Дом/Индукторы/Индуктор

Индуктор

Индуктор — это пассивный электрический компонент, состоящий из катушки с проводом, предназначенный для использования связи между магнетизмом и электричеством в результате прохождения электрического тока через катушку.

В наших уроках по электромагнетизму мы видели, что при протекании электрического тока по проводнику вокруг него возникает магнитный поток. Это приводит к зависимости между направлением этого магнитного потока, циркулирующего вокруг проводника, и направлением тока, протекающего по этому же проводнику, что приводит к хорошо известному соотношению между силой тока и направлением магнитного потока, называемому «правилом правой руки Флеминга».

Но есть еще одно важное свойство, связанное с намотанной катушкой, которое также существует, а именно то, что вторичное напряжение индуцируется в той же катушке движением магнитного потока, поскольку она противодействует или сопротивляется любым изменениям в протекающем в ней электрическом токе.

Типичный индуктор

В своей самой базовой форме,ИндукторЭто всего лишь катушка с проволокой, намотанная вокруг центрального сердечника. Для большинства катушек ток (я), протекающий через катушку, создает магнитный поток, (НФ) вокруг него, пропорциональный этому потоку электрического тока.

TheИндуктор, также называемый дросселем, — это ещё один пассивный электрический компонент, представляющий собой катушку с проволокой, предназначенную для использования этого взаимодействия путём создания магнитного поля в самой катушке или в её сердечнике под действием тока, проходящего через неё. Это приводит к созданию гораздо более сильного магнитного поля, чем то, которое создавала бы простая катушка с проволокой.

Индукторы состоят из провода, плотно намотанного вокруг сплошного центрального сердечника, который может представлять собой либо прямой цилиндрический стержень, либо непрерывную петлю или кольцо, для концентрации магнитного потока.

Схематическое обозначение катушки индуктивности – это катушка с проволокой, поэтому катушку с проволокой можно также назватьИндукторКатушки индуктивности обычно классифицируются по типу внутреннего сердечника, на который они намотаны, например, полый сердечник (со свободным воздухом), сплошной железный сердечник или мягкий ферритовый сердечник. Различные типы сердечников различаются добавлением непрерывных или пунктирных параллельных линий рядом с проволочной катушкой, как показано ниже.

Символ индуктора

Электрический ток,яПротекающий через катушку индуктивности магнитный поток создаёт пропорциональный ему магнитный поток. Но в отличие от конденсатора, который препятствует изменению напряжения на своих пластинах, катушка индуктивности препятствует изменению тока, протекающего через неё, за счёт накопления энергии самоиндуцирования в её магнитном поле.

Другими словами, катушки индуктивности сопротивляются изменениям тока, но легко пропускают постоянный ток. Эта способность катушки индуктивности сопротивляться изменениям тока также связана с током,яс его магнитным потокосцеплением,НФкак называется коэффициент пропорциональностиИндуктивностькоторому присвоен символЛс единицамиГенри, (ЧАС) в честь Джозефа Генри.

Поскольку Генри — относительно большая единица измерения индуктивности, для меньших катушек индуктивности используются доли Генри. Например:

Префиксы индуктивности

Итак, чтобы отобразить подгруппы Генри, мы будем использовать в качестве примера:

• 1 мГн = 1 миллигенри– что равно одной тысячной (1/1000) Генри.

• 100 мкГн = 100 микрогенри– что равно 1/1 000 000 (стомиллионной) части Генри.

Индукторы или катушки индуктивности очень распространены в электрических цепях, и существует множество факторов, определяющих индуктивность катушки, например, форма катушки, количество витков изолированного провода, количество слоев провода, расстояние между витками, проницаемость материала сердечника, размер или площадь поперечного сечения сердечника и т. д., и это лишь некоторые из них.

Катушка индуктивности имеет центральную область сердечника, (А) с постоянным числом витков провода на единицу длины, (л). Так что если катушкаНвитки связаны величиной магнитного потока,Фтогда катушка имеет потокосцеплениеНФи любой ток, (я), протекающий через катушку, создаёт индуцированный магнитный поток, направленный противоположно току. Тогда, согласно закону Фарадея, любое изменение этого потокосцепления создаёт самоиндуцированное напряжение в одной катушке:

• Где:

• Нэто число витков

• Аплощадь поперечного сечения в м22

• Фэто величина потока в Веберах

• мэто проницаемость материала сердечника

• лДлина катушки в метрах

• ди/дтэто скорость изменения тока в амперах в секунду

Переменное во времени магнитное поле индуцирует напряжение, пропорциональное скорости изменения тока, его создающего. Положительное значение указывает на увеличение ЭДС, а отрицательное – на её уменьшение. Уравнение, связывающее это самоиндуцированное напряжение, ток и индуктивность, можно найти, подставивмкН2А / лсЛобозначающий коэффициент пропорциональности, называемыйИндуктивностькатушки.

Соотношение между потоком в индукторе и током, протекающим через индуктор, определяется как:NΦ = Li. Поскольку индуктор состоит из катушки с проводником, это приводит к уменьшению вышеуказанного уравнения, что приводит к самоиндуцируемой ЭДС, иногда называемойобратная ЭДСтакже индуцируется в катушке:

Обратная ЭДС, создаваемая индуктором

Где:Лявляется самоиндукция иди/дтскорость изменения тока.

Катушка индуктивности

Итак, из этого уравнения можно сказать, что «ЭДС самоиндуцирования = индуктивность х скорость изменения тока», а в цепи с индуктивностью один Генри будет индуцирована ЭДС в один вольт, когда ток, протекающий по цепи, изменяется со скоростью один ампер в секунду.

Важно отметить один важный момент, касающийся приведённого выше уравнения. Оно связывает только ЭДС, возникающую в катушке индуктивности, с изменениями тока, поскольку если ток в катушке индуктивности постоянен и не меняется, как в установившемся режиме постоянного тока, то напряжение индуцированной ЭДС будет равно нулю, поскольку мгновенная скорость изменения тока равна нулю.ди/дт = 0.

При протекании через катушку индуктивности постоянного тока в установившемся режиме и, следовательно, при нулевом индуцированном напряжении катушка индуктивности действует как короткое замыкание, эквивалентное куску провода или, по крайней мере, очень низкоомному сопротивлению. Другими словами, сопротивление, оказываемое катушкой индуктивности току, существенно различается в цепях переменного и постоянного тока.

Постоянная времени катушки индуктивности

Теперь мы знаем, что ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно, потому что для этого ток должен был бы измениться на конечную величину за нулевое время, что привело бы к тому, что скорость изменения тока стала бы бесконечной.ди/дт =∞, что делает индуцированную ЭДС бесконечной, а бесконечных напряжений не существует. Однако, если ток, протекающий через катушку индуктивности, изменяется очень быстро, например, при работе переключателя, в катушке индуктивности могут индуцироваться высокие напряжения.

Рассмотрим схему катушки индуктивности справа. С помощью переключателя (С1) открыт, ток через катушку индуктивности не протекает. Поскольку ток через катушку индуктивности отсутствует, скорость изменения тока (ди/дт) в катушке будет равна нулю. Если скорость изменения тока равна нулю, то самоиндукции ЭДС нет, (ВЛ= 0) внутри катушки индуктивности.

Если теперь замкнуть ключ (t = 0), ток потечёт по цепи и медленно нарастёт до максимального значения со скоростью, определяемой индуктивностью катушки индуктивности. Произведение силы тока через катушку индуктивности на её индуктивность в единицах Генри приводит к возникновению в катушке самоиндукции определённого значения ЭДС, определяемого уравнением Фарадея выше:ВЛ= Ldi/dt.

Эта самоиндуцированная ЭДС в катушке индуктивности, (ВЛ) борется с приложенным напряжением до тех пор, пока ток не достигнет максимального значения и не будет достигнуто установившееся состояние. Ток, протекающий через катушку, определяется только постоянным током или «чистым» сопротивлением обмоток катушки, поскольку реактивное сопротивление катушки уменьшилось до нуля из-за скорости изменения тока (ди/дт) в установившемся режиме равен нулю. Другими словами, теперь существует только сопротивление катушки постоянному току, препятствующее прохождению тока.

Аналогично, если разомкнуть переключатель (S1), ток, протекающий через катушку, начнёт падать, но катушка индуктивности снова будет сопротивляться этому изменению и пытаться поддерживать ток на прежнем уровне, индуцируя напряжение в противоположном направлении. Наклон кривой падения будет отрицательным и будет зависеть от индуктивности катушки, как показано ниже.

Ток и напряжение в катушке индуктивности

Величина индуцированного напряжения, создаваемого катушкой индуктивности, зависит от скорости изменения тока. В нашем уроке по электромагнитной индукцииЗакон Ленцазаявил, что:«Направление индуцированной ЭДС таково, что она всегда будет противодействовать изменению, которое ее вызывает». Другими словами, индуцированная ЭДС всегда будет ПРОТИВОСТОЯТЬ движению или изменению, которое изначально вызвало индуцированную ЭДС.

Таким образом, при уменьшении тока полярность напряжения будет действовать как источник, а при увеличении тока — как нагрузка. Таким образом, при одинаковой скорости изменения тока в катушке, величина индуцированной ЭДС будет одинаковой как при увеличении, так и при уменьшении.

Пример индуктора №1

Через соленоид 0,5 Гн протекает постоянный ток силой 4 ампера. Какое напряжение обратной ЭДС возникнет в катушке, если переключатель в приведённой выше схеме будет разомкнут на 10 мс, а ток, протекающий через катушку, упадёт до нуля ампер?

Мощность в индукторе

Мы знаем, что катушка индуктивности в цепи препятствует прохождению тока, (я) через него, поскольку протекание этого тока индуцирует ЭДС, противодействующую ему, согласно закону Ленца. В этом случае внешний источник питания должен совершить работу, чтобы поддерживать ток, противодействующий этой индуцированной ЭДС. Мгновенная мощность, используемая для создания тока, (я) против этой самоиндуцированной ЭДС, (ВЛ) дается сверху как:

Мощность в цепи определяется как,П = В*Ипоэтому:

Идеальная катушка индуктивности не имеет сопротивления, а имеет только индуктивность, поэтому R = 0 Ом, и, следовательно, мощность внутри катушки не рассеивается, поэтому можно сказать, что идеальная катушка индуктивности имеет нулевую потерю мощности.

Энергия в индукторе

Когда мощность поступает в катушку индуктивности, энергия накапливается в её магнитном поле. Когда ток, протекающий через катушку индуктивности, увеличивается,ди/дтстановится больше нуля, мгновенная мощность в цепи также должна быть больше нуля, (П > 0) т. е. положительный, что означает, что энергия накапливается в индукторе.

Аналогично, если ток через катушку индуктивности уменьшается иди/дтменьше нуля, то мгновенная мощность также должна быть меньше нуля, (П< 0) т.е. отрицательный, что означает, что катушка индуктивности возвращает энергию обратно в цепь. Тогда, интегрируя приведенное выше уравнение для мощности, полная магнитная энергия, которая всегда положительна и запасается в катушке индуктивности, определяется следующим образом:

Энергия, запасенная индуктором

Где:Вв джоулях,Лнаходится в Генри ияв амперах

Фактически энергия накапливается в магнитном поле, окружающем катушку индуктивности, благодаря протекающему через неё току. В идеальной катушке индуктивности, не имеющей сопротивления и ёмкости, по мере увеличения тока энергия поступает в катушку индуктивности и накапливается в её магнитном поле без потерь, не высвобождаясь до тех пор, пока ток не уменьшится и магнитное поле не исчезнет.

В цепи переменного тока катушка индуктивности постоянно накапливает и отдаёт энергию в каждом цикле. Если ток, протекающий через катушку индуктивности, постоянен, как в цепи постоянного тока, то накопленная энергия не изменяется.P = Li(di/dt) = 0.

Таким образом, индукторы можно определить как пассивные компоненты, поскольку они могут как накапливать, так и отдавать энергию в цепь, но не могут её генерировать. Идеальный индуктор классифицируется как без потерь, то есть он может накапливать энергию неограниченно долго, без потерь.

Однако реальные индукторы всегда будут иметь некоторое сопротивление, связанное с обмотками катушки, и всякий раз, когда ток протекает через сопротивление, энергия теряется в виде тепла из-за закона Ома, (П = Я2Р) независимо от того, является ли ток переменным или постоянным.

Основное применение катушек индуктивности — в фильтрующих и резонансных схемах, а также для ограничения тока. Катушка индуктивности может использоваться в цепях для блокировки или изменения формы переменного тока или диапазона синусоидальных частот, и в этой роли катушка индуктивности может использоваться для «настройки» простого радиоприёмника или различных типов генераторов. Она также может защищать чувствительное оборудование от разрушительных скачков напряжения и высоких пусковых токов.

В следующем уроке о катушках индуктивности мы увидим, что эффективное сопротивление катушки называется индуктивностью, а индуктивность, которая, как мы теперь знаем, является характеристикой электрического проводника, «сопротивляющегося изменению тока», может быть либо внутренне индуцированной, называемой самоиндукцией, либо внешне индуцированной, называемой взаимоиндукцией.

https://www.electronics-tutorials.ws/inductor/inductor.html