от чего зависит индуктивность катушки индуктивности?
Так что вас интересует, индуктивность или индукция? Вы понимаете, что это разные слова? Индукция это свойство не катушки, а поля.
Ну, пускай индуктивность.
Далее. Если учебник потеряли, то почему не спросить в поисковике? Я за минуту картинку нашёл.
*** ***Ученик (126) 6 лет назад
норм, только считать все это вручную неохота. онлайн-калькулятор бы
Владимир Замятин Оракул (65120) А программку написать в три строчки? Если и этому не обучены, Excel в помощь. Да и онлайн-калькулятор есть наверняка. Поисковик найдёт за минуту.
Остальные ответы
Сердечник, отмотка провода
От количества и расположения витков, а также от формы и материала сердечника.
Что способно увеличить индуктивность, простейшие способы — увеличение количества витков или (и) магнитной проницаемости материала сердечника.
Индуктивность
Выше мы рассматривали два основных понятия в электротехнике — идеальный генератор напряжения и идеальный генератор тока.
Идеальный генератор напряжения выдает заданное напряжения U (давление в водопроводной аналогии) на любой нагрузке (сопротивлении внешней цепи).
При этом в соответствии с законом Ома I=U/R, даже если R стремится к нулю, а ток возрастает до бесконечности.
Внутренне сопротивление идеального генератора напряжения равно 0.
Идеальный генератор тока выдает заданный ток I (поток в водопроводной аналогии), даже если сопротивление внешней цепи стремится к бесконечности. Напряжение на нагрузке при этом также стремится к бесконечности U=I*R.
Внутреннее сопротивление идеального генератора тока равно ∞.
Тут можно увидеть определенную симметрию, дуализм.
Мы рассматривали конденсатор С который может накапливать заряд (потому и называется — емкость) С=Q/U. Чем больше емкость, тем медленнее растет напряжение (давление) при закачке в конденсатор заряда U=Q/C.
Если емкость заряда очень большая (стремится к бесконечности), то такой конденсатор бесконечной емкости будет являться идеальным генератором напряжения. Он никогда не разрядится и при этом может выдать ток любой величины, и напряжение на нем будет оставаться постоянным.
Симметричным (дуальным) к конденсатору элементом будет являться индуктивность. Индуктивность обозначается буквой L (см схему ниже).
Обычно сам электронный компонент называется катушка индуктивности, а его параметр — индуктивность L.
Если конденсатор является генератором напряжения, то индуктивность является генератором тока. Индуктивность стремиться поддерживать ток в цепи постоянным, то есть препятствует изменению тока в цепи.
Индуктивность бесконечной величины является идеальным генератором тока, то есть будет бесконечно гнать заданный ток I независимо от сопротивления нагрузки.
Как хорошо сказано в wiki — “При сопоставлении силы электрического тока со скоростью в механике и электрической индуктивности с массой в механике ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.”
Это похоже как если вы подойдете к стоящей на рельсах вагонетке и станете ее толкать (приложите к ней силу). Вагонетка начнет медленно разгоняться и «ток все быстрее и быстрее побежит по проводам». А потом попробуйте вагонетку тормозить и она будет медленно останавливаться.
Так и в индуктивности, после подачи напряжения ток будет постепенно расти (вагонетка разгоняется), а при подаче напряжения другой полярности — постепенно уменьшаться (вагонетка тормозится).
Отсюда следует вывод «Поезд мгновенно остановить нельзя!»
«Ток в индуктивности мгновенно остановить нельзя!»
То есть даже если щелкнуть выключателем S4 на схеме и разомкнуть цепь, ток в первый момент после этого будет продолжать идти! На практике это приводит к тому, что в момент размыкания контактов в выключателе между ними будет проскакивать искра.
Сопротивление при размыкании контактов увеличивается до бесконечности (в реальности до очень больших величин) и протекающий ток создаст на этом сопротивлении напряжение очень большой величины, так что воздушный промежуток между контактами будет пробит.
В водопроводной аналогии этому явлению можно сопоставить гидравлический удар, когда масса воды в водопроводе набирает скорость, и при резком закрытии крана вода, продолжая двигаться по инерции, создает высокое давление, что может привести к разрыву трубы.
Причины по которой индуктивность имеет такие свойства (поддержание тока в цепи) хорошо описаны в wiki — https://ru.wikipedia.org/wiki/Самоиндукция
“При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Явление самоиндукции проявляется в замедлении процессов исчезновения и установления тока.”
По отношению к конденсатору , основным отличием индуктивности, если говорить простыми словами, является то, что конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, а индуктивность наоборот — пропускает постоянный ток и не пропускает переменный.
Тут есть некий момент — постоянный ток это ток, который не меняется со временем, то, что называется «постоянная составляющая» частотой равной 0 Гц. Ее конденсатор не пропускает. Совсем.
А вот индуктивность совсем не пропускает переменный ток бесконечной частоты. А просто переменный ток любой конечной частоты немножко пропускает.
Но к понятию напряжения переменного тока мы вернемся позже.
Рассмотрим цепь на рис. 13 — подключение катушки индуктивности к генератору напряжения.
Ниже представлен график тока в индуктивности при подаче на нее постоянного напряжения от генератора напряжения.
При подаче на индуктивность постоянного напряжения ток в ней линейно возрастает со временем.
Мы помним аналогичную картину для конденсатора.
Напряжение на конденсаторе линейно возрастает при его заряде постоянным током.
А что будет, если запитать индуктивность от генератора тока?
Ну тут из серии «кто кого заборет — слон или кит».
Попробуйте проанализировать работу схемы (hint — вообще схема изображена с ошибкой. В чем она заключается? Как нарисовать схему правильно?)
Цепи, содержащие конденсатор и индуктивность
Как было отмечено выше, индуктивность в электротехнике играет ту же роль, что масса в механике. А что является аналогом конденсатора в механике? Конденсатор является генератором напряжения, то есть создает силу, которая двигает поток заряда по проводам. Выше мы приводили аналог конденсатора в виде водонапорной башни, которая заполняется водой (зарядом) и давление (напряжение) в ней увеличивается.
Но можно также представить конденсатор в виде пружины — при заряде пружина сжимается и сила сжатия (напряжение) увеличивается. Емкость в этом случае величина обратная жесткости пружины. Чем пружина жестче, тем быстрее возрастает сила при сжатии. То есть соединение конденсатора и индуктивности эквивалентно вагонетке закрепленной на пружине. )
Что же будет происходить, если конденсатор соединить с индуктивностью, например как в схеме на рис. 16
Пусть конденсатор С заряжен до напряжения U. Ключ S2 замыкается и в цепи начинает течь ток. Это эквивалентно тому, как если бы мы сжали пружину и затем в какой-то момент отпустили (замкнули ключ S2).
В первый момент после замыкания ключа ток в цепи будет равен 0, так как индуктивность препятствует изменению тока. К вагонетке приложили силу, но в первый момент времени ее скорость равна 0. Затем ток начинает возрастать (вагонетка разгоняется). Пружина разжимается все больше и больше, скорость вагонетки (ток) растет и в какой-то момент времени пружина оказывается не сжата. Конденсатор разрядился до 0. Но. Мы помним что «ток в индуктивности мгновенно остановить нельзя!» Вагонетка разогналась и даже если мы не будем ее толкать, она будет двигаться по инерции. То есть индуктивность будет поддерживать ток и при этом заряжать конденсатор, но уже в другой полярности — заряды теперь будут скапливаться на другой обкладке конденсатора. Растущее напряжение противоположного знака на конденсаторе будет препятствовать движению зарядов, и в конце концов ток в цепи станет равным нулю. Но при этом конденсатор уже зарядился напряжением U другой полярности!
То есть цепь пришла в состояние когда конденсатор заряжен, ток в ней равен нулю.
Хм.. но это то же состояние, с которого мы начали, только полярность напряжения противоположная. Следовательно процесс повторится, только ток потечет уже в другую сторону и система вернется в исходное состояние. Вагонетка поедет обратно, проедет положение равновесия и по инерции снова сожмет пружину.
Возникнет колебательный процесс. То есть вагонетка на пружине так и будет кататься туда-сюда и в отсутствие потерь энергии (трения) этот процесс будет длиться бесконечно.
Таким образом соединение конденсатора с индуктивностью образует колебательное звено. Такие звенья широко используются в электротехнике для создания генераторов и фильтров напряжения переменного тока.
Понятие переменного тока рассмотрим в следующей статье.
UPD.
Поскольку возник диспут экспоненциально ли растет ток при подключении катушки индуктивности к генератору напряжения или линейно, скажу еще пару слов по этому вопросу.
Откуда же берется экспонента роста тока в схеме на рис.13?
Ответ- ниоткуда. Ее там нет. Ток растет линейно и зависимость тока от напряжения описывается формулой
ЭДС самоиндукции в цепи прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в этой цепи.
Чтобы обеспечить U=const (а U – это производная от тока в катушке), ток должен линейно расти.
А откуда тогда вообще зашел разговор об экспоненте? А зашел он потому, что ток линейно растет только в идеальном случае — в схеме с идеальным генератором напряжения (бесконечной мощности и с нулевым внутренним сопротивлением) и идеальной индуктивностью (с нулевым внутренним сопротивлением).
В реальном случае с учетом внутреннего сопротивления схема будет выглядеть так.
На схеме рис.17 R символизирует собой внутреннее сопротивление генератора и катушки индуктивности. (они все равно включены последовательно, поэтому можно обойтись одним R, как суммой этих сопротивлений)
В этом случае процесс разворачивается следующим образом. При замыкании ключа S4 цепь замкнется и должен был бы пойти ток. Однако, катушка индуктивности препятствует изменению тока, и в первый момент времени после замыкания ключа ток останется равным 0! По сути дела катушка в этот момент представляет собой разрыв цепи с бесконечным сопротивлением. Поэтому напряжение U будет приложено к катушке целиком. Можно и по другому подойти — Ur=I*R. Падение напряжения на резисторе равно I*R, I у нас равен 0, поэтому напряжение на резисторе тоже равно 0, и к катушке будет приложено полное напряжение U. Дальше ток в катушке будет расти. В области 0 линейно кстати (см рис 19 «Переход Суворова через Альпы» «Экспонента проходит через 0 под углом 45 градусов»). Ток будет расти и падение напряжения на резисторе тоже будет расти. А на катушке соответственно падать, потому что часть напряжения будет забирать на себя резистор. Поэтому со временем линейность роста тока в цепи будет нарушаться. Когда падение напряжения на резисторе I*R сравняется с напряжением генератора U рост тока прекратится совсем, потому что напряжение на катушке будет равно 0 (все напряжение будет падать на резисторе).
Вот в этом случае и получится такой экспоненциальный график роста тока в индуктивности.
зы. В интернете столько разнообразной ереси на тему катушек индуктивности. Просто диву даешься.
«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.»
Ну.. поскольку про резистор в цепи ничего не сказано, то не на короткий промежуток, а пока входное напряжение не будет снято. Вторая часть звучит бредово, но направление верное — ток с цепи растет от нуля до.. без резистора до бесконечности, с резистором до I=Uвх/R.
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:
VL = – L*(di/dt), (1)
где:
VL – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
L – индуктивность катушки;
di/dt – скорость изменения тока во времени.
Видимо здесь попытались описать начальный момент возникновения ЭДС самоиндукции, но получилась ерунда. Говорить, что «индуцированное напряжение противоположно по полярности приложенному напряжению» это то же самое, что «падение напряжения на резисторе противоположно по полярности приложенному напряжению.» Ага, точно, приложенное напряжение сложили с падением напряжения и после резистора получили 0. Так и есть, лол.
«ЭДС самоиндукции» в катушке это аналог «падения напряжения» на резисторе. Только в резисторе электрическая энергия рассеивается, переходит в тепло, а в индуктивности — накапливается, переходит в энергию магнитного поля. В водопроводной аналогии индуктивность это такая турбинка, вставленная в водопроводную трубу, и которая имеет момент инерции. Турбинка пропускает воду только когда вращается. И вот крантель открыли, давление к турбинке приложили, она начала вращаться и пошел ток дальше по трубе. И чем быстрее турбинка вращается, тем больше ее пропускная способность. Турбинка раскручивается, ток возрастает и так до бесконечности. Это если нет потерь энергии — резистора. А если есть резистор (трение), то часть давления расходуется на преодоление трения. И когда вся входная энергия будет расходоваться на трение, турбинка перестанет ускоряться и ток достигнет максимальной величины.
Картинка неправильная. В правильном варианте при отключении источника, подключался резистор и цепь оставалась замкнутой.
Рассмотрим следующую цепь
Вопрос на засыпку: Чему будет равно напряжение на индуктивности в первый момент после переключения ключа S из верхнего положения в нижнее?
Hint: Не надо выносить себе мозг, пытаясь сообразить с каким там знаком возникнет ЭДС самоиндукции и что с ней будет дальше. Надо применять простое правило:
Ток в индуктивности в первый момент времени после переключения сохраняется неизменным.
Дальше применять закон Ома.
Катушка индуктивности в цепи переменного тока
Катушка индуктивности, которую также называют индуктором или дросселем, представляет собой элемент электрической цепи, состоящий из витков изолированного провода или обмотки, через которую протекает электрический ток. Она создает магнитное поле вокруг себя. Индуктивность катушки определяет ее способность создавать электромагнитное поле при изменении тока.
Разнообразие КИ
Как работает катушка
Принцип действия катушки индуктивности заключается в следующем: когда переменный ток протекает через нее, магнитное поле внутри изменяется. Это приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС), противодействующей изменению тока. Сам принцип работы основывается на способности катушки индуктивности извлекать энергию из источника электротока и накапливать ее в виде магнитного поля. Такое поле расширяется, если значение тока в индукторе увеличивается, и сжимается, если оно уменьшается. При отключении источника катушка отдает накопленную энергию, стремясь поддержать стабильность тока в электроцепи.
Обозначение катушки на схеме выглядит так:
Обозначение КИ на схемах
Определение индуктивности
Расчет индуктивности любой катушки можно выполнить с помощью довольно простой формулы:
Вычисление индуктивности
Данная формула показывает, от чего зависит индуктивность катушки. Она пропорциональна изменению магнитного потока при изменении тока. Этой формулой можно воспользоваться, если нужно, например, определить индуктивность катушки, через которую проходит поток величиной 5 Вб при силе тока 100 мА. Рассчитанное значение в данном случае будет равно 50 Гн.
КИ с силовыми линиями магнитного поля
Если известны характеристики используемого провода, то есть, его длина, диаметр, количество витков, рассчитать значение индуктивности можно с помощью такого выражения:
Базовая формула индуктивности
Индуктивность измеряется в единицах, называемых генри (Гн). Он является основной единицей измерения этого явления в Международной системе единиц (СИ). Один генри (1 Гн) определяется как индуктивность, при которой изменение тока на один ампер в течение одной секунды вызывает электромагнитную индукцию силой один вебер (1 Вб).
Кроме генри, индуктивность может быть выражена в миллигенри (мГн) или микрогенри (мкГн), что соответствует тысячным или миллионным долям генри. Это удобно при работе с инструментами небольших размеров.
Использование при измерениях специализированных приборов, таких как мультиметры, позволяет определить точное значение в указанных единицах (Гн, мГн, мкГн) в зависимости от конкретных потребностей и требуемой точности измерения.
Катушка и переменный ток
Протекание переменного тока способствует образованию изменяющегося магнитного поля, под влиянием которого возникает электродвижущая сила (ЭДС) в самой катушке. Она пропорциональна скорости изменения тока, но направлена в сторону, противоположную вектору скорости:
Формула ЭДС
Как видим, катушка индуктивности в цепи переменного тока оказывает сопротивление прохождению этого тока. Оно получило название индуктивного или реактивного. Вычислить его можно по формуле:
Расчет сопротивления
Следовательно, с увеличением частоты тока индуктивное сопротивление также будет увеличиваться. При использовании постоянного тока f = 0, поэтому индуктивное сопротивление катушки индуктивности равняется нулю и индуктор не оказывает никакого влияния на протекающий ток. Переменный ток при включении катушки в электроцепь начинает отставать по фазе от напряжения на 1/4 периода.
Ток и напряжение на КИ
Типы катушек
Классификация катушек индуктивности выделяет в основном два виды — с магнитным сердечником и немагнитным. В качестве последнего используется обычный воздух. Витки проводника могут также наматываться на какую-нибудь бумажную трубочку. Такая катушка обеспечивает значение индуктивности не более 5 мГн.
КИ без сердечника
Магнитные сердечники многократно увеличивают индуктивность катушек. Их делают из феррита или железных пластин. Тип сердечника катушки индуктивности также может быть разным. Обычно они имеют форму цилиндра или кольца (тороида).
КИ с сердечником
Наиболее распространенными являются следующие виды катушек:
- Воздушная. Представляет собой простейшее устройство, когда провод обмотки размещается на воздушном или керамическом каркасе. Катушки этой разновидности обладают хорошей стабильностью параметров, но физически крупные и занимают много места.
- Ферритовая, содержащая сердечник из ферритового материала, который позволяет получить более компактные размеры.
- Тороидальная. Так называется катушка с сердечником в форме тороида, который обеспечивает компактность и улучшенные электромагнитные свойства.
- Многопоточная имеет несколько проводов или обмоток. Такой тип позволяет реализовывать различные комбинации и сочетания индуктивностей.
- Спиральная, в которой провод обмотки намотан в форме спирали. Обладает небольшими размерами и хорошей стабильностью работы на высоких частотах.
- Соленоидная. В таких катушках провод обмотки намотан в виде спирали с постоянным расстоянием между витками.
- Печатные, изготавливаемые путем печати проводящего материала на специальной подложке, как правило, на основе керамики или полимера. Они обеспечивают компактность, низкие потери и хорошую стабильность параметров.
Виды катушек
Особый вид индукторов — это сдвоенные дроссели. Они представляют собой две катушки со встречной или согласованной намоткой. В основном такой тип дросселей находит применение в качестве входных фильтров, предназначенных для различных блоков питания.
Сдвоенный дроссель
Каждый тип индукторов имеет свои особенности и применение. Выбор зависит от требований и условий конкретной системы или устройства, в котором катушка будет применяться.
Параметры индуктора или катушки индуктивности зависят от нескольких факторов:
- Количество витков. Чем больше витков, тем выше индуктивность. Это объясняется тем, что каждый виток создает свое магнитное поле и суммарное магнитное поле от всех витков усиливается.
- Геометрия. Форма, размеры и расположение витков также влияют на магнитные свойства. Например, элемент с длинным и тонким проводом и элемент с коротким и толстым будут иметь совершенно разные магнитные свойства.
- Физические свойства. Различные материалы имеют разные уровни магнитной проницаемости, что влияет на индуктивность.
Маркировка катушек
Маркировка существующих видов катушек индуктивности может варьироваться в зависимости от производителя и стандартов, однако она обязательно включает следующие элементы:
- Индуктивность обозначается буквой L и цифрами. Например, L10 означает 10 генри.
- Класс точности. Используются буквы A, B, C и т. д. A — наиболее высокая точность. Например, L10A означает индуктивность 10 генри с высокой точностью.
- Ток нагрузки выражается соответствующей цифрой. Например, L10-5A означает максимальный ток нагрузки 5 ампер.
Энергия катушки
Данный параметр связан со способностью устройства хранить энергию в магнитном поле, которое оно создаёт при протекании тока через него. При изменении тока в катушке происходит изменение магнитного поля, следовательно, и изменение энергии.
Энергия (W) может быть вычислена с использованием следующей формулы:
Энергия КИ
Энергия, содержащаяся в катушке, позволяет оценить потенциальные энергетические потери или эффективность работы системы, где она применяется. Также энергия катушки играет важную роль при проектировании и оптимизации электрических цепей и устройств, где необходимо учитывать и управлять магнитной энергией.
Формула показывает, что энергия пропорциональна квадрату тока и индуктивности. Чем больше ток и индуктивность, тем большая энергия может храниться в катушке.
Измерение мультиметром
Индуктивность может быть измерена с использованием различных методов и приборов. Один из простых способов — использование мультиметра. Алгоритм измерения следующий:
- Установить мультиметр в режим измерения L.
- Отключить катушку от питания и подключить ее к мультиметру.
- Убедиться, что все подключения выполнены правильно.
- Если это возможно, то нужно постепенно увеличивать частоту сигнала. Если нет — использовать стандартную.
- Приложить измерительные щупы к соответствующим выводам катушки. Их у нее два: один для подключения к источнику питания, а другой для подключения к нагрузке или земле. Обязательно нужно убедиться, что положительный и отрицательный выводы подключены к правильным клеммам мультиметра.
- Сделать измерения, нажав кнопку на мультиметре. Найти нужное значение.
- Оценить результаты измерения. Определяемая индуктивность высветится на экране в соответствующих единицах (генри, миллигенри или микрогенри), в зависимости от диапазона настроек.
Измерение индуктивности
Применение катушек
Они находят применение в различных областях и сферах, в числе которых электроника, электротехника, телекоммуникации, автоматизация и пр. Катушки используются для:
- Фильтрации сигналов. Например, для подавления нежелательных частотных составляющих сигнала.
- Создания резонанса и усиления определенных частот сигнала.
- Хранения энергии. Используются в цепях хранения энергии, таких как индуктивные аккумуляторы и системы бесперебойного питания (ИБП).
- Трансформаторов. Применяются в трансформаторах для передачи и преобразования электрической энергии между различными цепями и уровнями напряжения.
- Управления током и напряжением. Применяются в цепях управления для стабилизации и регулировки тока и напряжения.
Одним из самых известных применений индуктивных катушек является использование в системах зажигания транспортных средств. В них индуктор играет роль импульсного трансформатора. Его назначение — преобразовывать аккумуляторное напряжение 12 В в высокое напряжение, достигающее нескольких десятков тысяч вольт, необходимое для создания искры в свече зажигания.
Схема системы зажигания
Импульсный трансформатор, который состоит из катушек индуктивности, является основой такого устройства, как электрошокер. Здесь он также преобразовывает низкое напряжение от батарейки в импульс слабого тока, но довольно высокого напряжения.
От чего зависит индуктивность
Один из важных элементов электротехники и электроники – индуктивность. В этой статье рассказывается о том, что это такое, и от чего зависит эта величина.
Что такое индуктивность
При изменении силы тока в проводнике наводится ЭДС самоиндукции. Соотношение между скоростью изменения тока и ЭДС – это коэффициент самоиндукции, или индуктивность проводника.
Это также коэффициент, отображающий связь между электрическим током, текущим в проводнике или обмотке, и магнитным потоком, который он создаёт.
Если этот провод намотать на катушку, то магнитное поле возрастёт. Это связано с явлением самоиндукции. Она увеличивается также при наличии внутри обмотки сердечника с высокой магнитной проницаемостью.
Обозначается этот параметр буквой «L». Кроме того, также в схемах обозначается катушка индуктивности или дроссель.
Единица измерения индуктивности катушки – 1 генри (Гн). Такой индуктивностью обладает дроссель, в котором при изменении тока на 1 ампер за 1 секунду наводится ЭДС в 1 вольт.
Так называют также саму катушку, главным качеством которой является индуктивное сопротивление.
Важно! Катушка, кроме индуктивного, обладает активным сопротивлением. Соотношение между ними называется «добротность».
Что такое индуктивность
Самоиндукция
Принцип работы катушки индуктивности можно сравнить с инерцией. При начале движения поезда энергия тратится на его разгон, а при торможении запасённая кинетическая энергия не позволяет остановиться составу мгновенно.
При появлении тока в проводнике вокруг него появляется поле. Часть энергии, протекающей по проводу, расходуется на его создание, и ток достигает максимума только после создания магнитного поля.
При отключении питания поле будет поддерживать ток до исчерпания энергии, заключённой в этом поле.
Магнитное поле проводника
При изменении магнитного потока, проходящего через площадь, ограниченную контуром, в проводниках, образующих этот контур, наводится ЭДС. Ток, протекающий по проводам, создаёт вокруг них магнитное поле, изменения которого, в свою очередь, наводят в этих проводах электродвижущую силу. Это ЭДС самоиндукции.
Самоиндукция направлена против источника напряжения и противодействует изменениям силы тока в цепи. Поэтому ток в индуктивности не может измениться мгновенно.
Величина ЭДС индукции зависит от скорости изменения магнитного потока. Но так как изменения тока в обмотке приводят к изменениям магнитного поля, то величина самоиндукции зависит от скорости его изменения. Она появляется и существует только при изменениях силы и направления тока. В сети переменного напряжения он отстаёт по фазе от напряжения. Это можно увидеть на экране осциллографа.
Через некоторое время после включения магнитный поток достигает своего максимума, перестаёт противодействовать росту тока, и параметры цепи начинают определяться активным сопротивлением обмотки.
При отключении поле начинает поддерживать ток в цепи. Это приводит к росту напряжения на выводах катушки и искрению контактов.
Влияние числа витков и способа намотки
Если прямой проводник свернуть в кольцо, то получится катушка индуктивности. При подключении к ней постоянного напряжения в ней появляются северный и южный магнитные полюса. При этом устройство превращается в электромагнит. Чем больше витков в бобине и чем больше ток, протекающий через неё, тем больше магнитное поле. Поэтому магнитный поток, создаваемый обмоткой, определяется как произведение силы тока на число витков и измеряется в ампер-витках.
При включении прибора в сеть переменного напряжения в таком устройстве магнитные поля отдельных витков усиливают друг друга путём взаимоиндукции.
Магнитное поле катушки с током
Основным параметром катушки является индуктивность. На неё влияет то, как намотано это устройство:
- Число витков. Чем больше витков, тем выше индуктивность. Это связано с тем, что витки наводят ЭДС друг в друге, чем поддерживают её;
- Длина катушки и расстояние между витками. Чем больше длина и расстояние между витками, тем меньше индуктивность из-за уменьшенного влияния магнитного поля проводов друг на друга;
- Площадь сечения обмотки. Чем больше сечение катушки, тем выше индуктивность. Это вызвано меньшим сопротивлением в контуре большего размера магнитному потоку.
Интересно. Индуктор в индукционных электроплитах мотается в виде плоской катушки – «корзины».
Материал сердечника
Кроме числа витков и размеров катушки, на формирование магнитного потока влияет магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого она намотана. У разных материалов она различная. Кроме того, имеет значение поперечное сечение сердечника, а также его форма: если он замкнут в кольцо или другую геометрическую фигуру, то поток на всём пути следования проходит по сердечнику с большей проницаемостью, чем воздух, и оказывает большее влияние на соседние витки, что повышает индуктивность катушки с сердечником.
Интересно. Аналогичное влияние оказывает длина магнитопровода: чем он длиннее, тем индуктивность ниже.
Катушка на ферритовом сердечнике
Современные магнитные материалы
Сердечники могут изготавливаться из различных материалов, исходя из рабочей частоты и силы тока:
- Электротехническая сталь. Применяется в сетях постоянного напряжения в реле и электромагнитах. Использование в устройствах переменного напряжения недопустимо из-за вихревых токов и связанных с этим больших потерь при нагреве;
- Трансформаторная сталь. Для уменьшения потерь и нагрева сердечники устройств для переменного напряжения собираются из пластин трансформаторной стали. Однако при рабочей частоте, превышающей 1 кГц, и больших токах намагничивания потери становятся слишком большими, поэтому при таких частотах этот материал не используется;
- Железоникелевые сплавы. Имеют высокую проницаемость при малых полях и низкий предел насыщения. Работают при частотах до 100кГц и используются в магнитофонных головках, датчиках и подобных механизмах;
- Пермаллои. Железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью. Для придания различных свойств легируются другими металлами;
- Аморфные и нанокристаллические материалы. Имеют большой диапазон рабочих частот и применяются в электросчётчиках, импульсных трансформаторах в блоках питания и как замена пермаллоев. Имеют, по сравнению с ними, большую рабочую частоту и индукцию насыщения;
- Магнитодиэлектрики. У этих материалов диапазон частот в десятки мГц, но малая проницаемость и предел насыщения, поэтому работают только в слабых полях. Используются в высокочастотной технике: в магнитопроводах, дросселях и катушках;
- Ферриты и ферритовые сердечники. У этого материала минимальные вихревые токи, и они могут работать на максимальных рабочих частотах, но имеют малый предел насыщения. Параметры зависят от температуры и ухудшаются (стареют) со временем. У каждой марки есть критическая частота, свыше которой возрастают потери. Это определяет их область применения.
При повышении рабочей частоты материалов уменьшается предел насыщения. Кроме того, свойства магнитопроводов меняются при изменении частоты и насыщенности магнитного потока. Поэтому не рекомендуется использовать материал сердечников в непредназначенных для него условиях.
Вариометр
В некоторых случаях необходимо менять параметры устройства. Это делается разными способами:
- Изменением положения сердечника. В подстроечных элементах небольшого размера это делается отвёрткой, вращая которую магнитопровод можно выдвинуть из обмотки;
- Изменением числа витков. В конструкциях небольшого размера это выполняется при помощи переключателей, в крупногабаритных устройствах по виткам передвигается ползунок с контактами;
- Изменением положения частей катушки относительно друг друга. Если части катушки отодвигать друг от друга, то индуктивность уменьшится, и, наоборот, при приближении она возрастёт. Аналогичный эффект получится, если части катушки без сердечника намотаны на каркасах разного диаметра, и одна вращается внутри другой. Поворотом можно добиться взаимной нейтрализации магнитного потока и, как следствие, уменьшения индуктивности.
Вариометр – катушка с переменной индуктивностью
Знание того, от чего зависит индуктивность, и принципа её работы, а также, зачем в ней нужен сердечник из магнитопроницаемого материала, поможет изготовить катушку индуктивности своими руками.