Põhierinevus – induktiivsus vs mahtuvus
Induktiivsus ja mahtuvus on RLC-ahelate kaks peamist omadust. Induktoreid ja kondensaatoreid, mis on seotud vastav alt induktiivsuse ja mahtuvusega, kasutatakse tavaliselt lainekuju generaatorites ja analoogfiltrites. Peamine erinevus induktiivsuse ja mahtuvuse vahel on see, et induktiivsus on voolu juhtiva juhi omadus, mis tekitab juhtme ümber magnetvälja, samas kui mahtuvus on seadme omadus hoida ja salvestada elektrilaenguid.
Mis on induktiivsus?
Induktiivsus on „elektrijuhi omadus, mille tõttu voolu muutus seda läbiva indutseerib juhis endas elektromotoorjõu”. Kui vasktraat on mähitud ümber raudsüdamiku ja mähise kaks serva asetatakse aku klemmidele, muutub poolikomplekt magnetiks. See nähtus ilmneb induktiivsuse omaduse tõttu.
Induktiivsuse teooriad
Voolujuhtiva juhi induktiivsuse käitumist ja omadusi kirjeldavad mitmed teooriad. Üks teooria, mille on leiutanud füüsik Hans Christian Ørsted, väidab, et magnetväli B tekib juhi ümber, kui seda läbib pidev vool I. Kui vool muutub, muutub ka magnetväli. Ørstedi seadust peetakse elektri ja magnetismi vahelise seose esimeseks avastuks. Kui vool liigub vaatlejast eemale, on magnetvälja suund päripäeva.
Joonis 01: Oerstedi seadus
Vastav alt Faraday induktsiooniseadusele indutseerib muutuv magnetväli lähedalasuvates juhtmetes elektromotoorjõu (EMF). See magnetvälja muutus on juhi suhtes, see tähendab, et väli võib muutuda või juht võib liikuda läbi püsiva välja. See on elektrigeneraatorite kõige olulisem alus.
Kolmas teooria on Lenzi seadus, mis väidab, et juhis tekkiv EMF on vastu magnetvälja muutumisele. Näiteks kui juhtiv juhe asetatakse magnetvälja ja kui väli väheneb, indutseeritakse juhis vastav alt Faraday seadusele EMF suunas, mille võrra indutseeritud vool rekonstrueerib vähendatud magnetvälja. Kui välise magnetvälja muutus d φ on konstrueeriv, indutseerib EMF (ε) vastupidises suunas. Need teooriad on jahvatatud paljudes seadmetes. Seda EMF-i induktsiooni juhis nimetatakse mähise iseinduktiivsuseks ja voolu kõikumine mähises võib indutseerida voolu ka teises lähedalasuvas juhis. Seda nimetatakse vastastikuseks induktiivsuseks.
ε=-dφ/dt
Siin näitab negatiivne märk EMG vastuseisu magnetvälja muutumisele.
Induktiivsuse ühikud ja rakendus
Induktiivsust mõõdetakse Henry-s (H), SI-ühikus, mis sai nime Joseph Henry järgi, kes avastas induktsiooni iseseisv alt. Induktiivsus on elektriahelates märgitud kui "L" Lenzi nime järel.
Alates klassikalisest elektrikellast kuni moodsate juhtmevabade jõuülekandetehnikateni, on induktsioon olnud paljude uuenduste põhiprintsiip. Nagu käesoleva artikli alguses mainitud, kasutatakse elektrikellade ja releede jaoks vaskpooli magnetiseerimist. Releed kasutatakse suurte voolude lülitamiseks väga väikese voolu abil, mis magnetiseerib mähise, mis tõmbab suure voolu lüliti poolust. Teine näide on väljalülituslüliti või rikkevoolu kaitselüliti (RCCB). Seal juhitakse toitepinge ja nulljuhtmed läbi eraldi mähiste, millel on sama südamik. Tavaolukorras on süsteem tasakaalustatud, kuna pinges ja neutraalses voolutugevus on sama. Koduahela voolulekke korral on kahe mähise vool erinev, tekitades jagatud südamikus tasakaalustamata magnetvälja. Seega tõmbab lüliti poolus südamiku poole, katkestades ahela äkitselt. Lisaks võiks tuua mitmeid teisi näiteid, nagu trafo, RF-ID süsteem, juhtmevaba laadimismeetod, induktsioonpliidid jne.
Induktiivpoolid ei soovi ka neid läbivate voolude järske muutusi. Seetõttu ei liiguks kõrgsageduslik signaal läbi induktiivpooli; mööduvad ainult aeglaselt muutuvad komponendid. Seda nähtust kasutatakse madalpääs-analoogfiltri ahelate kavandamisel.
Mis on mahtuvus?
Seadme mahtuvus mõõdab võimet hoida selles elektrilaengut. Põhikondensaator koosneb kahest õhukesest metallmaterjalist kilest ja nende vahele jäävast dielektrilisest materjalist. Kui kahele metallplaadile rakendatakse konstantset pinget, salvestatakse neile vastupidised laengud. Need laengud jäävad alles ka siis, kui pinge eemaldatakse. Lisaks tühjeneb kondensaator, kui laetud kondensaatori kahte plaati ühendab takistus R. Seadme mahtuvus C on defineeritud kui suhe selles hoitava laengu (Q) ja selle laadimiseks rakendatud pinge v vahel. Mahtuvust mõõdetakse Faradidega (F).
C=Q/v
Kondensaatori laadimiseks kuluvat aega mõõdetakse ajakonstandiga, mis on antud: R x C. Siin on R takistus laadimisrajal. Ajakonstant on aeg, mis kulub kondensaatoril 63% maksimaalsest võimsusest laadimiseks.
Mahtuvuse ja rakenduse omadused
Kondensaatorid ei reageeri püsivooludele. Kondensaatori laadimisel muutub seda läbiv vool kuni selle täieliku laadimiseni, kuid pärast seda ei liigu vool mööda kondensaatorit. Selle põhjuseks on asjaolu, et metallplaatide vaheline dielektriline kiht muudab kondensaatori "väljalülitajaks". Kondensaator reageerib aga erinevatele vooludele. Nagu vahelduvvool, võib vahelduvpinge muutumine kondensaatorit veelgi laadida või tühjendada, muutes selle vahelduvpinge sisselülitamiseks. Seda efekti kasutatakse kõrgpääs-analoogfiltrite kujundamiseks.
Lisaks on negatiivsed mõjud ka mahtuvusele. Nagu varem mainitud, muudavad juhtides voolu kandvad laengud mahtuvuse nii üksteise kui ka läheduses asuvate objektide vahel. Seda efekti nimetatakse hajuv mahtuvuseks. Elektriülekandeliinides võib hajumismahtuvus tekkida nii iga liini vahel kui ka liinide ja maa, kandekonstruktsioonide jms vahel. Nende poolt kantavate suurte voolude tõttu mõjutavad need hajuefektid oluliselt voolukadusid elektriülekandeliinides.
Joonis 02: Paralleelne plaatkondensaator
Mis vahe on induktiivsusel ja mahtuvusel?
Induktiivsus vs mahtuvus |
|
| Induktiivsus on voolu juhtivate juhtide omadus, mis tekitab juhtme ümber magnetvälja. | Mahtuvus on seadme võime salvestada elektrilaenguid. |
| Mõõtmine | |
| Induktiivsust mõõdab Henry (H) ja seda sümboliseerib L. | Mahtuvust mõõdetakse faradides (F) ja sümboliseeritakse kui C. |
| Seadmed | |
| Induktiivsusega seotud elektrikomponenti nimetatakse induktiivpoolideks, mis tavaliselt kerivad südamikuga või ilma südamikuta. | Mahtuvus on seotud kondensaatoritega. Ahelates kasutatakse mitut tüüpi kondensaatoreid. |
| Käitumine pinge muutumisel | |
| Induktiivpoolid reageerivad aeglaselt muutuvatele pingetele. Kõrgsageduslikud vahelduvpinged ei saa läbida induktiivpoolid. | Madalsageduslikud vahelduvpinged ei saa kondensaatoreid läbida, kuna need takistavad madalaid sagedusi. |
| Kasuta filtritena | |
| Induktiivsus on madalpääsfiltrites domineeriv komponent. | Mahtuvus on kõrgpääsfiltrites domineeriv komponent. |
Kokkuvõte – induktiivsus vs mahtuvus
Induktiivsus ja mahtuvus on kahe erineva elektrikomponendi sõltumatud omadused. Kui induktiivsus on voolu kandva juhi omadus luua magnetvälja, siis mahtuvus mõõdab seadme võimet hoida elektrilaenguid. Neid mõlemaid omadusi kasutatakse alusena erinevates rakendustes. Sellest hoolimata muutuvad need puuduseks ka võimsuskadude osas. Induktiivsuse ja mahtuvuse reaktsioon muutuvatele vooludele viitab vastupidisele käitumisele. Erinev alt induktiivpoolidest, mis läbivad aeglaselt muutuvaid vahelduvpingeid, blokeerivad kondensaatorid neid läbivad aeglase sagedusega pinged. See on erinevus induktiivsuse ja mahtuvuse vahel.
