Belangrijk verschil - Inductantie versus capaciteit
Inductantie en capaciteit zijn twee van de belangrijkste eigenschappen van RLC-circuits. Inductoren en condensatoren, die respectievelijk worden geassocieerd met inductantie en capaciteit, worden vaak gebruikt in golfvormgeneratoren en analoge filters. Het belangrijkste verschil tussen inductantie en capaciteit is dat inductantie een eigenschap is van een stroomvoerende geleider die een magnetisch veld rond de geleider genereert, terwijl capaciteit een eigenschap is van een apparaat om elektrische ladingen vast te houden en op te slaan.
Wat is inductie?
Inductantie is de "eigenschap van een elektrische geleider waardoor een verandering in stroom erdoorheen een elektromotorische kracht in de geleider zelf induceert". Wanneer een koperdraad om een ijzeren kern wordt gewikkeld en de twee randen van de spoel op de accupolen worden geplaatst, wordt de spoelconstructie een magneet. Dit fenomeen treedt op vanwege de eigenschap inductantie.
Theorieën van inductie
Er zijn verschillende theorieën die het gedrag en de eigenschappen van de inductantie van een stroomvoerende geleider beschrijven. Een theorie uitgevonden door de natuurkundige, Hans Christian Ørsted, stelt dat een magnetisch veld, B, rond de geleider wordt gegenereerd wanneer er een constante stroom, I, doorheen gaat. Als de stroom verandert, verandert ook het magnetische veld. De wet van Ørsted wordt beschouwd als de eerste ontdekking van de relatie tussen elektriciteit en magnetisme. Wanneer de stroom wegvloeit van de waarnemer, is de richting van het magnetische veld met de klok mee.
Figuur 01: Wet van Oersted
Volgens de inductiewet van Faraday induceert een veranderend magnetisch veld een elektromotorische kracht (EMF) in nabijgelegen geleiders. Deze verandering van het magnetische veld is relatief ten opzichte van de geleider, dat wil zeggen, het veld kan variëren of de geleider kan door een stabiel veld bewegen. Dit is de meest fundamentele basis van elektrische generatoren.
De derde theorie is de wet van Lenz, die stelt dat de gegenereerde EMF in de geleider de verandering van het magnetische veld tegenwerkt. Als bijvoorbeeld een geleidende draad in een magnetisch veld wordt geplaatst en als het veld wordt verminderd, zal volgens de wet van Faraday een EMF in de geleider worden geïnduceerd in een richting waarin de geïnduceerde stroom het verminderde magnetische veld zal reconstrueren. Als de verandering van het externe magnetische veld d construeert, zal de EMF (ε) in de tegenovergestelde richting induceren. Deze theorieën zijn vermalen tot vele apparaten. Deze EMF-inductie in de geleider zelf wordt zelfinductie van de spoel genoemd en de variatie van de stroom in een spoel kan ook een stroom in een andere nabijgelegen geleider induceren. Dit wordt wederzijdse inductie genoemd.
ε=-dφ/dt
Hier geeft het minteken de oppositie van de EMG tegen de verandering van het magnetische veld aan.
Eenheden van inductie en toepassing
Inductantie wordt gemeten in Henry (H), de SI-eenheid genoemd naar Joseph Henry die de inductie onafhankelijk ontdekte. Inductantie wordt genoteerd als 'L' in elektrische circuits achter de naam Lenz.
Van de klassieke elektrische bel tot de moderne draadloze technieken voor vermogensoverdracht, inductie is het basisprincipe geweest in veel innovaties. Zoals vermeld in het begin van dit artikel, wordt de magnetisatie van een koperen spoel gebruikt voor elektrische bellen en relais. Een relais wordt gebruikt om grote stromen te schakelen met een zeer kleine stroom die een spoel magnetiseert die een pool van een schakelaar van de grote stroom aantrekt. Een ander voorbeeld is de trip switch of de aardlekschakelaar (RCCB). Daar worden de stroomvoerende en neutrale draden van de voeding door afzonderlijke spoelen geleid die dezelfde kern delen. In een normale toestand is het systeem gebalanceerd omdat de stroom in live en neutraal hetzelfde is. Bij een stroomlekkage in het thuiscircuit zal de stroom in de twee spoelen anders zijn, waardoor een ongebalanceerd magnetisch veld in de gedeelde kern ontstaat. Zo trekt een schakelpaal naar de kern, waardoor het circuit plotseling wordt verbroken. Bovendien kunnen een aantal andere voorbeelden worden gegeven, zoals een transformator, RF-ID-systeem, draadloze oplaadmethode, inductiekookplaten, enz.
Inductoren zijn ook terughoudend voor plotselinge veranderingen van stromen erdoorheen. Daarom zou een hoogfrequent signaal niet door een inductor gaan; alleen langzaam veranderende componenten zouden passeren. Dit fenomeen wordt gebruikt bij het ontwerpen van analoge laagdoorlaatfiltercircuits.
Wat is capaciteit?
De capaciteit van een apparaat meet het vermogen om een elektrische lading erin vast te houden. Een basiscondensator is samengesteld uit twee dunne films van metallisch materiaal en een diëlektrisch materiaal daartussenin. Wanneer een constante spanning op de twee metalen platen wordt toegepast, worden er tegengestelde ladingen op opgeslagen. Deze ladingen blijven behouden, zelfs als de spanning wordt verwijderd. Bovendien, wanneer weerstand R wordt geplaatst die de twee platen van de geladen condensator verbindt, ontlaadt de condensator. De capaciteit C van het apparaat wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de lading (Q) die het vasthoudt en de aangelegde spanning, v, om het op te laden. Capaciteit wordt gemeten door Farads (F).
C=Q/v
De tijd die nodig is om de condensator op te laden, wordt gemeten door de tijdconstante gegeven in: R x C. Hier is R de weerstand langs het laadpad. Tijdconstante is de tijd die de condensator nodig heeft om 63% van zijn maximale capaciteit op te laden.
Eigenschappen van capaciteit en toepassing
Condensatoren reageren niet op constante stromen. Bij het opladen van de condensator varieert de stroom erdoorheen totdat deze volledig is opgeladen, maar daarna gaat de stroom niet langs de condensator. Dit komt omdat de diëlektrische laag tussen de metalen platen de condensator een 'uit-schakelaar' maakt. De condensator reageert echter op variërende stromen. Net als wisselstroom kan de verandering van de wisselspanning een condensator verder opladen of ontladen, waardoor het een 'aan-schakelaar' voor wisselspanningen wordt. Dit effect wordt gebruikt om analoge high-pass filters te ontwerpen.
Bovendien zijn er ook negatieve effecten in capaciteit. Zoals eerder vermeld, maken de ladingen die stroom voeren in geleiders capaciteit tussen elkaar en nabijgelegen objecten. Dit effect wordt strooicapaciteit genoemd. In hoogspanningslijnen kan de verdwaalde capaciteit optreden tussen elke lijn, maar ook tussen de lijnen en de aarde, ondersteunende structuren, enz. Vanwege de grote stromen die ze dragen, heeft dit verdwaalde effect een aanzienlijke invloed op vermogensverliezen in hoogspanningslijnen.
Figuur 02: Parallelle plaatcondensator
Wat is het verschil tussen inductie en capaciteit?
Inductantie versus capaciteit |
|
| Inductantie is een eigenschap van stroomvoerende geleiders die een magnetisch veld rond de geleider genereren. | Capaciteit is het vermogen van een apparaat om elektrische ladingen op te slaan. |
| Meting | |
| Inductantie wordt gemeten door Henry (H) en wordt gesymboliseerd als L. | Capaciteit wordt gemeten in Farads (F) en wordt gesymboliseerd als C. |
| Apparaten | |
| De elektrische component die met inductie wordt geassocieerd, staat bekend als inductoren, die meestal met een kern of zonder kern spoelen. | Capaciteit wordt geassocieerd met condensatoren. Er zijn verschillende soorten condensatoren die in circuits worden gebruikt. |
| Gedrag bij verandering van spanning | |
| Smoorspoelen reageren op langzaam veranderende spanningen. Hoogfrequente wisselspanningen kunnen niet door inductoren gaan. | Laagfrequente wisselspanningen kunnen niet door condensatoren gaan, omdat ze een barrière vormen voor lage frequenties. |
| Gebruiken als filters | |
| Inductantie is de dominante component in laagdoorlaatfilters. | Capaciteit is de dominante component in hoogdoorlaatfilters. |
Samenvatting – Inductantie versus capaciteit
Inductantie en capaciteit zijn onafhankelijke eigenschappen van twee verschillende elektrische componenten. Terwijl de inductantie een eigenschap is van een stroomvoerende geleider om een magnetisch veld op te bouwen, is capaciteit een maat voor het vermogen van een apparaat om elektrische ladingen vast te houden. Beide eigenschappen worden in diverse toepassingen als basis gebruikt. Niettemin worden deze ook een nadeel in termen van vermogensverliezen. De respons van inductantie en capaciteit op variërende stromen duidt op tegengesteld gedrag. In tegenstelling tot inductoren die langzaam veranderende wisselspanningen doorgeven, blokkeren condensatoren langzame frequentiespanningen die er doorheen gaan. Dit is het verschil tussen inductie en capaciteit.
