Nøgleforskel – Induktans vs Kapacitans
Induktans og kapacitans er to af de primære egenskaber ved RLC-kredsløb. Induktorer og kondensatorer, som er forbundet med henholdsvis induktans og kapacitans, er almindeligt anvendt i bølgeformsgeneratorer og analoge filtre. Den vigtigste forskel mellem induktans og kapacitans er, at induktans er en egenskab ved en strømførende leder, som genererer et magnetisk felt omkring lederen, mens kapacitans er en egenskab ved en enhed til at holde og opbevare elektriske ladninger.
Hvad er induktans?
Induktans er "egenskaben ved en elektrisk leder, hvorved en ændring i strøm gennem den inducerer en elektromotorisk kraft i selve lederen". Når en kobbertråd vikles rundt om en jernkerne, og de to kanter af spolen placeres på batteriterminaler, bliver spolenheden en magnet. Dette fænomen opstår på grund af egenskaben induktans.
Teorier om induktans
Der er flere teorier, som beskriver opførselen og egenskaberne ved induktansen af en strømførende leder. En teori opfundet af fysikeren, Hans Christian Ørsted, siger, at et magnetfelt, B, genereres omkring lederen, når en konstant strøm, I, går gennem den. Når strømmen ændrer sig, ændres magnetfeltet også. Ørsteds lov betragtes som den første opdagelse af forholdet mellem elektricitet og magnetisme. Når strømmen løber væk fra observatøren, er magnetfeltets retning med uret.
Figur 01: Ørsteds lov
I henhold til Faradays induktionslov inducerer et skiftende magnetfelt en elektromotorisk kraft (EMF) i nærliggende ledere. Denne ændring af magnetfeltet er i forhold til lederen, det vil sige enten kan feltet variere, eller lederen kan bevæge sig gennem et stabilt felt. Dette er det mest grundlæggende grundlag for elektriske generatorer.
Den tredje teori er Lenz’ lov, som siger, at den genererede EMF i lederen modarbejder ændringen af magnetfeltet. For eksempel, hvis en ledende ledning placeres i et magnetfelt, og hvis feltet reduceres, vil en EMF blive induceret i lederen ifølge Faradays lov i en retning, hvormed den inducerede strøm vil rekonstruere det reducerede magnetfelt. Hvis ændringen af det ydre magnetfelt d φ er under opbygning, vil EMF (ε) inducere i den modsatte retning. Disse teorier er blevet jordet til mange enheder. Denne EMF-induktion i selve lederen kaldes selvinduktans af spolen, og variationen af strøm i en spole kunne også inducere en strøm i en anden nærliggende leder. Dette kaldes gensidig induktans.
ε=-dφ/dt
Her indikerer det negative tegn EMG'ens modsætning til ændringen af magnetfeltet.
Induktansenheder og anvendelse
Induktans måles i Henry (H), SI-enheden opkaldt efter Joseph Henry, som opdagede induktionen uafhængigt. Induktans er angivet som 'L' i elektriske kredsløb efter navnet Lenz.
Fra den klassiske elektriske klokke til de moderne trådløse kraftoverførselsteknikker har induktion været det grundlæggende princip i mange innovationer. Som nævnt i begyndelsen af denne artikel bruges magnetiseringen af en kobberspole til elektriske klokker og relæer. Et relæ bruges til at skifte store strømme ved hjælp af en meget lille strøm, der magnetiserer en spole, som tiltrækker en pol af en kontakt af den store strøm. Et andet eksempel er udløsekontakten eller fejlstrømsafbryderen (RCCB). Der føres forsyningens strømførende og neutrale ledninger gennem separate spoler, som deler den samme kerne. I en normal tilstand er systemet afbalanceret, da strømmen i strømførende og neutral er den samme. Ved en strømlækage i hjemmekredsløbet vil strømmen i de to spoler være forskellig, hvilket giver et ubalanceret magnetfelt i den delte kerne. Således tiltrækker en kontaktpol til kernen og afbryder pludselig kredsløbet. Desuden kan der gives en række andre eksempler såsom transformer, RF-ID-system, trådløs strømopladningsmetode, induktionskomfurer osv.
Induktorer er også tilbageholdende med pludselige ændringer af strømme gennem dem. Derfor ville et højfrekvent signal ikke passere gennem en induktor; kun langsomt skiftende komponenter ville passere. Dette fænomen bruges til at designe analoge lavpasfilterkredsløb.
Hvad er Kapacitans?
En enheds kapacitans måler evnen til at holde en elektrisk ladning i den. En grundlæggende kondensator er sammensat af to tynde film af metallisk materiale og et dielektrisk materiale klemt ind imellem dem. Når en konstant spænding påføres de to metalplader, bliver modsatte ladninger lagret på dem. Disse ladninger forbliver, selvom spændingen fjernes. Ydermere, når modstand R er placeret, der forbinder de to plader på den ladede kondensator, aflades kondensatoren. Kapacitansen C af enheden er defineret som forholdet mellem den ladning (Q) den holder og den påførte spænding, v, for at oplade den. Kapacitansen måles ved Farads (F).
C=Q/v
Den tid, det tager at oplade kondensatoren, er målt ved tidskonstanten givet i: R x C. Her er R modstanden langs ladebanen. Tidskonstant er den tid, det tager kondensatoren at oplade 63 % af dens maksimale kapacitet.
egenskaber for kapacitans og anvendelse
Kondensatorer reagerer ikke på konstante strømme. Ved opladning af kondensatoren varierer strømmen gennem den, indtil den er fuldt opladet, men derefter passerer strømmen ikke langs kondensatoren. Det skyldes, at det dielektriske lag mellem metalpladerne gør kondensatoren til en 'off-switch'. Imidlertid reagerer kondensatoren på varierende strømme. Ligesom vekselstrøm kan ændringen af AC-spændingen yderligere oplade eller aflade en kondensator, hvilket gør den til en "on-switch" for AC-spændinger. Denne effekt bruges til at designe analoge højpasfiltre.
Yderligere er der også negative effekter i kapacitansen. Som tidligere nævnt laver ladningerne, der fører strøm i ledere, kapacitans mellem hinanden såvel som nærliggende genstande. Denne effekt kaldes stray kapacitans. I krafttransmissionsledninger kan strøkapacitansen forekomme mellem hver ledning såvel som mellem ledningerne og jorden, bærende konstruktioner osv. På grund af de store strømme, som disse bærer, påvirker disse strøeffekter effekttabet i kraftoverførselsledninger betydeligt.
Figur 02: Parallelpladekondensator
Hvad er forskellen mellem induktans og kapacitans?
Induktans vs Kapacitans |
|
| Induktans er en egenskab ved strømførende ledere, som genererer et magnetisk felt omkring lederen. | Kapacitans er en enheds evne til at lagre elektriske ladninger. |
| Measurement | |
| Induktans måles af Henry (H) og er symboliseret som L. | Kapacitans måles i Farads (F) og er symboliseret som C. |
| Devices | |
| Den elektriske komponent forbundet med induktans er kendt som induktorer, som norm alt spoler med en kerne eller uden en kerne. | Kapacitans er forbundet med kondensatorer. Der bruges flere typer kondensatorer i kredsløb. |
| Adfærd ved spændingsændring | |
| Induktorer reagerer på langsomt skiftende spændinger. Højfrekvente AC-spændinger kan ikke passere gennem induktorer. | Lavfrekvente AC-spændinger kan ikke passere gennem kondensatorer, da de fungerer som en barriere for lave frekvenser. |
| Brug som filtre | |
| Induktans er den dominerende komponent i lavpasfiltre. | Kapacitans er den dominerende komponent i højpasfiltre. |
Opsummering – Induktans vs Kapacitans
Induktans og kapacitans er uafhængige egenskaber for to forskellige elektriske komponenter. Mens induktansen er en egenskab ved en strømførende leder til at opbygge et magnetfelt, er kapacitans et mål for en enheds evne til at holde elektriske ladninger. Begge disse egenskaber bruges i forskellige applikationer som grundlag. Ikke desto mindre bliver disse også en ulempe med hensyn til strømtab. Reaktionen af induktans og kapacitans på varierende strømme indikerer modsat adfærd. I modsætning til induktorer, der passerer langsomt skiftende AC-spændinger, blokerer kondensatorer for langsomme frekvensspændinger, der passerer gennem dem. Dette er forskellen mellem induktans og kapacitans.
