Ключевая разница - индуктивность и емкость
Индуктивность и емкость являются двумя основными свойствами цепей RLC. Катушки индуктивности и конденсаторы, связанные соответственно с индуктивностью и емкостью, обычно используются в генераторах сигналов и аналоговых фильтрах. Основное различие между индуктивностью и емкостью заключается в том, что индуктивность - это свойство проводника с током, который создает магнитное поле вокруг проводника, тогда как емкость - это свойство устройства удерживать и накапливать электрические заряды.
Что такое индуктивность?
Индуктивность - это «свойство электрического проводника, благодаря которому изменение тока через него индуцирует электродвижущую силу в самом проводнике». Когда медный провод наматывается на железный сердечник, а два края катушки помещаются на клеммы батареи, сборка катушки становится магнитом. Это явление происходит из-за свойства индуктивности.
Теории индуктивности
Существует несколько теорий, описывающих поведение и свойства индуктивности проводника с током. Одна теория, изобретенная физиком Гансом Христианом Эрстедом, утверждает, что магнитное поле B создается вокруг проводника, когда через него проходит постоянный ток I. С изменением тока меняется и магнитное поле. Закон Эрстеда считается первым открытием связи между электричеством и магнетизмом. Когда ток течет от наблюдателя, магнитное поле направлено по часовой стрелке.
Рисунок 01: Закон Эрстеда
Согласно закону индукции Фарадея, изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в близлежащих проводниках. Это изменение магнитного поля происходит относительно проводника, то есть либо поле может меняться, либо проводник может двигаться через постоянное поле. Это самая фундаментальная основа электрических генераторов.
Третья теория – закон Ленца, который гласит, что генерируемая ЭДС в проводнике противодействует изменению магнитного поля. Например, если проводник поместить в магнитное поле и если поле уменьшить, то в проводнике будет индуцироваться ЭДС в соответствии с законом Фарадея в направлении, по которому наведенный ток восстановит уменьшенное магнитное поле. Если изменение внешнего магнитного поля d φ конструктивно, то ЭДС (ε) будет индуцироваться в обратном направлении. Эти теории были отшлифованы для многих устройств. Эта индукция ЭДС в самом проводнике называется собственной индуктивностью катушки, и изменение тока в катушке также может индуцировать ток в другом соседнем проводнике. Это называется взаимной индуктивностью.
ε=-dφ/dt
Здесь отрицательный знак указывает на противодействие ЭМГ изменению магнитного поля.
Единицы индуктивности и применения
Индуктивность измеряется в Генри (Гн), единице СИ, названной в честь Джозефа Генри, который независимо открыл индукцию. Индуктивность обозначается буквой «L» в электрических цепях после имени Lenz.
От классического электрического звонка до современных технологий беспроводной передачи энергии индукция была основным принципом многих инноваций. Как упоминалось в начале этой статьи, намагничивание медной катушки используется для электрических звонков и реле. Реле используется для переключения больших токов с использованием очень малого тока, который намагничивает катушку, которая притягивает полюс переключателя большого тока. Другим примером является выключатель отключения или выключатель дифференциального тока (RCCB). Там активный и нейтральный провода питания проходят через отдельные катушки с одним и тем же сердечником. В нормальном состоянии система сбалансирована, так как ток в фазе и нейтрали одинаков. При утечке тока в домашней цепи ток в двух катушках будет разным, что создаст неуравновешенное магнитное поле в общем сердечнике. Таким образом, полюс выключателя притягивается к сердечнику, внезапно отключая цепь. Кроме того, можно привести ряд других примеров, таких как трансформатор, система RF-ID, метод беспроводной зарядки, индукционные плиты и т. д.
Дроссели также не любят резких изменений тока через них. Следовательно, высокочастотный сигнал не пройдет через индуктор; будут проходить только медленно меняющиеся компоненты. Это явление используется при разработке схем аналоговых фильтров нижних частот.
Что такое емкость?
Емкость устройства измеряет способность удерживать в нем электрический заряд. Базовый конденсатор состоит из двух тонких пленок металлического материала и диэлектрического материала, зажатого между ними. Когда к двум металлическим пластинам прикладывается постоянное напряжение, на них накапливаются противоположные заряды. Эти заряды останутся, даже если снять напряжение. Кроме того, когда сопротивление R соединяется с двумя пластинами заряженного конденсатора, конденсатор разряжается. Емкость C устройства определяется как отношение между зарядом (Q), который он удерживает, и приложенным напряжением v для его зарядки. Емкость измеряется в фарадах (Ф).
C=Q/v
Время, необходимое для зарядки конденсатора, измеряется постоянной времени, указанной в: R x C. Здесь R - сопротивление на пути заряда. Постоянная времени - это время, за которое конденсатор заряжается на 63% от его максимальной емкости.
Свойства емкости и применение
Конденсаторы не реагируют на постоянные токи. При зарядке конденсатора ток через него меняется до тех пор, пока он полностью не зарядится, но после этого ток по конденсатору не проходит. Это связано с тем, что диэлектрический слой между металлическими пластинами делает конденсатор «выключателем». Однако конденсатор реагирует на переменные токи. Как и в случае с переменным током, изменение напряжения переменного тока может дополнительно заряжать или разряжать конденсатор, делая его «переключателем» для напряжений переменного тока. Этот эффект используется для разработки аналоговых фильтров верхних частот.
Кроме того, существуют отрицательные эффекты емкости. Как упоминалось ранее, заряды, несущие ток в проводниках, создают емкость между собой, а также между близлежащими объектами. Этот эффект называется паразитной емкостью. В линиях электропередачи паразитная емкость может возникать как между каждой линией, так и между линиями и землей, опорными конструкциями и т. д. Из-за переносимых по ним больших токов эти паразитные эффекты значительно влияют на потери мощности в линиях электропередачи.
Рисунок 02: Конденсатор с параллельными пластинами
В чем разница между индуктивностью и емкостью?
Индуктивность и емкость |
|
| Индуктивность – это свойство проводников с током, которое создает магнитное поле вокруг проводника. | Емкость – это способность устройства накапливать электрические заряды. |
| Измерение | |
| Индуктивность измеряется Генри (H) и обозначается буквой L. | Емкость измеряется в фарадах (Ф) и обозначается как C. |
| Устройства | |
| Электрический компонент, связанный с индуктивностью, известен как катушки индуктивности, которые обычно наматываются с сердечником или без сердечника. | Емкость связана с конденсаторами. В цепях используется несколько типов конденсаторов. |
| Поведение при изменении напряжения | |
| Реакция индукторов на медленно меняющееся напряжение. Высокочастотные переменные напряжения не могут проходить через индукторы. | Низкочастотное переменное напряжение не может проходить через конденсаторы, так как они действуют как барьер для низких частот. |
| Использовать в качестве фильтров | |
| Индуктивность является доминирующим компонентом в фильтрах нижних частот. | Емкость является доминирующим компонентом в фильтрах верхних частот. |
Резюме – Сравнение индуктивности и емкости
Индуктивность и емкость являются независимыми свойствами двух различных электрических компонентов. В то время как индуктивность является свойством проводника с током создавать магнитное поле, емкость является мерой способности устройства удерживать электрические заряды. Оба эти свойства используются в различных приложениях в качестве основы. Тем не менее, они также становятся недостатком с точки зрения потерь мощности. Реакция индуктивности и емкости на изменение тока указывает на противоположное поведение. В отличие от катушек индуктивности, которые пропускают медленно меняющиеся напряжения переменного тока, конденсаторы блокируют проходящие через них напряжения с медленной частотой. Это разница между индуктивностью и емкостью.
