ความแตกต่างที่สำคัญ – ความเหนี่ยวนำเทียบกับความจุ
ความเหนี่ยวนำและความจุเป็นคุณสมบัติหลักสองประการของวงจร RLC ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ซึ่งเกี่ยวข้องกับตัวเหนี่ยวนำและความจุตามลำดับ มักใช้ในเครื่องกำเนิดสัญญาณและตัวกรองแบบแอนะล็อก ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการเหนี่ยวนำและความจุคือการเหนี่ยวนำเป็นคุณสมบัติของตัวนำกระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวนำในขณะที่ความจุเป็นคุณสมบัติของอุปกรณ์สำหรับเก็บและเก็บประจุไฟฟ้า
ความเหนี่ยวนำคืออะไร
การเหนี่ยวนำคือ “สมบัติของตัวนำไฟฟ้าโดยที่กระแสที่ไหลผ่านจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในตัวตัวนำเอง”เมื่อลวดทองแดงพันรอบแกนเหล็กและวางขอบทั้งสองของขดลวดไว้ที่ขั้วแบตเตอรี่ การประกอบขดลวดจะกลายเป็นแม่เหล็ก ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติของตัวเหนี่ยวนำ
ทฤษฎีการเหนี่ยวนำ
มีหลายทฤษฎีที่อธิบายพฤติกรรมและสมบัติของการเหนี่ยวนำของตัวนำกระแสไฟฟ้าในปัจจุบัน ทฤษฎีหนึ่งที่คิดค้นโดยนักฟิสิกส์ Hans Christian Ørsted ระบุว่าสนามแม่เหล็ก B ถูกสร้างขึ้นรอบตัวนำไฟฟ้าเมื่อกระแสคงที่ I กำลังผ่านเข้าไป เมื่อกระแสเปลี่ยน สนามแม่เหล็กก็เช่นกัน กฎของ Ørsted ถือเป็นการค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็กเป็นครั้งแรก เมื่อกระแสไหลออกจากผู้สังเกต ทิศทางของสนามแม่เหล็กจะหมุนตามเข็มนาฬิกา
รูปที่ 01: กฎของเออร์สเต็ด
ตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ในตัวนำที่อยู่ใกล้เคียง การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กนี้สัมพันธ์กับตัวนำ กล่าวคือ สนามสามารถเปลี่ยนแปลงได้ หรือตัวนำสามารถเคลื่อนที่ผ่านสนามคงที่ได้ นี่คือพื้นฐานพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ทฤษฎีที่สามคือกฎของเลนซ์ ซึ่งระบุว่า EMF ที่สร้างขึ้นในตัวนำนั้นต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น หากวางลวดนำไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กและหากสนามลดลง EMF จะเหนี่ยวนำให้เกิดในตัวนำตามกฎของฟาราเดย์ในทิศทางที่กระแสเหนี่ยวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กที่ลดลงขึ้นใหม่หากมีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กภายนอก d φ EMF (ε) จะเหนี่ยวนำในทิศทางตรงกันข้าม ทฤษฎีเหล่านี้มีพื้นฐานมาจากอุปกรณ์หลายอย่าง การเหนี่ยวนำ EMF ในตัวนำนั้นเรียกว่าการเหนี่ยวนำตัวเองของขดลวดและการแปรผันของกระแสในขดลวดสามารถเหนี่ยวนำกระแสในตัวนำอื่นที่อยู่ใกล้เคียงได้เช่นกัน สิ่งนี้เรียกว่าเป็นตัวเหนี่ยวนำร่วมกัน
ε=-dφ/dt
ในที่นี้ เครื่องหมายลบแสดงถึงการต่อต้าน EMG ต่อการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก
หน่วยการเหนี่ยวนำและการใช้งาน
ความเหนี่ยวนำถูกวัดใน Henry (H) หน่วย SI ที่ตั้งชื่อตาม Joseph Henry ผู้ค้นพบการเหนี่ยวนำอย่างอิสระ การเหนี่ยวนำถูกระบุว่าเป็น 'L' ในวงจรไฟฟ้าหลังจากชื่อ Lenz
ตั้งแต่กระดิ่งไฟฟ้าแบบคลาสสิกไปจนถึงเทคนิคการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายที่ทันสมัย การเหนี่ยวนำเป็นหลักการพื้นฐานในนวัตกรรมมากมาย ดังที่กล่าวไว้ในตอนต้นของบทความนี้ การสะกดจิตของขดลวดทองแดงใช้สำหรับกระดิ่งไฟฟ้าและรีเลย์รีเลย์ใช้ในการสลับกระแสขนาดใหญ่โดยใช้กระแสขนาดเล็กมากที่ดึงดูดขดลวดที่ดึงดูดขั้วของสวิตช์ของกระแสขนาดใหญ่ อีกตัวอย่างหนึ่งคือสวิตช์การเดินทางหรือเบรกเกอร์กระแสไฟตกค้าง (RCCB) ที่นั่น สายไฟที่มีชีวิตและเป็นกลางของแหล่งจ่ายจะถูกส่งผ่านขดลวดที่แยกจากกันซึ่งมีแกนกลางร่วมกัน ในสภาวะปกติ ระบบจะสมดุลกันเนื่องจากกระแสไฟสดและเป็นกลางจะเท่ากัน เมื่อกระแสไฟรั่วในวงจรบ้าน กระแสในขดลวดทั้งสองจะแตกต่างกัน ทำให้สนามแม่เหล็กไม่สมดุลในแกนร่วม ดังนั้นขั้วสวิตช์จะดึงดูดแกนกลางและตัดการเชื่อมต่อวงจรทันที นอกจากนี้ ยังมีตัวอย่างอื่นๆ เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า ระบบ RF-ID วิธีการชาร์จพลังงานแบบไร้สาย เตาแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น
ตัวเหนี่ยวนำก็ไม่เต็มใจที่จะเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของกระแสที่ไหลผ่านพวกมัน ดังนั้นสัญญาณความถี่สูงจะไม่ผ่านตัวเหนี่ยวนำ ส่วนประกอบที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆเท่านั้นที่จะผ่านไปได้ ปรากฏการณ์นี้ใช้ในการออกแบบวงจรฟิลเตอร์แอนะล็อกความถี่ต่ำ
ความจุคืออะไร
ความจุของอุปกรณ์วัดความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้าในนั้น ตัวเก็บประจุพื้นฐานประกอบด้วยฟิล์มบาง ๆ สองแผ่นของวัสดุโลหะและวัสดุอิเล็กทริกประกบอยู่ระหว่างพวกเขา เมื่อแรงดันคงที่ถูกนำไปใช้กับแผ่นโลหะสองแผ่น ประจุตรงข้ามจะถูกเก็บไว้บนแผ่นโลหะทั้งสอง ประจุเหล่านี้จะยังคงอยู่แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะถูกลบออก นอกจากนี้ เมื่อวางความต้านทาน R เชื่อมต่อเพลตสองแผ่นของตัวเก็บประจุที่มีประจุ ตัวเก็บประจุจะคายประจุ ความจุ C ของอุปกรณ์ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนระหว่างประจุ (Q) ที่ถืออยู่และแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ v เพื่อชาร์จ ความจุวัดโดย Farads (F).
C=Q/v
เวลาที่ใช้ในการชาร์จตัวเก็บประจุจะถูกวัดโดยค่าคงที่เวลาที่กำหนดใน: R x C ในที่นี้ R คือความต้านทานตามเส้นทางการชาร์จ ค่าคงที่เวลาคือเวลาที่ตัวเก็บประจุใช้เพื่อชาร์จ 63% ของความจุสูงสุด
คุณสมบัติของความจุและการใช้งาน
ตัวเก็บประจุไม่ตอบสนองต่อกระแสคงที่ ที่การชาร์จตัวเก็บประจุ กระแสที่ไหลผ่านจะแปรผันจนกว่าจะมีประจุจนเต็ม แต่หลังจากนั้น กระแสจะไม่ไหลผ่านตัวเก็บประจุ เนื่องจากชั้นอิเล็กทริกระหว่างแผ่นโลหะทำให้ตัวเก็บประจุเป็น 'สวิตช์ปิด' อย่างไรก็ตามตัวเก็บประจุตอบสนองต่อกระแสที่แตกต่างกัน เช่นเดียวกับกระแสสลับ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสามารถชาร์จหรือคายประจุตัวเก็บประจุเพิ่มเติม ทำให้เป็น 'สวิตช์เปิด' สำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ เอฟเฟกต์นี้ใช้ในการออกแบบฟิลเตอร์แอนะล็อกความถี่สูง
นอกจากนี้ยังมีผลกระทบด้านลบในความจุเช่นกัน ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ประจุที่นำกระแสในตัวนำทำให้เกิดความจุระหว่างกันเช่นเดียวกับวัตถุใกล้เคียง เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าความจุจรจัด ในสายส่งไฟฟ้า ความจุที่หลงทางอาจเกิดขึ้นระหว่างแต่ละสายตลอดจนระหว่างเส้นกับพื้น โครงสร้างรองรับ ฯลฯ เนื่องจากกระแสน้ำขนาดใหญ่พัดพาไป ผลกระทบจากภายนอกเหล่านี้จึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อการสูญเสียพลังงานในสายส่งไฟฟ้า
รูปที่ 02: ตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน
ความเหนี่ยวนำและความจุต่างกันอย่างไร
ความเหนี่ยวนำเทียบกับความจุ |
|
| ความเหนี่ยวนำเป็นคุณสมบัติของตัวนำกระแสไฟฟ้าซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวนำ | ความจุคือความสามารถของอุปกรณ์ในการเก็บประจุไฟฟ้า |
| การวัด | |
| ความเหนี่ยวนำวัดโดย Henry (H) และแสดงสัญลักษณ์เป็น L. | ความจุวัดเป็น Farads (F) และสัญลักษณ์เป็น C. |
| อุปกรณ์ | |
| ส่วนประกอบทางไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับตัวเหนี่ยวนำเรียกว่าตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งปกติจะขดลวดแบบมีแกนหรือไม่มีแกน | ความจุสัมพันธ์กับตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุที่ใช้ในวงจรมีหลายประเภท |
| พฤติกรรมต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน | |
| ตัวเหนี่ยวนำตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงช้า แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงไม่สามารถผ่านตัวเหนี่ยวนำได้ | แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่ต่ำไม่สามารถผ่านตัวเก็บประจุได้ เนื่องจากเป็นอุปสรรคต่อความถี่ต่ำ |
| ใช้เป็นตัวกรอง | |
| ความเหนี่ยวนำเป็นองค์ประกอบหลักในตัวกรองความถี่ต่ำ | ความจุเป็นองค์ประกอบหลักในตัวกรองความถี่สูง |
สรุป – ความเหนี่ยวนำเทียบกับความจุ
ความเหนี่ยวนำและความจุเป็นคุณสมบัติอิสระของส่วนประกอบไฟฟ้าสองชนิดที่แตกต่างกัน ในขณะที่ความเหนี่ยวนำเป็นคุณสมบัติของตัวนำกระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก ความจุเป็นตัววัดความสามารถของอุปกรณ์ในการเก็บประจุไฟฟ้า คุณสมบัติทั้งสองนี้ใช้ในการใช้งานที่หลากหลายเป็นพื้นฐาน อย่างไรก็ตามสิ่งเหล่านี้กลายเป็นข้อเสียเช่นกันในแง่ของการสูญเสียพลังงาน การตอบสนองของการเหนี่ยวนำและความจุต่อกระแสที่แตกต่างกันบ่งบอกถึงพฤติกรรมที่ตรงกันข้าม ซึ่งแตกต่างจากตัวเหนี่ยวนำที่ส่งผ่านแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่เปลี่ยนแปลงช้า ตัวเก็บประจุจะบล็อกแรงดันไฟฟ้าความถี่ต่ำที่ไหลผ่าน นี่คือความแตกต่างระหว่างการเหนี่ยวนำและความจุ