Индуктивность катушки это: Индуктивность. Виды катушек и контур. Работа и особенности

Индуктивность. Виды катушек и контур. Работа и особенности

Индуктивность характеризует магнитные свойства цепи тока. Она прямо пропорциональна магнитному потоку и обратно пропорциональна силе тока в контуре.

Индуктивность

Электрический ток во время протекания по контуру образует магнитное поле. Индуктивностью называют способность получать энергию от источника тока и создавать из нее магнитное поле.

При повышении тока на обмотке магнитное поле повышается, а при снижении уменьшается. Катушкой называется винтовая катушка в виде спирали из изолированного провода, с индуктивностью, при малой емкости и сопротивлении которая  имеет единицу измерения Гн (Генри) и определяется по формуле:

L = Φ / I, где L – индуктивность катушки, I – сила тока, Φ – магнитный поток.

Катушка обладает некоторой особенностью. При подаче на нее постоянного напряжения, в ней образуется напряжение, противоположное по знаку, и длящееся очень короткий промежуток времени. Это явление назвали ЭДС самоиндукции. ЭДС – это электродвижущая сила.

При размыкании цепи напряжение и ЭДС суммируются поэтому, сначала ток будет иметь двойную величину, а затем упадет до нуля. Время падения тока зависит от величины индуктивности катушки.

Виды катушек

Катушки можно разделить на типы:

• С магнитным сердечником. Его материалом может быть сталь, ферритовый сердечник. Они предназначены для увеличения величины индуктивности.
• Без сердечника. Катушки наматываются в виде спирали, на бумажной трубке. Применяются для создания незначительной индуктивности (до 5 мГн).

Чаще всего применяют сердечники из пластин, выполненных из электротехнической стали, для снижения вихревых токов, а также сердечники в виде ферритовых колец различных размеров (тороидальные), обеспечивающие создание значительной индуктивности, в отличие от обычных цилиндрических сердечников.

Катушки со значительной величиной индуктивности выполняют в виде трансформатора с металлическим сердечником. От обычного трансформатора они отличаются числом обмоток. В такой катушке есть одна первичная обмотка, а вторичной нет.

Особенности

• При соединении нескольких катушек по параллельной схеме, необходимо следить, чтобы они были расположены на плате друг от друга как можно дальше, во избежание взаимного влияния катушек друг на друга магнитными полями.
• Расстояние между витками на тороидальном сердечнике не влияет на свойства индуктивной катушки.
• Для создания наибольшей индуктивности витки на катушке необходимо наматывать вплотную между собой.
• При использовании в качестве сердечника ферритового цилиндра с наибольшей индуктивностью будет центр.
• Чем меньше число витков на катушках, тем ниже у них индуктивности.
• При последовательной схеме соединения катушек, общая индуктивность цепи складывается из индуктивностей каждой катушки.

Емкость катушки

Витки обмотки катушки отделены друг от друга диэлектрическим слоем, поэтому они образуют своеобразный конденсатор, который характеризуется своей емкостью. В катушках, имеющих несколько слоев обмотки, емкость образуется между слоями. В результате, катушка имеет свойство не только индуктивности, но и емкости.

Чаще всего емкость катушки оказывает отрицательное воздействие на элементы электрической схемы. Поэтому от емкости катушки избавляются разными способами. Например, каркас катушки изготавливают особой формы, витки наматывают по специальной технологии. При намотке катушки виток к витку, ее емкость также повышается.

Колебательный контур

Если подключить конденсатор и катушку по схеме, изображенной на рисунке, то получается контур колебаний, который широко применяется в радиотехнических устройствах.

Если навести ЭДС в катушке или зарядить конденсатор, то в контуре будут происходить некоторые колебательные процессы. Конденсатор при разряде возбуждает магнитное поле в катушке индуктивности. При истощении заряда конденсатора, катушка возвращает энергию снова в конденсатор, но с противоположным знаком, с помощью ЭДС самоиндукции. Такой процесс повторяется в виде электромагнитных синусоидальных колебаний.

Частота таких колебаний является резонансной частотой, зависящей от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Колебательный контур, соединенный по параллельной схеме имеет значительное сопротивление на частоте резонанса. Это дает возможность применять его для избирательности частоты в цепях входа в радиоаппаратуре, а также в усилителях частоты и схемах генераторов частоты.

При параллельной схеме соединения контура колебаний имеются два реактивных элемента, которые обладают разной силой реактивности. Применение такого типа контура позволяет сделать вывод, что при параллельном соединении элементов необходимо суммировать только их проводимости, а не сопротивления. На частоте резонанса сумма проводимостей элементов контура нулевая, что позволяет говорить о сопротивлении переменному току стремящемуся к бесконечности.

За 1 период колебаний действия контура происходит обмен энергией между катушкой и емкостью. В таком случае образуется контурный ток, значительно превосходящий величину тока во внешней цепи.

Индуктивность и конденсатор

Токоведущие части различных устройств могут образовывать индуктивности. Такими частями являются предохранители, токоотводящие шины, соединительные выводы и другие аналогичные части. Если дополнительно присоединить к конденсатору шины, то образуется индуктивность, которая оказывает влияние на работу электрической цепи. Также, на работоспособность цепи влияет емкость и сопротивление.

Индуктивности, образующияся на частоте резонанса вычисляется по формуле:

C_e = C / (1 – 4Π2f2LC), где C_e – это емкость конденсатора (эффективная), f – частота тока, L – индуктивность катушки, С – действительная емкость, П – число «пи».

Величина индуктивности должна всегда учитываться в схемах с силовыми конденсаторами большой емкости. В схемах с импульсными конденсаторами важным фактором является значение собственной индуктивности. Разряд таких конденсаторов происходит на индуктивные контуры, делящиеся на виды:

• Колебательные.
• Апериодические.

В конденсаторе индуктивность зависит от вида соединения элементов в схеме. При параллельной схеме это значение складывается из индуктивностей элементов схемы. Для снижения индуктивности электрического устройства, необходимо токопроводящие части конденсатора расположить таким образом, чтобы магнитные потоки компенсировались, то есть, проводники с одним направлением тока располагают как можно дальше друг от друга, а с противоположным направлением – рядом друг с другом.

При сближении токоведущих частей и уменьшении диэлектрического слоя можно добиться снижения индуктивности секции конденсатора. Это достигается с помощью разделения одной секции на несколько небольших емкостей.

Похожие темы:

Катушка индуктивности. Обозначение на схеме и примеры её использования в электронике.

Обозначение, параметры и разновидности катушек индуктивности

Одним из самых известных и необходимых элементов аналоговых радиотехнических схем является катушка индуктивности. В цифровых электронных схемах индуктивные элементы практически потеряли свою актуальность и применяются только в устройствах питания как сглаживающие фильтры.

Катушки индуктивности на принципиальных схемах обозначаются латинской буквой “L” и имеют следующее изображение.

Разновидностей катушек индуктивности существуют десятки. Они бывают высокочастотные, низкочастотные, с подстроечными сердечниками и без них. Бывают катушки с отводами, катушки, рассчитанные на большие напряжения. Вот так, например, выглядят бескаркасные катушки.

Катушки для СВЧ аппаратуры называются микрополосковыми линиями. Они даже внешне не похожи на катушки. С катушками индуктивности связан такой эффект как резонанс и гениальный Никола Тесла получал на резонансных трансформаторах миллионы вольт.

Основной параметр катушки это её индуктивность. Величина индуктивности измеряется в

Генри (Гн, англ. – «H»). Это достаточно большая величина и поэтому на практике применяют меньшие значения (мГн, mH – миллигенри и мкГн, μH– микрогенри) соответственно 10^-3 и 10^-6 Генри. Величина индуктивности катушки указывается рядом с её условным изображением (например, 100 μH). Чтобы не запутаться в микрогенри и миллигенри, советую узнать, что такое сокращённая запись численных величин.

Многие факторы влияют на индуктивность катушки. Это и диаметр провода, и число витков, а на высоких частотах, когда применяют бескаркасные катушки с небольшим числом витков, то индуктивность изменяют, сближая или раздвигая соседние витки.

Часто для увеличения индуктивности внутрь каркаса вводят сердечник из ферромагнетика, а для уменьшения индуктивности сердечник должен быть латунным. То есть можно получить нужную индуктивность не увеличением числа витков, что ведёт к увеличению сопротивления, а использовать катушку с меньшим числом витков, но использовать ферритовый сердечник. Катушка индуктивности с сердечником изображается на схемах следующим образом.

В реальности катушка с сердечником может выглядеть так.

Также можно встретить катушки индуктивности с подстроечным сердечником. Изображаются они вот так.

Катушка с подстроечным сердечником вживую выглядит так.

Такая катушка, как правило, имеет сердечник, положение которого можно регулировать в небольших пределах. При этом величина индуктивности также меняется. Подстроечные катушки индуктивности применяются в устройствах, где требуется одноразовая подстройка. В дальнейшем индуктивность не регулируют.

Наряду с подстроечными катушками можно встретить и катушки с регулируемой индуктивностью. На схемах такие катушки обозначаются вот так.

В отличие от подстроечных катушек, регулируемые катушки индуктивности допускают многократную регулировку положения сердечника, а, следовательно, и индуктивности.

Ещё один параметр, который встречается достаточно часто это добротность контура. Под добротностью понимается отношение между реактивным и активным сопротивлением катушки индуктивности. Добротность обычно бывает в пределах 15 – 350.

На основе катушки индуктивности и конденсатора выполнен самый необходимый узел радиотехнических устройств, колебательный контур. На схеме изображён входной контур простого радиоприёмника рассчитанного на работу в диапазонах средних и длинных волн.

В настоящее время в этих диапазонах станций практически нет. Катушка индуктивности L1 имеет достаточно большое число витков, чтобы перекрыть диапазон по максимуму. Для улучшения приёма к первой обмотке L1 подключается внешняя антенна. Это может быть простой кусок проволоки длиной в пределах двух метров.

Благодаря большому числу витков в индуктивности L1 присутствует целый спектр частот и как минимум пять — шесть работающих радиостанций. Две индуктивности L1 и L2 намотанные на одном каркасе представляют собой

высокочастотный трансформатор. Для того чтобы выделить на катушке индуктивности L2 станцию, работающую, допустим на частоте 650 КГц необходимо с помощью переменного конденсатора C1 настроить колебательный контур на данную частоту.

После этого выделенный сигнал можно подавать на базу транзистора усилителя высокой частоты. Это одно из применений катушки индуктивности. Точно на таком же принципе построены выходные каскады радио- и телевизионных передатчиков только наоборот. Антенна не принимает слабый сигнал, а отдаёт в пространство ЭДС.

Примеров использования катушки индуктивности великое множество. На рисунке изображён весьма несложный, но хорошо зарекомендовавший себя в работе сетевой фильтр.

Фильтр состоит из двух дросселей (катушек индуктивности) L1 и L2 и двух конденсаторов С1 и С2. на старых схемах дроссели могут обозначаться как Др1 и Др2. Сейчас это редкость. Катушки индуктивности намотаны проводом ПЭЛ-0,5 – 1,5 мм. на каркасе диаметром 5 миллиметров и содержат по 30 витков каждая. Очень хорошо параллельно сети 220V подключить варистор. Тогда защита от бросков сетевого напряжения будет практически полной. В качестве конденсаторов лучше не использовать керамические, а поискать старые, но надёжные МБМ на напряжение не менее 400V.

Вот так выглядит дроссель входного фильтра компьютероного блока питания ATX.

Как видно, он намотан на кольцеобразном сердечнике. На схеме он обозначается следующим образом. Точками отмечены места начала намотки провода. Это бывает важно, так как это влият на направление магнитного потока.

Выходные выпрямители современного импульсного блока питания всегда конструируют по двухполупериодным схемам. Широко известный выпрямительный диодный мост, у которого большие потери практически не используют. В двухполупериодных выпрямителях используют сборки из двух диодов Шоттки. Самая важная особенность выпрямителей в импульсных блоках питания это фильтры, которые начинаются с дросселя (индуктивности).

Напряжение, снимаемое с выхода выпрямителя обладающего индуктивным фильтром, зависит кроме амплитуды ещё и от скважности импульсов, поэтому очень легко регулировать выходное напряжение, регулируя скважность входного. Процесс регулирования скважности импульсов называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а в качестве управляющей микросхемы используют ШИМ контроллер.

Поскольку амплитуда напряжения на входах всех выпрямителей изменяется одинаково, то стабилизируя одно напряжение, ШИМ контроллер стабилизирует все. Для увеличения эффекта, дроссели всех фильтров намотаны на общем магнитопроводе.

Именно таким образом устроены выходные цепи компьютерного блока питания формата AT и ATX. На его печатной плате легко обнаружить дроссель с общим магнитопроводом. Вот так он выглядит на плате.

Как уже говорилось, этот дроссель не только фильтрует высокочастотные помехи, но и играет важную роль в стабилизации выходных напряжений +12, -12, +5, -5. Если выпаять этот дроссель из схемы, то блок питания будет работать, но вот выходные напряжения будут «гулять» причём в очень больших пределах – проверено на практике.

Так магнитопровод у такого дросселя общий, а катушки индуктивности электрически не связаны, то на схемах такой дроссель обозначают так.

Здесь цифра после точки (L1.1; L1.2 и т.д.) указывает на порядковый номер катушки на принципиальной схеме.

Ещё одно очень хорошо известное применение катушки индуктивности это использование её в системах зажигания транспортных средств. Здесь катушка индуктивности работает как импульсный трансформатор. Она преобразует напряжение 12V с аккумулятора в высокое напряжение порядка нескольких десятков тысяч вольт, которого достаточно для образования искры в свече зажигания.

Когда через первичную обмотку катушки зажигания протекает ток, катушка запасает энергию в своём магнитном поле. При прекращении прохождения тока в первичной обмотке пропадающее магнитное поле индуцирует во вторичной обмотке мощный короткий импульс напряжением 25 – 35 киловольт.

Импульсный трансформатор из тех же катушек индуктивности является основным узлом хорошо известного устройства для самообороны как электорошокер. Схем может быть несколько, но принцип один: преобразование низкого напряжения от небольшой батарейки или аккумулятора в импульс слабого тока, но очень высокого напряжения. У серьёзных моделей напряжение может достигать 75 – 80 киловольт.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Катушка индуктивности. Параметры. Виды. Обозначение на схемах

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru.

Катушка индуктивности относится к числу элементов, без которых не получится построить приемник, телевизор, радиоуправляемую модель, передатчик, генератор сигналов, модемный преобразователь, сетевой фильтр и т.п.

Катушку индуктивности или просто катушку можно представить в виде нескольких витков провода намотанного в спираль. Ток проходя по каждому витку спирали создает в них магнитное поле, которое пересекаясь с соседними витками наводит в них э.д.с самоиндукции. И чем провод длиннее и большее число витков он образует, тем самоиндукция больше.

Индуктивность

По своей сути индуктивность является электрической инерцией и ее основное свойство состоит в том, чтобы оказывать сопротивление всякому изменению протекающего тока. Если через катушку пропускать определенный ток, то ее индуктивность будет противодействовать как уменьшению, так и увеличению протекающего тока.

В отличие от конденсатора, который пропускает переменный и не пропускает постоянный ток, катушка индуктивности свободно пропускает постоянный ток и оказывает сопротивление переменному току, потому что он изменяется быстрее, чем может изменяться магнитное поле.

И чем больше индуктивность катушки и чем выше частота тока, тем оказываемое сопротивление сильнее. Это свойство катушки применяют, например, в приемной аппаратуре, когда требуется в электрической цепи преградить путь переменному току.

Индуктивность измеряется в генри (Гн), миллигенри (1мГн = 10ˉ3 Гн), микрогенри (1мкГн = 10ˉ6 Гн), наногенри (1нГн = 10ˉ9 Гн) и обозначается латинской буквой L.

Общие свойства катушек индуктивности

В зависимости от требуемой индуктивности и частоты, на которой катушка будет работать, она может иметь самые различные исполнения.

Для высоких частот это может быть простая катушка состоящая из нескольких витков провода или же катушка с сердечником из ферромагнитного материала и иметь индуктивность от нескольких наногенри до нескольких десятков миллигенри. Такие катушки применяются в радиоприемной, передающей, измерительной аппаратуре и т.п.

Катушки, работающие на высоких частотах, можно разделить на катушки контуров, катушки связи и дроссели высокой частоты. В свою очередь катушки контуров могут быть с постоянной индуктивностью и переменной индуктивностью (вариометры).

По конструктивному признаку высокочастотные катушки разделяются на однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, катушки без сердечников и катушки с магнитными и немагнитными сердечниками, бескаркасные, цилиндрические плоские и печатные.

Для работы в цепи переменного тока низкой частоты, на звуковых частотах, во входных фильтрах блоков питания, в цепях питания осветительного электрооборудования применяются катушки с достаточно большой индуктивностью. Их индуктивность достигает десятки и даже сотни генри, а в обмотках могут создаваться большие напряжения и протекать значительные токи.

Для увеличения индуктивности при изготовлении таких катушек применяют магнитопроводы (сердечники), собранные из отдельных тонких изолированных пластин сделанных из специальных магнитных материалов – электротехнических сталей, пермаллоев и др.

Применение наборных магнитопроводов обусловлено тем, что под действием переменного магнитного поля в сплошном магнитопроводе, который можно рассматривать как множество короткозамкнутых витков, образуются вихревые токи, которые нагревают магнитопровод, бесполезно потребляя часть энергии магнитного поля. Изоляция же между слоями стали оказывается на пути вихревых токов и значительно снижает потери.

Катушки с магнитопроводами из изолированных пластин можно разделить на дроссели и трансформаторы.

Основные параметры катушек индуктивности

Свойства катушек могут быть охарактеризованы четырьмя основными параметрами: индуктивностью, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

1. Индуктивность.

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) является основным электрическим параметром и характеризует величину энергии, запасаемой катушкой при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергии она запасает в своем магнитном поле.

Индуктивность зависит от размеров каркаса, формы, числа витков катушки, диаметра и марки провода, а также от формы и материала магнитопровода (сердечника).

В радиолюбительских схемах, как правило, величину индуктивности не указывают, так как радиолюбителя интересует не эта величина, а количество витков провода в катушке, диаметр и марка провода, способ намотки (внавал, виток к витку, крест на крест, секционная намотка) и размеры каркаса катушки.

2. Добротность.

Добротность (Q) характеризуется качеством работы катушки индуктивности в цепях переменного тока и определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь.

Активное сопротивление включает в себя сопротивление провода обмотки катушки; сопротивление, вносимое диэлектрическими потерями в каркасе; сопротивление, вносимое собственной емкостью и сопротивления, вносимые потери в экраны и сердечники.

Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и ее качество. В большинстве случаев добротность катушки определяют резонансные свойства и к.п.д. контура.
Современные катушки средних размеров имеют добротность около 50 – 300.

3. Собственная емкость.

Катушки индуктивности обладают собственной емкостью, которая увеличивается по мере увеличения числа витков и размеров катушки. Между соседними витками существует межвитковая емкость, из-за которой некоторая часть тока проходит не по проводу, а через емкость между витками, отчего сопротивление между выводами катушки уменьшается.

Все дело в том, что общее напряжение, приложенное к катушке, разделяется на межвитковые напряжения из-за чего между витками образуется электрическое поле, вызывающее скопление зарядов. Витки, разделенные слоями изоляции, образуют обкладки множества маленьких конденсаторов, через которые протекает часть тока, из общей емкости которых и складывается собственная емкость катушки. Таким образом катушка обладает не только индуктивными но и емкостными свойствами.

Собственная емкость является вредным параметром и ее стремятся уменьшить применением специальных форм каркаса и способом намотки провода.

4. Стабильность.

Стабильность катушки характеризуется изменением ее параметров под воздействием температуры, влажности и во времени.

Изменение индуктивности под влиянием температуры характеризуют температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на 1°С. ТКИ катушки определяется способом намотки и качеством диэлектрика каркаса.

Влажность вызывает увеличение собственной емкости и диэлектрических потерь, а также понижает стабильность катушки. Для защиты от действия влажности применяется герметизация или пропитка и обволакивание обмотки негигроскопичными составами.

Такие катушки обладают более низкой добротностью и большой собственной емкостью, но при этом они более устойчивы к воздействию влаги.

Катушки индуктивности с магнитопроводами

Для получения малогабаритных катушек различного назначения применяют магнитопроводы (сердечники), которые изготавливают из магнитодиэлектриков и ферритов. Катушки с магнитопроводами имеют меньшее число витков при заданной индуктивности, малую длину провода и небольшие размеры.

Ценным свойством катушек с магнитопроводами является возможность их подстройки, т.е. изменения индуктивности в небольших пределах путем перемещения внутри катушки специального цилиндрического подстроечника, состоящего из феррита с напрессованной на него резьбовой втулкой.

Магнитодиэлектрики представляют собой измельченное вещество, содержащее в своем составе железо (ферромагнетик), частицы которого равномерно распределены в массе диэлектрика (бакелита или аминопласта). Наиболее широко применяют магнитопроводы из альсифера (сплав алюминия, кремния и железа) и карбонильного железа.

Ферриты представляют собой твердые растворы окислов металлов или их солей, прошедшие специальную термическую обработку (обжиг). Получающееся при этом вещество – полупроводниковая керамика – обладает очень хорошими магнитными свойствами и малыми потерями даже на очень высоких частотах.

Основным достоинством ферритов является высокая магнитная проницаемость, которая позволяет существенно уменьшить размеры катушек.

В старых принципиальных схемах магнитопроводы из магнитодиэлектриков и ферритов обозначались одинаково – утолщенной штриховой линией (рис. а). Впоследствии стандарт ЕСКД оставил этот символ для магнитопроводов из магнитодиэлектрика, а для ферритовых ввел обозначение, ранее применявшееся только для магнитопроводов низкочастотных дросселей и трансформаторов – сплошную жирую линию (рис. б). Однако согласно последней редакции ГОСТ 2.723.68 (март 1983г.) магнитопроводы катушек изображают линиями нормальной толщины (рис. в).

Катушки, индуктивность которых можно изменять с помощью магнитопровода, на электрических схемах указываются при помощи знака подстроечного регулирования, который вводится в ее условное обозначение.

Изменение индуктивности обозначают двумя способами: либо знаком подстроечного регулирования пересекающим обозначения катушки и магнитопровода (рис. а), либо только пересечением магнитопровода с изображением его над катушкой (рис. б).

Экранированные катушки индуктивности

Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки и влияния на катушку окружающего пространства, ее экранируют, т.е. помещают в замкнутом металлическом экране.

Однако под влиянием экрана изменяются основные электрические параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается сопротивление и собственная емкость.

Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран, т.е. изменение параметров зависит от соотношения между размерами катушки и размерами самого экрана.

Для высокочастотных катушек экраны выполняются в виде круглых или прямоугольных стаканов из алюминия, меди или латуни с толщиной стенок 0,3 – 0,5 мм.

Чтобы на схемах обозначить экранированную катушку, ее условное обозначение помещают в знак экранирования, который соединяют с корпусом.

Также необходимо отметить, что экранировать необходимо лишь катушки большого размера, диаметр которых составляет более 15 – 20 мм.

Катушки диаметром не более 4 – 5 мм создают магнитное поле в относительно небольшом пространстве и при удалении таких катушек от других деталей на расстояние в 4 – 5 раз больше их диаметра опасных связей, как правило, не возникает, поэтому они не нуждаются в специальном экранировании.

Обозначение катушек с отводами и начала обмотки

В радио и электротехнической аппаратуре, например, в приемниках или импульсных преобразователях напряжения, иногда используют не всю индуктивность катушки, а только некоторую ее часть. Для таких случаев катушки изготавливают с отводом или отводами.

При разработке некоторых конструкций иногда необходимо строго соблюсти начало и конец обмотки катушки или трансформатора. Чтобы указать, какой из концов обмотки является началом, а какой – концом, у вывода начала обмотки ставят жирную точку.

Для подстройки катушек на частотах свыше 15…20 МГц часто применяют магнитопроводы из немагнитных материалов (меди, алюминия и т.п.). Возникающие в таком магнитопроводе под действием магнитного поля катушки вихревые токи создают свое поле, противодействующее основному, в результате чего индуктивность катушки уменьшается.

Немагнитный магнитопровод-подстроечник обозначают так же, как и ферритовый, но рядом указывают химический символ металла, из которого он изготовлен. На рисунке изображен подстроечник, изготовленный из меди.

Вот и все, что хотел рассказать о катушках индуктивности.
Удачи!

Литература:
1. В. А. Волгов «Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры».
2. В. В. Фролов «Язык радиосхем».
3. М. А. Сгут «Условные обозначения и радиосхемы».

Практическое руководство по катушкам индуктивности

Большинство проводящих материалов (металлов) является парамагнитными или ферромагнитными, в то время как большинство непроводящих материалов (неметаллов) является диамагнитными. Любой проводник обладает некоторой индуктивностью в ответ на изменение величины или направления протекания тока. Даже обычный прямой провод имеет индуктивность, хотя она достаточно мала, чтобы пренебрегать ею. Если провод свернуть в петлю — его индуктивность увеличится. Чем больше сделать таких одинаковых витков, тем большая индуктивность будет присуща проводу. Индуктивность одиночной петли или катушки из провода может быть многократно увеличена с помощью подходящего ферромагнитного сердечника.

Простейшими катушками индуктивности являются катушки с воздушным сердечником (рисунок 1). Они сделаны путем намотки провода вокруг пластмассового, деревянного или любого не ферромагнитного сердечника. Индуктивность катушки зависит от числа витков, радиуса и общей формы, также она пропорциональна числу витков и диаметру катушки. Индуктивность обратно пропорциональна длине провода для заданного диаметра катушки и числу витков. Итак, чем ближе будут витки, тем больше будет индуктивность. Электропроводность катушек индуктивности зависит от материала и толщины провода. Потери (в виде тепла) в значительной степени зависят от материала, используемого в качестве сердечника.

 

Рис. 1. Пример катушки индуктивности с воздушным сердечником 

Катушки с воздушным сердечником имеют небольшую индуктивность, которая может составлять максимум 1 мГн. Катушки с воздушным сердечником могут быть рассчитаны так, что будут пропускать через себя ток практически неограниченной величины при условии использования проводника большой длины, смотанного в катушку большого радиуса. Такие катушки индуктивности практически не вносят потерь, так как воздух не рассеивает много энергии в виде тепла. Чем выше частота переменного тока, тем меньше индуктивность, необходимая для получения значительных эффектов. Таким образом, катушки индуктивности с воздушным сердечником вполне подходят для применения в высокочастотных цепях переменного тока благодаря отсутствию потерь, способности пропускать через себя большие токи и достаточным значениям индуктивности.

При использовании железных или ферритовых сердечников индуктивность может быть значительно увеличена. Однако порошкообразный, железный или ферритовый сердечник вносит значительные потери электрической энергии в виде тепла. Использование ферромагнитных сердечников также ограничивает максимальную величину рабочего тока катушек индуктивности. В ферромагнитных сердечниках насыщение происходит при протекании максимального рабочего тока. При увеличении тока сверх этого критического значения индуктивность может начать уменьшаться. При больших токах ферромагнитные сердечники могут достаточно сильно нагреваться, что может привести к их разрушению и необратимому существенному изменению номинальной индуктивности катушки.

Соленоид против катушек индуктивности

 

Соленоиды часто путают с катушками индуктивности. Соленоиды — это катушки проводов, которые предназначены для использования в качестве электромагнитов. Многие индукторы также являются катушками проводов, но они предназначены для обеспечения индуктивности в электрической цепи. Катушки индуктивности цилиндрической формы также называют соленоидными катушками, но только из-за их конструкции, схожей с конструкцией соленоида. Тем не менее, они не предназначены для использования в качестве электромагнита. Соленоиды специально используются в качестве электромагнитов и обычно имеют подвижный или статический сердечник. Обычно соленоиды используются в качестве электромагнитов в электрических звонках, электродвигателях, работающих на постоянном токе, и в реле.

Соленоидные катушки как индуктивности

 

Простейшими и наиболее распространенными индуктивностями являются соленоидные катушки. Эти индуктивности представляют собой цилиндрические катушки, намотанные вокруг диамагнитного или ферромагнитного сердечника. Они являются самыми простыми с точки зрения проектирования и изготовления.

Соленоидная, или цилиндрическая катушка может быть легко использована для подстройки величины индуктивности, если в конструкцию интегрировать механизм перемещения ферромагнитного сердечника катушки внутрь и наружу. Путем перемещения сердечника внутрь катушки и обратно можно изменять ее эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Это называется настройкой магнитной проницаемости и используется для подстройки частот в радиочастотных схемах.

Сердечник можно сделать подвижным, прикрепив его к винтовому валу и закрепив гайкой на другом конце катушки. Когда вал винта вращается по часовой стрелке — сердечник перемещается внутрь катушки, увеличивая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Когда вал винта вращается против часовой стрелки — сердечник выдвигается, уменьшая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности.

Тороиды как катушки индуктивности

Сегодня еще одной наиболее распространенной формой катушек индуктивности является тороид. Тороиды имеют кольцевой ферромагнитный сердечник, на который намотан провод. Тороиды нуждаются в меньшем числе витков и физически меньше при той же величине индуктивности и рабочей величине тока, по сравнению с соленоидными катушками (рисунок 2). Другим важным преимуществом тороидов является то, что магнитный поток находится внутри сердечника, что позволяет избежать нежелательной взаимной индуктивности.

Рис. 2. Сильноточные тороидальные катушки индуктивности 

Однако намотать провод на тороид сложно. Регулировать магнитную проницаемость тороида еще сложнее. Проектирование катушек с тороидальным сердечником и переменной величиной индуктивности требует реализации громоздкой и сложной конструкции. В цепях, где требуется взаимная индуктивность, катушки должны быть намотаны на один и тот же сердечник в случае, если тороид используется в качестве катушки индуктивности.

Индуктивности на основе чашеобразных Р-сердечников*

 

В типичных катушках индуктивности — соленоидных и тороидных — провод намотан вокруг ферромагнитного сердечника. Катушки индуктивности на основе чашеобразных сердечников – это другой тип индуктивностей, в котором обмотка катушки находится внутри ферромагнитного сердечника. Чашеобразный ферромагнитный сердечник имеет форму двух половин в виде чаш со специальным цилиндрическим выступом (керном) на дне одной из половин, на котором размещается обмотка. Обе половины имеют отверстия, из которых извлекается провод катушки. Вся сборка скрепляется болтом и гайкой.

Катушки данного типа, как и тороиды, обладают большой индуктивностью и электропроводностью при небольших габаритах и меньшем числе витков. Магнитный поток, как и в случае с тороидами, остается внутри. Таким образом, нет нежелательной взаимной индуктивности с сердечниками. Опять же, как и в случае с тороидами, очень трудно варьировать величину индуктивности катушек данного типа. Изменять величину индуктивности в катушках индуктивности на основе Р-сердечников возможно только путем изменения числа витков и при использовании отводов в разных точках катушки.

*- В литературе также встречается термин “Р-сердечник закрытого типа”. В ГОСТ 19197-73 данному типу сердечников присвоено название – “броневой”.

Линия передачи как индуктивность

В цепях постоянного тока катушки индуктивности ведут себя почти так же, как и обычный провод, обладая незначительным сопротивлением, но не более того. Таким образом, они находят применение преимущественно в электрических цепях переменного тока. В аудиосхемах в качестве индуктивностей обычно используются тороиды, катушки на основе круглых чашеобразных сердечников или аудиотрансформаторы. Номинал индуктивности, применяемый в таких электрических цепях, варьируется от нескольких мГн до 1 Гн. Катушки индуктивности вместе с конденсаторами используются в аудиосхемах для подстройки. В настоящее время микросхемы практически полностью вытеснили катушки индуктивности и конденсаторы в аудиосистемах и других подобных областях применения.

При увеличении частоты должны использоваться индуктивности с сердечниками меньшей проницаемости. На нижнем конце радиочастотного спектра используются те же катушки индуктивности, что и в аудиоприложениях. На частотах до нескольких МГц весьма распространены катушки индуктивности с тороидальным сердечником. Для частот 30…100 МГц предпочтительны катушки с воздушным сердечником. Для частот более 100 МГц в линии передачи используются высокочастотные индуктивности и специальные трансформаторы. Линии передачи малой длины (четверть длины волны сигнала или меньше) сами могут быть использованы в качестве индуктивности для подстройки частоты радиосигналов. Линия передачи, используемая в качестве подобной индуктивности, обычно представляет собой коаксиальный кабель.

Индуктивности в цепях постоянного тока

Катушки индуктивности практически бесполезны в цепях постоянного тока. Однако можно предположить, что катушка индуктивности, подключенная к цепи постоянного тока, может быть полезна для понимания принципов ее работы и особенностей поведения пульсирующих напряжений постоянного тока. Предположим, что обычная катушка индуктивности подключена к источнику напряжения через ключ. При замыкании ключа на индуктивность подается напряжение, вызывающее быстрое изменение протекающего через нее тока. Когда приложенное напряжение увеличивается от нуля до пикового значения (за короткое время), индуктивность противодействует изменяющемуся через нее току, индуцируя напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению. Индуцированное напряжение при подаче питания на катушку индуктивности называется обратной ЭДС и определяется по формуле 1:

V_L = – L*(di/dt),   (1)

где:

• V_L – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
• L – индуктивность катушки;
• di/dt – скорость изменения тока во времени.

Согласно приведенной формуле 1, внезапное изменение тока через катушку индуктивности дает бесконечное напряжение, что физически невозможно. Таким образом, ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно. Ток сталкивается с влиянием индуктивности при каждом небольшом изменении его величины и медленно возрастает до своего пикового постоянного значения. Итак, в начальный момент времени катушка индуктивности представляет собой разрыв цепи, когда переключатель замкнут. Обратная ЭДС наводится на катушку индуктивности до тех пор, пока изменяется значение протекающего через нее тока. Индуцированная обратная ЭДС всегда остается равной и противоположной возрастающему приложенному напряжению. Когда напряжение и ток от источника приближаются к постоянному значению, обратная ЭДС падает до нуля, а катушка индуктивности начинает вести себя как обычный провод. При подаче напряжения на катушку индуктивности мощность, запасенная ею, определяется по формуле 2:

P = V * I = L*i*di/dt,   (2)

где:

• P – электрическая мощность, запасенная в катушке;
• V – величина пикового напряжения на катушке индуктивности;
• I – величина пикового тока, протекающего через катушку индуктивности.

Энергия, запасенная индуктивностью при подаче напряжения, определяется по формуле 3:

W = ∫P.dt = ∫L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI²,   (3)

где:

• W – электрическая энергия, запасенная в катушке индуктивности в виде магнитного поля;
• I – максимальное значение тока, протекающего через катушку.

Когда происходит отключение источника напряжения (путем размыкания ключа), напряжение на индуктивности падает с постоянного пикового значения до нуля. В отличие от конденсаторов, при отключении источника напряжения напряжение на индуктивности не поддерживается. Фактически оно уже упало до нуля, тогда как ток, проходящий через него стал постоянным. Теперь, когда приложенное напряжение падает от пикового постоянного значения до нуля, ток, протекающий через катушку индуктивности, также падает с постоянного пикового значения до нуля. Катушка противодействует падению тока, вызывая прямую ЭДС в направлении приложенного напряжения. Из-за индуцированной прямой ЭДС ток, проходящий через катушку индуктивности, падает до нуля с более медленной скоростью. Как только ток уменьшается до нуля, прямая ЭДС также падает до нуля.

Таким образом, при подаче напряжения питания электрическая энергия преобразовывалась в магнитное поле в катушке индуктивности, что было очевидно по обратной ЭДС, индуцированной на ней. При отключении напряжения питания та же самая электрическая энергия возвращается индуктором в цепь в форме прямой ЭДС. Всякий раз, когда напряжение на катушке индуктивности увеличивается, возникает обратная ЭДС, а всякий раз, когда напряжение на катушке уменьшается, возникает прямая ЭДС.

На практике обратная или прямая ЭДС, которая наводится на катушке индуктивности, во много раз больше приложенного напряжения. Если источник индуктивности подключен к источнику напряжения или катушка индуктивности подключена к цепи постоянного тока без какой-либо защиты, электрическая энергия, возвращаемая при размыкании переключателя, выделяется в виде скачка напряжения или искры на контактах переключателя. Если индуктивность или ток в цепи достигают достаточно больших значений, то энергия выделяется в форме дуги или искры на контакте переключателя и может даже сжечь или расплавить его. Этого можно избежать, используя резистор и конденсатор, соединенные в RC-цепь и включенные последовательно с контактом переключателя. Такая RC-цепь называется снабберной и позволяет электрической энергии, выделяемой катушкой индуктивности, заряжать и разряжать конденсатор, поэтому она не повреждает другие компоненты. Во многих электрических цепях для сохранения компонентов схемы от обратной или прямой ЭДС катушек индуктивности или соленоидов используются защитные диоды.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности противодействует любому изменению тока, который протекает через нее, а переменный ток, в свою очередь, отстает на 90° от напряжения. В начальный момент времени, когда напряжение источника подается на катушку, ток через нее протекает максимальный, но в противоположном направлении. При подаче напряжения ток протекает через катушку индуктивности из-за индуцированной обратной ЭДС, которая противоположна приложенному напряжению. Индуцированное на катушке напряжение всегда равно и противоположно по знаку приложенному напряжению в любой момент времени. Когда приложенное напряжение возрастает от нуля до пикового значения, ток через катушку падает от максимума до нуля.

Когда прикладываемое напряжение падает от максимального значения до нуля, то на катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляя ток противоположного направления расти от нуля до пикового значения. Когда приложенное напряжение меняет полярность и возрастает до пикового значения, ЭДС снова индуцируется на катушке, вызывая падение обратного тока от пикового значения до нуля. Когда приложенное напряжение снова падает до нуля в обратном направлении, в катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляющая ток снова расти от нуля до максимального значения в противоположном направлении. Это продолжается для каждого цикла протекания переменного тока.

Индуктивное сопротивление

Противодействие протекающему току из-за наличия индуктивности называется индуктивным сопротивлением. Амплитуда тока через катушку индуктивности обратно пропорциональна частоте приложенного напряжения. Поскольку напряжение на катушке (обратная или прямая ЭДС) пропорционально индуктивности, то амплитуда тока также обратно пропорциональна величине индуктивности. Итак, противодействие току из-за наличия индуктивности в виде индуктивного сопротивления определяется по формуле 4:

X_L = 2πfL= ωL   (4)

Соответственно, пиковая амплитуда тока, проходящего через катушку индуктивности, определяется по формуле 5:

I_peak = V_peak/X_L= V_peak/ ωL,   (5)

где:

• I_peak – пиковое значение переменного тока, протекающего через катушку индуктивности;
• V_peak – пиковое значение переменного напряжения, приложенного к катушке;
• X_L – индуктивное сопротивление.

Как резистивное и емкостное сопротивление, так и единица индуктивного сопротивления измеряется в омах. Следует отметить, что в электрических цепях нет потерь энергии из-за наличия емкостного или индуктивного сопротивления, что нельзя сказать об обычном резистивном сопротивлении. Тем не менее, реактивное сопротивление может ограничивать уровни тока через конденсатор или катушку индуктивности.

Применение катушек индуктивности

Катушки индуктивности используются в электрических цепях переменного тока. Они обычно применяются в аналоговых схемах, схемах обработки сигналов и в системах телекоммуникаций, а также используются вместе с конденсаторами для создания фильтров различных топологий. В телекоммуникационных системах индуктивности применяются в составе специальных фильтров, которые нужны для подавления возможных бросков напряжения и предотвращения утечки информации через линии системы электропитания.

Трансформаторы, которые используются для повышения или понижения напряжения переменного тока, состоят из двух катушек индуктивности, объединенных в единую конструкцию определенным образом. Индуктивности также используются для временного хранения электрической энергии в цепях выборки-хранения и источниках бесперебойного питания. В цепях электропитания катушки индуктивности (где они называются фильтрующими дросселями) используются для сглаживания пульсирующих токов.

Поведение индуктивности при прохождении через нее сигнала можно определить следующим образом:

• Всякий раз, когда приложенное к катушке индуктивности напряжение увеличивается, катушка генерирует обратную ЭДС, в результате чего ток через нее падает с максимального значения до нуля или даже ниже этого уровня. Всякий раз, когда прикладываемое напряжение уменьшается, катушка создает прямую ЭДС, в результате чего ток через нее повышается с нуля или текущего уровня до максимального значения или даже до более высокого.
• Обратная или прямая ЭДС сохраняется на катушке индуктивности до тех пор, пока приложенное напряжение, а следовательно и ток через нее изменяются. Когда приложенное напряжение достигает определенного постоянного значения, обратная или прямая ЭДС падает до нуля, и постоянный ток протекает через катушку индуктивности без какого-либо противодействия, как в обычном соединительном проводе.
• Из-за наличия индуктивности скорость изменения тока в цепи замедляется. Если сигнал переменный, то ток всегда будет отставать от напряжения на 90° из-за наличия индуктивности.
• Благодаря индуктивному или емкостному сопротивлению потери энергии отсутствуют. Энергия, запасенная катушкой индуктивности в форме магнитного поля или конденсатором в форме электростатического поля, возвращается обратно в цепь, как только приложенное напряжение падает до нуля или меняет полярность. Однако из-за реактивного сопротивления пиковый уровень тока (амплитуда сигнала) ограничен.

Источник: https://www.engineersgarage.com

Катушки индуктивности теория: разновидности, применение

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

 

Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость.

 

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, флюкстрола, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

 

Существуют также катушки, проводники которых реализованы на печатной плате.

 

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

 

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

 

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке.

 

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

· Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.

· Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.

· В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

 

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

· Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).

· Потери от магнитных свойств диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

 

В общем случае можно заметить что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

 

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

 

Потери на вихревые токи. Ток, протекающий по проводнику, индуцирует ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи становятся источником потерь из-за сопротивления проводников.

 

Разновидности катушек индуктивности

 

Контурные катушки индуктивности. Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

 

Катушки связи. Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

 

Вариометры. Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

 

Дроссели. Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.

 

Сдвоенные дроссели две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.

 

Применение катушек индуктивности

 

· Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..

· Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.

· Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.

· Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.

· Катушки используются также в качестве электромагнитов.

· Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.

· Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).

o Рамочная антенна

o DDRR

o Индукционная петля

 

· Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.

· Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

· Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во времена Второй мировой войны.

 

Эффективные способы намотки, разработанные на нашем предприятии:

 

Позволяют снять ограничения на диапазоны применяемых напряжений, токов и температур. Снижают сечение провода, стоимость и массу катушек при тех же условиях эксплуатации. Либо позволяют повысить напряжения, токи и температуру эксплуатации при том же сечении провода.

Наши многолетние исследования показали, что наиболее эффективным способом охлаждения является воздушный. Применение дополнительных видов изоляции иногда бывает нежелательно и ухудшает свойства обмоток. Вместо изоляции мы применяем разделение обмотки на секции. Стремимся к увеличению площади контакта провода с мощными потоками воздуха.

 

1. Разделенная обмотка.

Лучшая альтернатива дополнительной изоляции. Обмотка разделена на любое количество секций, соединенных последовательно. Потенциал между секциями делится на количество секций. Потенциал между слоями делится на количество секций, помноженное на количество слоев. Потенциал между соседними витками в одном слое делится на количество секций, помноженное на количество слоев и количество витков в слое. Таким образом любое опасное пробивное напряжение можно снизить до электрозащитных показателей обыкновенного эмальпровода без применения особых электроизоляционных мер. Чем больше отдельных секций, тем лучше можно организовать охлаждение.

2. Бесконтактная обмотка.

Витки обмотки подвешены в воздухе на специальных растяжках. Не имеют механического, электрического и теплового контакта ни с какими другими материалами катушки, ни с каркасом, ни с корпусом, ни с электроизоляцией. Самое эффективное воздушное охлаждение, тепло- и электроизоляция.

3. Корпус в виде улитки.

Наиболее эффективным способом охлаждения обмоток мы считаем воздушное. Применение такого корпуса с вентиляторами и просчетом аэродинамических характеристик дает значительные преимущества.

4. Двухполупериодная обмотка.

Все новое – это хорошо забытое старое. Разделение обмотки на два плеча и включение через диодный мост дает попеременное включение плеч с частотой сети. В один полупериод одно плечо работает, другое отдыхает. Это позволяет применять обмотки с меньшим сечением. Особенно актуальна двухполупериодная обмотка там, где в небольшие габариты требуется поместить очень мощную обмотку с таким толстым проводом, который невозможно согнуть под требуемыми углами без повреждения. Или промышленность не выпускает настолько толстые шины, и таким образом можно перейти на меньшее сечение.

5. Трубопроводная обмотка.

Для работы на особо высоких температурных режимах. В качестве провода применяется медная труба, циркулирующая жидкость, насосы, теплообменники, хладогенераторы, резервуары.

6. Заливка компаундами с примесями на основе нитрида бора и другими для повышения теплопроводности компаунда. Либо виброустойчивая растяжка с применением специальных техпластин. Применяется на сложных виброударных режимах работы.

Наши специалисты разработают наиболее эффективный способ решения Ваших задач. Мы будем рады с Вами сотрудничать.

 

Ждем Ваших заказов.

для чего она нужна и как работает, параметры

Индукционная катушка — это дроссель или изолированный проводник. Используется электрический каркас, композитные вставки. При рассмотрении понятия необходимо изучить свойства, основные особенности катушки индуктивности.

Определение устройства

Катушка индуктивности — это устройство, которое обладает малой емкостью и значительным сопротивлением. Дроссель является отменным проводником электрического тока, учитывается высокий показатель инерционности. Устройства применяются в качестве свернутого изолированного проводника. Винтовые, спиральные модификации способны справляться с помехами, колебаниями в сети.

Индукционная катушка

Важно! Устройство работает в цепях переменного тока при низкой и высокой частоте.

Назначение и принцип действия

Специалисты задаются вопросом, зачем нужна токовая катушка индуктивности в цепи, и для этого необходимо разобраться в показателях. Коэффициент ЭДС (электродвижущая сила) показывает разницу между энергией и магнитным потоком. Устройства самоиндукции способны влиять на изменения в цепи. Чаще всего дроссели применяются в силовых установках. Они способны контролировать уровень напряжения, не допускают разрыва цепи.

Устройства самоиндукции

Также компоненты устанавливаются на пару с конденсаторами либо резисторами. Благодаря работе катушки фильтры находятся в безопасности. Теперь вызывает интерес, как включается индукционная катушка. Принцип работы построен на изоляции проводников. В конструкции используется электрический каркас с различным сечением. За счёт намоток обеспечивается распределение ёмкости на дросселе.

Интересно! Витки наматываются с определенным шагом, многое зависит от типа катушки.

Виды и типы

Различают низкочастотные, высокочастотные модели. В отдельную категорию выделяют винтовые, спиральные катушки. Также существуют модификации, которые используются в радиотехнике. Они подходят для защиты конденсатора либо резонансных контуров.

Устройства в радиотехнике

Для трансформаторов годятся катушки с усилителем каскадом. В последнюю категорию выделены вариометры, основное отличие — высокая частота колебательных контуров. Дроссели могут быть одинарными либо сдвоенными. От этого зависит показатель индуктивности и питания системы.

Низкочастотные

Для включения в электрическую цепь, применяется низкочастотная катушка индуктивности. Она предназначена для подавления переменного тока. В формуле учитывается циклическая частота и показатели индуктивности. За основу в устройствах берётся сердечник, который изготавливается из стали. Он может быть с фильтрами либо без них.

Чтобы влиять на частоту, происходит игра с сопротивлением. В цепи постоянного тока напряжение должно быть неизменным. С целью понижения частоты применяются фильтры. Основная проблема — это малая ёмкость. Чтобы детально ознакомиться с дросселем, стоит подробнее узнать о резонансной частоте, которая выделяется на контуре рабочего сигнала.

Когда в цепях повышается напряжение, на каркас оказывается нагрузка. В цепи постоянного тока задействуются непрозрачные проволочные резисторы. Также для этих целей подходят однослойные катушки типа «универсал». Их особенность — использование ферритовых стержней.

Низкочастотная катушка

Высокочастотные

Устройства изготавливаются с различными типами обмотки. Речь идет о наборе преимуществ, которые спасают в той или иной ситуации. Сфера применения элементов широка, учитывается значительная частота модуляции. Таким образом удается бороться с повышенным сопротивлением металлов. У катушек имеется сердечник.

Основная задача — это модуляция частоты генератора. Она происходит за счёт усиления сигнала, и за процессом можно проследить при подключении осциллографа. Многие высокочастотные катушки не отличаются стабильной работой, поскольку применяется керамический каркас. У него малый срок годности, плюс они восприимчивы к повышенной влажности.

Интересно! Современные товары изготавливаются из алюминия и являются компактными.

Электрикам известны контурные, безконтурные модификации высокой частоты. В зависимости от намотки учитывается стабильность электрических параметров. У моделей высокой частоты могут применяться магниты и провода. Речь идет о порошковых материалах, сделанных из диэлектриков.

Процесс изготовления связан с методом холодного прессования. Индуктивные датчики отличаются по защищенности. На предприятиях элементы могут погружать в раствор либо продевать в трубку. Это делается с целью избежания коротких замыканий. Мировые производители решают проблему путем использование вторичного витка.

Высокочастотная катушка

У моделей значительное сопротивление и есть проблема с концентрацией электролита. Таким образом изменяются свойства катушки индуктивности. Проводимость раствора падает и повышается частота электромагнитного поля.

Основные технические параметры

Катушки индуктивности имеют следующие характеристики:

• добротность отклонения;
• эффективность;
• начальная индуктивность;
• температура;
• стабильность;
• предельная емкость;
• номинальная индуктивность.

Стабильность демонстрирует свойства устройства при изменении условий использования. Температура фиксируется вследствие различных причин. Многое зависит от размера каркаса. Когда температура уменьшается, индуктивность также снижается. Современные параметры — это цикличность, которая является отношением температуры к линейному расширению. Учитывается изменение в керамической основе плюс показатель плотности.

Температура отслеживается на горячей намотке. В этом плане хорошо себя показали многослойные дроссели с сердечником, которые сделаны из карбонильного железа. Ёмкость отображает количество витков катушки, берется в расчет количество секций и контуров. Высокочастотные модели считаются более емкостными и стабильными.

Емкостные катушки

Номинальная индуктивность — это параметр, который учитывает изменение размеров волны. Измерение происходит в микрогенрах. Если смотреть на формулу, учитывается количество витков, длина намотки, плюс диаметр катушки.

Маркировка

При рассмотрении катушек индуктивности оценивается цветовая и кодовая маркировка. Если смотреть на первые цифры, отображается показатель индуктивности. Далее учитывается параметр отклонения:

• Серебряный 0,01 мкГн, 10%.
• Золотой 0,1 мкГн, 5%.
• Черный 0,1мкГн, 20%.
• Коричневый 1,1 мкГн.
• Красный 2, 2 мкГн.
• Оранжевый 1 мкГн.
• Желтый 4 мкГн.
• Зеленый 5 мкГн.
• Голубой 6 мкГн.
• Фиолетовый 7мкГн.
• Серый 8 мкГн.
• Белый 9 мкГн.

Маркировка

В нестабильной цепи переменного электрического тока не обойтись без катушки индуктивности. Выше описаны основные типы изолированных проводников, продемонстрированы их параметры. Учитывается уровень частоты, а также свойства.

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек индуктивности. Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса – резисторы и конденсаторы.

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку :), то есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название 🙂 Индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

• – магнитная проницаемость вакуума. Это табличная величина (константа) и равна она следующему значению:

– магнитная проницаемость магнитного материала сердечника. А что это за сердечник и для чего он нужен? Сейчас выясним. Дело все в том, что если катушку намотать не просто на каркас (внутри которого воздух), а на магнитный сердечник, то индуктивность возрастет многократно. Посудите сами – магнитная проницаемость воздуха равна 1, а для никеля она может достигать величины 1100. Вот мы и получаем увеличение индуктивности более чем в 1000 раз.

– площадь поперечного сечения катушки

– количество витков

– длина катушки

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный 🙂

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.

Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот  будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать. Напряжения на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость 🙂 Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции. Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу 🙂

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: 0″ title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />, участок 3-4: 0″ title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />,

Где – круговая частота: . – это частота переменного тока.

Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение ? Здесь все на самом деле просто 🙂 По 2-му закону Кирхгофа:

А следовательно:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе (ссылка) друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались 🙂

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому дальнейший разговор о катушках индуктивности мы будем вести в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

В данной статье мы подробно рассмотрим индуктор. Отдельно разберем индуктор на схеме, обратную ЭДС генерируемую индуктором, постоянную времени индуктора, ток и напряжение в индукторе, а так же мощность и энергию в индукторе.

Определение и принцип работы

В наших уроках об электромагнетизме мы увидели, что когда электрический ток протекает через проводник, вокруг проводника возникает магнитный поток. Это создает взаимосвязь между направлением магнитного потока, который циркулирует вокруг проводника, и направлением тока, протекающего через тот же проводник, что приводит к хорошо известной взаимосвязи между током и направлением магнитного потока, называемой «Правило правой руки Флеминга».

Но есть и другое важное свойство, относящееся к намотанной катушке, которая также существует, а именно то, что вторичное напряжение индуцируется в ту же катушку движением магнитного потока, поскольку оно противостоит любым изменениям электрического тока, протекающего по нему.

Типичный индуктор

В своей основной форме Индуктор — это не что иное, как катушка проволоки, намотанная вокруг центрального сердечника. Для большинства катушек токI, протекающий через катушку, создает магнитный поток NΦ вокруг нее, который пропорционален этому потоку электрического тока.

Индуктор, называемый также дросселем, является еще одним типом пассивного электрического компонента, который является простой катушкой провода предназначенного, чтобы воспользоваться этой взаимосвязью путем индукции магнитного поля, сам по себе, или в активной зоне в результате тока, проходящем через катушки. Это приводит к гораздо более сильному магнитному полю, чем то, которое создавалось бы простой катушкой из проволоки.

Индукторы образованы проволокой, плотно обернутой вокруг сплошного центрального сердечника, который может представлять собой либо прямой цилиндрический стержень, либо непрерывную петлю или кольцо для концентрации их магнитного потока.

Схематическое обозначение индуктора — это катушка с проводом, поэтому катушку с проводом можно также назвать индуктором. Индукторы обычно классифицируются в соответствии с типом внутреннего сердечника, вокруг которого они намотаны, например, полый сердечник, твердый железный сердечник или мягкий ферритовый сердечник, причем различные типы сердечников различаются путем добавления непрерывных или пунктирных параллельных линий рядом с проволочная катушкой, как показано ниже.

Индуктор на схеме

Ток I, который протекает через катушку индуктивности производит магнитный поток, который пропорционален к нему. Но в отличие от конденсатора, который противодействует изменению напряжения на своих пластинах, индуктор противодействует скорости изменения тока, протекающего через него, из-за накопления самоиндуцированной энергии в его магнитном поле.

Другими словами, катушки индуктивности сопротивляются или противостоят изменениям тока, но легко пропустят постоянный ток. Эта способность индуктора противостоять изменениям тока и которая также связывает ток I с его магнитным потоком NΦ как коэффициент пропорциональности, называется индуктивностью, которому присвоен символ L с единицами измерения Генри ( H ).

Поскольку Генри представляет собой относительно большую единицу индуктивности, для младших индукторов Генри используются для обозначения его значения. Например:

Префиксы индуктивности

Префикс	Условное обозначение	мультипликатор	Степень десяти
милли	m	1/1 000	10 -3
микро	μ	1/1000000	10 -6
нано	n	1/1000000000	10 -9

Таким образом, для отображения подразделов Генри мы будем использовать в качестве примера:

• 1mH = 1 милли-Генри   — что равно одной тысячной (1/1000) Генри.
• 100μH = 100 микро-Генри   — что равно одной 100-миллионной ( 1/1 000 000) Генри.

Индукторы или катушки очень распространены в электрических цепях, и существует множество факторов, определяющих индуктивность катушки, таких как форма катушки, число витков изолированного провода, число слоев провода, расстояние между витками, проницаемость материала сердечника, размер или площадь поперечного сечения сердечника и т. д.

Катушка индуктивности имеет площадь поперечного сечения сердечника ( A ) с постоянным числом витков провода на единицу длины ( l ). Таким образом, если катушка N витков связана на величину магнитного потока Φ то катушка имеет потокосцепление NΦ и любой ток I, который протекает через катушку будет производить индуцированный магнитный поток в противоположном направлении по отношению к потоку тока. Затем, согласно закону Фарадея, любое изменение в этой связи магнитного потока производит самоиндуцированное напряжение в одной катушке:

Где:

•    N — число витков
•     А — площадь поперечного сечения в м ²
•    Φ — количество потока в Веберах
•     μ — проницаемость материала сердечника
•     L — длина катушки в метрах
•    di / dt — скорость изменения тока в Амперах в секунду

Изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует напряжение, которое пропорционально скорости изменения тока, создающего его, с положительным значением, указывающим на увеличение ЭДС, и отрицательным значением, указывающим на уменьшение ЭДС. Уравнение, связывающее это напряжение, ток и индуктивность с самоиндукцией, может быть найдено путем замены μN ² A / l на L, обозначая постоянную пропорциональности, называемую индуктивностью катушки.

Соотношение между потоком в катушке индуктивности и током, протекающим через катушку индуктивности, имеет вид: NΦ = Li . Поскольку катушка индуктивности состоит из катушки с проводящим проводом, это уменьшает приведенное выше уравнение, чтобы получить самоиндуцированную ЭДС, иногда называемую также обратной ЭДС, индуцированной в катушке.

Обратная ЭДС генерируемая индуктором

Таким образом, из этого уравнения мы можем сказать, что «самоиндуцированная ЭДС = индуктивность * скорость изменения тока» и цепь с индуктивностью один Генри будет иметь ЭДС 1 вольт, индуцированную в цепи, когда ток, протекающий через цепь, изменяется со скоростью 1 Ампер в секунду.

Один важный момент, который нужно отметить относительно приведенного выше уравнения. Он только связывает ЭДС, создаваемую через индуктор, с изменениями тока, потому что, если ток индуктора постоянен и не изменяется, например, в постоянном токе, то индуцированное напряжение ЭДС будет равно нулю, поскольку мгновенная скорость изменения тока равна ноль di / dt = 0.

При постоянном токе, протекающем через индуктор и, следовательно, нулевом индуцированном напряжении на нем, индуктор действует как короткое замыкание, равное куску провода, или, по крайней мере, очень низкое значение сопротивления. Другими словами, противодействие протеканию тока, предлагаемого индуктором, очень различно в цепях переменного и постоянного тока.

Постоянная времени индуктора

Теперь мы знаем, что ток не может изменяться мгновенно в индуктивности, потому что для этого ток должен измениться на конечную величину за нулевое время, что приведет к тому, что скорость изменения тока будет бесконечной di / dt =  ∞ , делая индуцированную ЭДС бесконечной, а бесконечного напряжения не существует. Однако, если ток, протекающий через индуктор, изменяется очень быстро, например, при работе переключателя, на катушке индуктивности могут возникать высокие напряжения.

Рассмотрим схему индуктора выше. Когда переключатель ( S1 ) разомкнут, ток через катушку индуктивности не течет. Поскольку через индуктор ток не течет, скорость изменения тока ( di / dt ) в катушке будет равна нулю. Если скорость изменения тока равна нулю, то  в катушке индуктивности нет ЭДС самоиндукции ( V _L= 0 ).

Если мы теперь закроем переключатель (t = 0), ток будет проходить через цепь и медленно подниматься до своего максимального значения со скоростью, определяемой индуктивностью индуктора. Эта скорость тока, протекающего через катушку индуктивности, умноженная на индуктивность по Генри, приводит к тому, что на катушке образуется некоторая самоиндуцированная ЭДС с фиксированным значением, определенная уравнением Фарадея V _L  = Ldi / dt.

Эта самоиндуцированная ЭДС на катушке индуктивности ( V _L ) борется с приложенным напряжением до тех пор, пока ток не достигнет своего максимального значения и не будет достигнуто устойчивое состояние. Ток, который сейчас течет через катушку, определяется только постоянным или «чистым» сопротивлением обмоток катушек, поскольку значение реактивного сопротивления катушки уменьшилось до нуля, поскольку скорость изменения тока (di / dt) равна нулю в устойчивом состоянии. Другими словами, теперь существует только сопротивление катушек постоянного тока, чтобы противостоять потоку тока.

Аналогичным образом, если переключатель ( S1 ) разомкнут, ток, протекающий через катушку, начнет падать, но индуктор снова будет бороться с этим изменением и попытается удержать ток в своем прежнем значении, индуцируя напряжение в другом направлении. Наклон падения будет отрицательным и связан с индуктивностью катушки, как показано ниже.

Ток и напряжение в индукторе

Сколько индуктивного напряжения будет генерироваться индуктором, зависит от скорости изменения тока. В нашем уроке об электромагнитной индукции закон Ленца гласил: «Направление индуцированной ЭДС таково, что оно всегда будет противостоять изменению, которое его вызывает». Другими словами, индуцированная ЭДС всегда будет противопоставлять движение или изменение, которые изначально вызвали индуцированную ЭДС.

Таким образом, при уменьшении тока полярность напряжения будет действовать как источник, а при увеличении тока полярность напряжения будет действовать как нагрузка. Таким образом, при одинаковой скорости изменения тока через катушку, увеличение или уменьшение величины индуцированной ЭДС будет одинаковым.

Мощность в индукторе

Мы знаем, что индуктор в цепи противостоит потоку тока I через него, потому что поток этого тока индуцирует ЭДС, которая противостоит ему, закон Ленца. Затем необходимо выполнить работу от внешнего источника батареи, чтобы ток протекал против этой индуцированной ЭДС. Мгновенная мощность, используемая для форсирования тока I по отношению к этой самоиндуцированной ЭДС (V _L), определяется как:

Мощность в цепи задается как P = V * I, поэтому:

Идеальный индуктор не имеет сопротивления, только индуктивность, поэтому R = 0 Ом, и поэтому мощность в катушке не рассеивается, поэтому можно сказать, что идеальный индуктор имеет нулевую потерю мощности.

Энергия в индукторе

Когда мощность поступает в индуктор, энергия накапливается в его магнитном поле. Когда ток, протекающий через индуктор, увеличивается и di / dt становится больше нуля, мгновенная мощность в цепи также должна быть больше нуля, ( P> 0 ), т.е. положительная, что означает, что энергия накапливается в индукторе.

Аналогичным образом, если ток через индуктор уменьшается и di / dt меньше нуля, то мгновенная мощность также должна быть меньше нуля ( P ), т.е. отрицательна, что означает, что индуктор возвращает энергию обратно в цепь. Затем, интегрируя приведенное выше уравнение для мощности, полная магнитная энергия, которая всегда положительна и сохраняется в индуктивности, определяется как:

Энергия фактически накапливается в магнитном поле, которое окружает индуктор током, текущим через него. В идеальном индукторе, который не имеет сопротивления или емкости, поскольку ток увеличивает энергию, стекающую в индуктор и накапливающуюся там в его магнитном поле без потерь, он не высвобождается до тех пор, пока ток не уменьшится и магнитное поле не разрушится.

Затем в переменном токе, переменного тока индуктор постоянно накапливает и доставляет энергию на каждом цикле. Если ток, протекающий через индуктор, является постоянным, как в цепи постоянного тока, то сохраненная энергия не изменяется, так как P = Li (di / dt) = 0 .

Таким образом, индукторы могут быть определены как пассивные компоненты, так как они могут как накапливать, так и доставлять энергию в цепь, но они не могут генерировать энергию. Идеальный индуктор классифицируется как меньше потерь, что означает, что он может хранить энергию бесконечно, так как энергия не теряется.

Однако, реальные катушки индуктивности всегда будут иметь некоторое сопротивление, связанное с обмотками катушки, и всякий раз, когда ток протекает через энергию сопротивления, теряется в виде тепла по закону Ома( P = I ²  R ) независимо от того, является ли ток переменным или постоянный.

Тогда основное использование индукторов — это в фильтрационных цепях, резонансных цепях и для ограничения тока. Индуктор может использоваться в цепях для блокировки или изменения переменного тока или диапазона синусоидальных частот, и в этой роли индуктор может использоваться для «настройки» простого радиоприемника или генераторов различных типов. Он также может защитить чувствительное оборудование от разрушительных скачков напряжения и высоких пусковых токов.

В следующем уроке об индукторах мы увидим, что эффективное сопротивление катушки называется индуктивностью, а индуктивность, которая, как мы теперь знаем, является характеристикой электрического проводника, который «противодействует изменению тока», может быть как внутренней, индуцированный, называемый самоиндуктивностью или индуцированный извне, называемый взаимоиндуктивностью.

comments powered by HyperComments

Индукционная катушка (рисунок 1) представляет собой частный случай трансформатора. Она состоит из сердечника 1 (набранного из нарезанных кусков стальной проволоки), на который намотано несколько витков толстой изолированной проволоки 2. Эти витки являются первичной обмоткой индукционной катушки. Поверх первичной обмотки наматывается другая обмотка 3 из тонкой изолированной проволоки с большим числом витков (от 16 000 до 1 000 000 и более). Это – вторичная обмотка индукционной катушки.

Рисунок 1. Схема устройства индукционной катушки

Принцип работы индукционной катушки состоит в следующем. Первичная обмотка через механический прерыватель 4 присоединяется к источнику постоянного напряжения 5 (батарее элементов, аккумуляторов и так далее).

При замыкании выключателя 6 ток батареи проходит по первичной обмотке катушки и намагничивает ее сердечник. Намагнитившийся сердечник притягивает к себе якорек прерывателя, чем разрывается цепь первичной обмотки. В следующее мгновение размагнитившийся сердечник отпускает якорек прерывателя. Последний под действием пружины возвращается на прежнее место, замыкает цепь первичной обмотки, и далее процесс повторяется вновь.

В результате непрерывных замыканий и размыканий цепи в первичной обмотке катушки протекает прерывистый ток. Изменяющееся магнитное поле первичной обмотки, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней электродвижущую силу (ЭДС). При замыкании первичной цепи ЭДС во вторичной обмотке имеет одно направление, при размыкании – другое. Большое число витков дает возможность получать на концах вторичной обмотки напряжение в несколько тысяч, а иногда и сотен тысяч вольт. Слой воздуха между выводами вторичной обмотки пробивается и проскакивает искра, длина которой в больших индукционных катушках достигает 1 метра.

Для получения большой ЭДС во вторичной обмотке необходимо, чтобы ток в первичной цепи изменялся как можно быстрее. Однако искра в механическом прерывателе, появляющаяся при размыкании его контактов, не дает возможности току прекращаться сразу. Для быстрейшего исчезновения искры параллельно месту разрыва включают конденсатор 7.

Первичную обмотку индукционной катушки можно питать также переменным током. Тогда надобность в прерывателе отпадает.

При помощи индукционной катушки было сделано много важнейших физических открытий. Индукционные катушки широко применяются для зажигания рабочей смеси в автомобильных и авиационных двигателях и так далее.

Рисунок 2. Внешний вид автомобильной индукционной катушки и механического прерывателя используемых для подачи искры в камеру сгорания двигателя (слева катушка, справа прерыватель)

Видео 1. Катушка Румкорфа

Источник: Кузнецов М.И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Катушка индуктивности характеризуется своими параметрами, главными из которых являются ее индуктивность, сопротивление обмоток и рабочий ток, с которым она может функционировать. При составлении схемы особую важность играют ее габариты, вес. К катушкам предъявляются особые требования, которые могут различными в зависимости от сферы ее применения. Для использования в преобразователях, фильтрах, катушки используются более мощные, чем это заложено схемой. Главное выбрать такую модель, которая не будет влиять на производительность всей схемы или цепи.

В статье будет рассказано о том, что это такое, где используется такая катушка безопасности и из чего состоит. Также в статье содержится видеоролик и дополнительный материал, который поможет лучше разобраться в выбранной теме.

Катушка индуктивности

Обзор пассивных компонентов

Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) содержит огромное количество электрорадиокомпонентов, т.е. самостоятельных  изделий, выполняющих определенные функции. Электрорадиоэлементы подразделяют на активные и пассивные. К активным относятся транзисторы,  микросхемы ,электронные лампы и т.д., т. е. элементы, способные усиливать или преобразовывать электрические сигналы. К пассивным относятся резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, трансформаторы, коммутационные элементы, т. е. такие элементы, которые предназначены для перераспределения электрической энергии.

Сетевая инфраструктура современного офиса состоит из множества составляющих, правильный выбор которых имеет существенное значение для успешной работы всей инфраструктуры в целом. Пассивные компоненты  играют при этом также немаловажную  роль, обеспечивают среде передачу данных, а также внешний вид, эстетику. Пассивным элементом схемы называется элемент, не имеющий внутренних источников энергии, и выполняющий либо накопление энергии (конденсатор, индуктивность), либо ее рассеяние (резистор).

Пассивные компоненты по сути соответствует пассивному элементу схемы. Пассивные компоненты характеризуются малыми размерами, малым числом выводов (как правило, два-три), низкой стоимостью и, как правило, достаточно высокой стойкостью к воздействиям при сборке узлов. Пассивные элементы могут выступать как дискретные компоненты и как элементы интегральных микросхем. В РЭА интегральные микросхемы  имеют очень большой удельный вес, но пассивные компоненты являются все же самыми распространенными изделиями электронной промышленности. Это можно объяснить  тем, что некоторые элементы трудно выполнить в микросхемном исполнении. Практически невозможно в ИМС изготовить конденсаторы большой емкости, резисторы с большим сопротивлением, сложности в разработке интегральных катушек индуктивности и трансформаторов. Кроме того технические характеристики дискретных элементов лучше, чем интегральных.

Катушки индуктивности разных размеровБудет интересно➡  Диодный мост – что это такое?Используемые источники:

• https://rusenergetics.ru/oborudovanie/katushka-induktivnosti
• https://microtechnics.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-katushki-induktivnosti/
• https://meanders.ru/induktor.shtml
• https://www.electromechanics.ru/electrical-engineering/640-induction-coil.html
• https://electroinfo.net/radiodetali/chto-takoe-katushka-induktivnosti-i-pochemu-ee-inogda-nazyvajut-drossel.html

назначение, характеристики, виды. Примеры использования

Катушки  индуктивности  (КИ;  индуктивность;  индуктор;  катушка)  используются в  электронных  схемах нечасто: обычное их место в схемах  преобразователей питания. Так называемые,  высокочастотные катушки  применяют в фильтрации напряжений питания чувствительных (аналоговых) компонентов.

Общее назначение КИ  (представлена на рисунке 1.27)  –  запасать энергию магнитного поля 

W_м= L_*I²/  2  при протекании электрического тока, где I  –  протекающий через катушку ток, а  L  —  основной параметр КИ  —  индуктивность.

Качественные рассуждения при анализе электрической схемы: «катушка индуктивности  хорошо  пропускает  постоянный  и  низкочастотные  токи  и  затрудняет прохождение высокочастотных токов  –  представляет собой разрыв цепи для таких токов».

Исторический образ  КИ –  катушка с проводом. Внешне она может не отличаться от проволочного резистора.  Чем больше витков, тем  выше  основной параметр  катушки  –  индуктивность.

Отличие  от  проволочного  резистора  заключается в том, что омическое сопротивление  провода в катушке индуктивности является паразитным параметром: чем оно больше, тем больше потери энергии в катушке индуктивности (это функция собственно резистора). Второе отличие заключается в наличие магнитного сердечника (показано на  рисунке  1.28): чем лучше магнитные свойства сердечника, тем выше индуктивность.

Точный расчёт индуктивности катушки зависит от особенностей её конструкции. Для относительно простого случая (показано на рисунке 1.29) индуктивность оценивается по формуле:

L ≈ µ_0*µ_*s_*N²/ l ,  (1.11)

где   µ₀ ≈1,26·10^-6Гн/м магнитная постоянная,

µ — относительная магнитная проницаемость,

s – площадь поперечного сечения катушки [м²],

N- число витков провода, l – длина намотки [м].

Значения  проницаемости  некоторых  магнитных  материалов  представлены в таблице 1.11.

Таблица  1.11 – Значения свойств некоторых магнитных материалов

Материал	µ	Относительная проницаемость, µ/ µ0
Пермаллой	1×10-2	до 50000
Электротехническая сталь	5×10-3	4000
Феррит (никель-цинк)	8,0×10-4 и более	до 640 и более
Никель	1,25×10-4	до 600
*Именно по этой характеристике оценивают магнитные качества магнитных материалов.

На  принципиальных  электрических  схемах  катушки индуктивности  обозначаются  графемой (показано на рисунке 1.30 слева):

Примечание   –   В  некоторых  случаях  общепринятую  в  принципиальных  схемах  графему  заменяют  более  сложной  моделью  (показано  на  рисунке  1.30  справа).  Такая  замена обоснована для КИ, которые имеют низкое значение добротности Q (см. определение далее).

Помимо индуктивности другими важными характеристиками катушек индуктивности являются:

• номинальный  рабочий  ток  в  амперах.  Это  паспортное  значение  не должно превышаться во время эксплуатации КИ;
• добротность. Это паспортное значение рассчитывают по формуле: Q = ω_*L / R_L ,  (1.12)

где  R_L – сопротивление катушки на постоянном токе,

ω=2πf – актуальная круговая частота переменного тока, протекающего в КИ.

Чем больше  Q, тем меньше потери энергии на выбранной частоте, тем качественнее изготовлена катушка.

Катушки индуктивности  также  как  резисторы  и  конденсаторы,  выпускаются в  трёх  функциональных разновидностях:  постоянные,  переменные  и  подстроечные. Подстроечные широко используются в радиотехнике, но практически не используются в измерительной технике  –  их рассматривать не будем. Постоянные  катушки индуктивности  имеют разнообразные конструктивные решения (показано на рисунке 1.31).

Наиболее  широкое  применение  в  настоящее  время  находят  КИ  для  поверхностного  монтажа  (показано  на  рисунке  1.32).  Они  снижают  габаритные размеры электронных узлов, повышают надёжность работы схем и удешевляют продукцию.

Типовые характеристики современных КИ представлены в таблицах 1.12 и 1.13.

Таблица   1.12 –  Типовые характеристики высокочастотных чип-индуктивностей MURATA LQG18HN размера 0603

Типовые расчётные соотношения

1. Последовательное соединение КИ: L_э=L₁+L₂.

Пример:

L1 = 3,3 нГн/910 мА, L2= 6,8 нГн/680 мА; Lэ = 3,3 + 6,8 = 10,1 нГн.

При этом следует иметь в виду, что результат справедлив для токов, не превышающих 680 мА  –  это максимальный рабочий ток который может быть пропущен через L2.

2. Параллельное соединение КИ возможно, но лучше не использовать, т.к. результат мало предсказуем: расположенные рядом КИ взаимодействуют через общее магнитное поле. Формула для расчёта в этом случае более сложная.

Пример использования катушек индуктивности

Катушки индуктивности широко применяются в преобразователях питания.  Схема подключения  понижающего  ключевого  преобразователя  показана  на    рисунке  1.33.  На его вход можно подавать постоянное напряжение в очень широком диапазоне значений  –  от  5до140 В,  на  выходе  поддерживается  стабильным  напряжение +5 В.

Указанные пассивные компоненты рекомендуются производителем в техническом описании. Особенно важно соблюдать рекомендации по выбору типа КИ.

 

Понимание индуктивности » Заметки по электронике

Понимание основ индуктивности позволяет более эффективно использовать катушки индуктивности и трансформаторы.

---

Учебное пособие по индуктивности и трансформатору Включает:
Индуктивность Символы закон Ленца Собственная индуктивность Расчет индуктивного сопротивления Теория индуктивного сопротивления Индуктивность провода и катушки Трансформеры

---

Индуктивность является ключевым параметром в электрических и электронных схемах.Подобно сопротивлению и емкости, это основное электрическое измерение, которое в той или иной степени влияет на все цепи.

Индуктивность используется во многих областях электрических и электронных систем и цепей. Компоненты могут иметь различные формы и называться по-разному: катушки, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы и т. д. . . Каждый из них также может иметь множество различных вариантов: с сердцевиной и без нее, а материалы сердцевины могут быть разных типов.

Понимание индуктивности и различных форм и форматов катушек индуктивности и трансформаторов помогает понять, что происходит в электрических и электронных цепях.

Термин индуктивность был придуман Оливером Хевисайдом в 1886 году. Обычно символ L используется для катушек индуктивности, показанных на принципиальных схемах, и индуктивности в уравнениях в честь физика Генриха Ленца.

Основы индуктивности

Индуктивность — это способность катушки индуктивности накапливать энергию, и она делает это в магнитном поле, создаваемом потоком электрического тока.

Для создания магнитного поля требуется энергия, и эта энергия должна высвобождаться, когда поле падает.

В результате магнитного поля, связанного с протеканием тока, катушки индуктивности генерируют противоположное напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в цепи.

Индуктивность возникает из-за магнитного поля, создаваемого электрическими токами, протекающими в электрической цепи. Обычно катушки из проволоки используются, так как катушка увеличивает связь магнитного поля и увеличивает эффект.

Существует два способа использования индуктивности:

• Самоиндукция: Самоиндукция — это свойство цепи, часто катушки, при котором изменение тока вызывает изменение напряжения в этой цепи из-за магнитного эффекта, вызванного протеканием тока.Можно видеть, что собственная индуктивность относится к одной цепи — другими словами, это индуктивность, обычно в пределах одной катушки. Этот эффект используется в одиночных катушках или дросселях.
  
• Взаимная индуктивность:   Взаимная индуктивность — это индуктивный эффект, при котором изменение тока в одной цепи вызывает изменение напряжения во второй цепи в результате действия магнитного поля, связывающего обе цепи. Этот эффект используется в трансформаторах.

Определение единицы измерения индуктивности

При обозначении катушки индуктивности на принципиальной схеме или в уравнении обычно используется символ «L».На принципиальных схемах катушки индуктивности обычно нумеруются, L1, L2 и т. д.

Единицей индуктивности в системе СИ является генри, Гн, которую можно определить через скорость изменения тока и напряжения.

Определение Генри:

Индуктивность цепи равна одному генри, если скорость изменения тока в цепи составляет один ампер в секунду, что приводит к электродвижущей силе в один вольт.

Один генри равен 1 Вб/А.

Индуктивность — что происходит

Когда ток течет внутри проводника, независимо от того, является ли он прямым или имеет форму катушки, вокруг него создается магнитное поле, и это влияет на то, как создается ток после замыкания цепи.

С точки зрения того, как индуктивность влияет на электрическую цепь, полезно посмотреть, как работает схема, сначала для постоянного тока, а затем для переменного тока. Хотя они следуют одним и тем же законам и приводят к одним и тем же результатам, это помогает объяснению, пример с постоянным током проще, и тогда это объяснение можно использовать в качестве основы для случая с переменным током.

• Постоянный ток:  По мере замыкания цепи начинает течь ток.По мере того, как ток увеличивается до своего устойчивого значения, создаваемое им магнитное поле приобретает свою окончательную форму. Когда это происходит, магнитное поле меняется, поэтому это индуцирует напряжение обратно в саму катушку, как и следовало ожидать в соответствии с законом Ленца.
  Катушка индуктивности в цепи с батареей и резистором Постоянная времени T в секундах цепи, которая будет включать значение индуктивности L Генри и соответствующее сопротивление цепи, R Ом, может быть рассчитана как L/R. T — время, за которое ток I ампер достигает 0.63 его конечного установившегося значения V/R. Энергия, запасенная в магнитном поле, равна 1/2 L I ² .
  Рост тока при приложении к катушке индуктивности постоянного напряжения Когда ток отключается, это означает, что фактически сопротивление цепи внезапно возрастает до бесконечности. Это означает, что отношение L/R становится очень маленьким и магнитное поле очень быстро падает. Это представляет собой большое изменение в магнитном поле, и, соответственно, индуктивность пытается поддерживать протекание тока, а обратная ЭДС создается, чтобы противостоять этому, возникающему из-за энергии, запасенной в магнитном поле.Напряжения означают, что на контакте переключателя могут появляться искры, особенно сразу после разрыва контакта. Это приводит к ямочным контактам и износу любых механических переключателей. В электронных схемах эта обратная ЭДС может разрушить полупроводниковые устройства, поэтому часто используются способы уменьшения этой обратной ЭДС.
• Переменный ток:   В случае переменного тока, проходящего через катушку индуктивности, используются те же основные принципы, но поскольку форма волны повторяется, мы склонны рассматривать реакцию катушки индуктивности немного иначе, чем это удобнее.

  По своей природе переменная форма волны постоянно меняется. Это означает, что результирующее магнитное поле всегда будет меняться, и всегда будет создаваться индуцированная обратная ЭДС. Результатом этого является то, что индуктор препятствует протеканию через него переменного тока из-за индуктивности. Это в дополнение к сопротивлению, вызванному омическим сопротивлением провода.

  Это означает, что если омическое сопротивление катушки индуктивности низкое, она будет пропускать постоянный ток с небольшими потерями, но может оказывать высокое сопротивление любому высокочастотному сигналу.Эту характеристику катушки индуктивности можно использовать для предотвращения прохождения высокочастотных сигналов через катушку индуктивности.

Еще один аспект индуктивности заключается в том, что реактивное сопротивление индуктора и конденсатора могут действовать вместе в цепи, компенсируя друг друга. Это называется резонансом и широко используется в полосовых фильтрах.

Индуктивность проводов и катушек

Прямые провода и катушки имеют индуктивность. Обычно катушки используются для катушек индуктивности, потому что связывание магнитного поля между различными витками катушки увеличивает индуктивность и позволяет удерживать провод в меньшем объеме.

Для большинства низкочастотных применений индуктивность прямого провода можно игнорировать, но по мере увеличения частоты до диапазона ОВЧ и выше индуктивность самого провода может стать значительной, и межсоединения должны быть короткими, чтобы свести к минимуму эффекты .

Доступны расчеты

, позволяющие достаточно точно рассчитать индуктивность проводов, но индуктивность катушек немного сложнее и зависит от множества факторов, включая форму катушки и константу материала внутри и вокруг катушки. .

Индуктивность является ключевым аспектом проводов и катушек. Индуктивность является незаменимой характеристикой, которую можно эффективно использовать во многих цепях.

Дополнительные основные понятия и руководства по электронике:
Напряжение Текущий Сила Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность РЧ-шум Сигналы
    Вернуться в меню основных понятий электроники .. .

Индуктивность

Ваш браузер не поддерживает апплеты Java

ДАТЧИК И ИНДУКТИВНОСТЬ

Конденсаторы способны на накопление заряда в электростатическом поле. Индукторы способны хранить заряд в электромагнитном поле.

Способность вызывать напряжение между собой при изменении тока называется самоиндукцией или просто индуктивность.Индуктивность также препятствует изменению тока.

Индукторы не имеют оппозиции для устойчивого постоянного тока.

L — это символ индуктивность. Основной единицей индуктивности является генри, названная в честь американского физик Джозеф Генри.

Индуктивность в электрическом цепей аналогична инерции в механических операциях. Это требует больше энергии запускать или останавливать ток в индукторе, чем поддерживать его течение.

ИНДУКТОР ОСНОВЫ

Индуктор представляет собой катушку с проволокой.Катушка с проводом является электромагнитной, когда через нее проходит ток.

Индукторы также называются дроссели, катушки импеданса и реакторы.

Сердечник катушки индуктивности может быть магнитный материал, такой как железо или изолирующий материал. Термин воздушное ядро используется для любых катушек индуктивности, не имеющих магнитопровода.

Индуктивность больше с больше катушек, большая площадь поперечного сечения и меньшая длина катушки.

САМОИНДУКЦИЯ

Любой проводник имеет некоторую индуктивность, потому что он производит магнитное поле вокруг него. При изменении тока меняется магнитное поле. При изменении магнитного поля в магните индуцируется электродвижущая сила. проводник. Полярность этой индуцированной силы противоположна приложенной напряжение проводника. Эффект состоит в том, что индуктивность препятствует изменению текущая величина.

Об этом говорится в законе Ленца

.ЭДС индукции в любой цепи равна всегда в направлении противодействия эффекту, который его произвел.

Когда переменный ток проходит через катушку индуктивности происходит постоянное изменение тока. Эффект оппозиции нынешнему тогда непрерывно.

Когда постоянный ток (постоянный ток) проходит через катушку индуктивности, противодействие току присутствует только тогда, когда есть изменение, такое как начало, остановка или изменение текущего потока.

Самоиндуцируемое напряжение Уравнение

1 Гн (Генри) индуктивности видно, когда изменение тока на 1 А в секунду вызывает индуцированное напряжение 1 В.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАТУШКУ ИНДУКТИВНОСТЬ

1. Большее число витков увеличивает индуктивность
2. Катушка большего диаметра имеет большую индуктивность
3. Индуктивность уменьшается по мере увеличения длины катушки
4. Сердечник с высокой проницаемостью увеличивает индуктивность

л = (мкН2А/л)

ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ

Взаимная индуктивность – это когда два катушки расположены так, что магнитный поток от одной катушки связывается с витками другой катушки.Катушки называются связанными.

Трансформатор переменного тока цепи является распространенным примером взаимной индуктивности.

Факторы, влияющие на взаимную индуктивность

Жесткая связь относится к высокая степень взаимной индуктивности, например, трансформатор с двумя обмотками вокруг того же магнитного сердечника.

Слабая связь – это когда два катушки расположены далеко друг от друга или под прямым углом друг к другу.

Воздушное ядро ​​

Катушки с полым или немагнитные сердечники называются катушками с воздушным сердечником.Имеют низкие значения индуктивности. и обычно используются для высокочастотных приложений.

Железный сердечник

Катушки индуктивности с железным сердечником используют железо или сплав для сердечника. Возможны большие значения индуктивности. Гистерезис и потери на вихревые токи ограничивают железный сердечник низкими частотами, такими как линия электропередач и аудио. Многослойный листовой материал часто используется для уменьшения вихревых токов. Мягкое железо такой материал, как кремнистая сталь, может использоваться для уменьшения потерь на гистерезис.

Сердечник из порошкового железа

Железный порошок смешивают с непроводящее связующее снижает потери на вихревые токи. Более высокий ток возможно до насыщения катушки индуктивности.

Ферритовый сердечник

Ферриты хорошо магнитятся. проводники, но плохие электрические проводники. Это снижает потери на вихревые токи.

Тороидальный сердечник

Из-за формы большинство поток течет внутри сердечника, что приводит к очень небольшим потерям на утечку потока.

Подвижное (переменное) ядро ​​

Это переменные катушки индуктивности. который можно повернуть.

Сердцевина печатной платы

Спираль из меди на В качестве катушки можно использовать печатную плату. Только малые значения индуктивности возможно, что ограничивает его полезность для высокочастотных приложений.

КОМБИНАЦИИ ИНДУКТОРОВ

Катушки индуктивности серии

Когда индуктивность не соединенные (достаточно далеко друг от друга, чтобы не влиять друг на друга) и соединенные последовательно общая индуктивность представляет собой сумму индивидуальных индуктивностей.

L _T = L ₁ + L ₂ + L ₃ + + Л _Н

Когда два взаимно связанных катушки соединены последовательно, на общую индуктивность влияют их поля либо последовательно содействующие, либо последовательно противодействующие друг другу.

L _T = L ₁ + L ₂ +/- 2л _М

Катушки индуктивности параллельно

Когда индукторы не соединенных и соединенных параллельно, общая индуктивность находится в аналогичном отношение к общему сопротивлению резисторов, включенных параллельно.

Л _Т = 1 / ( 1/л ₁ + 1/л ₂ + + 1/л _Н )

Взаимно связанные индукторы параллельно:

Вспомогательные поля: 1/L _T = 1 / (L ₁ + Л _М ) + 1 / (L ₂ + Л _М )

Противоположные поля: 1/L _T = 1 / (L ₁ — Л _М ) + 1 / (L ₂ — Л _М )

ЭНЕРГИЯ, АККУМУЛИРОВАННАЯ В ИНДУКТОРЕ

Открытие цепи

Когда цепь с индуктор открывается, магнитное поле схлопывается и индуцируется напряжение.То напряжение падает со временем из-за I ² R потеря.

Блуждающая индуктивность

Все проводники в цепи обладают некоторой индуктивностью. На высоких частотах паразитная индуктивность может стать значительный.

Для уменьшения паразитной индуктивности длина проводов должна быть короткой. Углеродные резисторы предпочтительнее проволочные резисторы. Однако некоторые проволочные резисторы делают неиндуктивными. путем намотки рядом, так что магнитные поля компенсируют друг друга.

ПОТЕРИ И НЕИСПРАВНОСТИ ИНДУКТОРА

Потери в индукторе

Потери в индуктивности гистерезис и вихревые токи.

Утечка флюса – еще один тип потери. Это магнитный поток вне пути, для которого он будет полезен. Работа.

Скин-эффект — еще один причина потери. Большая часть тока протекает по внешней стороне проводника или кожа. Для минимизации скин-эффекта можно использовать полую проволоку.

Устранение неполадок индуктора Неисправности

Катушки индуктивности могут менять значение (в т.ч. разомкнутых) и между витками могут возникать короткие замыкания.

Шорты обычно не могут быть определяется с помощью омметров, потому что изменение сопротивления очень мало. Звонок можно использовать тест, который создает магнитное поле, а затем проверяет количество кольца, когда поле разрушается.

Индуктивность | Физика II

Индукция – это процесс, при котором ЭДС индуцируется изменением магнитного потока.До сих пор обсуждалось множество примеров, некоторые из которых более эффективны, чем другие. Трансформаторы, например, спроектированы таким образом, чтобы быть особенно эффективными при наведении желаемого напряжения и тока с очень небольшой потерей энергии в другие формы. Существует ли полезная физическая величина, связанная с тем, насколько «эффективно» данное устройство? Ответ положительный, и эта физическая величина называется индуктивностью . Взаимная индуктивность — это действие закона индукции Фарадея для одного устройства на другое, например, первичная катушка при передаче энергии вторичной обмотке в трансформаторе.См. рис. 1, где простые катушки наводят друг в друге ЭДС.

Рисунок 1. Эти катушки могут индуцировать ЭДС друг в друге, как неэффективный трансформатор. Их взаимная индуктивность М указывает на эффективность связи между ними. Здесь видно, что изменение тока в катушке 1 индуцирует ЭДС в катушке 2. (Обратите внимание, что « E ₂ индуцированных» представляет ЭДС индукции в катушке 2.)

Во многих случаях, когда геометрия устройств фиксирована, поток изменяется за счет изменения тока.Поэтому мы сосредоточимся на скорости изменения тока, Δ I /Δ t , как на причине индукции. Изменение тока I ₁ в одном устройстве, катушка 1 на рисунке, индуцирует ЭДС ₂ в другом. Мы выражаем это в форме уравнения как

[латекс]{\текст{ЭДС}}_{2}=-M\frac{\Delta {I}_{1}}{\Delta t}\\[/latex],

, где M определяется как взаимная индуктивность между двумя устройствами. Знак минус является выражением закона Ленца.Чем больше взаимная индуктивность M , тем эффективнее связь. Например, катушки на Рисунке 1 имеют небольшой размер M по сравнению с катушками трансформатора на Рисунке 3 от компании Transformers. Единицами для M являются (В ⋅ с) / A = Ω ⋅ с, который назван Генри (H) в честь Джозефа Генри. То есть 1 Гн = 1 Ом⋅с. Природа здесь симметрична. Если мы изменим ток I ₂ в катушке 2, мы индуцируем ЭДС ₁ в катушке 1, которая равна

[латекс]{\текст{ЭДС}}_{1}=-M\frac{\Delta {I}_{2}}{\Delta t}\\[/latex],

, где M то же, что и для обратного процесса.Трансформаторы работают в обратном направлении с той же эффективностью, или взаимной индуктивностью M . Большая взаимная индуктивность M может быть как желательной, так и нежелательной. Мы хотим, чтобы трансформатор имел большую взаимную индуктивность. Но такой прибор, как электрическая сушилка для белья, может индуцировать на своем корпусе опасную ЭДС, если взаимная индуктивность между его катушками и корпусом велика. Одним из способов уменьшить взаимную индуктивность M является встречная обмотка катушек для устранения создаваемого магнитного поля.(См. рис. 2.)

Рис. 2. Нагревательные спирали электрической сушилки для белья можно намотать встречно, так что их магнитные поля компенсируют друг друга, что значительно снижает взаимную индуктивность с корпусом сушилки.

Самоиндукция , действие закона Фарадея индукции устройства на себя, также существует. Когда, например, ток через катушку увеличивается, магнитное поле и поток также увеличиваются, индуцируя противо-ЭДС, как того требует закон Ленца.И наоборот, если ток уменьшается, индуцируется ЭДС, препятствующая уменьшению. Большинство устройств имеют фиксированную геометрию, поэтому изменение потока полностью связано с изменением тока Δ I через устройство. ЭДС индукции связана с физической геометрией устройства и скоростью изменения тока. Это дается

[латекс]\text{ЭДС}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}[/latex],

, где L — собственная индуктивность устройства. Устройство, обладающее значительной собственной индуктивностью, называется катушкой индуктивности и обозначено символом на рисунке 3.

Рисунок 3.

Знак минус является выражением закона Ленца, указывающим, что ЭДС противодействует изменению тока. Единицами самоиндукции являются генри (Гн), как и для взаимной индуктивности. Чем больше собственная индуктивность L устройства, тем больше его сопротивление любому изменению тока через него. Например, большая катушка с множеством витков и железным сердечником имеет большую L и не позволит току быстро меняться. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо получить небольшой L , например, путем встречной обмотки катушек, как показано на рисунке 2.Катушка индуктивности 1 Гн представляет собой большую катушку индуктивности. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим устройство с л = 1,0 Гн, через которое протекает ток 10 А. Что произойдет, если мы попытаемся отключить ток быстро, возможно, всего за 1,0 мс? ЭДС, определяемая как ЭДС = — L (Δ I / Δ t ), будет противодействовать изменению. Таким образом, будет индуцироваться ЭДС, определяемая как ЭДС = — л (Δ I / Δ t ) = (1,0 Гн) [(10 А) / (1,0 мс)] = 10 000 В. Положительный знак означает, что это большое напряжение идет в том же направлении, что и ток, противодействуя его уменьшению.Такие большие ЭДС могут вызывать искрение, повреждая коммутационное оборудование, поэтому может потребоваться более медленное изменение тока. Есть применение такому большому наведенному напряжению. Вспышки камеры используют батарею, две катушки индуктивности, которые функционируют как трансформатор, и систему переключения или осциллятор для создания больших напряжений. (Помните, что нам нужно изменяющееся магнитное поле, вызванное изменяющимся током, чтобы индуцировать напряжение в другой катушке.) Система генератора будет делать это много раз, когда напряжение батареи повышается до более чем одной тысячи вольт.(Вы можете услышать пронзительный вой трансформатора во время зарядки конденсатора.) Конденсатор сохраняет высокое напряжение для последующего использования при питании вспышки. (См. рис. 4.)

Рис. 4. Благодаря быстрому переключению катушки индуктивности батареи на 1,5 В можно использовать для наведения ЭДС в несколько тысяч вольт. Это напряжение можно использовать для хранения заряда в конденсаторе для последующего использования, например, во вспышке фотоаппарата.

Можно рассчитать L для индуктора, зная его геометрию (размер и форму) и зная создаваемое им магнитное поле.В большинстве случаев это сложно из-за сложности создаваемого поля. Так что в этом тексте индуктивность L обычно является заданной величиной. Единственным исключением является соленоид, потому что он имеет очень однородное поле внутри, почти нулевое поле снаружи и простую форму. Поучительно вывести уравнение для его индуктивности. Начнем с того, что заметим, что ЭДС индукции определяется по закону индукции Фарадея как ЭДС = — Н (Δ Φ / t ) и, по определению самоиндукции, как ЭДС = — л (Δ I / Δ t ).Приравнивание этих результатов дает

[латекс]\текст{ЭДС}=-N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}\\[/latex]

Решение для L дает

[латекс] L = N \ гидроразрыва {\ Delta \ Phi {\ Delta I} \\ [/ латекс]

Это уравнение для собственной индуктивности L устройства справедливо всегда. Это означает, что собственная индуктивность L зависит от того, насколько эффективен ток в создании потока; тем эффективнее, чем больше Δ Φ / Δ I .Воспользуемся этим последним уравнением, чтобы найти выражение для индуктивности соленоида. Поскольку площадь соленоида A фиксирована, изменение потока равно Δ Φ = Δ( B A ) = A Δ B . Чтобы найти Δ B , заметим, что магнитное поле соленоида определяется как [латекс] B = {\ mu } _ {0} {nI} = {\ mu } _ {0} \ frac {NI} { \ell}\\[/латекс]. (Здесь n = N / ℓ , где N — количество витков, а ℓ — длина соленоида.{2}\влево(1.{2}\right)}{0,100 \text{ м}}\\ & =& 0,632 \text{ мГн}\end{массив}\\[/latex].

Обсуждение

Этот соленоид среднего размера. Его индуктивность около миллигенри также считается умеренной.

Одно из распространенных приложений индуктивности используется в светофорах, которые могут определить, когда транспортные средства ожидают на перекрестке. Электрическая цепь с индуктором размещена на дороге под местом остановки ожидающего автомобиля. Кузов автомобиля увеличивает индуктивность, и схема меняется, посылая сигнал светофору изменить цвет.Точно так же металлоискатели, используемые для обеспечения безопасности в аэропортах, используют ту же технику. Катушка или индуктор в корпусе металлоискателя действует как передатчик и приемник. Импульсный сигнал в катушке передатчика индуцирует сигнал в приемнике. На самоиндукцию цепи влияет любой металлический предмет на пути. Такие детекторы могут быть настроены на чувствительность, а также могут указывать примерное местонахождение обнаруженного на человеке металла. (Но они не смогут обнаружить пластиковую взрывчатку, подобную той, что была найдена на «подрывнике в нижнем белье».») См. рис. 5.

Рисунок 5. Знакомые ворота безопасности в аэропорту могут не только обнаруживать металлы, но и указывать их приблизительную высоту над полом. (кредит: Alexbuirds, Wikimedia Commons)

Значение индуктивности катушки

В этом блоге мы рассмотрим индуктивность; одно из основных свойств электрической цепи или электронного устройства. Индуктивность определяется как свойство электрической цепи или устройства, противодействующее изменению тока.Важно отметить, что индуктивность не противодействует току, а скорее противодействует изменению тока, протекающего в цепи.

Единицей измерения индуктивности является генри (Гн), и она зависит от физических свойств цепи, а не от электрических характеристик, поскольку в ней не участвуют ни ток, ни напряжение. Кроме того, индуктивность прямо пропорциональна «Числу витков», «Площади, окруженной катушкой» и обратно пропорциональна «Длине катушки».

Для обозначения индуктивности используется заглавная буква L.Индуктивность (точнее, собственную индуктивность) катушки можно найти по следующей формуле:

Прикладная формула в электрических цепях:

Обзор процесса индуктивности

Чтобы понять процесс индуктивности и то, как он работает, давайте рассмотрим проиллюстрированный источник постоянного тока с переключателем и катушкой (рис. 1). Когда ключ замкнут, ток течет по цепи. Здесь мы используем поток электронов, показанный красными стрелками, как направление электронов.Когда мы замыкаем переключатель, ток, протекающий от батареи, увеличивается в каждой катушке. Согласно правилу большого пальца левой руки ток течет, а магнитный поток течет против часовой стрелки и расширяется наружу. Принимая во внимание Катушку 1 и Катушку 2, как на рисунке; поток от катушки 1 проходит через катушку 2, создавая индуцированное напряжение. Закон Ленца и закон Фарадея — это два закона, применяемых для понимания этого процесса. Наведенное напряжение всегда будет создавать поток, противодействующий исходному потоку, вызвавшему его.Таким образом, наше приложенное напряжение пытается направить ток в катушку, а индуцированное напряжение работает против этого. Он не останавливает ток, а только замедляет его. Если бы закон Ома диктовал, что ток будет 10 ампер, он не изменится от 0 до 10 ампер мгновенно, вместо этого это займет некоторое время в зависимости от индуктивности, обеспечиваемой катушкой индуктивности.

Рисунок 1

 

В следующем случае попробуем уменьшить ток, в той же цепи с 10 Ампер, как установлено, магнитный поток связывает все витки в катушке.Когда мы размыкаем переключатель, поток возвращается к исходному проводнику. Движение потока прекращается, так как поток тока перестал изменяться. Уменьшение магнитного потока на каждом витке катушки проводника вызывает относительное движение между магнитными полями, что приводит к сильному индуцированному напряжению. Действие по уменьшению тока/напряжения до нуля путем снятия приложенного напряжения приводит к непрерывному изменению магнитного потока, которое индуцирует напряжение, пытающееся противодействовать причине. Таким образом, схема пытается поддерживать протекание тока, что приводит к задержке скорости снижения тока, а не к его мгновенному уменьшению.Это называется индуктивным ударом. Происходящий процесс — это просто возврат энергии обратно в цепь от магнитных полей. Величина индуцируемого напряжения зависит от таких факторов, как величина потока, количество витков и время.

Размыкание цепи может привести к очень высокому наведенному напряжению в катушке, так как время очень короткое, а поток падает очень быстро. Если нет пути для прохождения этой энергии, мы можем получить дуги через переключатели или дуги вблизи других подключенных устройств, что может привести к повреждениям.Таким образом, настоятельно рекомендуется принять некоторые меры предосторожности при работе с характеристиками индуктивности в электронных схемах.

                                   

Профилактические меры по предотвращению вспышки дуги

Индуктивный ток, создаваемый в цепи постоянного тока, имеет высокую силу, когда поток, связанный с катушкой, мгновенно исчезает. Поэтому важно принять превентивные меры для устранения ущерба, предоставив альтернативный путь для энергии.Например, трансформатор тока является устройством с высокой индуктивностью, так как он имеет много витков катушки, а количество витков катушки оказывает большое влияние на генерируемый ток количество витков ) .

Рис. 2. Принцип действия счетчика ЭДС

 

Если снять амперметр с катушкой, как показано на рис. 2, когда цепь горячая, цепь с высокой индуктивностью разорвется. Размыкание цепи приводит к схлопыванию потока на витках катушки, создавая чрезвычайно высокое наведенное напряжение, которое может вызвать электрическую дугу длиной 4-5 дюймов.Эта электрическая дуга может нанести травму человеку, пытающемуся отключить амперметр от цепи.

 

Это похоже на шунтирующую обмотку двигателя постоянного тока, которая представляет собой еще одну цепь с высокой индуктивностью. Шунтирующий двигатель постоянного тока также удовлетворяет всем характеристикам, генерирующим высокоиндуктивный ток. Шунтирующий двигатель обычно остается под напряжением, а в другую часть двигателя вносятся изменения, чтобы обеспечить альтернативный путь для протекания индуктивного тока. Это сделано для того, чтобы переключение шунтирующего поля могло вызвать серьезные повреждения и сократить срок службы контактов.Даже в небольших катушках, используемых для цепей ПЛК, есть риск получить обратное питание и нанести некоторый ущерб.

Шунтирующий двигатель

 

Простой способ устранения повреждений, вызванных обратным током, заключается в подключении резистора к катушке индуктивности. Это обеспечивает путь для индуктора для передачи энергии, но, когда он находится под напряжением в течение более длительного периода, он может быть неэффективным, поскольку все это время он будет иметь потери мощности на резисторе. Эту проблему можно решить, включив диод последовательно с резистором, чтобы диод блокировал ток во время нормальной работы.Это уменьшает рассеивание мощности на резисторе. Питание подается через резистор только тогда, когда цепь разомкнута, вызывая индуктивный толчок.

Помимо использования одного резистора и последовательной комбинации резистор-диод, конденсатор также может устранить повреждения от индуктивного тока. Энергия, генерируемая во время обратной подачи индуктивного тока, рассеивается в конденсаторе, а оставшийся ток течет обратно от конденсатора к индуктору, тем самым защищая контакты переключателя, а также любые другие контактирующие устройства.Подводя итог, можно сказать, что индуктивность — это свойство цепи, которое противодействует изменению тока в этой цепи.

До сих пор мы рассматривали индуктивность, вызванную цепью постоянного тока, но когда мы рассмотрим индуктивность, вызванную переменным током, который постоянно изменяется во времени, формируется реактивная индуктивность, зависящая не только от индуктивности катушки, но и также от частоты сигнала переменного тока, как на рисунке 3.

Рисунок 3

 

Мы надеемся, что это было полезно для вас, как техника или студента, приступающего к работе.Если у вас есть какие-либо вопросы о программах Electronics или Electromechanical Technician, вы можете связаться с одним из наших консультантов по программе по бесплатному телефону 1-888-553-5333 или по электронной почте [email protected].

 

Калькулятор конструкции катушки и индуктивности

На этой странице вы узнаете, как создать собственную катушку своими руками. Я сделал это для изготовления катушек для хрустальные радиоприемники и Катушки Тесла, но это работает для любой катушки цилиндрической формы.Это также полезно, если вы собираетесь использовать катушку в LC бак резонансный схема.

Калькулятор индуктивности предоставляется ниже для облегчения.

Намотка катушки вручную.

Индуктивность часто является тем, чего вы пытаетесь достичь при проектировании катушки. то есть вы знаете индуктивность, которую вы хотите, и теперь вам нужно спроектировать катушку что будет иметь эту индуктивность.

Индуктивность

Катушки обладают свойством, называемым индуктивностью. Что такое индуктивность? Когда электрический ток изменяется при протекании через провод катушки, он создает изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует (производит) напряжение или ЭДС (электродвижущая сила) в проводе, который противостоит течению. Это называется индукция и индуктивность является значением, количественно определяющим способность катушки индуцировать это напряжение. Символом индуктивности является Генри, единицей измерения является Гн.Вот мы на самом деле речь идет о катушке, индуцирующей напряжение в самой себе, что является самоиндукцией, но мы просто скажем индукцией.

Магнитное поле вокруг катушки.

Параметры для формулы индуктивности

Одна формула для индуктивности выглядит следующим образом:

Где:

• L = индуктивность
• u _r = относительная проницаемость материала заполнителя (воздух = 1)
• витка = количество витков на катушке
• площадь = площадь поперечного сечения жилы в квадратных метрах*, включая часть катушки, как показано на схеме
• длина = длина рулона в метрах*

* Калькулятор индуктивности ниже также принимает дюймы, а также сантиметры и миллиметры, и делает преобразование в метры для вас.

Как было сказано выше, µ _r является относительным магнитным полем. проницаемость для всего, что вы используете для сердечника катушки, цилиндр, на который вы наматываете провод. Это греческая буква мю, мю, хотя часто буква u используется для удобства, как в u _r . Если это полый картон или пластиковая трубка, то картон или пластик считается воздухом, и вы можете использовать 1. Такие материалы, как железо и феррит, имеют более высокие относительные проницаемости в сотни и тысячи раз.Для железного сердечника можно использовать примерное число 100, хотя на самом деле оно варьируется. в зависимости от сплава. То же самое касается феррита, который может иметь ценность. где-то от 20 до 5000, но если вы не знаете, что использовать, то 1000 это грубый компромисс. Поскольку он умножается на остальную часть формулы, это означает использование тех материалы дадут более высокое значение индуктивности. Ядра для кристаллического радио катушки иногда бывают пластиковыми или картонными и, следовательно, представляют собой катушки с воздушным сердечником, а иногда и ферритовый сердечник.Сердечники вторичной обмотки катушки Тесла катушки обычно пластиковые, а меньшие могут быть картонными, и поэтому считаются катушками с воздушным сердечником.

И если вы не знакомы с обозначением 1.26×10 ^-6 , это просто другой способ записи 0.00000126.

Область включает в себя часть катушки, как показано на схеме выше. При расчете площади с использованием радиуса укажите радиус ядра. плюс радиус провода. Если вычислить площадь по диаметру затем включите диаметр жилы плюс диаметр провода.Обратите внимание, что при расчетах катушки с очень тонкой проволокой, как с кристаллическое радио и катушка Тесла, показанная выше (например, калибр 24 / AWG) тогда размер провода, вероятно, будет пренебрежимо мал по сравнению с области сердечника, и вы обычно можете игнорировать провод.

Калькулятор индуктивности

Вот калькулятор индуктивности, который использует приведенную выше формулу. Диаграмма выше можно использовать в качестве руководства для некоторых параметров.

Видео — Как спроектировать катушку для удельной индуктивности

В этом видео я подробно объясняю формулу индукции, а также привести пример и рассказать о других факторах, таких как емкость катушки, частота и связь.

Индукторы

: что это такое? (Включены рабочие примеры)

Что такое индуктор?

Катушка индуктивности (также известная как электрическая катушка индуктивности) определяется как пассивный электрический элемент с двумя выводами, который накапливает энергию в виде магнитного поля, когда через него протекает электрический ток. Его также называют катушкой, дросселями или реактором.

Катушка индуктивности — это просто катушка провода. Обычно он состоит из катушки из проводящего материала, обычно из изолированной меди, обернутой в железный сердечник из пластика или ферромагнитного материала; таким образом, он называется индуктором с железным сердечником.

Катушки индуктивности обычно доступны в диапазоне от 1 мкГн (10 ^-6 Гн) до 20 Гн. Многие катушки индуктивности имеют магнитный сердечник из феррита или железа внутри катушки, который используется для увеличения магнитного поля и, следовательно, индуктивность индуктора.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, когда электрический ток, протекающий через индуктор или катушку, изменяется, изменяющееся во времени магнитное поле создает в нем ЭДС (электродвижущую силу) или напряжение. Наведенное напряжение или e.м.ф. через индуктор прямо пропорциональна скорости изменения электрического тока, протекающего через индуктор.

Индуктивность (L) — это свойство индуктора, которое препятствует любому изменению величины или направления тока, протекающего через него. Чем больше индуктивность катушки индуктивности, тем больше способность хранить электрическую энергию в виде магнитного поля.

Как работают индукторы?

Катушка индуктивности в цепи противодействует изменениям протекающего через нее тока, индуцируя на ней напряжение, пропорциональное скорости изменения протекающего тока.Чтобы понять, как катушка индуктивности работает в цепи, рассмотрите изображение, показанное ниже.

Индуктор, работающий в цепи

Как показано, лампа, катушка провода (индуктор) и переключатель подключены к батарее. Если убрать из цепи дроссель, то лампа загорается нормально. С индуктором схема ведет себя совершенно иначе.

Катушка индуктивности или катушка имеет гораздо меньшее сопротивление по сравнению с лампой, поэтому, когда выключатель замкнут, большая часть тока должна начать течь через катушку, поскольку она обеспечивает путь тока с низким сопротивлением.следовательно, мы ожидаем, что эта лампа будет светиться очень тускло.

Но из-за поведения индуктора в цепи, когда мы замыкаем выключатель, лампочка светится ярко, а затем тускнеет, а когда мы размыкаем выключатель, лампочка светится очень ярко, а затем быстро гаснет.

Причина в том, что при приложении напряжения или разности потенциалов к индуктору электрический ток, протекающий через индуктор, создает магнитное поле. Это магнитное поле снова создает индуцированный электрический ток в индукторе, но противоположной полярности, в соответствии с законом Ленца.

Этот индуцированный ток из-за магнитного поля индуктора пытается противодействовать любому изменению, увеличению или уменьшению тока. Как только магнитное поле создано, ток может течь нормально.

Теперь, когда переключатель замкнут, магнитное поле вокруг индуктора поддерживает ток в индукторе до тех пор, пока магнитное поле не исчезнет. Этот ток поддерживает свечение лампы в течение определенного времени, даже если выключатель разомкнут.

Другими словами, катушка индуктивности может накапливать энергию в виде магнитного поля и сопротивляться любому изменению протекающего через нее тока.Таким образом, общий результат этого состоит в том, что ток через индуктор не может измениться мгновенно.

Символ цепи катушки индуктивности

Символ цепи катушки индуктивности показан на изображении ниже.

Символ индуктора

Уравнение индуктора

Напряжение на индукторе

Напряжение на индукторе прямо пропорционально скорости изменения электрического тока, протекающего через индуктор. Математически напряжение на индукторе можно выразить как

   

, где = мгновенное напряжение на индукторе в вольтах,

= индуктивность в Генри,

= скорость изменения электрического тока в амперах в секунду

напряжение на индукторе связано с энергией, запасенной в магнитном поле индуктора.

Если постоянный ток ток, протекающий через индуктор, становится равным нулю при постоянном токе. ток постоянен во времени. Следовательно, напряжение на катушке индуктивности становится равным нулю. Таким образом, насколько d.c. величины, в установившемся режиме индуктор действует как короткое замыкание.

Ток через индуктор

Мы можем выразить ток через индуктор через напряжение, возникающее на нем, какд., форма.

Теперь, если предположить, что действие переключения происходит в момент времени t=0, это означает, что переключатель замкнут в момент времени t=0. У нас есть уравнение тока через индуктор как,

   

Мы можем разделить пределы интегрирования на два интервала как и . мы знаем, что это момент непосредственно перед тем, как происходит действие переключения, а момент сразу после того, как происходит действие переключения. Следовательно, мы можем написать

   

Следовательно,

   

Здесь термин указывает значение тока индуктора в исторический период, который является не чем иным, как начальным состоянием .Пусть это обозначается .

   

При , можно написать,

   

Первоначально мы предполагали, что действие переключения происходит в нулевое время. Таким образом, интегрирование от до равно нулю.

Следовательно,

   

Таким образом, ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно. Это означает, что ток через индуктор до и после переключения одинаков.

Катушка индуктивности при t=0

Катушка индуктивности при , т. е. в момент переключения напряжения на катушке индуктивности, идеально, так как временной интервал равен нулю.Таким образом, в момент переключения дроссель действует как разомкнутая цепь. В установившемся режиме он действует как короткое замыкание.

Если индуктор пропускает начальный ток I ₀ перед действием переключения, то в момент времени он действует как источник постоянного тока со значением , а в установившемся режиме при , он действует как короткое замыкание на источник тока.

Катушки индуктивности, соединенные последовательно и параллельно

Катушки индуктивности, соединенные последовательно и параллельно, ведут себя так же, как резисторы, соединенные последовательно и параллельно.Рассмотрим две магнитно-связанные катушки 1 и 2, имеющие собственную индуктивность и соответственно. Пусть M — взаимная индуктивность двух катушек в генри.

Две катушки индуктивности в электрической цепи могут быть соединены по-разному, что дает разные значения эквивалентной индуктивности, как описано ниже.

Катушки индуктивности, соединенные последовательно Формула

Как добавить катушки индуктивности последовательно

Рассмотрим цепь, содержащую две взаимно связанные катушки индуктивности или катушки, соединенные последовательно.Существует два возможных способа последовательного соединения катушек индуктивности.

• В первом случае потоки, создаваемые катушками индуктивности, действуют в одном направлении. Тогда говорят, что такие катушки индуктивности соединены последовательно-помогающе или кумулятивно.
• Во-вторых, если ток в другом индукторе реверсируется так, что потоки, создаваемые индукторами, противодействуют друг другу, то говорят, что такие индукторы соединены последовательно-встречно или дифференциально.

Пусть собственная индуктивность катушки индуктивности 1 равна , а катушка индуктивности 2 равна .Оба индуктора связаны с взаимной индуктивностью M.

Последовательное (кумулятивное) соединение (ЭДС взаимной индукции усиливает ЭДС самоиндукции)

Два индуктора или катушки соединены последовательно или кумулятивно, как показано на рис. изображение ниже.

При этом собственный и взаимный потоки обоих индукторов действуют в одном направлении; таким образом, собственные и взаимно индуцированные ЭДС также имеют одинаковое направление.

Следовательно,

• Самоиндуцированный e.м.ф. в индукторе 1,
• Э.Д.С взаимного наведения в катушке индуктивности 1,
• ЭДС самоиндукции в индукторе 2,
• Э.Д.С взаимного наведения в катушке индуктивности 1,

Суммарная ЭДС индукции в комбинации

   

(1)  

индуцируется в комбинации, определяется как,

(2)  

Сравнивая уравнения (1) и (2), мы получаем,

(3)  

Приведенное выше уравнение дает эквивалентную индуктивность двух кумулятивно или аддитивно соединенных последовательных катушек индуктивности. или катушки.

Если между двумя катушками нет взаимной индуктивности (т. е. M = 0), то

   

Последовательное противодействующее (дифференциальное) соединение (ЭДС взаимной индукции противодействует ЭДС самоиндукции)

Рассмотрим цепь, содержащую две взаимно связанные индукторы или катушки, соединенные последовательно, так что потоки, создаваемые двумя индукторами, противодействуют друг другу, как показано на рисунке ниже.

Поскольку потоки противоположны, знак ЭДС взаимного наведения будет противоположным самоиндуцированному e.м.ф.с. Следовательно,

• ЭДС самоиндукции. в индукторе 1,
• Э.Д.С взаимного наведения в катушке индуктивности 1,
• ЭДС самоиндукции в индукторе 2,
• Э.Д.С взаимного наведения в катушке индуктивности 1,

Суммарная ЭДС индукции в комбинации

   

(4)  

(5)

. Сравнивая уравнения (4) и (5), получаем дифференциальное соединение.Пример 1 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность при их последовательном соединении.

Решение:

Данные: L ₁ = 10 мГн, L ₂ = 15 мГн и M = 10 мГн

мы получаем эквивалентную индуктивность 45 мГн, когда они соединены последовательно.

Пример 2

Две катушки имеют собственную индуктивность 10 мГн и 15 мГн, а взаимная индуктивность между двумя катушками составляет 10 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность, когда они соединены последовательно встречно.

Решение:

Данные: L ₁ = 10 мГн, L ₂ = 15 мГн и М = 10 мГн мы получаем эквивалентную индуктивность 5 мГн, когда они соединены последовательно встречно.

Катушки индуктивности в параллельном соединении Формула

Как добавить катушки индуктивности параллельно

Две катушки индуктивности можно соединить параллельно так, чтобы

• ЭДС взаимной индукции помогала ЭДС самоиндукции, т. противодействует ЭДС самоиндукции, т. е. параллельное встречное соединение

Параллельное (кумулятивное) соединение (ЭДС взаимной индукции усиливает ЭДС самоиндукции)

индуцированные ЭДС, как показано на рисунке ниже.

Пусть i ₁ и i ₂ — токи, протекающие через катушки индуктивности L ₁ и L ₂ , а I — общий ток.

Таким образом,

(7)  

Следовательно,

(8)  

В каждом индукторе будет индуцироваться две ЭДС. Один из-за самоиндукции, а другой из-за взаимной индукции.

Поскольку индукторы соединены параллельно, ЭДС равны.

, следовательно,

(9)

(10)

Теперь поставьте уравнение (9) в уравнении (8), мы получаем,

(11)

, если это эквивалентная индуктивность индукторов, соединенных параллельно, ЭДС в нем будет равна

(12) ≥

Это равно ЭДС, индуцированной в любой одной катушке i.е.,

   

(13)  

Подставляем значение из уравнения (10) в уравнение (13), получаем,

   

(14)    

Теперь, приравнивая уравнение (11 14),

   

   

   

(15)  

Приведенное выше уравнение дает эквивалентную индуктивность двух катушек индуктивности, соединенных параллельно или кумулятивно.

 Если между двумя катушками нет взаимной индуктивности (т.

     

Параллельное противодействие (дифференциальное) Соединение (ЭДС взаимной индуктивности противодействует ЭДС самоиндукции)

индуцированные ЭМП.

Как показано на изображении ниже, две катушки индуктивности соединены параллельно, противоположно или дифференциально.

Аналогично параллельному соединению можно доказать, что

(16)

Приведенное выше уравнение дает эквивалентную индуктивность двух катушек индуктивности, соединенных параллельно, противоположно или дифференциально.Пример 1 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность при их параллельном соединении.

Решение:

Данные: L ₁ = 5 мГн, L ₂ = 10 мГн и М = 5 мГн

мы получаем эквивалентную индуктивность 5 мГн, когда они соединены параллельно.

Пример 2

Две катушки индуктивности имеют собственные индуктивности 5 мГн и 10 мГн, а взаимная индуктивность между ними составляет 5 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность, когда они соединены параллельно встречно.

Решение:

Данные: L ₁ = 5 мГн, L ₂ = 10 мГн и M = 5 мГн

мы получаем эквивалентную индуктивность 1 мГн, когда они соединены параллельно встречно.

Соединительные индукторы

Когда магнитное поле одного индуктора (катушки) пересекает или связывает витки другого соседнего индуктора, два индуктора называются магнитно связанными. Из-за индукторов или катушек связи между двумя катушками существует взаимная индуктивность.

В связанных цепях передача энергии происходит от одной цепи к другой, когда одна из цепей находится под напряжением. Двухобмоточный трансформатор, автотрансформатор и асинхронный двигатель являются примерами индукторов, катушек или цепей с магнитной связью.

Рассмотрим два магнитно связанных индуктора или катушки 1 и 2, имеющие индуктивности L ₁ и L ₂ соответственно. Пусть М будет взаимной индуктивностью между двумя катушками.

Эффект взаимной индуктивности заключается в увеличении (L ₁ + M и L ₂ + M) или уменьшении (L ₁ – M и L ₂ – M) индуктивности двух катушек, это зависит от расположения двух катушек или катушек индуктивности.

• Когда две катушки расположены так, что их потоки помогают друг другу, индуктивность каждой катушки увеличивается на M i.т. е., это становится L ₁ + M для катушки 1 и L ₂ + M для катушки 2. Это потому, что общий поток, связывающий каждую катушку, больше, чем ее собственный поток.
• Когда две катушки расположены так, что их потоки противоположны, то индуктивность каждой катушки уменьшается на M, т. е. становится L ₁ – M для катушки 1 и L ₂ – M для катушки 2. потому что общий поток, связывающий каждую катушку, меньше, чем ее собственный поток.

Формула взаимной индуктивности

Мы знаем, что любое изменение тока в одной катушке всегда осуществляется за счет взаимного индуцирования э.м.ф. во второй катушке.

Взаимная индуктивность определяется как способность одной катушки (или цепи) создавать ЭДС. в соседней катушке (или цепи) за счет индукции при изменении тока в первой катушке.

Другими словами, свойство двух катушек, благодаря которому каждая сопротивляется любому изменению тока, протекающего в другой, называется взаимной индуктивностью между двумя катушками. Это противодействие возникает из-за того, что изменяющийся ток в одной катушке создает ЭДС взаимного наведения. в другой катушке, которая препятствует изменению тока в первой катушке.

Взаимная индуктивность (М) может быть определена как потокосцепление катушки на единицу тока в другой катушке.

Математически,

   

Где,

= ток в первой катушке

= поток, связывающий вторую катушку

= количество витков на второй катушке

сила тока 1 ампер в секунду в одной катушке индуцирует ЭДС 1 В на другой катушке.

Коэффициент связи

Коэффициент связи (k) между двумя катушками определяется как доля магнитного потока, создаваемого током в одной катушке, которая связывает другую.

Коэффициент связи — важный параметр для связанных цепей, определяющий степень связи между индуктивно связанными катушками.

Математически коэффициент связи может быть выражен как

   

Где

L ₁ — собственная индуктивность первой катушки

L _{2 09227 — собственная индуктивность второй катушки}

М – взаимная индуктивность между двумя катушками.

Коэффициент связи зависит от взаимной индуктивности между двумя катушками.Чем выше коэффициент связи, тем выше будет и взаимная индуктивность. Две индуктивно связанные катушки связаны магнитным потоком.

• Когда весь поток одной катушки связывает другую, коэффициент связи равен 1 (т. е. 100%), тогда говорят, что катушки сильно связаны.
• Если только половина потока, установленного в одной катушке, связывает другую, коэффициент связи равен 0,5 (т. е. 50%), то катушки называются слабо связанными.
• Если поток одной катушки совсем не связан с другой катушкой, коэффициент связи равен 0, катушки называются магнитно изолированными друг от друга.

Коэффициент связи всегда будет меньше единицы. Это зависит от используемых основных материалов. Для воздушного сердечника коэффициент связи может составлять от 0,4 до 0,8 в зависимости от расстояния между двумя катушками, а для железного или ферритового сердечника он может достигать 0,99.

Пример задачи с индуктивной связью

Пример 1

Рассчитайте взаимную индуктивность между двумя катушками с единичной связью 9 Гн и 4 Гн.

Решение:

Данные: 2 = 4 Гн и k = 1

Согласно формуле,

   

Таким образом, используя формулу, мы получаем, что взаимная индуктивность между двумя моносвязанными катушками равна 6 Гн.

Пример 2

Рассчитайте взаимную индуктивность между двумя катушками схемы, показанной ниже.

Решение:

Даны данные: L ₁ = 12 мГн, L ₂ = 3 мГн и k = 0,8

По формуле

,

Отсюда по формуле

, 90 получаем 90 взаимная индуктивность между двумя связанными катушками 4,8 мГн.

Пример 3

Две соединенные последовательно катушки имеют эквивалентную индуктивность 16 мГн или 8 мГн в зависимости от их соединения.Найдите взаимную индуктивность M между катушками.

Решение:

Данные: = 16 мГн или 8 мГн

Здесь две связанные катушки соединены последовательно, поэтому согласно формуле последовательного соединения и

(18)  

Вычитая уравнение (18) из уравнения (17), получаем

   

   

Таким образом, используя формулу, получаем, что взаимная индуктивность между двумя связанными катушками равна 2 мГн.

Для чего используются катушки индуктивности

Катушки индуктивности применяются:

• Катушки индуктивности используются для дросселирования, фильтрации или сглаживания, ослабления и блокировки высокочастотных помех в электрической цепи.
• Катушки индуктивности широко используются в электронном оборудовании, таком как радиооборудование, в котором они используются для пропускания постоянного тока и блокирования переменного тока. Катушки индуктивности, предназначенные для этой цели, известны как дроссели.
• Катушки индуктивности используются в генераторах Хартли, в которых две катушки индуктивности соединены последовательно с параллельным конденсатором, образуя настроенные генераторы или LC-резонансные контуры.
• Катушки индуктивности используются в генераторах Колпитца, в которых два конденсатора с отводом от средней точки соединены последовательно с параллельной катушкой индуктивности для формирования настроенных генераторов или LC-резонансных контуров. ( Обратите внимание, что схемы настроенных генераторов используются для передачи или приема микроволновых или радиочастотных сигналов ).
• Катушки индуктивности используются для хранения и передачи электроэнергии на выходную нагрузку или конденсатор в преобразователях силовой электроники (постоянный ток-постоянный или переменный-постоянный ток), таких как импульсные источники питания.
• В силовой электронике преобразователи индуктивности используются для фильтрации «пульсаций» тока на выходе. Более высокие значения индуктивности приводят к меньшему пульсирующему току, что повышает эффективность.
• Катушки индуктивности используются для согласования импеданса. Согласование импеданса включает в себя согласование импеданса входа или источника с импедансом нагрузки. Максимальная мощность передается на нагрузку от источника, когда импеданс нагрузки согласуется с импедансом источника, что повышает эффективность схемы.Теперь, если нагрузка является емкостной по сравнению с источником, то можно использовать катушки индуктивности для противодействия емкости нагрузки и, таким образом, согласования импеданса.
• Катушки индуктивности используются для ограничения коммутационных токов и токов короткого замыкания в системе электропередачи.

Типы индукторов

В зависимости от используемого материала сердечника и механической конструкции индукторы подразделяются на различные типы. Ниже приведены основные типы.

• Air Core Inductor
• Core Core Inductor
• Железный сердечник индуктор
• порошкообразных ядра индуктора
• ферритовый сердечник индуктор
• ферромагнитный сердечник индуктор
• радиочастотный индуктор
• тороидальный сердечник индуктор
• многослойный керамический индуктор
• Пленочный индуктор
• Связанный индуктор
• Литой индуктор

Сопротивление индукторов

Сопротивление идеального индуктора равно нулю, но практически индукторы имеют некоторое сопротивление, потому что они сделаны из проволоки, а все провода имеют некоторое сопротивление.

Полное сопротивление индукторов (индуктивное реактивное сопротивление индукторов)

Полное сопротивление индуктора (также называемое индуктивным реактивным сопротивлением) является мерой сопротивления изменению тока. Формула импеданса индуктора:

   

Где

 это импеданс индуктора,

это угловая частота = ,

  это индуктивность индуктора

индуктивность прямо пропорциональна частоте.Это означает, что если частота равна нулю, импеданс равен нулю.

Полное сопротивление идеальной катушки индуктивности положительно для всех частот, поскольку оно прямо пропорционально частоте. Эффективное сопротивление катушки индуктивности зависит от частоты и увеличивается с частотой.

Катушки индуктивности в цепях постоянного и переменного тока

Катушки индуктивности в цепях постоянного и переменного тока ведут себя по-разному. Давайте обсудим это вкратце.

Катушки индуктивности в цепях постоянного тока

При подаче постоянного тока на катушку индуктивности она ведет себя как короткое замыкание с нулевым сопротивлением.

При постоянном токе скорость изменения тока равна нулю, поэтому напряжение не индуцируется, и, следовательно, индуктор не препятствует протеканию постоянного тока.

Мы знаем, что напряжение на катушке индуктивности можно выразить как

   

Где  

= мгновенное напряжение на катушке индуктивности в вольтах,

= индуктивность в Генри,

= скорость изменения электрического тока в амперах в секунду

Если постоянный ток ток, протекающий через катушку индуктивности, становится равным нулю при d.в. ток постоянен во времени. Следовательно, напряжение на катушке индуктивности становится равным нулю.

Таким образом, до d.c. величины, в установившемся режиме индуктор действует как короткое замыкание.

Катушки индуктивности в цепях переменного тока

Когда переменный ток подается на катушку индуктивности, переменный ток изменяет скорость тока, который противодействует катушке индуктивности, увеличивая ее реактивное сопротивление.

Чем выше частота переменного тока, тем выше скорость изменения тока и, следовательно, выше блокирующий эффект катушки индуктивности.

Как показано на изображении ниже, катушка индуктивности напрямую подключена к сети переменного тока. ЭДС самоиндукции в дросселе увеличивается и уменьшается с увеличением и уменьшением напряжения питания.

Катушка индуктивности, подключенная к источнику переменного тока

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока через катушку индуктивности, и она максимальна, когда напряжение питания переходит из положительного полупериода в отрицательный полупериод или наоборот вдоль с синусоидальной волной переменного тока.

Имеют ли индукторы полярность

Один индуктор не имеет полярности и работает одинаково в любом направлении. Но если с ним магнитно связана другая катушка индуктивности, то важна относительная полярность катушек индуктивности.

Согласно закону Ленца, наведенное напряжение на катушке индуктивности имеет полярность (направление), противоположную изменению тока, вызвавшего его. Следовательно, катушки индуктивности препятствуют любому изменению тока через него.

Как индукторы накапливают энергию

Чистые индукторы не рассеивают и не потребляют энергию.Единственное сопротивление способно преобразовывать электрическую энергию в тепловую. Чистые индукторы накапливают энергию только тогда, когда через них протекает электрический ток. Можно сказать, что энергия запасается в магнитном поле индуктора.

Когда электрическая энергия подается на индуктор или катушку, она расходуется двумя способами.

• Некоторая его часть расходуется на покрытие I ² R потерь, которые теряются в виде тепла.
• Оставшаяся часть используется для создания магнитного поля вокруг катушки и сохраняется в магнитном поле.

Рассмотрим индуктор с индуктивностью L и малым сопротивлением R, подключенный к источнику постоянного тока. питание через коммутатор. Когда ключ S замкнут, ток в дросселе постепенно увеличивается и достигает установившегося значения.

Этому увеличению тока противодействует ЭДС самоиндукции. в катушке индуктивности из-за изменения тока. Для преодоления сопротивления источником подается энергия, запасенная в магнитном поле индуктора.

Теперь, когда переключатель размыкается, магнитное поле разрушается, а накопленная энергия высвобождается и возвращается в цепь, рассеиваясь в виде тепла.

Это аналогичная потенциальная энергия поднятого веса. Когда тело массой m поднимается на высоту h метра, запасенная в нем потенциальная энергия равна m*g*h. Работа совершается при подъеме тела, но когда оно поднято на определенную высоту, для удержания его в этом положении не требуется никаких дополнительных затрат энергии.

Эта механическая энергия может быть восстановлена, позволив телу упасть. Точно так же электрическая энергия, хранящаяся в магнитном поле, может быть восстановлена ​​путем разрушения магнитного поля.

Величина энергии, запасенной в магнитном поле

Величина энергии, запасенной в магнитном поле, может быть найдена следующим образом.

Пусть в любой момент ток, протекающий через индуктор, равен I и составляет .

ЭДС самоиндукции в индукторе,

Мгновенная мощность,

   

Теперь энергия запасается в магнитном поле энергии, подведенной к индуктору в течение короткого интервала времени dt.

   

Теперь полная энергия, хранящаяся в магнитном поле, когда ток возрастает от 0 до I (конечное значение), определяется выражением,

   

В приведенном выше уравнении представлена ​​энергия, запасенная в катушке индуктивности.

Обратите внимание, что индуктор накапливает энергию только во время увеличения тока. Когда ток в катушке индуктивности падает до нуля, накопленная энергия возвращается к источнику или рассеивается на сопротивлении в цепи.

Пример

Две катушки имеют собственную индуктивность 3 Гн и 2 Гн соответственно и взаимную индуктивность 2 Гн. Они соединены последовательно и через них протекает ток 5 А. Рассчитайте энергию, накопленную в магнитном поле, когда катушки соединены (i) кумулятивно и (ii) дифференциально, а также найдите коэффициент связи.

Решение:

Данные: L ₁ = 3 H, L ₂ = 2 ч, м = 2 ч, I = 6 A

(I) для кумулятивного соединения:

(ii) Для дифференциального соединения:

   

   

(iii) Коэффициент связи:

   

индуктивность

индуктивность

Взаимная и собственная индуктивность

Проблема:

Для запуска электропоезда нужно 12 В, а напряжение на выходе 120 В. Каково отношение числа витков первичной обмотки к числу включает вторичную обмотку трансформатора, который вы используете?

Решение:

• Концепты:
  Взаимная индуктивность, собственная индуктивность, трансформатор
• Рассуждение:
  Прототип трансформатора имеет первичную и вторичную обмотки. намотаны по обе стороны железного кольца. Если ток в первичной меняется катушка, меняется поток через вторичную катушку и ЭДС наводится во вторичной обмотке.ЭДС, индуцируемая во вторичной обмотке, равна пропорциональна числу витков N ₂ вторичной обмотки, так как количество витков определяет общий магнитный поток, проходящий через эта катушка. ЭДС индукции также пропорциональна напряжению В ₁ через первичную катушку, так как это определяет величину первичной тока и связанного с ним магнитного поля. Индуцированное напряжение равно обратно пропорциональна, однако, количеству витков N ₁ первичная катушка.Отношения принимают форму

  В ₂ /Н ₂ = В ₁ /Н ₁ .

  Отношение количества витков на двух катушках определяет отношение напряжения. Самоиндукция является причиной того, что ЭДС, индуцируемая в вторичная обмотка обратно пропорциональна числу витков первичная катушка. Если первичная обмотка имеет больше витков, ее труднее производить быстрое изменение тока, протекающего через него, из-за обратного ЭДС, создаваемая самоиндукцией.Этот эффект ограничивает ток и поэтому величина магнитного поля, создаваемого первичной катушкой, что, в свою очередь, ограничивает магнитный поток, проходящий через вторичную катушку.
  
  Предположим, что одно и то же поле B пронизывает обе катушки и поток на виток Φ _B одинаково для обеих катушек. Общий поток за виток обусловлен токи в обеих катушках. В хорошо спроектированном трансформаторе сопротивление катушек мало, и мы пренебрегаем здесь.Тогда ЭДС индукции в первичная обмотка должна точно уравновешивать приложенное напряжение V _p .
  V _p = N ₁ dΦ _B /dt.
  Поскольку Φ _B одинакова для вторичной обмотки, ЭДС индукции в вторичная обмотка ε _с = N ₂ dΦ _B /dt. Пока нет нагрузки подключены, измеряем выходное напряжение V _s = N ₂ dΦ _B /dt.
  V _p /N _p = V _s /N _s .

• Детали расчета:
  N ₁ /N ₂ = V ₁ /V ₂ . Ты нуждаешься в трансформатор с в десять раз большим числом витков на первичной обмотке, чем на вторичная катушка.

Проблема:

Большая катушка радиуса а лежит в плоскости х-у с центром в точке Происхождение. Коаксиальная малая катушка радиуса b << a с ось, параллельная оси z, лежит на расстоянии z выше большой катушка.По маленькой катушке течет постоянный ток I.
а) Найдите магнитный поток, связанный с большой катушкой.
(b) Если маленькая катушка движется вдоль оси z с постоянной скоростью против = v ₀ k , что это ЭДС ε индуцируется в большой катушке как функция времени? Пусть z = 0 при t = 0,

Решение:

• Концепты:
  Флюс F = ∫ _A B ∙ n дА, F = MI, M = взаимная индуктивность, ε = -∂F/∂t = ЭДС индукции
• Рассуждение:
  Найдя взаимную индуктивность катушек как функцию катушки разделения, можно найти поток через большую катушку и ЭДС индукции.
• Детали расчета:
  (а) Поток через большую катушку из-за тока I в малой катушка F = MI. Чтобы найти M, мы вычисляем поток через маленькую катушку за счет тока I в большой катушке.
  [При расчете взаимной индуктивности можно рассчитать поток через цепи 1 из-за тока в цепи 2 или потока через цепь 2 из-за ток в цепи 1. В данной задаче одним из этих расчетов является часто намного проще, чем другие.]
  То поле на оси токовой петли радиуса a равно B = к μ ₀ Ia ² /[2(a ² + z ² ) ^3/2 ] (единицы СИ), если ток течет в ф направление.
  Поток через петлю радиуса b равен F = ∫ _A B ∙ н дА.
  Ф = πb ² μ ₀ Ia ² /[2(a ² + z ² ) ^3/2 ]. (Поскольку b << a, B почти постоянно по площади, если малый петля.)
  F = МИ, М = πb ² а ² μ ₀ /[2(а ² + z ² ) ^3/2 ].
  (б) ε  = -∂F/∂t = -(πb ² a ² μ ₀ I/2)(∂/∂t)(1/(a ² + z ² ) ^3/2 )
  = (3πb ² a ² μ ₀ I/4)(1/(a ² + з ² ) ^5/2 )2зв ₀ .
  ε = (3πb ² а ² μ ₀ I/2)(zv ₀ /(а ² + z ² ) ^5/2 ).

Проблема:

Тороидальная катушка из N витков имеет квадратное поперечное сечение, каждая сторона квадрат имеет длину a и внутренний радиус b.
а) Найдите индуктивность катушки.
б) Найти взаимную индуктивность системы, состоящей из катушки и длинный прямой провод вдоль оси симметрии катушки.(Предположить, что проводники, замыкающие цепь, частью которой является длинный прямой провод расположены далеко от катушки, так что их влиянием можно пренебречь.)
в) Найти отношение собственной индуктивности катушки к взаимной индуктивность системы.

Решение:

• Концепты:
  Закон Ампера, магнитный поток, взаимная индуктивность, собственная индуктивность
• Рассуждение
  Закон Ампера можно использовать для нахождения магнитных полей, создаваемых катушкой и к проводу.Найдя поток этих полей через катушку, мы можем найти самоиндукцию и взаимную индуктивность.
• Детали расчета:
  (а) Закон Ампера дает магнитное поле внутри тора из-за тока Я в обмотках. Симметрия диктует, что магнитное поле направлено в в ( φ /φ)-направление.
  Б = ( φ /φ) μ ₀ NI/(2πr). Здесь N — число витков обмоток.
  
  Поток этого поля через обмотки равен
  F = ∫ _{В ∙d А = [μ 0 N ² I/(2π)]a∫ b ^b+a (1/r)dr = [μ 0 N ² I/(2π)]a пер((б+а)/б).
  F = LI, L = [μ 0 N ² a/(2π)] пер((б+а)/б).
  (b) Закон Ампера дает магнитное поле внутри тора из-за ток I в проводе.
  Б = ( φ /φ)μ 0 I/(2πr).
  Поток этого поля через обмотки равен
  F = ∫ В ∙d А = [μ 0 NI/(2π)]a∫ b ^b+a (1/r)dr = [μ 0 NI/(2π)]a пер((б+а)/б).
  F = MI, M = [μ 0 Na/(2π)] пер((б+а)/б).
  (в) L/M = N,}

Проблема:

По длинному кабелю течет ток в одном направлении, равномерно распределенный по всей его длине. круглое сечение.Ток возвращается по поверхности (есть очень тонкая изолирующая оболочка, разделяющая токи). Найдите себя индуктивность на единицу длины.

Решение:

• Концепты:
  Собственная индуктивность, Ампер U = ½LI ² = (1/(2μ ₀ ))∫ _{B ² dV.}
• Рассуждение:
  Находим магнитное поле произвести по току по закону Ампера и решить
  ½LI ² = (1/(2μ ₀ ))∫ _{B ² dV для собственной индуктивности L.}
• Детали расчета:
  Предположим, что провод имеет радиус a и концентричен с осью z. Предположим, что по ней течет ток I.
  Для круговой петли Γ радиуса r, концентрично оси z и лежащей в плоскости xy, мы имеем
  2πrB = μ ₀ I _{через Г} .
  В = В ( φ / φ).
  я _{через Γ} = Ir ² /a ² .
  r < a: B = μ ₀ Ir/(2πa ² )
  r > a: B = 0.
  Для отрезка единичной длины имеем
  (½µ ₀ )∫ _{B ² dV = (π/µ 0 )( µ 0 I/(2πa ^{2 ⫈} )) 0 ^а р ³ др = (π/µ 0 )(µ 0 I/(2πa ² )) ² (a ⁴ /4)
  = (µ 0 I ^{2 / 1 2 2 / 2 2 2 2 2 2 знак равно ½LI 2 .
  L = (μ 0 / (8π)).}}

 

.