Введение
Если бы кому-нибудь пришла в голову идея провести опрос населения Земли на тему «Что вы знаете об индуктивности?», то подавляющее число опрашиваемых просто пожало бы плечами. А ведь это второй по многочисленности вслед за транзисторами технический элемент, на котором зиждется современная цивилизация! Любители детективов, припомнив, что в своей юности зачитывались захватывающими рассказами сэра Артура Конан Дойла о приключениях знаменитого сыщика Шерлока Холмса, с разной степенью уверенности пробормочут что-то о методе, которым вышеозначенный сыщик пользовался. При этом подразумевая метод дедукции, который, наравне с методом индукции, является основным методом познания в западной философии Нового времени.
При методе индукции происходит исследование отдельных фактов, принципов и формирование общих теоретических концепций на основе полученных результатов (от частного к общему). Метод дедукции, наоборот, предполагает исследование от общих принципов, законов, когда положения теории распределяются на отдельные явления.
Следует отметить, что индукция, в смысле метода, не имеет сколько-нибудь прямого отношения к индуктивности, просто они имеют общий латинский корень inductio
— наведение, побуждение — и обозначают совершенно разные понятия.
Лишь малая часть опрашиваемых из числа носителей точных наук — профессиональных физиков, инженеров-электротехников, радиоинженеров и студентов этих направлений — смогут дать внятный ответ на этот вопрос, а некоторые из них готовы прочитать с ходу целую лекцию на эту тему.
Определение индуктивности
В физике индуктивность, или коэффициент самоиндукции, определяется как коэффициент пропорциональности L между магнитным потоком Ф вокруг проводника с током и порождающим его током I или — в более строгой формулировке — это коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током:
или
Для понимания физической роли катушки индуктивности в электрических цепях можно использовать аналогию формулы энергии, запасаемой в ней при протекании тока I, с формулой механической кинетической энергии тела.
При заданной силе тока I индуктивность L определяет энергию магнитного поля W, создаваемого этим током I:
Аналогично, механическая кинетическая энергия тела определяется массой тела m и его скоростью V:
То есть индуктивность, подобно массе, не позволяет энергии магнитного поля мгновенно увеличиться, равно как и масса не позволяет проделать такое с кинетической энергией тела.
Проведём исследование поведения тока в индуктивности:
Рис. 1. Электрическая схема эксперимента
Рис. 2. Физическая реализация эксперимента
Рис. 3. Осциллограмма тока через индуктивность. Желтая осциллограмма — выход сигнал-генератора, голубая — сигнал на резисторе.
Из-за инерционности индуктивности происходит затягивание фронтов входного напряжения. Такая цепь в автоматике и радиотехнике называется интегрирующей, и применяется для выполнения математической операции интегрирования.
Проведём исследование напряжения на катушке индуктивности:
Рис. 4. Электрическая схема эксперимента
Рис. 6. Осциллограмма напряжения на индуктивности (голубая)
В моменты подачи и снятия напряжения из-за присущей катушкам индуктивности ЭДС самоиндукции, возникают выбросы напряжения. Такая цепь в автоматике и радиотехнике называется дифференцирующей, и применяется в автоматике для корректировки процессов в управляемом объекте, носящих быстрый характер.
Рис. 5. По большому счёту, во всех генераторах электрического тока любого типа, равно как и в электродвигателях, их обмотки представляют собой катушки индуктивности.
Какие параметры есть у катушки
От того, где будет применяться индуктивный элемент и на какой частоте работать, зависит его исполнение. Имеются общие параметры:
- L – индуктивность;
- R пот – сопротивление потерь;
- Q – добротность;
- свой резонанс и паразитарная ёмкость;
- коэффициенты ТКИ и ТКД.
Индуктивность (коэффициент самоиндукции) L – это главная электрическая характеристика элемента, которая показывает количество накапливаемой дросселем энергии при передвижении тока. Величина энергии в катушки тем выше, чем больше её индуктивность. Единица измерений L – 1 Гн.
При взаимодействии тока и магнитного поля в обмотке возникают вредные явления. Они способствуют возникновению потерь, которые обозначают R пот. Формула потерь имеет вид:
R пот = rω + rd + rs + re.
Слагаемые формулы – это потери:
- rω – в проводах;
- rd – в диэлектрике;
- rs – в сердечнике;
- re – на вихревые токи.
В результате таких потерь импеданс индуктивного двухполюсника нельзя назвать целиком реактивным.
Добротность двухполюсника определяется по формуле:
Q = ω*L/R пот,
где ω*L = 2π*L – реактивное сопротивление.
При наматывании витков элемента между ними возникает ненужная ёмкость. Из-за этого дроссель превращается в колебательный контур с собственным резонансом.
ТКИ – показатель, описывающий зависимость L от Т0С.
ТКД – показатель, описывающий зависимость добротности от Т0С.
Информация. Изменение основных параметров индуктивного двухполюсника зависит от коэффициентов ТКИ, ТКД, а также от времени и влажности.
Самоиндукция
Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.
Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:
где
I – сила тока в катушке , А
U – напряжение в катушке, В
R – сопротивление катушки, Ом
Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.
И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.
То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.
Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.
Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности
Каждый дроссель можно представить в виде эквивалентной схемы.
Данная схема состоит из элементов:
- Rw – сопротивление обмотки с выводами;
- L – индуктивность;
- Cw – паразитная ёмкость;
- Rl – сопротивление потерь.
Изготавливая индуктивный элемент, стремятся снизить величину сопротивления потерь, паразитную ёмкость. При работе катушки на низкой частоте учитывают сопротивление её обмотки Rw. На таких частотах действуют токи большой величины.
Правильно рассчитанная катушка индуктивности будет иметь высокую добротность (180-300) и стабильность работы при влиянии внешних условий (температуры и влажности). Зная способы различной намотки и манипуляции с шагом, можно уменьшить влияние паразитных факторов.
Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока
XL = ωL
Чтобы сделать сосредоточенную индуктивность, кусок проволоки сматывают в катушку
Если к цепи с индуктивностью подключить переменное синусоидальное напряжение, то в ней должен протекать переменный синусоидальный ток.
Что же происходит в цепи с индуктивностью при протекании переменного тока.
Оказывается, ток и напряжение действуют не одновременно,
то есть, сдвинуты по фазе
На активном сопротивлении R, появление напряжения, и сразу – в тот же момент, оно вызывает появление тока, и они действуют в одной фазе.
На индуктивности так не получается.
Если напряжение от источника начинает нарастать, то ток за ним не успевает.
Почему? В индуктивности изменение тока, приводит к появлению ЭДС самоиндукции, а эта ЭДС направлена на встречу изменения тока. Напряжение растет, и ток хочет расти, но ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию тока. Это примерно также, как сила инерции мешает разогнать тележку, когда мы сдвигаем ее с места.
Ток преодолевает сопротивление направленной навстречу ему ЭДС самоиндукции, и начинает нарастать, но это происходит, когда напряжение уже достигло максимального значения. Ток, наконец, достигает максимального значения, но напряжение в этот момент уже снизилось до нуля. Так и повторяется – ток все время отстает от напряжения на 90то есть на π/2. Значит, фаза тока отрицательна и составляет — π/2
Откуда берется эта ЭДС самоиндукции, и почему она не мешает в цепи с сопротивлением R. Это связано с тем, что катушка индуктивности, в отличие от сопротивления R, создает сильное магнитное поле, благодаря большому количеству витков. Магнитное поле не может мгновенно изменяться, оно и рождает внутри провода ЭДС, которая препятствует изменению тока.
Более подробно об ЭДС самоиндукции смотри в статье Начальные представления об электромагнетизме
Красная синусоида напряжения пресекает ноль каждый раз раньше зеленой синусоиды тока на π/2
Вывод: В цепи с индуктивностью напряжение впереди тока на 90°.
Любое сопротивление ограничивает ток, но бывает активное сопротивление, бывает реактивное..
R — активное сопротивление — на нем выделяется тепло
X — реактивное сопротивление на нем не выделятся тепло
Правило Ленца и индуктивность
Электрический ток создает магнитное поле – это была сенсация в девятнадцатом веке. Электрические и магнитные явления представлялись в прошлом совершенно разными явлениями, и открытие связи между ними вызвало горячий интерес исследователей. Магнитное поле казалось многоликим, присущим совершенно разным объектам – куску магнитной руды, Земному шару и… проводу с током. Сейчас известно, что в каждом из этих объектов магнитное поле порождается движением электрического заряда.
В современной науке установлена общая природа электрического и магнитного полей. При изучении постоянного тока был сделан первый шаг к пониманию этой истины – открыта связь между током и магнитным полем, между силой тока и силой создаваемого им магнитного поля.
Символ L, которым обозначается индуктивность, выбран в честь физика Эмиля Ленца. Он изучал магнитные явления, возникающие при протекании электрического тока. Сила Ленца – это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле.
Ленц также наблюдал, как катушки из электрических проводов, по которым пропускался ток, притягивались или отталкивались, подобно постоянным магнитам. Притяжение или отталкивание? Это определялось направлением тока в витках, взаимным расположением катушек. А сила взаимодействия определялась количеством витков и силой тока. При одинаковом токе, катушка с большим числом витков создавала большее магнитное поле.
Конструкция
Главное назначение катушек индуктивности ГОСТ 20718-75 – это накопление электрической энергии в пределах магнитного поля для акустики, трансформаторов и т. д. Их используют для разработки и конструирования различных селективных схем и электрических устройств. От конструкции (материала, количества витков), наличия каркаса зависит их функциональность, размеры и область использования. Изготовление устройств производится на заводах, но можно сделать их самостоятельно. Самодельные элементы несколько уступают по надежности профессиональным, но обходятся в разы дешевле.
Фото — схема
Каркас катушки индуктивности выполняется из диэлектрического материала. На него наматывается изолированный проводник, который может быть как одножильным, так и многожильным. В зависимости от типа намотки, они бывают:
- Спиральными (на ферритовом кольце);
- Винтовыми;
- Винтоспиральными или комбинированными.
Примечательной особенностью катушки индуктивности для электрических схем является то, что её можно намотать как в несколько слоев, так и нированно, т. е., с обрывками Если используется толстый проводник, то элемент может обматываться без каркаса, если тонкий – то только на рамку. Эти каркасы катушек индуктивности бывают различного сечения: квадратные, круглые, прямоугольные. Полученная намотка может вставляться в специальный корпус какого-либо электрического устройства или использоваться в открытом виде.
Фото — конструкция самодельного элемента
Для увеличения индуктивности используются сердечники. В зависимости от назначения элемента, варьируется используемый материал стержня:
- С ферромагнитным и воздушным сердечником применяются при высоких частотах тока;
- Стальные используются в условиях низкого напряжения.
Вместе с этим, в электротехнике активно используются индуктивные классические катушки без сердечника, которые можно сделать своими руками при помощи намотки на немагнитный контур.Такие устройства имеют некоторые преимущества перед «сердечными». У них большая линейность импеданса. Но, у тороидальной модели намотка на немагнитный каркас способствует появлению паразитной емкости.
Исходя из принципа работы, бывают такие типы:
- Контурные. Преимущественно используются в радиотехнике для создания колебательных контуров платы, работают вместе с конденсаторами. Для соединения используется последовательное подключение. Это современный вариант плоской контурной катушки Тесла;
- Вариометры. Это высокочастотные перестраиваемые катушки, индуктивностью которыми можно при необходимости управлять при помощи дополнительных устройств. Они представляют собой соединение двух отдельных катушек, при этом, одна подвижна, а вторая нет;
- Сдвоенные и подстроечные дроссели. Основные характеристики этих катушек: малое сопротивление постоянному току и высокое переменному. Дроссели изготавливаются из нескольких катушек, соединенных обмотками между собой. Их часто используют в виде фильтра для различных радиотехнических приборов, устанавливают для контроля помех в антенны и т. д.;
- Трансформаторы связи. Их конструктивной особенностью является то, что на одном стержне установлено от двух и более катушек. Они используются в трансформаторах для обеспечения определенной связи между отдельными компонентами устройства.
Маркировка катушек индуктивности определяется по количеству витков и цвету корпуса.
Фото — маркировка
Метод векторных диаграмм
Мы уже пользуемся векторными диаграммами, по которым наблюдаем соотношения токов и напряжения в цепях переменного тока. Векторная диаграмма это стоячее изображение вращающихся векторов.
В предыдущих рассуждениях, было сказано, что линейно развернутая диаграмма переменного процесса, (в простом случае синусоидального), точно показывает изменение мгновенного значения переменной величины, то есть происходит все именно так как показывает синусоида и каждая ее точка и есть переменная величина в данный момент. Но оказывается нам интересно не это, нам нужно знать какое значение тока и напряжения и мощности действует в цепи в течение времени, то есть действует длительное время, пока цепь работает.
Анализ синусоид нескольких величин, одновременно действующих в разных фазах, позволяет рассчитать все свойства и режимы работы цепи переменного тока, но гораздо проще это сделать, если отвлечься от синусоид и просто построить соотношение векторов, которые, собственно, и образуют эти синусоиды. Вся информация синусоид заложена в их радиус – векторах. Мы останавливаем эти векторы на рисунке, понимая, что они вращающиеся, но факт их вращения учитываем угловой частотой в расчетных формулах векторной диаграммы.
Итак, векторная диаграмма заменяет линейно развернутую синусоидальную диаграмму, потому, что любая информация, заложенная в синусоиду, есть и в соответствующем ей радиус-векторе.
Если нам приходится рассматривать несколько действующих одновременно синусоидальных процессов, то они изображаются векторной диаграммой, где длина каждого вектора, соответствует действующему значению синусоидальной величины, направление вектора соответствует начальной фазе, синусоидальной величины.
Результирующие значения одновременно действующих напряжений рассчитывается как векторная сумма, где угол между векторами определяется сдвигом фаз между ними.
Расчет цепей переменного тока сводится к расчету треугольников, которые состоят из соответствующих векторов.
Например, можно определить суммарное напряжение, частичные напряжения, и сдвиг фаз между ними.
На основании векторных диаграмм можно построить подобные векторным диаграммам треугольники сопротивлений и треугольники мощностей, решением которых можно определить соотношения сопротивлений, и мощности которые действуют в цепях переменного тока.
Векторная диаграмма напряжений представляет собой векторный треугольник напряжений
Последовательное соединение L R.
Любая катушка наматывается проволокой, а проволока обладает сопротивлением, которое приходится учитывать.
Получается, что реальная цепь, содержащая только L, просто невозможна. В некоторых случаях значением R пренебрегают, и получается, что вроде бы цепь с только L, на самом деле она конечно L R.
Реально, кроме проволоки, в цепи всегда есть и какие – то другие элементы R, поэтому интерес представляют именно цепи L R,
Ток, при последовательном соединении, один и тот же через все сопротивления, а напряжения разные, но общее напряжение не равно просто сумме напряжений на каждом сопротивлении, оно равно векторной сумме, то есть вектор общего напряжения равен сумме векторов напряжений на каждом участке. Для расчетов напряжений надо построить векторную диаграмму.
Векторная диаграмма строится так.
Способы расчёта
Существует несколько основных способов определить индуктивность катушки. Все формулы, которые будут использоваться в расчётах, легко можно найти в справочной литературе или интернете. Весь процесс вычисления довольно простой и не составит труда для людей, имеющих элементарные математические и физические знания.
Через силу тока
Этот расчёт считается самым простым способом определения индуктивности катушки. Формула через силу тока вытекает из самого термина. Какова индуктивность катушки — можно определить по формуле: L=Ф/I, где:
- L — индуктивность контура (в генри);
- Ф — величина магнитного потока, измеряемого в веберах;
- I — сила тока в катушке (в амперах).
Соленоид конечной длины
Соленоид представляет собой тонкую длинную катушку, где толщина обмотки значительно меньше диаметра. В этом случае расчёты ведутся по той же формуле, что и через силу тока, только величина магнитного потока будет определяться следующим образом: Ф=µ0NS/l, где:
Как возникает
Для понимания, что такое сила тока, следует знать условие его возникновения – существование частиц со свободным зарядом. Он перемещается через проводник (его поперечное сечение) от одной точки к другой. Физика силы тока заключается в упорядоченном движении электронов, на которые действует электрическое поле от источника питания. Чем большее количество заряженных частиц переносится, и чем быстрее их передвижение в одном направлении, тем больший заряд дойдет до места назначения.
Движение электронов в проводнике
Помимо источника питания, элементами замкнутой цепи являются соединительные провода, по которым проходит электричество, и потребители энергии (установки, резисторы).
Дополнительная информация. В проводниках из металла в роли передатчика зарядов выступают электроны, газообразных – ионы, жидких – перенесение заряженных частиц выполняется с помощью обоих видов частиц. Нарушение порядка прохождения говорит о хаотичном движении зарядов, цепь при котором станет обесточенной.
приложений
Магнитная индукция является основным принципом действия электрических трансформаторов, которые позволяют повышать и понижать уровни напряжения при постоянной мощности..
Циркуляция тока через первичную обмотку трансформатора индуцирует электродвижущую силу во вторичной обмотке, что, в свою очередь, приводит к циркуляции электрического тока.
Коэффициент трансформации устройства задается числом витков каждой обмотки, с помощью которого можно определить вторичное напряжение трансформатора..
Произведение напряжения и электрического тока (т. Е. Мощности) остается постоянным, за исключением некоторых технических потерь из-за внутренней неэффективности процесса.
Емкость в цепи переменного тока
XC =1/ ωc
При включении емкости под переменное напряжение во время t=0, конденсатор полностью разряжен, напряжение на конденсаторе равно 0, и он начинает заряжаться. Поэтому мгновенно появляется ток зарядки. По мере зарядки конденсатора на нем начинает расти напряжение, которое тормозит процесс зарядки, а значит, ток зарядки начинает уменьшаться.
Когда U на конденсаторе достигает максимума, это значит, что оно достигло максимума напряжения источника, зарядка продолжаться не может, поэтому ток становится равным 0.
Синусоида тока (синяя) каждый раз пресекает ноль на π/2 раньше, чем (красная) синусоида напряжения.
То есть, максимальному напряжению на емкости соответствует ток, равный 0, а это значит, что ток на емкости С впереди напряжения на 90° или π/2
Приложения
О других проектах Викимедиа:
Индуктивность , на Wikimedia Commons
Внешняя ссылка
Расчет коаксиальных катушек
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- Портал электричества и электроники
- Физический портал
Конструкция катушки индуктивности
Вокруг прямолинейного проводника с постоянным током создается круговое магнитное поле. Линии напряженности напоминают спираль. Некто догадался свернуть провод кольцом, чтобы вклад элементарных сегментов сложился в центре. В результате внутри конструкции магнитное поле намного выше, нежели снаружи. Линии визуально наблюдаем на железных опилках. На Ютуб множество роликов, где через индуктивность пропускают ток, демонстрируя упорядоченную ориентацию металлической пыли в момент замыкания контактов. Конструкция способна запасать впрок магнитное поле подобно конденсатору, накапливающему заряд. Катушками называют только индуктивности, содержащие намотку лакированного провода. В микрополосковой технологии напыляемые для запасания магнитного поля элементы логично именовать индуктивностями.
Если в катушке, совсем как в той, что используют швеи, несколько витков провода расположить один за другим бок о бок так, чтобы ось была общей, линии напряженности магнитного поля суммируются. Простейшая индуктивность, способная накапливать энергию магнитного поля. При резком пропадании напряжения образуется явление обратной-ЭДС широко известное технике. Выступает причиной искрения коллекторных двигателей. Используется лакированный (с лаковой изоляцией) медный провод нужного сечения. Количество витков, форма сердечника определяются предварительно расчетами или по имеющемуся образцу.
Бифилярные катушки сегодня широко используются. Что касается обратной ЭДС, служит причиной розжига разрядных ламп (дневного света). Вернемся к конструкции. В первом электромагните проволока оголенная, современные катушки индуктивности наматываются лакированным. Тонкая изоляция при необходимости может быть легко снята (например, токсичной муравьиной кислотой), в исходном состоянии надежно защищает конструкцию против короткого замыкания.
Внутри катушки находится сердечник из ферромагнитного материала. Форма не важна, сечение лучше брать круглым. На высоких частотах магнитный поток (см. Преобразователь напряжения) выходит на поверхность сердечника, смысл применения ферромагнитных сплавов пропадает, иногда используется латунь (даже композитные материалы, диэлектрики). Снижает индуктивность, на высоких частотах запасаемая за период мощность невелика. Трюк проходит. У многих возникает вопрос – зачем нужен сердечник?
Сердечник катушки индуктивности выступает опорой, долговечным каркасом, усиливая магнитное поле. Индукция связана с напряженностью поля через постоянную магнитной проницаемости среды. У ферромагнитных материалов параметр поистине велик. В тысячи раз больше, нежели воздуха, большинства металлов. С ростом частоты необходимость в сердечнике снижается, возникают некоторые негативные эффекты, два из которых особенно важны:
Линии магнитного поля, сформированные опилками
- Переменное магнитное поле наводит вихревые токи, посредством которых функционируют индукционные плитки. Результат представите сами: какой нагрев сердечника вызовет. Сердечники силовых трансформаторов собираются из специальной электротехнической стали с высоким сопротивлением, разбиваются тонкими листами, изолированными взаимно слоем лака. Шихтование позволит сильно снизить влияние вихревых токов.
- Второй эффект называется перемагничиванием. Отнимает энергию поля, вызывает нагрев материала. Явление характерно для ферромагнитных материалов, устраняется использованием латуни.
В микрополосковой технологии предусмотрено исполнение индуктивностей в виде плоских спиралей: проводящий материал через трафарет напыляется на подложку (возможный метод). Напоминает конструкцию Николы Тесла. Номинал катушка индуктивности имеет весьма малый, иного не надо на частотах СВЧ. Расчет ведется по специальным справочникам, хотя пользуются преимущественно инженеры-конструкторы.
Для намотки индуктивности изготавливают специальные приспособления, напоминающие катушку спиннинга. На ось одевается сердечник с ограничителем по бокам, вращая ручку, мастер внимательно считает количество оборотов, отмеряет нужную длину. Медленно, по способу челнока рука двигается влево-вправо, витки ровно ложатся последовательно.
Источник: