Elektrisk reaktans - Electrical reactance

I elektriske kretser er reaktans motstanden som presenteres for vekselstrøm ved induktans eller kapasitans . Større reaktans gir mindre strøm for den samme påførte spenningen . Reaktans ligner motstand i denne forbindelse, men skiller seg ved at reaktans ikke fører til spredning av elektrisk energi som varme. I stedet lagres energi i reaktansen, og en kvart syklus returneres senere til kretsen, mens en motstand kontinuerlig mister energi.

Reaktans brukes til å beregne amplitude og faseendringer av sinusformet vekselstrøm ( AC ) som går gjennom et kretselement. Som motstand måles reaktans i ohm , med positive verdier som indikerer induktiv reaktans og negativ indikerer kapasitiv reaktans. Det er markert med symbolet . En ideell motstand har null reaktans, mens ideelle induktorer og kondensatorer har null motstand. Når frekvensen øker, øker den induktive reaktansen og den kapasitive reaktansen minker.

Sammenligning med motstand

Reaktans ligner motstand ved at større reaktans fører til mindre strømmer for den samme påførte spenningen. Videre kan en krets utelukkende bestående av elementer som bare har reaktans (og ingen motstand) behandles på samme måte som en krets utelukkende laget av elementer uten reaktans (ren motstand). De samme teknikkene kan også brukes til å kombinere elementer med reaktans med elementer med motstand, men komplekse tall er vanligvis nødvendig. Dette behandles nedenfor i avsnittet om impedans .

Det er imidlertid flere viktige forskjeller mellom reaktans og motstand. For det første endrer reaktansen fasen slik at strømmen gjennom elementet forskyves med en fjerdedel av en syklus i forhold til spenningen som tilføres over elementet. For det andre forsvinner ikke strømmen i et rent reaktivt element, men lagres i stedet. For det tredje kan reaktanser være negative slik at de kan 'avbryte' hverandre. Til slutt har hovedkretselementene som har reaktans (kondensatorer og induktorer) en frekvensavhengig reaktans, i motsetning til motstander som vanligvis har samme motstand for alle frekvenser.

Begrepet reaktans ble først foreslått av den franske ingeniøren M. Hospitalier i L'Industrie Electrique 10. mai 1893. Det ble offisielt vedtatt av American Institute of Electrical Engineers i mai 1894.

Kapasitiv reaktans

En kondensator består av to ledere atskilt med en isolator , også kjent som et dielektrikum .

Kapasitiv reaktans er en motstand mot endring av spenning over et element. Kapasitiv reaktans er omvendt proporsjonal med signalfrekvensen (eller vinkelfrekvensen ω) og kapasitansen .

Det er to valg i litteraturen for å definere reaktans for en kondensator. Den ene er å bruke en ensartet forestilling om reaktans som den imaginære delen av impedans, i hvilket tilfelle reaktansen til en kondensator er det negative tallet,

.

Et annet valg er å definere kapasitiv reaktans som et positivt tall,

I dette tilfellet imidlertid en må huske å legge til et minustegn for impedansen til en kondensator, altså .

Ved lave frekvenser er en kondensator en åpen krets, så ingen strøm strømmer i dielektrikumet.

En likestrømsspenning påført over en kondensator får positiv ladning til å akkumulere på den ene siden og negativ ladning til å akkumulere på den andre siden; det elektriske feltet på grunn av den akkumulerte ladningen er kilden til motstanden mot strømmen. Når potensialet knyttet til ladningen nøyaktig balanserer den påførte spenningen, går strømmen til null.

Drevet av en vekselstrømforsyning (ideell vekselstrømskilde), vil en kondensator bare akkumulere en begrenset mengde ladning før potensialforskjellen endrer polaritet og ladningen returneres til kilden. Jo høyere frekvens, desto mindre ladning vil akkumuleres og mindre motstand mot strømmen.

Induktiv reaktans

Induktiv reaktans er en egenskap som vises av en induktor, og induktiv reaktans eksisterer basert på det faktum at en elektrisk strøm produserer et magnetfelt rundt den. I konteksten til en vekselstrømskrets (selv om dette konseptet gjelder når strømmen endres), endres dette magnetfeltet konstant som et resultat av strøm som oscillerer frem og tilbake. Det er denne endringen i magnetfelt som får en annen elektrisk strøm til å strømme i den samme ledningen (mot-EMF), i en retning som motsetter strømmen av strømmen som opprinnelig var ansvarlig for å produsere magnetfeltet (kjent som Lenzs lov). Derfor er induktiv reaktans en motstand mot endring av strøm gjennom et element.

For en ideell induktor i en vekselstrømskrets resulterer den hemmende effekten på endring i strømstrømmen i en forsinkelse eller et faseskift av vekselstrømmen med hensyn til vekselstrøm. Spesielt vil en ideell induktor (uten motstand) få strømmen til å forsinke spenningen med en kvart syklus, eller 90 °.

I elektriske kraftsystemer kan induktiv reaktans (og kapasitiv reaktans, men induktiv reaktans er mer vanlig) begrense strømkapasiteten til en vekselstrømsledning, fordi strøm ikke overføres helt når spenning og strøm er ute av fase (beskrevet ovenfor) . Det vil si at strøm vil strømme for et utfaset system, men reell effekt til bestemte tider vil ikke bli overført, fordi det vil være punkter der øyeblikkelig strøm er positiv mens øyeblikkelig spenning er negativ, eller omvendt, noe som betyr negativ effekt overføre. Derfor utføres ikke ekte arbeid når kraftoverføring er "negativ". Imidlertid strømmer fortsatt strøm selv når et system er ute av fase, noe som får overføringsledninger til å varme opp på grunn av strømmen. Følgelig kan overføringslinjer bare varme opp så mye (ellers ville de fysisk falle for mye på grunn av varmen som utvider metalloverføringslinjene), så operatører for overføringslinjer har et "tak" på mengden strøm som kan strømme gjennom en gitt linje, og overdreven induktiv reaktans kan begrense strømkapasiteten til en linje. Kraftleverandører bruker kondensatorer til å skifte fase og minimere tapene, basert på bruksmønstre.

Induktiv reaktans er proporsjonal med sinusformet signalfrekvens og induktans , som avhenger av induktorens fysiske form.

Den gjennomsnittlige strømmen som strømmer gjennom en induktans i serie med en sinusformet AC -spenningskilde for RMS -amplitude og frekvens er lik:

Fordi en firkantbølge har flere amplituder ved sinusformede harmoniske , er gjennomsnittsstrømmen som strømmer gjennom en induktans i serie med en kvadratbølge AC -spenningskilde for RMS -amplitude og frekvens lik:

får det til å se ut som om den induktive reaktansen til en firkantbølge var omtrent 19% mindre enn reaktansen til AC -sinusbølgen:

Enhver leder med endelige dimensjoner har induktans; induktansen blir større av de flere svingene i en elektromagnetisk spole . Faradays lov for elektromagnetisk induksjon gir motemf (spenning motstrøm) på grunn av en endringshastighet av magnetisk flukstetthet gjennom en strømsløyfe.

For en induktor som består av en spole med sløyfer gir dette.

Motemf er kilden til motstanden mot strømmen. En konstant likestrøm har en endringshastighet på null, og ser på en induktor som en kortslutning (den er vanligvis laget av et materiale med lav resistivitet ). En vekselstrøm har en gjennomsnittlig endringshastighet som er proporsjonal med frekvensen, dette forårsaker økning i induktiv reaktans med frekvens.

Impedans

Både reaktans og motstand er komponenter i impedans .

hvor:

  • er den komplekse impedansen , målt i ohm ;
  • er motstanden , målt i ohm. Det er den virkelige delen av impedansen:
  • er reaktansen, målt i ohm. Det er den imaginære delen av impedansen:
  • er kvadratroten til minus en , vanligvis representert ved i ikke-elektriske formler. brukes for ikke å forveksle den imaginære enheten med strøm, vanligvis representert av .

Når både en kondensator og en induktor er plassert i serie i en krets, er deres bidrag til den totale kretsimpedansen motsatt. Kapasitiv reaktans og induktiv reaktans bidrar til den totale reaktansen som følger.

hvor:

  • er den induktive reaktansen, målt i ohm;
  • er den kapasitive reaktansen, målt i ohm;
  • er vinkelfrekvensen, ganger frekvensen i Hz.

Derfor:

  • hvis den totale reaktansen sies å være induktiv;
  • hvis , så er impedansen rent resistiv;
  • hvis den totale reaktansen sies å være kapasitiv.

Vær imidlertid oppmerksom på at hvis og antas begge positive per definisjon, endrer formelformelen seg til en forskjell:

men den endelige verdien er den samme.

Faseforhold

Fasen av spenningen over en rent reaktiv enhet (dvs. med null parasittisk motstand ) forsinker strømmen med radianer for en kapasitiv reaktans og leder strømmen av radianer for en induktiv reaktans. Uten kunnskap om både motstand og reaktans kan forholdet mellom spenning og strøm ikke bestemmes.

Opprinnelsen til de forskjellige tegnene for kapasitiv og induktiv reaktans er fasefaktoren i impedansen.

For en reaktiv komponent er sinusformet spenning over komponenten i kvadratur (en faseforskjell) med sinusformet strøm gjennom komponenten. Komponenten absorberer vekselvis energi fra kretsen og returnerer deretter energi til kretsen, og dermed fjerner ikke en ren reaktans strøm.

Se også

Referanser

  • Shamieh C. og McComb G., Electronics for Dummies, John Wiley & Sons, 2011.
  • Meade R., Foundations of Electronics, Cengage Learning, 2002.
  • Young, Hugh D .; Roger A. Freedman; A. Lewis Ford (2004) [1949]. Sears og Zemanskys universitetsfysikk (11 utg.). San Francisco : Addison Wesley . ISBN 0-8053-9179-7.

Eksterne linker