ปฏิกิริยาไฟฟ้า

การเกิดปฏิกิริยาคล้ายกับความต้านทานในรีแอคแตนซ์ที่ใหญ่กว่าจะนำไปสู่กระแสที่เล็กลงสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เดียวกัน นอกจากนี้วงจรที่สร้างขึ้นจากองค์ประกอบทั้งหมดที่มีรีแอคแตนซ์เท่านั้น (และไม่มีความต้านทาน) สามารถปฏิบัติได้เช่นเดียวกับวงจรที่สร้างจากองค์ประกอบทั้งหมดที่ไม่มีปฏิกิริยา (ความต้านทานบริสุทธิ์) เทคนิคเดียวกันนี้ยังสามารถใช้เพื่อรวมองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยากับธาตุที่มีความต้านทาน แต่โดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องใช้จำนวนเชิงซ้อน นี้ได้รับการปฏิบัติด้านล่างในส่วนที่เกี่ยวกับความต้านทาน

มีความแตกต่างที่สำคัญหลายประการระหว่างปฏิกิริยาและความต้านทาน ขั้นแรกรีแอคแตนซ์จะเปลี่ยนเฟสเพื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านองค์ประกอบถูกเลื่อนไปหนึ่งในสี่ของรอบที่สัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับองค์ประกอบ ประการที่สองพลังจะไม่กระจายไปในองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยาอย่างหมดจด แต่ถูกเก็บไว้แทน ประการที่สามปฏิกิริยาอาจเป็นลบเพื่อให้สามารถ 'ยกเลิก' ซึ่งกันและกันได้ ในที่สุดองค์ประกอบของวงจรหลักที่มีรีแอคแตนซ์ (ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ) มีรีแอคแตนซ์ขึ้นอยู่กับความถี่ซึ่งแตกต่างจากตัวต้านทานซึ่งโดยทั่วไปจะมีความต้านทานเท่ากันสำหรับทุกความถี่

คำว่าreactanceเป็นคำแนะนำครั้งแรกโดยวิศวกรชาวฝรั่งเศส M. Hospitalier ในL'Industrie Electriqueเมื่อวันที่ 10 พฤษภาคม พ.ศ. 2436 ได้รับการรับรองอย่างเป็นทางการโดยAmerican Institute of Electrical Engineersในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2437 ^[1]

ตัวเก็บประจุประกอบด้วยสองตัวนำคั่นด้วยฉนวนกันความร้อนยังเป็นที่รู้จักในฐานะที่เป็นอิเล็กทริก

รีแอคแตนซ์แบบคาปาซิทีฟเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าในองค์ประกอบ รีแอคแตนซ์แบบ Capacitive${\ displaystyle \ scriptstyle {X_ {C}}}$เป็นสัดส่วนผกผันกับความถี่สัญญาณ ${\ displaystyle \; f \;}$(หรือ " ความถี่เชิงมุม " ω) และความจุ ${\ displaystyle \; C \;}$. ^[2]

มีสองทางเลือกในวรรณคดีสำหรับการกำหนดค่ารีแอคแตนซ์สำหรับตัวเก็บประจุ หนึ่งคือการใช้แนวคิดที่สม่ำเสมอของรีแอคแตนซ์เป็นส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์ซึ่งในกรณีนี้รีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุเป็นจำนวนลบ^{[2] [3] [4]}

${\ displaystyle X _ {\ text {C}} = - {\ frac {1} {\, \ omega C \,}} = - {\ frac {1} {\, 2 \ pi fC \,}} ~ }$

อีกทางเลือกหนึ่งคือการกำหนดค่ารีแอคแตนซ์ของประจุไฟฟ้าเป็นจำนวนบวก^{[5] [6] [7]}

${\ displaystyle X _ {\ text {C}} = {\ frac {1} {\, \ omega C \,}} = {\ frac {1} {\, 2 \ pi fC \,}} ~.}$

อย่างไรก็ตามในกรณีนี้เราต้องจำไว้ว่าให้เพิ่มเครื่องหมายลบสำหรับอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุเช่น ${\ displaystyle ~ Z _ {\ text {C}} = - jX _ {\ text {C}} ~.}$^[a]

ความถี่ต่ำตัวเก็บประจุเป็นวงจรเปิดจึงไม่มีปัจจุบันกระแสในอิเล็กทริก

DCแรงดันคร่อมตัวเก็บประจุบวกทำให้เกิดค่าใช้จ่ายที่จะสะสมในด้านหนึ่งและลบค่าใช้จ่ายที่จะสะสมในด้านอื่น ๆ ; สนามไฟฟ้าเนื่องจากค่าใช้จ่ายสะสมเป็นที่มาของความขัดแย้งกับปัจจุบันที่ เมื่อศักย์ที่เกี่ยวข้องกับประจุสมดุลกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กระแสไฟฟ้าจะเป็นศูนย์

ขับเคลื่อนด้วยแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ ( แหล่งกระแสไฟฟ้ากระแสสลับในอุดมคติ) ตัวเก็บประจุจะสะสมประจุในปริมาณที่ จำกัด ก่อนที่ความต่างศักย์จะเปลี่ยนขั้วและประจุจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งกำเนิด ยิ่งความถี่สูงประจุไฟฟ้าก็จะสะสมน้อยลงและการต่อต้านกระแสไฟฟ้าก็จะน้อยลง

รีแอคแตนซ์อุปนัยเป็นคุณสมบัติที่แสดงโดยตัวเหนี่ยวนำและรีแอคแตนซ์อุปนัยมีอยู่โดยอาศัยความจริงที่ว่ากระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบ ๆ ตัวมัน ในบริบทของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ (แม้ว่าแนวคิดนี้จะใช้เมื่อใดก็ตามที่กระแสมีการเปลี่ยนแปลง) สนามแม่เหล็กนี้มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาอันเป็นผลมาจากกระแสไฟฟ้าที่แกว่งไปมา นี่คือการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่ชักนำให้กระแสไฟฟ้าอื่นไหลในเส้นลวดเดียวกัน (ตัวนับ - EMF ) ในทิศทางเช่นเพื่อต่อต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าเดิมที่รับผิดชอบในการสร้างสนามแม่เหล็ก (เรียกว่ากฎของเลนซ์) ดังนั้นรีแอคแตนซ์อุปนัยจึงเป็นการต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแสผ่านองค์ประกอบ

สำหรับตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับผลการยับยั้งการเปลี่ยนแปลงการไหลของกระแสจะส่งผลให้เกิดความล่าช้าหรือการเปลี่ยนเฟสของกระแสสลับที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติ (ที่ไม่มีความต้านทาน) จะทำให้กระแสไฟฟ้าล่าช้าของแรงดันไฟฟ้าโดยรอบไตรมาสหรือ 90 °

ในระบบพลังงานไฟฟ้ารีแอคแตนซ์แบบอุปนัย (และรีแอคแตนซ์แบบเก็บประจุ แต่รีแอคแตนซ์แบบอุปนัยเป็นเรื่องปกติมากขึ้น) สามารถจำกัดความจุไฟฟ้าของสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับได้เนื่องจากพลังงานจะไม่ถูกถ่ายโอนอย่างสมบูรณ์เมื่อแรงดันและกระแสไฟฟ้าอยู่นอกเฟส (รายละเอียดด้านบน) . นั่นคือกระแสจะไหลสำหรับระบบนอกเฟสอย่างไรก็ตามพลังงานจริงในบางช่วงเวลาจะไม่ถูกถ่ายโอนเนื่องจากจะมีจุดที่กระแสทันทีเป็นบวกในขณะที่แรงดันไฟฟ้าทันทีเป็นลบหรือในทางกลับกันหมายถึงกำลังเชิงลบ โอน. ดังนั้นจึงไม่มีการทำงานจริงเมื่อการถ่ายโอนกำลังเป็น "ลบ" อย่างไรก็ตามกระแสยังคงไหลแม้ว่าระบบจะอยู่นอกเฟสซึ่งทำให้สายส่งร้อนขึ้นเนื่องจากการไหลของกระแส

ดังนั้นสายส่งสามารถร้อนขึ้นได้มากเท่านั้น (มิฉะนั้นพวกมันจะลดลงมากเกินไปเนื่องจากความร้อนขยายสายส่งโลหะ) ดังนั้นตัวดำเนินการสายส่งจึงมี "เพดาน" เกี่ยวกับปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่สามารถไหลผ่าน เส้นที่กำหนดและรีแอคแตนซ์อุปนัยที่มากเกินไปสามารถจำกัดความจุไฟฟ้าของเส้นได้ ผู้ให้บริการไฟฟ้าใช้ตัวเก็บประจุเพื่อเปลี่ยนเฟสและลดการสูญเสียให้น้อยที่สุดโดยพิจารณาจากรูปแบบการใช้งาน

ปฏิกิริยาอุปนัย ${\ displaystyle \; X _ {\ text {L}} \;}$เป็นสัดส่วนกับความถี่สัญญาณไซน์ ${\ displaystyle f}$และการเหนี่ยวนำ ${\ displaystyle \; L \ ,,}$ ซึ่งขึ้นอยู่กับรูปร่างทางกายภาพของตัวเหนี่ยวนำ

${\ displaystyle X _ {\ text {L}} = \ omega L = 2 \ pi fL ~}$

กระแสเฉลี่ยที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ ${\ displaystyle \; L \;}$ในอนุกรมที่มีแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับไซน์ของแอมพลิจูด RMS ${\ displaystyle \; A \;}$ และความถี่ ${\ displaystyle \; f \;}$ เท่ากับ:

${\ displaystyle I _ {\ text {L}} = {\ frac {A} {\, \ omega L \,}} = {\ frac {A} {\, 2 \ pi fL \,}} ~.}$

เนื่องจากคลื่นสี่เหลี่ยมมีแอมพลิจูดหลายตัวที่ฮาร์มอนิกไซน์จึงมีกระแสเฉลี่ยที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ ${\ displaystyle \; L \;}$ในอนุกรมที่มีแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับคลื่นสี่เหลี่ยมที่แอมพลิจูดRMS ${\ displaystyle \; A \;}$ และความถี่ ${\ displaystyle \; f \;}$ เท่ากับ:

${\ displaystyle I _ {\ text {L}} = {\ frac {\, A \ pi ^ {2} \,} {\, 8 \ omega L \,}} = {\, A \ pi \,} { \, 16fL \,} ~}$

ทำให้ดูเหมือนว่ารีแอคแตนซ์อุปนัยต่อคลื่นสี่เหลี่ยมมีขนาดเล็กลงประมาณ 19% ${\ displaystyle ~ X _ {\ text {L}} = {\ frac {\, 16 \,} {\, \ pi \,}} fL ~}$กว่ารีแอคแตนซ์ต่อคลื่นไซน์AC :

ตัวนำใด ๆ ที่มีขนาด จำกัด มีการเหนี่ยวนำ เหนี่ยวนำจะทำขนาดใหญ่โดยผลัดกันหลายในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ให้ตัวนับ - EMF ${\ displaystyle \; {\ mathcal {E}} \;}$(แรงดันไฟฟ้าตรงข้ามกับปัจจุบัน) เนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก ${\ displaystyle \; B \;}$ ไหลผ่านพื้นผิวของวงปัจจุบัน

${\ displaystyle {\ mathcal {E}} = - {\ frac {\; \ operatorname {d} \ Phi _ {\ text {B}} \,} {\, \ operatorname {d} t \,}}}$

สำหรับตัวเหนี่ยวนำประกอบด้วยขดลวดที่มี ${\ displaystyle ~ N ~}$ ลูปนี้ให้

${\ displaystyle {\ mathcal {E}} = - N {\ frac {\; \ operatorname {d} \ Phi _ {\ text {B}} \,} {\, \ operatorname {d} t \,}} ~}$

การตอบโต้EMFเป็นที่มาของการต่อต้านกระแส กระแสตรงคงที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงเป็นศูนย์และมองว่าตัวเหนี่ยวนำเป็นไฟฟ้าลัดวงจร (โดยทั่วไปจะทำจากวัสดุที่มีความต้านทานต่ำ) กระแสสลับมีเวลาเฉลี่ยอัตราของการเปลี่ยนแปลงที่เป็นสัดส่วนกับความถี่นี้จะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของปฏิกิริยาอุปนัยกับความถี่

รีแอคแตนซ์ทั้งสอง ${\ displaystyle ~ X ~}$และความต้านทาน ${\ displaystyle ~ R ~}$เป็นส่วนประกอบของอิมพีแดนซ์ ${\ displaystyle ~ \ mathbf {Z} ~.}$

${\ displaystyle \ mathbf {Z} = R + \ mathbf {j} X ~}$

ที่ไหน:

• ${\ displaystyle ~ \ mathbf {Z} ~}$เป็นที่ซับซ้อนต้านทานวัดโอห์ม ;
• ${\ displaystyle ~ R ~}$คือความต้านทานวัดเป็นโอห์ม เป็นส่วนที่แท้จริงของอิมพีแดนซ์:

${\ displaystyle ~ R = \ operatorname {\ mathcal {R_ {e}}} {\ bigl \ {} \; \ mathbf {Z} \; {\ bigr \}} ~}$

• ${\ displaystyle ~ X ~}$คือค่ารีแอคแตนซ์วัดเป็นโอห์ม มันเป็นส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์: ^[b]

${\ displaystyle ~ X = \ operatorname {\ mathcal {I_ {m}}} {\ bigl \ {} \; \ mathbf {Z} \; {\ bigr \}} ~}$

ที่ไหน ${\ displaystyle ~ \ mathbf {j} ~}$เป็นรากที่สองของลบหนึ่ง ^[ค]

เมื่อทั้งตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำอยู่ในอนุกรมในวงจรการมีส่วนร่วมของอิมพีแดนซ์ของวงจรทั้งหมดจะตรงกันข้าม ปฏิกิริยาอุปนัย${\ displaystyle X _ {\ text {L}}}$ และรีแอคแตนซ์ capacitive ${\ displaystyle X _ {\ text {C}}}$ นำไปสู่รีแอคแตนซ์ทั้งหมด ${\ displaystyle X}$ (ไม่มีตัวห้อย) ดังนี้.

${\ displaystyle X = X _ {\ text {L}} + X _ {\ text {C}} = \ omega L - {\ frac {1} {\, \ omega C \,}} ~}$

ที่ไหน:

• ${\ displaystyle ~ X _ {\ text {L}} ~}$คือรีแอคแตนซ์อุปนัยวัดเป็นโอห์ม
• ${\ displaystyle ~ X _ {\ text {C}} ~}$คือรีแอคแตนซ์capacitiveวัดเป็นโอห์ม
• ${\ displaystyle ~ \ โอเมก้า ~}$คือ " ความถี่เชิงมุม ":${\ displaystyle ~ 2 \ pi ~}$ คูณความถี่ ${\ displaystyle ~ f ~}$ ในเฮิรตซ์

ดังนั้น: ^[4]

• ถ้า ${\ displaystyle X> 0}$ค่ารีแอคแตนซ์ทั้งหมดกล่าวว่าเป็นอุปนัย
• ถ้า ${\ displaystyle X = 0}$จากนั้นอิมพีแดนซ์จะปราศจากปฏิกิริยาหรือตัวต้านทานอย่างหมดจด ^[d]
• ถ้า ${\ displaystyle X <0}$รีแอคแตนซ์ทั้งหมดกล่าวว่าเป็น capacitive

อย่างไรก็ตามโปรดทราบว่าถ้า ${\ displaystyle X _ {\ text {L}}}$ และ ${\ displaystyle X _ {\ text {C}}}$จะถือว่าทั้งสองเป็นบวกตามคำจำกัดความจากนั้นสูตรตัวกลางจะเปลี่ยนเป็นความแตกต่าง: ^[6]

${\ displaystyle X = X _ {\ text {L}} - X _ {\ text {C}} = \ omega L - {\ frac {1} {\, \ omega C \,}} ~}$

แต่ค่าสูงสุดเหมือนกัน

เฟสความสัมพันธ์

เฟสของแรงดันไฟฟ้าบนอุปกรณ์ที่มีปฏิกิริยาอย่างหมดจด (เช่นที่มีความต้านทานกาฝากเป็นศูนย์) จะทำให้กระแสไฟฟ้าช้าลง${\ displaystyle ~ {\ frac {\, \ pi \,} {2}} ~}$เรเดียนสำหรับรีแอคแตนซ์ capacitive และนำกระแสโดย${\ displaystyle ~ {\ frac {\ pi} {2}} ~}$เรเดียนสำหรับปฏิกิริยาอุปนัย หากไม่มีความรู้เกี่ยวกับทั้งความต้านทานและปฏิกิริยาจะไม่สามารถระบุความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสได้

ต้นกำเนิดของสัญญาณต่าง ๆ สำหรับรีแอคแตนซ์แบบ capacitive และอุปนัยคือเฟสแฟคเตอร์ ${\ displaystyle ~ e ^ {\ pm \ mathbf {j} {\ frac {\, \ pi \,} {2}}} ~}$ ในความต้านทาน

${\ displaystyle {\ begin {aligned} \ mathbf {Z} _ {\ text {C}} & = {\ frac {1} {\, \ omega C \,}} \, e ^ {- \ mathbf {j } {\ frac {\, \ pi \,} {2}}} = \ mathbf {j} \, \ left (- {\ frac {1} {\ omega C}} \ right) = \ mathbf {j} X _ {\ text {C}} \\\ mathbf {Z} _ {\ text {L}} & = \ omega Le ^ {+ \ mathbf {j} {\ frac {\, \ pi \,} {2} }} = \ mathbf {j} \ omega L = \ mathbf {j} X _ {\ text {L}} \ quad \ end {aligned}}}$

สำหรับส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาแรงดันไฟฟ้ารูปไซน์ทั่วส่วนประกอบจะอยู่ในรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ก ${\ displaystyle {\ frac {\, \ pi \,} {2}}}$ความแตกต่างของเฟส) กับกระแสไซน์ผ่านส่วนประกอบ ส่วนประกอบจะดูดซับพลังงานจากวงจรสลับกันแล้วคืนพลังงานให้กับวงจรดังนั้นรีแอคแตนซ์บริสุทธิ์จึงไม่กระจายพลังงาน

• ปฏิกิริยาแม่เหล็ก
• ความอ่อนแอ

• Shamieh, C.; McComb, G. (2011). เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับ Dummies จอห์นไวลีย์แอนด์ซันส์
• มี้ด, อาร์. (2545). ฐานรากของเครื่องใช้ไฟฟ้า การเรียนรู้ Cengage
• หนุ่มฮิวจ์ดี; อิสระโรเจอร์ก.; ฟอร์ดอ. ลูอิส (2547) [2492]. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยของ Sears และ Zemansky (ฉบับที่ 11) ซานฟรานซิส , แคลิฟอร์เนีย: แอดดิสันเวสลีย์ ISBN 0-8053-9179-7 - ผ่าน Archive.org

• "การสอนการใช้ Java บนปฏิกิริยาอุปนัย" สถาบันแม่เหล็ก ห้องปฏิบัติการสนามแม่เหล็กสูงแห่งชาติ.
• "เครื่องคำนวณปฏิกิริยา" . FXSolver.com (แชร์แวร์)