Kulcskülönbség – Induktivitás vs kapacitás
Az induktivitás és a kapacitás az RLC áramkörök két elsődleges tulajdonsága. Az induktivitáshoz és a kapacitáshoz kapcsolódó induktorokat és kondenzátorokat általában hullámforma-generátorokban és analóg szűrőkben használják. A fő különbség az induktivitás és a kapacitás között az, hogy az induktivitás az áramot vezető vezeték olyan tulajdonsága, amely mágneses teret hoz létre a vezető körül, míg a kapacitás az elektromos töltések megtartására és tárolására szolgáló eszköz tulajdonsága.
Mi az induktivitás?
Az induktivitás „az elektromos vezető azon tulajdonsága, amellyel az átmenő áram változása magában a vezetőben elektromotoros erőt indukál”. Ha egy rézhuz alt egy vasmag köré tekernek, és a tekercs két szélét az akkumulátor kapcsaira helyezik, a tekercsszerelvény mágnessé válik. Ez a jelenség az induktivitás tulajdonsága miatt következik be.
Induktivitáselméletek
Több elmélet létezik, amely leírja az áramvezető induktivitásának viselkedését és tulajdonságait. Az egyik elmélet, amelyet Hans Christian Ørsted fizikus talált ki, azt állítja, hogy a B mágneses mező keletkezik a vezető körül, amikor állandó áram, I megy át rajta. Az áramerősség változásával a mágneses tér is változik. Ørsted törvényét tekintik az elektromosság és a mágnesesség közötti kapcsolat első felfedezésének. Amikor az áram elfolyik a megfigyelőtől, a mágneses tér iránya az óramutató járásával megegyező irányban.
01. ábra: Oersted törvénye
A Faraday-féle indukciós törvény szerint a változó mágneses tér elektromotoros erőt (EMF) indukál a közeli vezetőkben. A mágneses térnek ez a változása a vezetőhöz képest történik, vagyis vagy a tér változhat, vagy a vezető állandó téren mozoghat. Ez az elektromos generátorok legalapvetőbb alapja.
A harmadik elmélet a Lenz-törvény, amely kimondja, hogy a vezetőben generált EMF ellenzi a mágneses tér változását. Például, ha egy vezető vezetéket mágneses térbe helyeznek, és ha a mező csökken, akkor a Faraday-törvény szerint EMF indukálódik a vezetőben abban az irányban, amelyben az indukált áram rekonstruálja a csökkentett mágneses teret. Ha a külső mágneses tér d φ változása konstruál, az EMF (ε) az ellenkező irányba indukál. Ezeket az elméleteket sok eszközön megőrzik. Ezt az EMF-indukciót magában a vezetőben a tekercs öninduktivitásának nevezik, és a tekercsben lévő áram változása egy másik közeli vezetőben is áramot indukálhat. Ezt kölcsönös induktivitásnak nevezik.
ε=-dφ/dt
Itt a negatív előjel az EMG ellenállását jelzi a mágneses tér változásával.
Induktivitás mértékegységei és alkalmazása
Az induktivitás mérése Henry-ben (H), az SI-mértékegységben történik, amelyet Joseph Henryről neveztek el, aki önállóan fedezte fel az indukciót. Az induktivitás az elektromos áramkörökben Lenz neve után „L” betűvel van jelölve.
A klasszikus elektromos csengőtől a modern vezeték nélküli energiaátviteli technikákig az indukció volt az alapelv számos innovációban. Amint azt a cikk elején említettük, a réztekercs mágnesezését elektromos csengőkhöz és relékhez használják. A relé nagy áramok kapcsolására szolgál egy nagyon kis áram segítségével, amely mágnesez egy tekercset, amely vonzza a nagy áram kapcsolójának pólusát. Egy másik példa a kioldókapcsoló vagy a maradékáram-megszakító (RCCB). Ott a tápfeszültség feszültség alatt lévő és nulla vezetékei külön tekercseken keresztül vezetnek, amelyek ugyanazon a magon vannak. Normál állapotban a rendszer kiegyensúlyozott, mivel a feszültség alatti és a semleges áramerősség azonos. Az otthoni áramkör áramszivárgása esetén a két tekercs áramerőssége eltérő lesz, ami kiegyensúlyozatlan mágneses mezőt eredményez a megosztott magban. Így egy kapcsoló pólusa vonzódik a maghoz, és hirtelen megszakítja az áramkört. Ezen túlmenően számos más példát is fel lehetne sorolni, mint például transzformátor, RF-ID rendszer, vezeték nélküli töltési módszer, indukciós tűzhelyek stb.
Az induktorok szintén vonakodnak a rajtuk áthaladó áramok hirtelen változásaitól. Ezért a nagyfrekvenciás jel nem halad át az induktoron; csak lassan változó alkatrészek mennének át. Ezt a jelenséget az aluláteresztő analóg szűrőáramkörök tervezésénél alkalmazzák.
Mi az a kapacitás?
Egy eszköz kapacitása azt méri, hogy mennyire képes elektromos töltést tartani benne. Az alapkondenzátor két vékony fémrétegből és egy közöttük lévő dielektromos anyagból áll. Ha állandó feszültséget kapcsolunk a két fémlemezre, ellentétes töltések raktározódnak rajtuk. Ezek a töltések akkor is megmaradnak, ha a feszültséget megszüntetik. Továbbá, ha a feltöltött kondenzátor két lapját összekötő R ellenállást helyezünk, a kondenzátor kisül. Az eszköz C kapacitását az általa tartott töltés (Q) és a töltéshez alkalmazott feszültség (v) arányaként határozzuk meg. A kapacitást Faradok (F) mérik.
C=Q/v
A kondenzátor feltöltéséhez szükséges időt a következő időállandóval mérjük: R x C. Itt R az ellenállás a töltési út mentén. Az időállandó az az idő, amely alatt a kondenzátor a maximális kapacitásának 63%-át feltölti.
Kapacitás és alkalmazás tulajdonságai
A kondenzátorok nem reagálnak az állandó áramokra. A kondenzátor töltésénél a rajta áthaladó áram a teljes feltöltődésig változik, de utána az áram nem halad végig a kondenzátoron. Ennek az az oka, hogy a fémlemezek közötti dielektromos réteg „kikapcsolóvá” teszi a kondenzátort. A kondenzátor azonban változó áramokra reagál. A váltakozó áramhoz hasonlóan a váltakozó áramú feszültség változása tovább töltheti vagy kisütheti a kondenzátort, így az AC feszültségek „bekapcsolója” lesz. Ezt az effektust használják felüláteresztő analóg szűrők tervezésére.
Továbbá a kapacitásban is vannak negatív hatások. Amint korábban említettük, a vezetőkben áramot szállító töltések kapacitást képeznek egymás és a közeli tárgyak között. Ezt a hatást szórt kapacitásnak nevezik. Erőátviteli vezetékekben a szórt kapacitás előfordulhat az egyes vonalak között, valamint a vezetékek és a föld, tartószerkezetek stb. között. Az általuk szállított nagy áramok miatt ezek a szórt hatások jelentősen befolyásolják a távvezetékek teljesítményveszteségét.
02. ábra: Párhuzamos lemezkondenzátor
Mi a különbség az induktivitás és a kapacitás között?
Induktivitás vs kapacitás |
|
| Az induktivitás az áramvezető vezetékek olyan tulajdonsága, amely mágneses teret hoz létre a vezető körül. | A kapacitás egy eszköz elektromos töltések tárolására való képessége. |
| Mérés | |
| Az induktivitást Henry (H) méri, és L-ként jelöli. | A kapacitást faradokban (F) mérik, és C-vel jelölik. |
| Eszközök | |
| Az induktivitáshoz kapcsolódó elektromos komponenst induktoroknak nevezzük, amelyek általában maggal vagy mag nélkül tekercselnek. | A kapacitás a kondenzátorokhoz van társítva. Az áramkörökben többféle kondenzátort használnak. |
| Magatartás feszültségváltozáskor | |
| Az induktorok reakciója a lassan változó feszültségekre. A nagyfrekvenciás váltakozó feszültség nem haladhat át az induktorokon. | Az alacsony frekvenciájú váltóáramú feszültségek nem tudnak áthaladni a kondenzátorokon, mivel gátat szabnak az alacsony frekvenciáknak. |
| Használat szűrőként | |
| Az induktivitás az aluláteresztő szűrők domináns összetevője. | A kapacitás a domináns összetevő a felüláteresztő szűrőkben. |
Összefoglaló – Induktivitás vs kapacitás
Az induktivitás és a kapacitás két különböző elektromos alkatrész független tulajdonságai. Míg az induktivitás az áramot vezető vezető tulajdonsága, hogy mágneses mezőt hozzon létre, a kapacitás az eszköz elektromos töltések megtartására való képességének mértéke. Mindkét tulajdonságot különböző alkalmazásokban használják alapként. Mindazonáltal ezek a teljesítményveszteség szempontjából is hátrányt jelentenek. Az induktivitás és a kapacitás válasza változó áramokra ellentétes viselkedést jelez. Ellentétben az induktorokkal, amelyek lassan változó váltakozó feszültséget vezetnek át, a kondenzátorok blokkolják a rajtuk áthaladó lassú frekvenciájú feszültségeket. Ez a különbség az induktivitás és a kapacitás között.
