrických generátorů.
Třetí teorie je Lenzův zákon, který říká, že generované EMF ve vodiči působí proti změně magnetického pole. Například, pokud je vodivý drát umístěn v magnetickém poli a pokud se pole sníží, bude se ve vodiči indukovat EMF podle Faradayova zákona ve směru, kterým indukovaný proud rekonstruuje redukované magnetické pole. Pokud je změna vnějšího magnetického pole d φ konstruována, EMF (ε) bude indukovat v opačném směru. Tyto teorie byly založeny na mnoha zařízeních. Tato indukce EMF v samotném vodiči se nazývá vlastní indukčnost cívky a změna proudu v cívce může indukovat proud také v jiném blízkém vodiči. Toto se nazývá vzájemná indukčnost.
ε=-dφ/dt
Záporné znaménko zde označuje opozici EMG ke změně magnetického pole.
Jednotky indukčnosti a aplikace
Induktance se měří v Henry (H), jednotce SI pojmenované po Josephu Henrym, který indukci objevil nezávisle. Indukčnost je v elektrických obvodech označena jako „L“za názvem Lenz.
Od klasického elektrického zvonku až po moderní bezdrátové techniky přenosu energie je indukce základním principem mnoha inovací. Jak již bylo zmíněno na začátku tohoto článku, magnetizace měděné cívky se používá pro elektrické zvonky a relé. Relé se používá ke spínání velkých proudů pomocí velmi malého proudu, který magnetizuje cívku, která přitahuje pól spínače velkého proudu. Dalším příkladem je vypínací spínač nebo proudový chránič (RCCB). Tam jsou živé a neutrální vodiče napájení vedeny přes samostatné cívky, které sdílejí stejné jádro. Za normálních podmínek je systém vyvážený, protože proud v živém a neutrálním napětí je stejný. Při úniku proudu v domácím obvodu bude proud ve dvou cívkách odlišný, což způsobí nevyvážené magnetické pole ve sdíleném jádru. Spínací pól se tak přitáhne k jádru a náhle odpojí obvod. Kromě toho by mohla být uvedena řada dalších příkladů, jako je transformátor, systém RF-ID, metoda bezdrátového nabíjení, indukční vařiče atd.
Induktory se také zdráhají náhlým změnám proudů jimi procházejících. Proto by vysokofrekvenční signál neprošel induktorem; prošly by jen pomalu se měnící součásti. Tento jev se využívá při navrhování nízkopropustných analogových filtračních obvodů.
Co je kapacita?
Kapacita zařízení měří schopnost udržet v něm elektrický náboj. Základní kondenzátor se skládá ze dvou tenkých vrstev kovového materiálu a mezi nimi vloženého dielektrického materiálu. Když je na dvě kovové desky aplikováno konstantní napětí, uloží se na nich opačné náboje. Tyto náboje zůstanou i po odpojení napětí. Dále, když je umístěn odpor R spojující dvě desky nabitého kondenzátoru, kondenzátor se vybíjí. Kapacita C zařízení je definována jako poměr mezi nábojem (Q), který drží, a použitým napětím v k jeho nabití. Kapacita se měří pomocí Farads (F).
C=Q/v
Doba potřebná k nabití kondenzátoru se měří pomocí časové konstanty uvedené v: R x C. Zde je R odpor podél nabíjecí dráhy. Časová konstanta je doba, za kterou se kondenzátor nabije na 63 % své maximální kapacity.
Vlastnosti kapacity a aplikace
Kondenzátory nereagují na konstantní proudy. Při nabíjení kondenzátoru se proud protékající kondenzátorem mění, dokud není plně nabit, ale poté již proud neprochází kondenzátorem. Je to proto, že dielektrická vrstva mezi kovovými deskami dělá z kondenzátoru „vypínač“. Kondenzátor však reaguje na různé proudy. Stejně jako střídavý proud může změna střídavého napětí dále nabíjet nebo vybíjet kondenzátor, což z něj činí „spínač“pro střídavá napětí. Tento efekt se používá k návrhu vysokopropustných analogových filtrů.
Kromě toho existují také negativní účinky na kapacitu. Jak již bylo zmíněno dříve, náboje přenášející proud ve vodičích vytvářejí kapacitu mezi sebou navzájem, stejně jako mezi blízkými objekty. Tento efekt se nazývá rozptylová kapacita. V elektrických přenosových vedeních se rozptylová kapacita může vyskytovat mezi každým vedením a také mezi vedením a zemí, nosnými konstrukcemi atd. Vzhledem k velkým proudům jimi přenášeným tento rozptylový efekt značně ovlivňuje výkonové ztráty v elektrických vedeních.
Obrázek 02: Paralelní deskový kondenzátor
Jaký je rozdíl mezi indukčností a kapacitou?
Indukčnost vs kapacita |
|
| Indukčnost je vlastnost vodičů přenášejících proud, která generuje magnetické pole kolem vodiče. | Kapacita je schopnost zařízení ukládat elektrické náboje. |
| Měření | |
| Indukčnost je měřena Henrym (H) a je symbolizována jako L. | Kapacita se měří ve Faradech (F) a je symbolizována jako C. |
| Zařízení | |
| Elektrická součást spojená s indukčností je známá jako induktory, které se obvykle vinou s jádrem nebo bez jádra. | Kapacita je spojena s kondenzátory. V obvodech se používá několik typů kondenzátorů. |
| Chování při změně napětí | |
| Reakce induktorů na pomalu se měnící napětí. Vysokofrekvenční střídavé napětí nemůže projít induktory. | Nízkofrekvenční střídavé napětí nemůže procházet kondenzátory, protože působí jako bariéra pro nízké frekvence. |
| Použít jako filtry | |
| Indukčnost je dominantní složkou v dolnopropustných filtrech. | Kapacita je dominantní složkou v hornopropustných filtrech. |
Shrnutí – Indukčnost vs kapacita
Indukčnost a kapacita jsou nezávislé vlastnosti dvou různých elektrických součástí. Zatímco indukčnost je vlastnost vodiče přenášejícího proud vytvářet magnetické pole, kapacita je mírou schopnosti zařízení držet elektrické náboje. Obě tyto vlastnosti se používají v různých aplikacích jako základ. Přesto se stávají nevýhodou i z hlediska ztrát výkonu. Odezva indukčnosti a kapacity na měnící se proudy indikuje opačné chování. Na rozdíl od induktorů, které propouštějí pomalu se měnící střídavé napětí, kondenzátory blokují nízkofrekvenční napětí procházející jimi. To je rozdíl mezi indukčností a kapacitou.
