הבדל מפתח – השראות לעומת קיבול
השראות וקיבול הם שניים מהמאפיינים העיקריים של מעגלי RLC. משרנים וקבלים, המשויכים לשראות ולקיבול בהתאמה, משמשים בדרך כלל במחוללי צורות גל ומסננים אנלוגיים. ההבדל העיקרי בין השראות לקיבול הוא שהשראות היא תכונה של מוליך נושא זרם שיוצר שדה מגנטי סביב המוליך ואילו קיבול הוא תכונה של מכשיר להחזיק ולאחסן מטענים חשמליים.
מהי השראות?
השראות היא "התכונה של מוליך חשמלי שבאמצעותה שינוי בזרם דרכו גורם לכוח אלקטרו-מוטיבי במוליך עצמו".כאשר חוט נחושת כרוך סביב ליבת ברזל ושני הקצוות של הסליל מונחים על מסופי הסוללה, מכלול הסליל הופך למגנט. תופעה זו מתרחשת עקב תכונת השראות.
Theories of Inductance
ישנן מספר תיאוריות המתארות את ההתנהגות והמאפיינים של השראות של מוליך נושא זרם. תיאוריה אחת שהומצאה על ידי הפיזיקאי, הנס כריסטיאן אורסטד, קובעת ששדה מגנטי, B, נוצר סביב המוליך כאשר זרם קבוע, I, עובר דרכו. ככל שהזרם משתנה, כך גם השדה המגנטי משתנה. חוק Ørsted נחשב לגילוי הראשון של הקשר בין חשמל ומגנטיות. כאשר הזרם זורם הרחק מהצופה, כיוון השדה המגנטי הוא בכיוון השעון.
איור 01: חוק אורסטד
לפי חוק האינדוקציה של פאראדיי, שדה מגנטי משתנה גורם לכוח אלקטרו-מוטיבי (EMF) במוליכים סמוכים. שינוי זה של השדה המגנטי הוא ביחס למוליך, כלומר, או שהשדה יכול להשתנות, או שהמוליך יכול לנוע דרך שדה יציב. זהו הבסיס הבסיסי ביותר של גנרטורים חשמליים.
התיאוריה השלישית היא חוק לנץ, הקובע שה-EMF שנוצר במוליך מתנגד לשינוי השדה המגנטי. לדוגמה, אם חוט מוליך ממוקם בשדה מגנטי ואם השדה מופחת, יושרה EMF במוליך לפי חוק פאראדיי בכיוון שבו הזרם המושרה ישחזר את השדה המגנטי המופחת.אם השינוי של השדה המגנטי החיצוני d φ בונה, ה-EMF (ε) יגרום לכיוון ההפוך. תיאוריות אלו נטחנו למכשירים רבים. השראת EMF זו במוליך עצמו נקראת השראות עצמית של הסליל, ושונות הזרם בסליל יכולה לגרום לזרם גם במוליך סמוך אחר. זה נקרא בשם השראות הדדית.
ε=-dφ/dt
כאן, הסימן השלילי מציין את ההתנגדות של ה-EMG לשינוי השדה המגנטי.
יחידות השראות ויישום
השראות נמדדת בהנרי (H), יחידת ה-SI על שם ג'וזף הנרי שגילה את האינדוקציה באופן עצמאי. השראות מסומנת כ-'L' במעגלים חשמליים אחרי השם של Lenz.
מהפעמון החשמלי הקלאסי ועד לטכניקות העברת הכוח האלחוטיות המודרניות, אינדוקציה הייתה העיקרון הבסיסי בחידושים רבים. כפי שהוזכר בתחילת מאמר זה, המגנטיזציה של סליל נחושת משמשת לפעמונים וממסרים חשמליים.ממסר משמש להעברת זרמים גדולים באמצעות זרם קטן מאוד הממגנט סליל המושך קוטב של מתג של הזרם הגדול. דוגמה נוספת היא מתג היציאה או מפסק זרם השיורית (RCCB). שם, החוטים החיים והנייטרליים של הספק מועברים דרך סלילים נפרדים החולקים את אותה ליבה. במצב תקין, המערכת מאוזנת מאחר והזרם בחי ובנייטרלי זהה. בעת זליגת זרם במעגל הביתי, הזרם בשני הסלילים יהיה שונה, מה שיוצר שדה מגנטי לא מאוזן בליבה המשותפת. לפיכך, מוט מתג מושך אל הליבה, ומנתק לפתע את המעגל. יתרה מכך, ניתן לתת מספר דוגמאות נוספות כגון שנאי, מערכת RF-ID, שיטת טעינת חשמל אלחוטית, כיריים אינדוקציה וכו'.
משרנים גם אינם ששים משינויים פתאומיים של זרמים דרכם. לכן, אות בתדר גבוה לא יעבור דרך משרן; רק רכיבים המשתנים לאט יעברו. תופעה זו משמשת בתכנון מעגלי סינון אנלוגיים במעבר נמוך.
מה זה קיבול?
הקיבול של מכשיר מודד את היכולת להחזיק בו מטען חשמלי. קבל בסיסי מורכב משני סרטים דקים של חומר מתכתי וחומר דיאלקטרי הכרוך ביניהם. כאשר מתח קבוע מופעל על שתי לוחות המתכת, מטענים מנוגדים נאגרים עליהם. מטענים אלו יישארו גם אם המתח יוסר. יתר על כן, כאשר התנגדות R מונחת המחברת את שתי הלוחות של הקבל הטעון, הקבל מתפרק. הקיבול C של המכשיר מוגדר כיחס בין המטען (Q) שהוא מחזיק לבין המתח המופעל, v, לטעינתו. הקיבול נמדד על ידי Farads (F).
C=Q/v
הזמן שנדרש לטעינת הקבל נמדד בקבוע הזמן שניתן ב: R x C. כאן, R היא ההתנגדות לאורך נתיב הטעינה. קבוע זמן הוא הזמן שלוקח לקבל לטעון 63% מהקיבולת המקסימלית שלו.
מאפיינים של קיבול ויישום
קבלים אינם מגיבים לזרמים קבועים. בטעינת הקבל, הזרם דרכו משתנה עד שהוא נטען במלואו, אך לאחר מכן, הזרם אינו עובר לאורך הקבל. הסיבה לכך היא שהשכבה הדיאלקטרית בין לוחות המתכת הופכת את הקבל ל'כיבוי מתג'. עם זאת, הקבל מגיב לזרמים משתנים. כמו זרם חילופין, השינוי במתח ה-AC יכול לטעון או לפרוק עוד יותר קבל מה שהופך אותו ל-'on-switch' עבור מתחי AC. אפקט זה משמש לעיצוב מסננים אנלוגיים במעבר גבוה.
יתר על כן, ישנן השפעות שליליות גם בקיבול. כפי שצוין קודם לכן, המטענים הנושאים זרם במוליכים מייצרים קיבולים זה בזה כמו גם בין עצמים קרובים. אפקט זה נקרא קיבול תועה. בקווי תמסורת כוח, הקיבול התועה יכול להתרחש בין כל קו וכן בין הקווים לאדמה, מבנים תומכים וכו'. בשל הזרמים הגדולים הנישאים על ידם, אפקט תועה אלו משפיע במידה ניכרת על הפסדי הספק בקווי ההולכה.
איור 02: קבל לוח מקביל
מה ההבדל בין השראות לקיבול?
שראות לעומת קיבול |
|
| השראות היא תכונה של מוליכים נושאי זרם שיוצרים שדה מגנטי סביב המוליך. | קיבול הוא היכולת של מכשיר לאחסן מטענים חשמליים. |
| מדידה | |
| השראות נמדדת על ידי הנרי (H) ומסומלת כ-L. | הקיבול נמדד בפאראד (F) ומסומל כ-C. |
| מכשירים | |
| הרכיב החשמלי המשויך לשראות ידוע בתור משרנים, שבדרך כלל מתפתלים עם ליבה או בלי ליבה. | קיבול משויך לקבלים. ישנם מספר סוגים של קבלים בשימוש במעגלים. |
| התנהגות בשינוי מתח | |
| תגובת משרנים למתחים המשתנים באיטיות. מתחי AC בתדר גבוה אינם יכולים לעבור דרך משרנים. | מתחי AC בתדר נמוך אינם יכולים לעבור דרך קבלים, מכיוון שהם פועלים כמחסום לתדרים נמוכים. |
| השתמש כמסננים | |
| השראות היא המרכיב השולט במסננים במעבר נמוך. | קיבולת היא המרכיב השולט במסננים גבוהים. |
סיכום – השראות לעומת קיבול
השראות וקיבול הם מאפיינים עצמאיים של שני רכיבים חשמליים שונים. בעוד שההשראות היא תכונה של מוליך נושא זרם לבניית שדה מגנטי, קיבול הוא מדד ליכולת של מכשיר להחזיק מטענים חשמליים. שני המאפיינים הללו משמשים ביישומים שונים כבסיס. עם זאת, אלה הופכים לחיסרון גם במונחים של הפסדי חשמל. תגובת השראות והקיבול לזרמים משתנים מעידה על התנהגות הפוכה. שלא כמו משרנים המעבירים מתחי AC המשתנים לאט, קבלים חוסמים מתחים בתדר איטי העוברים דרכם. זה ההבדל בין השראות לקיבול.
