Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Подробности

Просмотров: 533

«Физика — 11 класс»

Индуктивность в цепи влияет на силу переменного тока.
Есть цепь из катушки с большой индуктивностью и электрической лампы накаливания.

При подключении с помощью переключателя цепи к источнику постоянного напряжения или к источнику переменного напряжения постоянное напряжение и действующее значение переменного напряжения будут равны.
Однако лампа светится ярче при постоянном напряжении.
Значит действующее значение силы переменного тока в цепи меньше силы постоянного тока.

Это объясняется явлением самоиндукции.
При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно.
Возникающее при этом вихревое электрическое поле тормозит движение электронов.

По прошествии некоторого времени сила тока достигает наибольшего (установившегося) значения, соответствующего данному постоянному напряжению.
Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигнуть тех значений, которые она приобрела бы с течением времени при постоянном напряжении.

Максимальное значение силы переменного тока (его амплитуда) ограничивается индуктивностью цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и чем больше частота приложенного напряжения.

Если сопротивление катушки равно нулю, то и напряженность электрического поля внутри проводника в любой момент времени должна быть равна нулю.
Иначе сила тока, согласно закону Ома, была бы бесконечно большой.

Равенство нулю напряженности поля оказывается возможным потому, что напряженность вихревого электрического поля _i, порождаемого переменным магнитным полем, в каждой точке равна по модулю и противоположна по направлению напряженности кулоновского поля _к, создаваемого в проводнике зарядами, расположенными на зажимах источника и в проводах цепи.

Из равенства _i = —_к следует, что удельная работа вихревого поля (т. е. ЭДС самоиндукции) равна по модулю и противоположна по знаку удельной работе кулоновского поля.

Так как удельная работа кулоновского поля равна напряжению на концах катушки, можно записать:

e_i = —u

.

При изменении силы тока по гармоническому закону

i = Im sin ωt

ЭДС самоиндукции равна:

е_i = —Li’ = —LωI_m cos ωt

Так как u = —e_i напряжение на концах катушки оказывается равным

где
U_m = LωI_m — амплитуда напряжения.

Колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока на , или, что то же самое, колебания силы тока отстают по фазе от колебаний напряжения на .

Амплитуда силы тока в катушке равна:

Если ввести обозначение

ωL = Х_L

и действующие значения силы тока и напряжения, то получим:

Величину X_L, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Действующее значение силы тока связано с действующим значением напряжения и индуктивным сопротивлением соотношением, подобным закону Ома для цепи постоянного тока.

Индуктивное сопротивление зависит от частоты ω.
Постоянный ток вообще «не замечает» индуктивности катушки.
При ω = 0 индуктивное сопротивление равно нулю (X_L = 0).
Чем быстрее меняется напряжение, тем больше ЭДС самоиндукции и тем меньше амплитуда силы тока.

Итак,
Катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току.
Это сопротивление, называемое индуктивным, равно произведению циклической частоты на индуктивность.
Колебания силы тока в цепи с индуктивностью отстают по фазе от колебаний напряжения на .

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях — Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями — Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре. Период свободных электрических колебаний — Переменный электрический ток — Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения — Конденсатор в цепи переменного тока — Катушка индуктивности в цепи переменного тока — Резонанс в электрической цепи — Генератор на транзисторе. Автоколебания — Краткие итоги главы

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

 

Если катушка индуктивности включена в цепь переменного тока, то в такой цепи, фаза тока всегда отстает от фазы напряжения. Разберем причины этого отставания на простейшем примере, когда в цепи имеется только индуктивное сопротивление, а омического сопротивления нет вовсе, или вернее омическим сопротивлением провода катушки самоиндукции можно пренебречь, так как оно мало.

Для удобства рассмотрения явлений будем считать, что мы присоединяем катушку индуктивности к источнику переменного тока в тот момент, когда напряжение U на его зажимах имеет максимальное амплитудное значение (рис. 1а.). Этот момент будем считать началом периода.

 Рисунок 1. Самоиндукция-инерция. а) соотношения фаз тока, напряжения и ЭДС самоиндукции при включение катушки индуктивности в цепь переменного тока; б) соотношение фаз скорости движения, внешней силы и силы инерции

В момент включения катушки в ней немедленно возникнет электрический ток. Но ток не может сразу достичь своего амплитудного значения потому, что при его возникновении вокруг катушки начнет появляться магнитное поле, которое будет наводить в катушке ЭДС самоиндукции, направленную против внешнего напряжения, т. е. напряжения источника переменного тока. Электродвижущая сила самоиндукции будет препятствовать быстрому нарастанию силы тока в катушке. Поэтому нарастание тока будет длиться целую четверть периода.

По мере приближения к концу первой четверти периода скорость нарастания тока в катушке постепенно уменьшается.

Но вместе с тем ослабевает и ЭДС самоиндукции, так как величина ее зависит от скорости изменения силы тока.

Итак, в конце первой четверти периода внешнее напряжение, приложенное к катушке, будет равно нулю, ЭДС самоиндукции также будет, равна нулю, а ток в катушке и магнитный поток вокруг нее будут иметь максимальные амплитудные значения. В магнитном поле катушки будет запасено некоторое количество энергии, полученной от источника тока.

С началом второй четверти периода внешнее напряжение, переменив свое направление, будет возрастать, вследствие чего ток в катушке, текущий все еще в прежнем направлении, начнет уменьшаться. Но теперь в катушке снова возникнет ЭДС самоиндукции, обусловленная уменьшением магнитного потока, которая будет поддерживать ток в прежнем направлении.

В течение всей второй четверти периода внешнее напряже¬ние будет увеличиваться, а сила тока — уменьшаться.

Ско¬рость уменьшения силы тока, оставаясь небольшой в начале второй четверти, станет постепенно нарастать и в конце этой четверти достигнет наибольшей величины.

Итак, к концу второй четверти периода внешнее напряжение приближается к амплитудному значению, а сила тока и магнитный ноток приближаются к нулю, убывая все с большей скоростью, вследствие чего ЭДС самоиндукции достигает своего амплитудного значения. Направление ЭДС самоиндукции, как всегда, остается противоположным направлению внешнего напряжения. Энергия, запасенная в магнитном поле за первую четверть периода, теперь возвращается обратно в цепь.

В течение второй половины (третья и четвертая четверти) периода все явления будут происходить в том же порядке, с той лишь разницей, что направления тока, внешнего напряжения и ЭДС самоиндукции изменяются на противоположные (рис. 1а.).

Таким образом, фаза тока все время отстает от фазы напряжения, причем нетрудно заметить, что сдвиг фаз тока и напряжения равен 90°.

Представим себе, что мы толкаем вдоль по рельсам груженую вагонетку. В первый момент, когда вагонетка только начинает трогаться с места, мы прилагаем к ней максимум усилий, которые по мере увеличения скорости вагонетки будем постепенно уменьшать. При этом мы почувствуем, что вагонетка, обладая инерцией, как бы сопротивляется нашим усилиям. Это противодействие (реакция) вагонетки будет особенно сильным вначале, по мере же ослабления наших усилий будет ослабевать и противодействие вагонетки, она постепенно будет переставать «упрямиться» и покорно покатится по рельсам.

Затем мы вовсе перестанем толкать вагонетку и даже, наоборот, начнем понемногу тянуть ее в обратном направлении. При этом мы почувствуем, что вагонетка снова сопротивляется нашим усилиям. Если мы будем все сильнее и сильнее тянуть вагонетку назад, то и ее противодействие будет соответственно все более и более возрастать. Наконец, нам удастся остановить вагонетку и даже изменить направление ее движения. Когда вагонетка покатится обратно, мы будем постепенно ослаблять наши усилия, т. е. будем тянуть ее все слабее и слабее, однако, несмотря на это, скорость вагонетки будет все-таки увеличиваться (при слабом трении в подшипниках).

Когда вагонетка пройдет половину пути в обратном направлении, мы совсем перестанем тянуть ее и снова переменим направление наших усилий, т. е. начнем ее снова задерживать, постепенно увеличивая силу торможения до тех пор, пока вагонетка не остановится, заняв первоначальное (исходное) положение. После этого мы можем продолжать все наши действия сначала.

В этом примере наши усилия, прилагаемые к вагонетке, соответствуют внешней ЭДС, противодействие вагонетки, обусловленное ее инерцией, — ЭДС самоиндукции, а скорость вагонетки — электрическому току. Если изобразить графически изменение наших усилий, а также изменение противодействия вагонетки и ее скорости с течением времени, то мы получим графики (рис. 1б), в точности соответствующие графикам рис.1а.

Из этого примера становится более понятной сущность реактивного (безваттного) сопротивления. В самом деле, в течение первой четверти периода мы толкали вагонетку, а она противодействовала нашим усилиям; в течение второй четверти периода она катилась сама, а мы «упирались»; в течение третьей четверти периода мы опять тянули ее, а вагонетка снова оказывала противодействие нашим усилиям и, наконец, в течение четвертой четверти периода она снова катилась сама, а мы ее тормозили.

Короче говоря, в течение первой и третьей четверти периода мы работали «на вагонетку», а в течение второй и четвертой четвертей она работала «на нас», возвращая обратно полученную то нас энергию. В результате наша работа оказалась «безваттной».

Таким образом катушка индуктивности в цепи переменного тока может работать как безваттный резистор.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

 

Добавить комментарий

Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока

Как мы с вами говорили, в цепи переменного тока, содержащей активное сопротивление, происходят постоянные потери энергии, сопровождающиеся выделением тепла. При этом, количество теплоты, выделяющееся на активном сопротивление при прохождении по нему переменного тока, можно рассчитать, как и в случае с постоянным током, по закону Джоуля — Ленца:

Однако быстрое изменение величины и направления переменного тока обусловливает ряд особенностей, отличающих его действия от действий тока постоянного. Так, например, переменный ток не годится для технических применений электролиза. Дело в том, что величина переменного тока зависит не только от напряжения и сопротивления цепи, но и от индуктивности проводников, включённых в цепь. В этом можно убедиться на следующем опыте. Включим в цепь постоянного тока катушку, содержащую большое количество витков медной проволоки и амперметр.

Снимем показания амперметра. А теперь вдвинем в катушку железный сердечник — ток при этом не изменился.

Посмотрим, что будет происходить в этой же цепи, но при включении в неё источника переменного тока с действующим напряжением, равным напряжению постоянного тока.

Нетрудно заметить, что ток в катушке уменьшился. Введение же в катушку железного сердечника приведёт к ещё большему ослаблению тока. Следовательно, индуктивность цепи переменного тока уменьшает величину тока.

Причиной этого является возникающая в цепях переменного тока ЭДС самоиндукции, которая препятствует нарастанию тока. Вследствие ЭДС самоиндукции в момент, когда напряжение в цепи достигает максимума, ток не успевает достигнуть той величины, которую он достиг бы в отсутствие самоиндукции.

Например, представим, что у нас есть катушка, на которую намотано 600 витков медной проволоки, диаметром 1 мм. Предположим, что на эту катушку пошло 150 метров этой проволоки. Тогда, исходя из определения, её сопротивление примерно равно 3,2 Ом. Но если измерить сопротивление этой катушки в цепи переменного тока частотой 50 Гц, то оно окажется равным примерно 20 Ом.

Это говорит нам о том, что индуктивность в цепи переменного тока действует в отношении величины тока так же, как и активное сопротивление.

Сопротивление, которым обладает цепь вследствие наличия в ней индуктивности, называется индуктивным сопротивлением. Узнаем от чего оно зависит. Итак, пусть в цепи, содержащей катушку индуктивности, протекает переменный ток, сила которого изменяется по гармоническому закону:

Тогда, ЭДС самоиндукции будет равна произведению индуктивности катушки и первой производной силы тока по времени, взятому с обратным знаком:

Если активное сопротивление катушки равно нулю, то и напряжённость электрического поля внутри проводника в любой момент времени должна быть равна нулю. В противном случае сила тока была бы бесконечно большой (это следует из закона Ома). Равенство нулю напряжённости поля оказывается возможным потому, что напряжённость, вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем, в каждой точке равна по модулю и противоположна по направлению напряжённости кулоновского поля, создаваемого в проводнике зарядами, расположенными на зажимах источника и в проводах цепи.

Следовательно, удельная работа вихревого поля (то есть ЭДС самоиндукции) равна по модулю и противоположна по знаку удельной работе кулоновского поля.

Учитывая, что удельная работа кулоновского поля равна напряжению на концах катушки, то напряжение в цепи переменного тока, будет обратно по знаку ЭДС самоиндукции:

Произведение величин, стоящих перед функцией косинуса, является амплитудой напряжения:

Давайте перепишем уравнение для мгновенного напряжения, воспользовавшись введённым обозначением, а также заменим косинус на синус, воспользовавшись формулой приведения:

Отсюда следует, что колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока на π/2:

Давайте выразим из формулы для амплитуды напряжения амплитуду силы тока в катушке:

Величина, равная произведению циклической частоты и индуктивности катушки и есть индуктивное сопротивление:

Тогда можно записать, что амплитудное значение силы тока в цепи переменного тока, содержащую только катушку индуктивности, прямо пропорционально амплитудному напряжению и обратно пропорционально индуктивному сопротивлению.

А теперь давайте определим мгновенную мощность в данной цепи:

Как видим, потребляемая идеальной катушкой, периодически изменяется с двойной частотой, а её среднее значение за период равно нулю, так как равно нулю среднее значение синуса двойного аргумента. Следовательно, так же как активное сопротивление, индуктивное сопротивление ограничивает силу тока в цепи, но в отличие от активного сопротивления на нём электрическая энергия не превращается необратимо в другие виды энергии.

Теперь давайте с вами соберём цепь постоянного тока, содержащую последовательно соединённые конденсатор и лампочку. Замкнув цепь, мы обнаружим, что никакого тока в цепи нет. Это вполне понятно, так как пластины конденсатора отделены друг от друга изолятором. Поэтому через конденсатор постоянный ток течь не может.

А теперь заменим источник постоянного тока на источник переменного напряжения. Лампочка горит. Объясняется это достаточно просто. В цепи переменного тока электроны совершают колебательное движение. Это приводит к тому, что обкладки конденсаторов попеременно заряжаются то положительно, то отрицательно. Электроны же в проводах цепи движутся то в одном, то в другом направлении, нагревая спираль лампы. Если выключить конденсатор из цепи, то лампочка будет гореть ярче. Следовательно, наличие конденсатора в цепи переменного тока увеличивает сопротивление цепи.

Сопротивление, которым обладает цепь вследствие наличия в ней ёмкости, называется ёмкостным сопротивлением.

Выясним, от чего оно зависит. Для этого рассмотрим цепь, состоящую из генератора переменного напряжения, конденсатора и проводов, сопротивление которых пренебрежимо мало.

Пусть напряжение на конденсаторе изменяется синусоидально:

Следовательно, и заряд конденсатора будет изменяться со временем по закону синуса:

Найдём силу тока в цепи, как первую производную заряда по времени:

Произведение величин, стоящих перед функцией синуса, является амплитудой силы тока:

Перепишем предыдущее уравнение с учётом введённых обозначений, и воспользуемся формулой приведения для перехода от функции косинуса к функции синус:

 

Отсюда следует, что колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на конденсаторе на π/2:

Теперь давайте перепишем уравнение для амплитуды силы тока так, как это показано на экране:

Величина, обратная произведению ёмкости конденсатора и циклической частоты является ёмкостным сопротивлением:

Подставив данное уравнение в предыдущее равенство, найдём, что амплитудное значение силы тока в цепи переменного тока, содержащую только конденсатор, прямо пропорционально амплитудному напряжению и обратно пропорционально ёмкостному сопротивлению:

Теперь определим мгновенную мощность в данной цепи:

Как и в предыдущем случае, при наличии в цепи только ёмкостного сопротивления частота изменения мощности вдвойне больше частоты изменения силы тока, а её среднее значение за период равно нулю. Следовательно, на ёмкостном сопротивлении электрическая энергия не превращается необратимо в другие виды. Поэтому ёмкостное и индуктивное сопротивления в отличие от активного называют реактивными.

Теперь рассмотрим цепь, содержащую все элементы: резистор, катушку индуктивности, конденсатор и источник переменного напряжения.

Так как электромагнитные взаимодействия распространяются со скоростью света, то во всех последовательно включённых элементах цепи изменения силы тока происходят практически одновременно. Однако колебания мгновенных значений напряжения на каждом из элементов не совпадают по фазе с колебаниями силы тока. Но в любой момент времени сумма мгновенных значений напряжений на последовательно включённых элементах цепи равна ЭДС источника:

Учитывая, что на активном сопротивлении колебания силы тока совпадают, на ёмкостном опережают, а на индуктивном отстают от колебаний напряжения, то последнее равенство можно записать так:

Амплитуду колебаний напряжения в цепи можно выразить через амплитудные значения напряжения на отдельных её элементах, воспользовавшись методом векторных диаграмм.

Амплитудное значение силы тока в цепи совпадает по фазе с амплитудным значением напряжения на резисторе. Из этой диаграммы можно найти амплитуду приложенного напряжения, которая равна геометрической сумме этих амплитуд.

Используя теорему Пифагора, выразим квадрат амплитуды колебаний напряжения в цепи:

Далее, используя закон Ома для участка цепи, выразим амплитудные значения напряжений, стоящих в правой части равенства, через амплитудное значение силы тока и реактивные сопротивления:

Выражая из полученного уравнение амплитудное значение силы тока, получим закон Ома для участка цепи переменного тока:

Величина, стоящая в знаменателе формулы, называется полным сопротивлением цепи:

Величина же, стоящая в скобках под знаком корня, называется реактивным сопротивлением.

Что делает катушка индуктивности в цепи. Накопленная энергия в индуктивности

Сегодня нами будет рассмотрена катушка индуктивности в цепи переменного тока, узнаем, в чем бы была разница, если бы цепь питалась от постоянного тока, а также много интересных особенностей этого простого, но очень важного радиоэлемента.

Для начала давайте определим назначение этой детали, а также основные понятия и термины, связанные с ней.

Что такое катушка индуктивности

Катушка индуктивности – это радиоэлемент, применяющийся в разных схемах для следующего:

• Сглаживание биений;
• Подавление помех;
• Ограничение переменного тока;
• Накопление энергии и прочее.

Представляет собой данный элемент спиральную, винтовую или винтоспиральную катушку, сделанную из изолированного проводника. Деталь обладает относительно малой емкостью и малым активным сопротивлением, при этом у него имеет высокая индуктивность, то есть способность возникновения ЭДС (электродвижущей силы) в проводнике, при протекании в цепи электрического тока.

• Катушка индуктивности, в зависимости от места и цели применения может иметь и другие названия. Например, если элемент используется для изоляции по высокой частоте в разных частях схемы, накоплении энергии магнитного поля сердечника, сглаживания пульсаций и подавления помех, катушку называют дросселем либо реактором (второе название употребляется редко).
• Если говорить про силовую электротехнику, то там устоялось название ректор – его применяют при необходимости ограничения тока, например, если произошло замыкание на ЛЭП.

• Бывают также и цилиндрические катушки индуктивности, называемые соленоидами. Длина такого цилиндра в несколько раз превышает его диаметр.

Интересно знать! Магнитное поле внутри соленоида однородно. Данное магнитное поле может выполнять механическую работу, втягивая ферритовый сердечник.

• Применяются катушки индуктивности и в электромагнитных реле, где их называют обмоткой реле.
• Устанавливаются подобные элементы и в индукционные нагреватели – тут их называют нагревательными индукторами.

• Также можно услышать термины вроде индукционного накопителя или накопительного дросселя, если речь идет об устройствах импульсной стабилизации напряжения.

Конструкционные особенности

Конструкционно катушка индуктивности представляет собой намотанную по спирали или винтом изолированную одножильный или многожильный проводник (чаще, лакированная медная проволока), вокруг диэлектрического сердечника (каркаса). Форма сердечника может быть круглой, тороидальной, прямоугольной, квадратной. Материалы, применяемые для сердечника, имеют магнитную проницаемость выше, чем у воздуха, что дополнительно удерживает магнитное поле возле катушки, а значит, увеличивается и индуктивность.

Существуют и катушки, вовсе не имеющие сердечника, или же он является регулируемым, что позволяет менять индуктивность детали.

Намотка проводника может быть как однослойной, ее еще называют рядовой с шагом, или многослойной (применяются названия универсал, внавал, рядовая). Расстояние между витками называется шагом.

Применение

Используются катушки в схемах обработки сигналов и аналоговых схемах. В сочетании с конденсаторами и прочими радиокомпонентами могут формировать участки схем, которые усиливают или отфильтровывают определенные сигналы.

Широко применяются дроссели в источниках питания, где они вместе с конденсаторами фильтра призваны устранить остаточные помехи и прочие колебания, возникающие на выходе.

Если две катушки соединить одним магнитным полем, то получится трансформатор – устройство, способное передавать электричество от одной части цепи к другой, за счет электромагнитной индукции, попутно меняя величину напряжения.

Для справки! Трансформаторы способны функционировать только с переменным током.

Основные характеристики катушек индуктивности

Прежде чем разбираться с тем, как ведет себя ток, проходя в цепи через катушку индуктивности, давайте сначала узнаем главные характеристики этого элемента.

• Прежде всего, нас интересует индуктивность – значение, численно выражающаяся соотношением потока магнитного поля, которое создается протекающим током, к силе этого самого тока. Измеряется этот параметр в Генри (Гн).
• Если говорить более простым языком, то это явление можно описать так. При протекании тока через катушку индуктивности создается электромагнитное поле, которое напрямую связано с ЭДС, которая оказывает противодействие изменению переменного напряжения, то есть в цепи возникает ток, который течет в обратном направлении основному.
• Измерение силы тока на катушке индуктивности и переменного напряжения, противостоят данной силе, точнее наоборот. Это свойство элемента называется индуктивным сопротивлением, которое находится в противофазе реактивному емкостному сопротивлению конденсатора, включенному в цепь переменного тока.

Рассмотрим цепь, содержащую в себе катушку индуктивности , и предположим, что активное сопротивление цепи, включая провод катушки, настолько мало, что им можно пренебречь. В этом случае подключение катушки к источнику постоянного тока вызвало бы его короткое замыкание, при котором, как известно, сила тока в цепи оказалась бы очень большой.

Иначе обстоит дело, когда катушка присоединена к источнику переменного тока. Короткого замыкания в этом случае не происходит. Это говорит о том. что катушка индуктивности оказывает сопротивление проходящему по ней переменному току .

Каков характер этого сопротивления и чем оно обусловливается?

Чтобы ответить ил этот вопрос, вспомним . Всякое изменение тока в катушке вызывает появление в ней ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению тока. Величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна и скорости изменения тока в ней. Но так как непрерывно изменяется, то непрерывно возникающая в катушке ЭДС самоиндукции создает сопротивление переменному току.

Для уяснения процессов, происходящих в с катушкой индуктивности, обратимся к графику. На рисунке 1 построены кривые линии, характеризующие соответственно тик в цепи, напряжение на катушке и возникающую в ней ЭДС самоиндукции. Убедимся в правильности произведенных па рисунке построений.

С момента t = 0, т. е. с начального момента наблюдения за током, он начал быстро возрастать, но по мере приближения к своему максимальному значению скорость нарастания тока уменьшалась. В момент, когда ток достиг максимальной величины, скорость его изменения на мгновение стала равной нулю, т. е. прекратилось изменение тока. Затем ток начал сначала медленно, а потом быстро убывать и по истечении второй четверти периода уменьшился до нуля. Скорость же изменения тока за эту четверть периода, возрастая от пуля, достигла наибольшей величины тогда, когда ток станет равным нулю.

Рисунок 2. Характер изменений тока во времени в зависимости от величины тока

Из построений на рисунке 2 видно, что при переходе кривой тока через ось времени увеличение тока за небольшой отрезок времени t больше, чем за этот же отрезок времени, когда кривая тока достигает своей вершины.

Следовательно, скорость изменения тока уменьшается по мере увеличения тока и увеличивается по мере его уменьшения, независимо от направления тока в цепи.

Очевидно, и ЭДС самоиндукции в катушке должна быть наибольшей тогда, когда скорость изменения тока наибольшая, и уменьшаться до нуля, когда прекращается его изменение. Действительно, на графике кривая ЭДС самоиндукции e L за первую четверть периода, начиная от максимального значения, упала до нуля (см. рис. 1).

На протяжении следующей четверти периода ток от максимального значения уменьшался до нуля, однако скорость его изменения постепенно возрастала и была наибольшей в момент, когда ток стал равным нулю. Соответственно и ЭДС самоиндукции за время этой четверти периода, появившись вновь в катушке, постепенно возрастала и оказалась максимальной к моменту, когда ток стал равным нулю.

Однако направление свое ЭДС самоиндукции изменила на обратное, так как возрастание тока в первой четверти периода сменилось во второй четверти его убыванием.

Продолжив дальше построение кривой ЭДС самоиндукции, мы убеждаемся в том, что за период изменения тока в катушке и ЭДС самоиндукции совершит в ней полный период своего изменения. Направление ее определяется : при возрастании тока ЭДС самоиндукции будет направлена против тока (первая и третья четверти периода), а при убывании тока, наоборот, совпадать с ним по направлению (вторая и четвертая четверти периода).

Таким образом, ЭДС самоиндукции, вызываемая самим переменным током, препятствует его возрастанию и, наоборот, поддерживает его при убывании .

Обратимся теперь к графику напряжения на катушке (см. рис. 1). На этом графике синусоида напряжения на зажимах катушки изображена равной и противоположной синусоиде ЭДС самоиндукции. Следовательно, напряжение на зажимах катушки в любой момент времени равно и противоположно ЭДС самоиндукции, возникающей в ней. Напряжение это создается генератором переменного тока и идет на то, чтобы погасить действие в цепи ЭДС самоиндукции.

Таким образом, в катушке индуктивности, включенной в цепь переменного тока, создается сопротивление прохождению тока. Но так как такое сопротивление вызывается в конечном счете индуктивностью катушки , то и называется оно индуктивным сопротивлением.

Индуктивное сопротивление обозначается через X L и измеряется, как и активное сопротивление, в омах.

Индуктивное сопротивление цепи тем больше, чем больше , питающего цепь, и чем больше индуктивность цепи. Следовательно, индуктивное сопротивление цепи прямо пропорционально частоте тока и индуктивности цепи; определяется оно по формуле XL = ω L, где ω — круговая частота, определяемая произведением 2π f . — индуктивность цепи в гн.

Для цепи переменного тока, содержащей индуктивное сопротивление, звучит так: величина тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна индуктивному сопротивлению цеп и , т. е. I = U / X L , где I и U — действующие значения тока и напряжения, а X L — индуктивное сопротивление цепи.

Рассматривая графики изменения тока в катушке. ЭДС самоиндукции и напряжения на ее зажимах, мы обратили внимание на то, что изменение этих в еличин не совпадает по времени. Иначе говоря, синусоиды тока, напряжения и ЭДС самоиндукции оказались для рассматриваемой нами цепи сдвинутыми по времени одна относительно другой. В технике переменных токов такое явление принято называть сдвигом фаз .

Если же две переменные величины изменяются по одному и тому же закону (в нашем случае по синусоидальному) с одинаковыми периодами, одновременно достигают своего максимального значения как в прямом, так и в обратном направлении, а также одновременно уменьшаются до нуля, то такие переменные величины имеют одинаковые фазы или, как говорят, совпадают по фазе.

В качестве примера на рисунке 3 приведены совпадающие по фазе кривые изменения тока и напряжения. Такое совпадение фаз мы всегда наблюдаем в цепи переменного тока, состоящей только из активного сопротивления.

В том случае, когда цепь содержит индуктивное сопротивление, фазы тока и напряжения, как это видно из рис. 1 не совпадают, т. е. имеется сдвиг фаз между этими переменными величинами. Кривая тока в этом случае как бы отстает от кривой напряжения на четверть периода.

Следовательно, при включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между током и напряжением, причем ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода . Это значит, что максимум тока наступает через четверть периода после того, как наступил максимум напряжения.

ЭДС же самоиндукции находится в противофазе с напряжением на катушке, отставая, в свою очередь, от тока на четверть периода. При этом период изменения тока, напряжения, а также и ЭДС самоиндукции не меняется и остается равным периоду изменения напряжения генератора, питающего цепь. Сохраняется также и синусоидальный характер изменения этих величин.

Когда же цепь не содержит активного сопротивления (мы условно считаем его равным нулю), а состоит лишь из индуктивного сопротивления катушки, энергия источника тока расходуется не на нагрев проводов, а только на создание ЭДС самоиндукции, т. е. она превращается в энергию магнитного поля. Однако переменный ток непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, а следовательно, и катушки непрерывно изменяется в такт с изменением тока. В первую четверть периода, когда ток возрастает, цепь получает энергию от источника тока и запасает ее в магнитном поле катушки. Но как только ток, достигнув своего максимума, начинает убывать, он поддерживается за счет энергии, запасенной в магнитном поле катушки посредством ЭДС самоиндукции.

Таким образом, источник тока, отдав в течение первой четверти периода часть своей энергии в цепь, в течение второй четверти получает ее обратно от катушки, выполняющей при этом роль своеобразного источника тока. Иначе говоря, цепь переменного тока, содержащая только индуктивное сопротивление, не потребляет энергии : в данном случае происходит колебание энергии между источником и цепью. Активное же сопротивление, наоборот, поглощает в себе всю энергию, сообщенную ему источником тока.

Говорят, что катушка индуктивности, в противоположность омическому сопротивлению, не активна по отношению к источнику переменного тока, т. е. реактивна . Поэтому индуктивное сопротивление катушки называют также реактивным сопротивлением .

» говорится, что при включении и при всяком изменении тока в электрической цепи вследствие пересечения проводника своим же собственным магнитным полем в нем возникает индуктированная электродвижущая сила (ЭДС). Эту ЭДС мы назвали ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции имеет реактивный характер. Так, например, при увеличении тока в цепи ЭДС самоиндукции будет направлена против ЭДС источника напряжения, и поэтому ток в электрической цепи не может установиться сразу. И, наоборот, при уменьшении тока в цепи индуктируется ЭДС самоиндукции такого направления, что, мешая току исчезать, она поддерживает этот убывающий ток.

Рисунок 1. Цепь переменного тока, содержащая индуктивность

Как нам уже известно, ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи и от индуктивности этой цепи (числа витков, наличия стальных сердечников).

В цепи переменного тока ЭДС самоиндукции возникает непрерывно, так как ток в цепи непрерывно изменяется.

На рисунке 1 представлена схема цепи переменного тока, содержащей катушку с индуктивностью L без стального сердечника. Для простоты будем считать сначала, что активное сопротивление катушки очень мало и им можно пренебречь.

Рассмотрим внимательнее изменение переменного тока за время одного периода. На рисунке 2 показана кривая изменения переменного тока. Первая половина периода разбита на мелкие одинаковые части.

Рисунок 2. Определение скорости изменения переменного тока

За промежуток времени 0 — 1 величина тока изменилась от нуля до 1 — 1 ’. Прирост величины тока за это время равен а .

За время, обозначенное отрезком 1 — 2 , мгновенная величина выросла до 2 — 2 ’, причем прирост величины тока равен б .

В течение времени, обозначенного отрезком 2 — 3 , ток увеличивается до 3 — 3 ’, прирост тока показывает отрезок в и так далее.

Так, с течением времени переменный ток возрастет до максимума (при 90°). Но, как видно из чертежа, прирост тока делается все меньше и меньше, пока, наконец, при максимальном значении тока этот прирост не станет равным нулю.

При дальнейшем изменении тока от максимума до нуля убыль величины тока становится все больше и больше, пока, наконец, около нулевого значения ток, изменяясь с наибольшей скоростью, не исчезнет, но тут же появляется вновь, протекая в обратном направлении.

Рассматривая изменение тока в течение периода, мы видим, что с наибольшей скоростью изменяется ток около своих нулевых значений. Около максимальных значений скорость изменения тока падает, а при максимальном значении тока прирост его равен нулю. Таким образом, переменный ток меняется не только по величине и направлению, но также и по скорости своего изменения. Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле. Магнитные линии этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них ЭДС самоиндукции.

На рисунке 3 кривая i показывает изменение переменного тока в катушке. Как было уже указано, величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока и от индуктивности катушки. Но так как индуктивность катушки в нашем случае остается без изменения, ЭДС самоиндукции будет зависеть только от скорости изменения тока. Выше было показано, что наибольшая скорость изменения тока имеет место около нулевых значений тока. Следовательно, наибольшее изменение ЭДС самоиндукции имеет те же моменты.

Рисунок 3. ЭДС самоиндукции в катушке, включенной в цепь переменного тока

В момент а ток резко и быстро увеличивается от нуля, а поэтому, как следует из вышеприведенной формулы, ЭДС самоиндукции (кривая e L ) имеет отрицательное максимальное значение. Так как ток увеличивается, то ЭДС самоиндукции по правилу Ленца должна препятствовать изменению (здесь увеличению) тока. Поэтому ЭДС самоиндукции при возрастании тока будет иметь направление, обратное току (положение б ), что следует также из указанной формулы. Скорость изменения тока по мере приближения его к максимуму уменьшается. Поэтому ЭДС самоиндукции также уменьшается, пока, наконец, при максимуме тока, когда изменения его будут равны нулю, она не станет равной нулю (положение в ).

Переменный ток, достигнув максимума, начинает убывать. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции будет мешать току убывать и, направленная уже в сторону протекания тока, будет его поддерживать (положение г ).

При дальнейшем изменении переменный ток быстро убывает до нуля. Резкое уменьшение тока в катушке повлечет за собой также быстрое уменьшение магнитного поля и в результате пересечения магнитными линиями витков катушки в них будет индуктироваться наибольшая ЭДС самоиндукции (положение д ).

Рисунок 4. Ток в катушке опережает ЭДС самоиндукции по фазе на 90°

Во вторую половину периода изменения тока картина повторяется и снова при возрастании тока ЭДС самоиндукции будет мешать ему, имея направление, обратное току (положение е ).

При убывании тока ЭДС самоиндукции, имея направление в сторону тока, будет поддерживать его, не давая ему исчезнуть сразу (положение з ).

На рисунке видно, что ЭДС самоиндукции отстает по фазе от тока на 90° или на ¼ периода. Так как магнитный поток совпадает по фазе с током, то можно сказать, что ЭДС, наводимая магнитным потоком, отстает от него по фазе на 90° или на ¼ периода.

Нам уже известно, что две синусоиды, сдвинутые одна относительно другой на 90°, можно изобразить векторами, расположенными под углом 90° (рисунок 4).

Так как ЭДС самоиндукции в цепях переменного тока непрерывно противодействует изменениям тока, то, чтобы дать возможность току протекать по виткам катушки, напряжение сети должно уравновешивать ЭДС самоиндукции. Иными словами, напряжение сети в каждый момент времени должно быть равно и противоположно ЭДС самоиндукции.

Рисунок 5. Приложенное к катушке напряжение сети опережает ток на 90° и противоположно ЭДС самоиндукции

Вектор напряжения сети, равный и противоположный ЭДС самоиндукции e L , мы обозначим через U (рисунок 5). Только при условии, что к зажимам катушки будет приложено напряжение сети, равное и противоположное ЭДС самоиндукции, и, стало быть, это напряжение сети U уравновесит ЭДС самоиндукции e L , по катушке сможет проходить переменный ток I .

Но в этом случае напряжение сети U будет опережать по фазе ток I на 90°.

Таким образом, в цепях переменного тока ЭДС самоиндукции, возникая непрерывно, вызывает сдвиг фаз между током и напряжением. Возвращаясь к рисунку 3, мы видим, что ток i по катушке будет проходить и тогда, когда напряжение сети (кривая u L ) равно нулю (положение в ), и даже тогда, когда напряжение сети направлено в сторону, обратную току (положение г и з ).

Итак отметим, что в цепи переменного тока, когда ЭДС самоиндукции отсутствует, напряжение сети и ток совпадают по фазе. Индуктивная же нагрузка в цепях переменного тока (обмотки электродвигателей и генераторов, обмотки трансформаторов, индуктивные катушки) всегда вызывает сдвиг фаз между током и напряжением.

Можно показать, что скорость изменения тока пропорциональна угловой частоте ω. Следовательно, действующее значение ЭДС самоиндукции e L может быть найдено по формуле:

e L = ω × L × I = 2 × π × f × L × I .

Как было отмечено выше, напряжение, приложенное к зажимам цепи, содержащей индуктивность, в каждый момент времени должно быть по величине равно ЭДС самоиндукции:

u L = e L .

u L = 2 × π × f × L × I .

Обозначая 2 × π × f × L = x L , получим

u L = x L × I .

Формула закона Ома для цепи переменного тока, содержащего индуктивность, будет такова:

Величина x L называется индуктивным сопротивлением цепи , или реактивным сопротивлением индуктивности , и измеряется в омах. Таким образом, реактивное индуктивное сопротивление представляет собой своеобразное препятствие, которое оказывает цепь изменениям тока в ней. Оно равно произведению индуктивности на угловую частоту. Формула индуктивного сопротивления имеет вид:

x L = ω × L .

Индуктивное сопротивление проводника зависит от частоты переменного тока и индуктивности проводника. Поэтому индуктивное сопротивление катушки, включаемой в цепь токов различной частоты, будет различным. Например, если имеется катушка индуктивностью 0,05 Гн, то путем расчета индуктивного сопротивления выяснится, что в цепи частотой 50 Гц ее индуктивное сопротивление будет:

x L1 = 2 × π × f 1 × L = 2 × 3,14 × 50 × 0,05 = 15,7 Ом,

а в цепи тока частотой 400 Гц

x L2 = 2 × π × f 2 × L = 2 × 3,14 × 400 × 0,05 = 125,6 Ом.

Та часть напряжения сети, которая идет на преодоление (уравновешивание) ЭДС самоиндукции, называется индуктивным падением напряжения или реактивной слагающей напряжения .

u L = x L × I .

Рассмотрим теперь, какая мощность потребляется от источника переменного напряжения, если к его зажимам подключена индуктивность.

Рисунок 6. Кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности для цепи, содержащей индуктивность

На рисунке 6 даны кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности для этого случая. Мгновенное значение мощности равно произведению мгновенных значений напряжения и тока:

p = u × i .

Из чертежа видно, что если u и i имеют одинаковые знаки, то кривая p положительная и располагается выше оси ωt . Если же u и i имеют разные знаки, то кривая p отрицательна и располагается ниже оси ωt .

В первую четверть периода ток, а в месте с ним и магнитный поток катушки увеличиваются. Катушка забирает из сети мощность. Площадь, заключенная между кривой p и осью ωt , есть работа (энергия) электрического тока. За первую четверть периода энергия, забираемая из сети, идет на создание магнитного поля вокруг витков катушки (мощность положительная). Количество энергии, запасаемое в магнитном поле за время роста тока, можно определить по формуле:

За вторую четверть периода ток убывает. ЭДС самоиндукции, которая в первую четверть периода стремилась помешать возрастанию тока, теперь, когда ток начинает уменьшаться, будет мешать ему уменьшаться. Сама катушка становится как бы генератором электрической энергии. Она возвращает в сеть энергию, запасенную в ее магнитном поле. Мощность отрицательна, и на рисунке 6 кривая p располагается ниже оси ωt .

За вторую половину периода явление повторяется. Таким образом, между источником переменного напряжения и катушкой, содержащей индуктивность, происходит обмен мощностью. В течение первой и третьей четвертей периода мощность поглощается катушкой, в течение второй и четвертой мощность возвращается источнику.

В этом случае, в среднем, расхода мощности не будет, несмотря на то, что на зажимах цепи есть напряжение U и в цепи протекает ток I .

Тот же результат мы получим, если вычислим среднюю или активную мощность по формуле, приведенной выше:

P = U × I × cos φ .

В нашем случае между напряжением и током существует сдвиг фаз, равный 90°, и cos φ = 90° = 0.

Поэтому активная мощность также равна нулю, то есть расхода мощности нет.

Как ведет себя катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока?

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока

Итак, для этого опыта нам понадобится блок питания , который выдает постоянное напряжение, лампочка накаливания и собственно сама катушка индуктивности.

Чтобы сделать катушку индуктивности с хорошей индуктивностью, нам надо взять ферритовый сердечник:

Намотать на него лакированного медного провода и зачистить выводы:

Замеряем индуктивность нашей катушки с помощью LC метра :

132 микрогенри.

Теперь собираем все это вот по такой схеме:

где

L — катушка индуктивности

La — лампочка накаливания на напряжение 12 Вольт

Bat — блок питания, с выставленным напряжением 12 Вольт

Лампочка засветилась!

Как вы помните из , конденсатор у нас не пропускал постоянный электрический ток:

Делаем вывод: постоянный электрический ток почти беспрепятственно течет через катушку индуктивности. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Для того, чтобы узнать, как ведет себя катушка индуктивности в цепи переменного тока, нам понадобится , генератор частоты , собственно сама катушка индуктивности и резистор на 100 Ом. Чем больше сопротивление, тем меньше будет проседать напряжение с моего генератора частоты, поэтому я взял резистор на 100 Ом.Он у меня будет в качестве шунта. Падение напряжения на этом резисторе будет зависеть от тока, протекающего через него

Собираем все это дело по такой схеме:

Получилось как то так:

Сразу договоримся, что у нас первый канал будет красным цветом, а второй канал — желтым. Следовательно, красная синусоида — это частота, которую нам выдает генератор частоты, а желтая синусоида — это сигнал, который снимается с резистора.

Мы с вами узнали, что при нулевой частоте (постоянный ток), катушка почти беспрепятственно пропускает через себя электрический ток. В нашем опыте мы будем подавать с генератора частоты синусоидальный сигнал с разной частотой и смотреть, меняется ли напряжение на резисторе.

Опыт N1

Для начала подаем сигнал с частотой в 1 Килогерц.

Давайте разберемся, что есть что. В зеленой рамочке я вывел автоматические замеры, которые делает осциллограф

Красный кружок с цифрой «1» — это замеры «красного»канала. Как мы видим, F (частота) =1 Килогерц, а Ма (амплитуда) = 1,96 Вольт. Ну грубо скажем 2 Вольта. Смотрим на кружочек с цифрой «2». F =1 Килогерц, а Ма =1,96 Вольт. То есть можно сказать, что сигнал на выходе точно такой же, как и на входе.

Увеличиваем частоту до 10 Килогерц

Амплитуда не уменьшилась. Сигнал какой есть, такой и остался.

Увеличиваем до 100 Килогерц

Заметили разницу? Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается вправо, то есть запаздывает, или научным языком, появляется . Красный сигнал никуда не сдвигается, запаздывает именно желтый. Это имейте ввиду.

Сдвиг фаз — это разность между начальными фазами двух измеряемых величин . В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота . Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз :

Увеличиваем частоту до 200 Килогерц

На частоте 200 Килогерц амплитуда упала вдвое, да и разность фаз стала больше.

Увеличиваем частоту до 300 Килогерц.

Амплитуда желтого сигнала упала уже до 720 милливольт. Разность фаз стала еще больше.

Увеличиваем частоту до 500 Килогерц

Амплитуда уменьшилась до 480 милливольт.

Добавляем еще частоту до 1 Мегагерц

Амплитуда желтого канала стала 280 милливольт.

Ну и добавляем частоту до предела, который позволяет выдать генератор частоты: 2 Мегагерца

Амплитуда «желтого» сигнала стала настолько маленькой, что мне пришлось ее даже увеличить в 5 раз.

И можно сказать, что сдвиг фаз стал почти 90 градусов или π/2.

Но станет ли сдвиг фаз больше, чем 90 градусов, если подать очень-очень большую частоту? Эксперименты говорят, что нет. Если сказать просто, то при бесконечной частоте сдвиг фаз будет равняться 90 градусов. Если совместить наши графики на бесконечной частоте, то можно увидеть примерно вот такой рисунок:

Так какой вывод можно сделать?

С увеличением частоты сопротивление катушки растет, а также увеличивается сдвиг фаз. И чем больше частота, тем больше будет сдвиг фазы, но не более, чем 90 градусов.

Опыт N2

Давайте же уменьшим индуктивность катушки. Прогоним еще раз по тем же самым частотам. Я убрал половину витков и сделал витки на край феррита, тем самым уменьшил индуктивность до 33 микрогенри.

Итак, прогоняем все по тем же значениям частоты

При частоте в 1 Килогерц у нас значение почти не изменилось.

10 Килогерц

Здесь тоже ничего не изменилось.

100 Килогерц

Тоже почти ничего не изменилось, кроме того, что желтый сигнал стал тихонько сдвигаться.

200 Килогерц

Здесь уже видим, что амплитуда на желтом сигнале начинает проседать и сдвиг фаз наращивает обороты.

300 Килогерц

Сдвиг фаз стал больше и амплитуда просела еще больше

500 Килогерц

Сдвиг стал еще больше и амплитуда желтого сигнала тоже просела.

1 Мегагерц

Амплитуда желтого сигнала падает, сдвиг фаз прибавляется. 😉

2 Мегагерца, предел моего генератор частоты

Сдвиг фаз стал почти равен 90 градусов, а амплитуда стала даже меньше, чем пол Вольта.

Обратите внимание на амплитуду в Вольтах на тех же самых частотах. В первом случае у нас индуктивность была больше, чем во втором случае, но амплитуда желтого сигнала во втором случае больше, чем в первом.

Отсюда вывод напрашивается сам собой:

При уменьшении индуктивности, сопротивление катушки индуктивности также уменьшается.

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

С помощью нехитрых умозаключений, физиками была выведена формула:

где

Х L — катушки, Ом

П — постоянная и равна приблизительно 3,14

F — частота, Гц

L — индуктивность, Гн

В данном опыте мы с вами получили (ФНЧ). Как вы видели сами, на низких частотах катушка индуктивности почти не оказывает сопротивление напряжению, следовательно амплитуда и мощность на выходе такого фильтра будет почти такой же, как и на входе. Но с увеличением частоты у нас амплитуда гасится. Применив такой фильтр на динамик, можно с уверенностью сказать, что будет усиливаться только бас, то есть низкая частота звука.

Заключение

Постоянный ток протекает через катушку индуктивности без каких-либо проблем. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.

Сопротивление катушки зависит от частоты протекающего через нее тока и выражается формулой:

Катушка индуктивности – электронный компонент, представляющий собой винтовую либо спиральную конструкцию, выполненную с применением изолированного проводника. Основным свойством катушки индуктивности, как понятно из названия – индуктивность. Индуктивность – это свойство преобразовать энергию электрического тока в энергию магнитного поля. Величина индуктивности для цилиндрической или кольцевой катушки равна

Где ψ — потокосцепление, µ0 = 4π*10-7 – магнитная постоянная, N – количество витков, S – площадь поперечного сечения катушки.

Также катушке индуктивности присущи такие свойства как небольшая ёмкость и малое активное сопротивление, а идеальная катушка и вовсе их лишена. Применение данного электронного компонента отмечается практически повсеместно в электротехнических устройствах. Цели применения различны:

Подавление помех в электрической цепи;
— сглаживание уровня пульсаций;
— накопление энергетического потенциала;
— ограничение токов переменной частоты;
— построение резонансных колебательных контуров;
— фильтрация частот в цепях прохождения электрического сигнала;
— формирование области магнитного поля;
— построение линий задержек, датчиков и т.д.

Энергия магнитного поля катушки индуктивности

Электрический ток способствует накоплению энергии в магнитном поле катушки. Если отключить подачу электричества, накопленная энергия будет возвращена в электрическую цепь. Значение напряжения при этом в цепи катушки возрастает многократно. Величина запасаемой энергии в магнитном поле равна примерно тому значению работы, которое необходимо получить, чтобы обеспечить появление необходимой силы тока в цепи. Значение энергии, запасаемой катушкой индуктивности можно рассчитать с помощью формулы.

Реактивное сопротивление

При протекании переменного тока , катушка обладает кроме активного, еще и реактивным сопротивлением, которое находится по формуле

По формуле видно, что в отличие от конденсатора , у катушки с увеличением частоты, реактивное сопротивление растет, это свойство применяется в фильтрах частот.

При построении векторных диаграмм важно помнить, что в катушке, напряжения опережает ток на 90 градусов.

Добротность катушки

Еще одним важным свойством катушки является добротность. Добротность показывает отношение реактивного сопротивления катушки к активному.

Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, то есть она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.

Конструкции катушек индуктивности

Конструктивно катушки индуктивности могут быть представлены в разном исполнении. Например, в исполнении однослойной или многослойной намотки проводника. При этом намотка провода может выполняться на диэлектрических каркасах разных форм: круглых, квадратных, прямоугольных. Нередко практикуется изготовление бескаркасных катушек. Широко применяется методика изготовления катушек тороидального типа.

Индуктивность катушки можно изменять, добавляя в конструкцию катушки ферромагнитный сердечник. Внедрение сердечников отражается на подавлении помех. Поэтому практически все дроссели, предназначенные для подавления высокочастотных помех, как правило, имеют ферродиэлектрические сердечники, изготовленные на основе феррита, флюкстрола, ферроксона, карбонильного железа. Низкочастотные помехи хорошо сглаживаются катушками на пермалоевых сердечниках или на сердечниках из электротехнической стали.

Конспект урока Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

Цель урока: рассмотреть процесс протекания переменного тока в цепи с катушкой индуктивности; ввести формулу по определению индуктивного сопротивления.

Ход урока.

1.Организационный момент. Приветствие учащихся, проверка отсутствующих, постановка цели урока.

2.Актуализация темы.

3.Изучение нового материала. Сегодня на уроке мы с вами рассмотрим поведение третьего элемента в электрической цепи. Соответственно аналогично будем сравнить цепь постоянного тока с переменным.

Для начала рассмотрим процессы проходящие в цепи постоянного тока, для этого к батарее подцепим катушку и соответственно пронаблюдаем за процессом протекания электрического тока. Будем считать, что источник тока будет идеальным, т.е. r=0 и катушка соответственно тоже будем считать идеальной. Нас интересует как будет меняться сила тока с течением времени.

Т.о. образом обратите внимание на рисунок, мы с вами наблюдаем 2 участка, которые обладают ЭДС, кроме этого они соединены последовательно. Т.о. сумма ЭДС равна I(R+r), но так как мы с вами рассматриваем идеальные элементы, то сумма равна 0

ɛ+ɛ_i=0(1). Но при этом, т.к. источник тока идеальный, то напряжение на выводах ЭДС ɛ =U.

По закону Фарадея ɛ_i=-L*ΔI/Δt, ΔI/Δt-быстрота изменения силы тока. Подставляем в формулу (1). U-L*ΔI/Δt=0, выразим ΔI/Δt

ΔI/Δt=U/L.U-const, L-const. Т.о. быстрота изменения силы тока постоянно. Следовательно I(t)=U*t/L

Т.о. если рассмотрим процесс протекания силы тока по графику. То мы с вами будем наблюдать следующий график зависимости. При этом обратите внимание сила тока в данном случае будет расти бесконечно. Но на практике этого не происходит. Почему? (Потому что любой элемент обладает каким-то сопротивлением.) Но при этом мы можем подобрать такой источник и катушку с очень маленьким сопротивлением. Но этого делать нельзя. Почему? (В цепи будет протекать большой по величине ток, т.о. в определенный момент произойдет короткое замыкание)

Рассмотрим теперь процесс протекание тока в цепи переменного тока.

Мы с вами знаем, что в цепи переменного тока напряжение в цепи меняется по след закону U(t)=Um*cosωt. В цепи переменного тока так же возникают 2 ЭДС. И эти ЭДС мы можем аналогично определить и соответственно можем прийти одному и тому же выводу, что ΔI/Δt=U(t)/L

ΔI/Δt= Um*cosωt/L. Сделаем следующее ΔI/Δt= Um*cosωt*ω/L*ω.Следовательно ΔI/Δt= Um (ω cosωt)/ L*ω. Обратите внимание на ω cosωt= (Sinωt)^,

I(t)= Um Sinωt/ L*ω Выразим через Cos. Sin α= Cos( )

I(t)= Um Cos()/ L*ω, но т.к. функция Cos четная, то I(t)= Um Cos()/ L*ω

I(t)= Im Cos(), где Im= Um/ L*ω

Но X_L= L*ω-индуктивное сопротивление [Ом]

Теперь рассмотрим график зависимости. При обратите внимание на формулы для силы тока и напряжения U(t)=Um*cosωt и I(t)= Im Cos(), мы можем сказать, что сила тока отстает от напряжения на ,

4.Закрепление материала.

1. Рассчитайте величину индуктивного сопротивления катушки индуктивностью L = = 20 мГн на частоте 50 Гц.[6,28 Ом]

2.Катушка индуктивностью L = 10мГн обладает активным сопротивлением 10 Ом. При каком значении частоты переменного тока индуктивное сопротивление катушки будет в 10 раз больше ее активного сопротивления?

5.Домашнее задание.

Индуктор в цепи постоянного тока

Цепи постоянного тока> Индуктор в цепи постоянного тока

Индуктор — это пассивное устройство, которое накапливает энергию в своем магнитном поле и возвращает энергию в цепь, когда это необходимо. Индуктор образован цилиндрическим сердечником с множеством витков проводящего провода. Рисунки 1 и 2 представляют собой базовую структуру и схематический символ индуктора.

Рисунок 1: Базовая конструкция индуктора

Рисунок 2: Условное обозначение индуктора

Когда индуктор подключен к цепи с источником постоянного тока (DC), в определенных условиях происходят два процесса, которые называются «накоплением» и «затуханием» энергии.

Катушка индуктивности подключена к источнику питания постоянного тока, рис. 3. Внезапное увеличение тока в индукторе создает самоиндуцированную электродвижущую силу, v _ЭДС , противодействующую изменению тока, рис. 1. Это проявляется как напряжение на индукторе. , vL = — v _ЭДС . Это — v _emf замедлит текущее изменение, и, в свою очередь, замедление текущего изменения сделает vL меньше. Когда ток становится стабильным, индуктор больше не создает противодействия и vL становится равным нулю, фаза накопления завершается.

Рисунок 3: Индуктор накапливает энергию

Катушка индуктивности эквивалентна короткому замыканию на постоянный ток, потому что после завершения фазы накопления ток, iL, который протекает через него, является стабильным, iL = V / R, без самонаводящейся ЭДС. производится и vL равен нулю. Индуктор действует как обычный соединительный провод, его сопротивление равно нулю. Ток iL через индуктор не может резко измениться.

Когда индуктор отключен от источника питания, рис. 4, vL меняет полярность и мгновенно падает с нуля до отрицательного значения, но iL сохраняет то же направление и величину.Энергия, запасенная в индукторе, затухает через резистор R _D . vL постепенно увеличивается до нуля, а iL постепенно падает до нуля.

Рисунок 4: Индуктор теряет энергию

На рисунках 3 и 4 сопротивление R _S и R _D влияет на скорость сохранения и скорость затухания индуктора соответственно.

Частное индуктивности L и сопротивления R называется постоянной времени τ, которая характеризует скорость накопления энергии и затухания энергии в индукторе, рисунок 5.

Рисунок 5: Напряжение V _L и ток i _L во время фазы хранения и фазы разряда (затухания)

Чем больше сопротивление, тем меньше постоянная времени, тем быстрее индуктор накапливает энергию и затухает энергию, и наоборот.

Катушки индуктивности используются во многих электронных схемах. Например, два индуктора могут образовывать трансформатор, который используется для преобразования высокого и низкого напряжения и наоборот.

Цепи постоянного тока> Индуктор в цепи постоянного тока

Что такое схемы индуктивности?

Ключевые термины

o Индуктор

o Индуктивность

o Генри

Объективы

o Примените принципы магнетизма, чтобы понять функцию катушек индуктивности

o Изучить поведение простых цепей, содержащих катушки индуктивности

Обратите внимание: не пытайтесь воспроизвести схемы, иллюстрации или инструкции из этой статьи в реальной жизни.Это может привести к поражению электрическим током, травме или смерти. Эти примеры предназначены только для теоретического обсуждения, а не для фактического / физического использования.

Еще одним важным устройством в электрических цепях является индуктор, который в некоторых отношениях похож на конденсаторы, но сильно отличается в других. Катушки индуктивности важны для цепей связи, а также для трансформаторов — это лишь пара примеров. Опираясь на концепции магнетизма, мы посмотрим, как индукторы работают в цепях.

Катушки индуктивности

Проволочная петля создает магнитное поле, когда через нее протекает ток, и ток может индуцироваться в ней, когда магнитное поле через петлю изменяется (увеличивается или уменьшается). Теперь представьте, что мы берем кусок провода и наматываем его, как катушку с ниткой: это, по сути, индуктор . Обратите внимание, что индуктор по-прежнему является проводящим путем — он не имеет сопротивления (если предположить, что он сделан из идеального проводника), и ток может течь через него, в отличие от конденсатора.Поскольку индуктор имеет несколько контуров, он создает большее магнитное поле для данного тока, чем одиночный контур.

Катушка индуктивности похожа на конденсатор в том, что она накапливает энергию — в этом случае индуктор накапливает энергию в форме магнитного поля (а не за счет накопления заряда в случае конденсатора, который эффективно накапливает энергию в форме электрической силы или поля). Давайте посмотрим, как это работает с точки зрения электрической цепи.Во-первых, обратите внимание, что мы будем использовать следующий символ для обозначения катушки индуктивности:

Так же, как конденсатор измеряется его емкостью, индуктивность измеряется его индуктивностью , , которая имеет единицы генри (представлен символом H — мы не будем углубляться в то, что именно генри есть, но достаточно сказать, что это уровень магнитного поля, создаваемого индуктором на ампер тока). Теперь мы рассмотрим схему с катушкой индуктивности (обозначенной цифрой L ) и резистором, включенным последовательно с источником напряжения.

Запуск путем включения выключателя S ₁ ; как обычно, это позволит току течь. Но индуктор будет реагировать, эффективно преобразовывая кинетическую энергию тока в магнитную энергию. В результате вместо тока «мгновенно» становится (вспомните закон Ома), он будет медленно увеличиваться до , поскольку индуктор «крадет» энергию для хранения в магнитном поле. (Вспомните, как ток через петлю «противостоит» обратному току из-за изменения магнитного поля.) В течение этого времени часть общего падения напряжения В будет на катушке индуктивности: сначала она будет полностью на катушке индуктивности, но это будет меняться по мере увеличения тока и увеличения общего падения напряжения. находится напротив резистора. Наконец, все падение напряжения будет на R, , а катушка индуктивности будет фактически проводом (помните, что это не что иное, как свернутый в спираль проводящий провод), но все равно будет иметь магнитное поле, сила которого связана с к индуктивности L .

Теперь давайте одновременно закроем S ₂ и откроем S ₁ . Обычно, поскольку катушка индуктивности представляет собой просто свернутый в спираль провод, мы ожидаем, что ток просто перестанет течь немедленно, потому что источник питания был отключен от цепи. Но помните, что индуктор отбирал энергию движения у заряда и сохранял ее в магнитном поле. Поскольку источник питания больше не поддерживает этот ток, магнитное поле будет распадаться, возвращая свою энергию к кинетической энергии заряда — другими словами, оно будет подавать ток в цепь до тех пор, пока магнитное поле не «истощится», и в этот момент нет больше тока будет течь.

В этом смысле катушка индуктивности похожа на конденсатор в том, что в ней накапливается энергия, которую он может высвободить, как если бы это был источник питания, хотя напряжение питания которого со временем уменьшается. К сожалению, физические концепции, связанные с индукторами и магнетизмом, очень сложны, поэтому мы представили только «ручное» обсуждение того, как работают индукторы. Тем не менее, этот несколько упрощенный взгляд на индукторы и магнетизм будет служить нашим целям.

Практическая задача : Переключатель S замкнут на долгое время, а затем разомкнулся. Что случится?

Решение : Эта проблема требует от нас применения ряда понятий, которые мы уже изучили. Во-первых, обратите внимание, что, поскольку переключатель S был замкнут в течение длительного времени, катушка индуктивности полностью «заряжена» (т. Е. Для тока , протекающего через R ₂ , катушка индуктивности окружена своим максимальным магнитным полем. ).Когда переключатель S разомкнут, происходит несколько вещей.

Во-первых, источник питания больше не подает ток на резисторы, но индуктор высвобождает накопленную энергию магнитного поля в виде кинетической энергии заряда (тока). Так же, как он «украл» ток для создания магнитного поля при подключении источника питания, он «вернет» этот ток в цепь в том же направлении.

Этот ток будет уменьшаться по мере затухания магнитного поля, в конечном итоге достигая нуля, когда вся накопленная энергия будет израсходована.Точно так же падение напряжения на резисторах одновременно упадет до нуля. Обратите внимание, что, хотя индуктор работает по другому механизму, он во многом похож на конденсатор в том, что он накапливает энергию, которая позже может быть высвобождена.

Что такое индуктор? — Простое и легкое руководство по индуктору

Я получил несколько писем с вопросом «Что такое индуктор?». И я понял, что это действительно хороший вопрос. Потому что это какой-то странный компонент.

Катушка индуктивности — это просто катушка с проволокой.

Сделать его невероятно просто — достаточно сделать несколько петель из проволоки. Но поскольку провода создают магнитные поля, вы скоро увидите, что они могут делать кое-что интересное.

Индуктор в цепи

Если вы изучаете электронику, первый важный вопрос: что делает катушка индуктивности в цепи?

Катушка индуктивности будет сопротивляться изменениям тока.

В схеме ниже у вас есть светодиод и резистор, соединенные последовательно с катушкой индуктивности.И есть переключатель для включения и выключения питания.

Без индуктора это была бы обычная светодиодная цепь, и светодиод включился бы сразу же, когда вы щелкаете выключателем.

Но индуктор — это компонент, который сопротивляется изменениям тока.

Когда переключатель выключен, ток не течет. Когда вы включаете выключатель, начинает течь ток. Это означает, что существует изменение тока, которому индуктор будет сопротивляться.

Таким образом, вместо того, чтобы ток сразу пошел от нуля до максимума, он будет постепенно увеличиваться до максимального значения.

(Максимальный ток для этой схемы устанавливается резистором и светодиодом.)

Поскольку сила тока определяет интенсивность света светодиода, индуктор заставляет светодиод постепенно загораться, а не мгновенно.

Примечание: Вам понадобится очень большая катушка индуктивности, чтобы можно было видеть, как светодиоды гаснут в приведенной выше схеме. Это не то, для чего вы бы использовали индуктор. Но используйте это как мысленный образ того, что индуктор делает в цепи.

Что происходит при отключении индуктора?

Катушка индуктивности также препятствует мгновенному отключению тока.Ток не просто перестанет течь в катушке индуктивности в одно мгновение.

Таким образом, когда вы выключаете питание, индуктор будет пытаться продолжить прохождение тока.

Это достигается за счет быстрого увеличения напряжения на его выводах.

На самом деле он настолько увеличивается, что вы можете получить небольшую искру на контактах вашего переключателя!

Эта искра позволяет току течь (через воздух!) В течение доли секунды, пока магнитное поле вокруг индуктора не разорвется.

Вот почему обычно диод помещают в обратном направлении через катушку реле или двигателя постоянного тока. Таким образом, индуктор может разряжаться через диод вместо того, чтобы создавать в цепи высокое напряжение и искры.

БЕСПЛАТНЫЙ бонус: Загрузите основные электронные компоненты [PDF] — мини-книгу с примерами, которая научит вас, как работают основные компоненты электроники.

Как работают индукторы

Любой провод, по которому протекает ток, окружено небольшим магнитным полем.

Когда вы наматываете провод в катушку, поле становится сильнее.

Если вы намотаете провод на магнитопровод, например, из стали или железа, вы получите еще более сильное магнитное поле.

Так создается электромагнит.

Магнитное поле вокруг индуктора зависит от силы тока. Итак, когда меняется ток, меняется магнитное поле.

Когда магнитное поле изменяется, на выводах индуктора создается напряжение, которое препятствует этому изменению.

Для чего можно использовать индукторы?

В типичных схемах для начинающих не так уж часто можно увидеть дискретные индукторы. Так что, если вы только начинаете, вы, вероятно, еще не встретите их.

Но они очень распространены в блоках питания. Например, для создания понижающего или повышающего преобразователя. И они распространены в радиосхемах для создания генераторов и фильтров.

Но гораздо чаще вы встретите электромагниты.И они в основном индукторы. Вы найдете их практически во всем, что движется от электричества. Например, реле, двигатели, соленоиды, динамики и многое другое.

А трансформатор — это, по сути, две катушки индуктивности, намотанные на один и тот же сердечник.

Если вы хотите узнать, как работают другие электронные компоненты, перейдите к основным компонентам в электронике.

Что такое индуктор? — Основы схемотехники

Катушка индуктивности — это пассивный двухконтактный электрический компонент, состоящий из катушки с проводом.Он сконструирован как резистор, который состоит из проволоки простой длины, свернутой в спираль. Он хранит энергию в магнитном поле, когда через него протекает электрический ток. Индуктор обычно состоит из изолированного провода, намотанного в катушку вокруг сердечника, предназначенного для использования магнетизма и электричества. Катушка индуктивности меняется каждый раз, когда через нее протекает ток.

Изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует в проводнике электродвижущую силу, описываемую законом индукции Фарадея. Однако закон Ленца гласит, что индуцированное напряжение имеет полярность, которая противодействует изменению тока, который его создал.Следовательно, индукторы препятствуют любым изменениям тока через них.

Катушка индуктивности способна накапливать энергию в виде магнитных полей. Поскольку электричество течет в катушку слева направо, оно создает магнитное поле по часовой стрелке.

Общие области применения индукторов

Использование индукторов зависит от требований к передаче электроэнергии. Его можно использовать в следующих целях:

Когда переменный ток протекает через катушки индуктивности, он создает ток в противоположном направлении.Затем индуктор перекрывает поток переменного тока и пропускает постоянный ток. Он используется в источнике питания, где переменный ток преобразуется в постоянный.

С помощью индукторов схемы настройки могут выбирать желаемую частоту. Электронные устройства, такие как схемы радионастройки и телевидение, используют конденсаторные типы вместе с катушкой индуктивности. Он изменяет частоту и помогает выбирать из нескольких каналов частоты.

• Для хранения энергии в устройстве

Катушки индуктивности могут накапливать энергию.Энергия сохраняется в виде магнитного поля и исчезает при отключении источника питания. Вы можете увидеть это в компьютерных схемах, где можно переключать блоки питания.

Индуктивные датчики приближения очень надежны в эксплуатации и являются бесконтактными. Основным принципом этого является индуктивность, которая представляет собой магнитное поле в катушке, препятствующее прохождению электрического тока. Механизм датчиков приближения используется в светофорах для определения плотности движения.

Реле действует как электрический выключатель.Использование катушки индуктивности в переключателе, который контактирует с потоком переменного тока, создает магнитное поле.

Индукторы регулируют скорость двигателя. Вал в двигателе будет вращаться из-за магнитного поля, создаваемого переменным током. Вы можете зафиксировать скорость двигателя в соответствии с частотой источника питания.

Вы можете спроектировать трансформатор, используя комбинацию индукторов с общим магнитным полем. Системы передачи энергии иллюстрируют одно из основных применений трансформаторов.Они используются для уменьшения или увеличения мощности передачи в качестве понижающих или повышающих трансформаторов.

В качестве фильтров можно использовать комбинацию катушек индуктивности и конденсаторов. Частота входного сигнала при входе в схему ограничивается с помощью этих фильтров. По мере увеличения частоты питания увеличивается и сопротивление катушки индуктивности.

Закон индукции Фарадея

Как обсуждалось в предыдущей статье об электромагнетизме, Майкл Фарадей экспериментировал с током, протекающим через катушку с проволокой, чтобы создать магнитное поле.Он наблюдал, будет ли магнитное поле индуцировать ток во второй катушке провода, но, к сожалению, магнитное поле не возникло. Позже он понял, что изменяющееся магнитное поле вызывает электрический ток в проволочной петле. Эту идею мы сейчас называем законом индукции Фарадея.

Эксперимент Фарадея

Закон индукции Фарадея гласит, что изменяющееся магнитное поле вызывает электродвижущую силу (ЭДС) в проводе контура. Электродвижущая сила заставляет электроны двигаться и образовывать ток.Изменение площади проволочной петли и изменение угла между петлей и магнитным полем индуцирует ток. Это связано с тем, что непосредственно индуцирует ЭДС, известную как магнитный поток. Магнитный поток — это полное магнитное поле, которое проходит через проволочную петлю, и когда это поле изменяется, оно индуцирует электродвижущую силу.

Уравнение магнитного потока:

Различные типы индукторов

Существуют различные типы индукторов в зависимости от материала, из которого они изготовлены.

Индуктор с воздушным сердечником

Катушки индуктивности с керамическим сердечником также называют индукторами с воздушным сердечником. Керамика — наиболее часто используемый материал для сердечников индуктора. Его основная цель — придать форму катушке. Он имеет очень низкие потери в сердечнике и высокое качество, что делает его идеальным для высокочастотных приложений, где требуются низкие значения индуктивности. Кроме того, керамика имеет очень низкий коэффициент теплового расширения. Даже для диапазона рабочих температур стабильность индуктивности индуктора высока.Не будет увеличения значения проницаемости из-за материала сердечника, поскольку керамика не имеет магнитных свойств. При создании радиочастотных настроечных катушек, цепей фильтров и демпфирующих цепей используются индукторы с воздушным сердечником, чтобы обеспечить более низкую пиковую индуктивность и в высокочастотных приложениях, таких как теле- и радиоприемники.

Примеры характеристик:

• Допуск: ± 2%
• Индуктивность: 0,85 мГн
• Сечение провода: 18 AWG
• Сопротивление постоянному току: 0,44 Ом
• Допустимая мощность: 30 Вт RMS

Индуктор с железным сердечником

Катушки индуктивности

с железным сердечником — лучший вариант, когда вам нужны небольшие индукторы.У них высокая мощность и высокое значение индуктивности. Однако их пропускная способность на высоких частотах ограничена. Он применим в звуковом оборудовании, но, в отличие от других индукторов с сердечником, имеет ограниченное применение.

Индуктор с ферритовым сердечником

Его еще называют ферромагнитным материалом. Он обладает магнитными свойствами и состоит из смешанного оксида металла, железа и других элементов для создания кристаллических структур.

Есть два типа ферритов — мягкие ферриты и твердые ферриты.Они классифицируются по магнитной коэрцитивности, которая представляет собой напряженность магнитного поля, необходимую для размагничивания ферромагнитного материала от состояния полного насыщения до нуля. Феррит состоит из XFe204, где X представляет собой переходные материалы. Чаще всего используются комбинации намагниченных материалов: марганец и цинк (MnZn) или цинк и никель (NiZn). Ферритовый сердечник имеет множество применений. Его можно использовать на высоких и средних частотах, в цепи переключения и Pi-фильтрах.

Примеры характеристик:

• Запатентованные ферритовые материалы 5H и 10H и эквивалентные
• Подходит для диапазона ≥ 150 кГц
• Диапазон рабочих температур от −25 ° C до + 120 ° C
• Огнестойкий материал UL 94 V – 0, рассчитанный на основу и бобину

Расчет напряжения на индукторе

При расчете напряжения на катушке индуктивности мы используем формулу:

Чтобы рассчитать напряжение на катушке индуктивности, нам нужно сначала найти L.L — это индуктивность, выраженная в Генри, и производная тока, проходящего через катушку индуктивности.

Пример: Если ток, протекающий через катушку индуктивности, составляет 60sin (2000t), а ее индуктивность составляет 70 мкГн, каково напряжение на катушке индуктивности?

Расчет тока через индуктор

При расчете напряжения на катушке индуктивности мы используем формулу:

Чтобы рассчитать ток через катушку индуктивности, нам нужно сначала найти L. L — это индуктивность, выраженная в Генри, и интеграл напряжения, проходящего через катушку индуктивности.

Примечание: I _o — это начальный ток, проходящий через катушку индуктивности, если таковая имеется.

Пример: Если напряжение на катушке индуктивности составляет 6cos (3000t) В, а индуктивность катушки индуктивности составляет 6 мкГн, какой ток проходит через катушку индуктивности? (Начальные условия: I _o = 0A)

Расчет индуктивности проволочной катушки

При расчете индуктивности катушки с проволокой мы используем формулу:

Магнитный поток вокруг катушки вызывает ее индуктивность.Чем сильнее магнитный поток для определенного значения тока, тем больше его индуктивность. Это означает, что у вас будет более высокая индуктивность при большем количестве витков катушки и более низкая индуктивность при меньшем количестве витков. Таким образом, приведенная выше формула показывает, что индуктивность пропорциональна квадрату числа витков.

Как построить катушку индуктивности с проволокой

Чтобы вычислить удельную индуктивность по Генри, мы можем использовать формулу:

Где:

• L = индуктивность в Micro Henries [мкГн]
• d = диаметр катушки от одного центра провода до другого центра провода.Его следует указывать в дюймах.
• l = длина катушки, указанная в дюймах
• n = количество витков

Но при этом помните следующее:

• Длина катушки, используемой в индукторе, должна быть равна или 0,4 диаметра катушки.

• Как показано в приведенной выше формуле, индуктивность индуктора с воздушным сердечником изменяется как квадрат числа витков. Таким образом, значение длины умножается в четыре раза, если количество витков удваивается.Значение длины умножается на два, если количество витков увеличивается до 40%.

Как намотать катушку

1. Сначала катушка должна быть намотана на пластиковый каркас соответствующего диаметра и должен быть равен диаметру сердечника.
2. Обмотка должна быть плотной, а соседние витки должны располагаться как можно ближе.
3. После завершения намотки медленно извлеките сердечник, не трогая катушку.
4. Нанесите тонкий слой эпоксидной смолы на поверхность змеевика для механической поддержки.
5. Наконец, снимите изоляцию с концов катушки.

Пример. Допустим, вам нужно сделать катушку индуктивности, обеспечивающую индуктивность 20 мкГн. Диаметр катушки составляет 2 дюйма, а длина катушки — 2,25 дюйма. Вам нужно найти количество витков катушки.

Подставляя значения в приведенную выше формулу, где:

• L = 20 дюймов
• d = 2 дюйма
• l = 2,25 дюйма

Катушка провода Характеристики , влияющие на индуктивность

1.Количество витков или витков в катушке

Чем больше витков провода в катушке, тем большее количество генерируемого магнитного поля измеряется в ампер-витках. Это означает, что чем больше витков провода в катушке, тем больше индуктивность, а чем меньше витков, тем меньше индуктивность.

2. Площадь змеевика

Площадь катушки измеряется в продольном направлении через катушку в поперечном сечении сердечника. Большая площадь катушки дает меньшее сопротивление формированию потока магнитного поля при определенной силе поля.Это означает, что большая площадь катушки приводит к большей индуктивности, а меньшая площадь катушки приводит к меньшей индуктивности.

3. Длина рулона

Чем больше длина катушки, тем меньше индуктивность, и, наоборот, чем короче длина катушки, тем больше индуктивность. Из широко разнесенной катушки получается относительно длинная катушка. Этот тип катушки имеет меньше магнитных связей из-за большего расстояния между каждым витком. Следовательно, он имеет относительно низкую индуктивность. С другой стороны, катушка с близко расположенными витками образует относительно короткую катушку.Это близкое расстояние увеличивает потокосцепление, увеличивая индуктивность катушки. Удвоение длины катушки при сохранении того же числа витков снижает индуктивность вдвое.

4. Основной материал

Чем больше магнитная проницаемость сердечника, тем больше индуктивность. Магнитный сердечник сердечника из мягкого железа — лучший путь для магнитных силовых линий, чем немагнитный сердечник. Высокая проницаемость магнитного сердечника из мягкого железа имеет меньшее сопротивление магнитному потоку, что приводит к большему количеству магнитных силовых линий.Это увеличение магнитных силовых линий увеличивает силовые линии, разрезая каждую петлю катушки. Затем он увеличивает индуктивность катушки.

Учебное пособие по индуктору

: работа и использование в практических схемах

Индуктор

— это пассивный компонент в электронике, который считается самым важным после резисторов и конденсаторов. Говоря об индукторах, это не что иное, как проволока, плотно намотанная на сердечник. Это руководство написано, чтобы дать хорошее представление о работе индукторов и их использовании в практических схемах.В этом руководстве рассматриваются три важных вопроса, которые могут возникнуть у энтузиастов об индукторах.

1. Что такое индуктор? — 3 минуты
2. Как работает индуктор? — 5 минут
3. Как использовать их в схемах? — 7 минут

К концу этого урока вы получите хорошее представление о работе индукторов. Также вы сможете распознать использование индукторов в любых цепях, которые вы увидите. Вы можете ознакомиться с нашими руководствами по другим компонентам

ЧТО ТАКОЕ ИНДУКТОР

Как уже говорилось, индуктор — это не что иное, как изолированный провод, плотно намотанный на сердечник.Этот сердечник может быть из ферромагнитного материала или пластмассы или, в некоторых случаях, полый (воздушный). Это основано на принципе «Магнитный поток возникает вокруг проводника с током» . Если вы знаете о конденсаторах, вы должны знать, что конденсатор накапливает энергию, накапливая на своих пластинах одинаковые и противоположные заряды. Точно так же индуктор накапливает энергию в виде магнитного поля, развивающегося вокруг него. Индукторы по-разному реагируют на переменный и постоянный ток. Но прежде чем углубиться в «Работу индукторов».Посмотрим на его конструкцию и характеристики.

КОНСТРУКЦИЯ ИНДУКТОРА:

Индуктор

довольно просто собрать из всех других компонентов, используемых в электронике. Вот руководство по созданию простого индуктора. Все, что требуется, — это изолированный провод и материал сердечника, чтобы намотать катушку. Сердечник — это не что иное, как материал, на который намотана проволока, как показано на диаграмме выше. Существуют различные типы индукторов в зависимости от материала сердечника, из которого они изготовлены. Некоторые из распространенных материалов сердечника — это железо, ферромагниты и т. Д.Помимо типов материала сердечника, он бывает разных размеров и форм: циклиндрический, стержневой, торроидный и листовой. В отличие от этого есть также индукторы, у которых нет физических ядер. Они известны как индукторы с полым сердечником или воздушным сердечником. Ядро играет важную роль в изменении индуктивности индуктора.

КАК РАБОТАЕТ ИНДУКТОР

Начнем с констатации того факта, что «Магнитный поток будет развиваться через проводник с током».Точно так же, когда ток подается через индуктор, вокруг него создается магнитный поток. Другими словами, энергия, приложенная к индуктору, сохраняется в виде магнитного потока. Направление развиваемого магнитного потока будет противоположным направлению потока тока. Поэтому индукторы сопротивляются резкому изменению тока, протекающего через них. Эта способность индуктора называется индуктивностью, и каждый индуктор будет иметь некоторую индуктивность. Это обозначается символом L и измеряется в Генри.

Индуктивность индуктора зависит от формы катушки, количества витков обмотки на сердечнике, площади сердечника и коэффициента проницаемости материала сердечника.Индуктивность индуктора равна

.

L = мкН ² А / л

L — Индуктивность катушки

μ — Проницаемость материала сердечника

A — Площадь змеевика в квадратных метрах

N — Количество витков в катушке

л — Средняя длина змеевика в метрах

ИНДУКТОРЫ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА:

Как было сказано ранее, индуктор действует иначе, чем переменный ток, по сравнению с источником сигнала постоянного тока. Когда сигнал переменного тока подается на индуктор, он создает магнитное поле, которое изменяется во времени, потому что ток, создающий поле, сам изменяется во времени.Это явление согласно закону Фарадея вызывает самоиндуцированное напряжение на индукторе. Это самоиндуцированное напряжение обозначается V _L . Фактически, напряжение, возникающее на катушке индуктивности, действует в направлении, противоположном току, сопротивляющемуся им. Это напряжение на индукторе определяется формулой

.

В _L = L di / dt

VL — Напряжение самоиндукции

di / dt — Изменение тока относительно времени

Если 1 ампер тока по отношению к одной секунде, когда он протекает через один индуктор Генри, разовьется на 1 вольт через индуктор.Теперь вы видите, как ток, протекающий через катушку индуктивности, влияет на развиваемое на ней напряжение. Это возникающее напряжение действует противоположно току, протекающему через индуктор.

V-I ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНДУКТОРА:

Давайте лучше поймем вышеупомянутые концепции, обратившись к характеристической кривой индуктивности. Когда положительный цикл сигнала переменного тока проходит через индуктор, ток увеличивается. Мы знаем, что Inductor ненавидит изменения тока, поэтому он вырабатывает индуцированное напряжение, которое действует против тока, вызывающего его.На графике выше при 0 ° вы можете увидеть, что индуцированное напряжение будет максимальным, когда ток начнет расти. Как только ток достигает максимума, индуцированное напряжение становится отрицательным, чтобы предотвратить уменьшение тока.

Этот цикл повторяется, и из приведенного выше графика мы можем видеть, что индуцированное напряжение, возникающее в индукторе, будет действовать против изменяющегося тока, протекающего через него. А здесь напряжение и ток сдвинуты по фазе на 90 °. Таким образом, с сигналом переменного тока индуктор накапливает и высвобождает энергию в виде магнитного поля в непрерывном цикле.

ИНДУКТОР В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА:

Теперь у нас есть представление о том, как индуктор работает с источником сигнала переменного тока. Давайте посмотрим, как он реагирует при использовании с источником сигнала постоянного тока. Напомним, формула наведенного напряжения на индукторе равна

.

В _L = L di / dt

При использовании источника сигнала постоянного тока изменение тока во времени будет равно нулю, в результате чего индуцированное напряжение на индукторе будет равно нулю. Проще говоря, в цепях постоянного тока индуктор ведет себя как простой простой провод с некоторым сопротивлением, вызванным его проводом.Но это еще не все, когда в практических схемах используется индуктор с источником сигнала постоянного тока. В практических схемах будет короткий период времени, необходимый току для достижения максимального значения от нуля. В этот момент на индукторе будет индуцированное напряжение, которое будет отрицательным максимумом, когда ток начнет двигаться от нуля до максимального значения. Как только ток достигает стабильного состояния постоянного тока, индуцированное напряжение резко падает до нуля и обнуляется. Этот короткий промежуток индуцированного напряжения будет проявляться как всплеск напряжения на индукторе при использовании с источником сигнала постоянного тока.

ИНДУКТИВНАЯ РЕАКТИВНОСТЬ:

Еще одна важная вещь, которую нужно знать об индукторах, — это реактивность. Это резистивное свойство, проявляемое такими компонентами, как конденсатор и индуктор для сигнала переменного тока. Реактивное сопротивление, отображаемое индуктором, называется индуктивным реактивным сопротивлением и выражается формулой

.

X _L = 2πFL

Из уравнения вы можете вывести, что реактивное сопротивление увеличивается с частотой сигнала переменного тока, помните, что индуктор ненавидит изменение тока, поэтому он демонстрирует большее реактивное сопротивление к высокочастотным сигналам.Тогда как, когда частота близка к нулю или сигнал постоянного тока проходит через реактивное сопротивление становится равным нулю, действуя как проводник для прохождения входного сигнала.

ПРИМЕНЕНИЕ ИНДУКТОРА

Теперь мы прошли немного скучную и расплывчатую рабочую часть индуктора. Давайте узнаем, как использовать индукторы в схемах. Для этого давайте взглянем на его приложения. Применение индуктора — самая захватывающая часть этого руководства. В этом разделе обсуждаются наиболее важные приложения / схемы, в которых используется индуктор.Если вы где-нибудь найдете индуктор в цепи, велика вероятность, что он подпадает под одно из следующих применений индукторов.

ОСЦИЛЛЯТОРЫ / НАСТРОЕННЫЕ ЦЕПИ:

Это схемы, которые используются в радиопередатчиках, приемниках, генераторах и приложениях, где важен выбор частоты. Здесь индуктор работает вместе с конденсатором. Если вы знаете о работе конденсатора, вы знаете, что он демонстрирует высокое реактивное сопротивление к низкочастотным сигналам, тогда как индуктор предлагает высокое реактивное сопротивление к высокочастотным сигналам.В этой схеме значение индуктора и конденсатора должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить равное реактивное сопротивление при заданной входной частоте. Это состояние называется разумной частотой, а соответствующая частота называется разумной частотой. В Reasonance эта схема способна генерировать сигналы соответствующей частоты, чтобы действовать как осциллятор или принимать сигналы этой частоты из сложного сигнала.

Когда конденсатор в этой цепи заряжается, он накапливает заряды между пластинами.После отключения питания ток от конденсатора проходит через индуктор, в результате чего вокруг него создается магнитное поле. К этому времени заряд, хранящийся в конденсаторе, будет исчерпан, и ток перестанет течь к индуктору. Как мы знаем, индуктор любит постоянный ток, и в результате он будет пытаться поддерживать постоянный ток, сжимая свое магнитное поле и позволяя току течь обратно к конденсатору. Конденсатор снова будет полностью заряжен. Заряд течет вперед и назад между конденсатором и индуктором, в результате чего генерируется сигнал фиксированной разумной частоты.

Причина определяется по формуле f ₀ = 1 / 2π√ (LC)

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПУСКОВОГО ТОКА:

Пусковые токи, также известные как импульсный ток или входной импульсный ток, в значительной степени способны разрушать цепи. Это мгновенные токи, потребляемые нагрузкой или электрическим устройством при их включении. Поразительно, что этот пусковой ток может быть в 40-50 раз выше, чем ток в установившемся режиме, и потенциально способен разрушать устройства.Пусковой ток обычно возникает из-за мгновенного высокого тока, необходимого для работы конденсаторов большой емкости, трансформаторов, которые должны быть защищены от попадания в оборудование.

Индуктор — широко распространенный способ предотвращения повреждения цепи пусковым током. Когда цепь включена, течет мгновенный сильный ток, который изменяется во времени. Индуктор противодействует этому изменению тока, создавая вокруг себя магнитное поле, которое создает самоиндуцированное напряжение, которое противодействует этому высокому току от источника питания.Через некоторое время, когда ток возвращается в установившееся состояние, магнитное поле схлопывается и высвобождает накопленную энергию в цепь в виде тока. Как только ток станет постоянным, индуктор больше не будет противодействовать ему и предлагает свободный путь току, протекающему через него.

ФИЛЬТРЫ:

Это особый тип цепей, используемых для фильтрации или устранения сигналов нежелательной частоты, которые позволяют сигналам проходить только в желаемых пределах. Используя индуктор вместе с пассивными компонентами, такими как резистор и конденсатор, мы можем создать три различных типа фильтров, которые могут служить нашей цели фильтрации сигнала.

ФИЛЬТР НИЗКОГО ПРОХОДА:

Как следует из названия, этот фильтр используется в схемах, где вам необходимо отфильтровать сигналы с частотой выше, чем частота среза из входящего сигнала. Термин частота среза относится к пределу частоты, установленному значением компонентов, используемых в этом фильтре. Итак, здесь значение индуктора и резистора определяет частоту среза. Этот фильтр разрешает сигнал, частота которого ниже этого предела среза и выше этого предела, будет блокироваться этим фильтром.

В этом фильтре происходит то, что когда входящий сигнал имеет высокую частоту, реактивное сопротивление индуктора будет очень высоким. Реактивное сопротивление определяется значением индуктивности и частотой, как мы видели в формуле X _L = 2πFL. Катушка индуктивности вместе с резистором образует делитель напряжения, где при более высокой частоте реактивное сопротивление (сопротивление) индуктора будет выше. Более высокое реактивное сопротивление позволяет индуктору эффективно ослаблять сигналы, и поэтому на выходе будет нулевое напряжение или близкое к нулю.

Частота среза этого фильтра нижних частот может быть рассчитана с использованием f _c = R / 2πL

ФИЛЬТР ВЫСОКОГО ПРОХОДА:

Здесь в этом фильтре верхних частот поменяны местами индуктор и резистор. Этот фильтр пропускает только высокочастотные сигналы, в отличие от фильтра нижних частот. Здесь разрешены сигналы с частотой выше частоты среза. А сигналы с частотой ниже этой будут ослабляться / блокироваться. Когда сигнал низкой частоты проходит через цепь, реактивное сопротивление индуктора будет очень низким по сравнению с сопротивлением резистора, поэтому падение напряжения на резисторе будет очень высоким, а выходной сигнал будет нулевым или близким к нулю.

Когда через цепь проходит высокочастотный сигнал, индуктор демонстрирует высокое реактивное сопротивление по сравнению с резистором R1. Следовательно, резистор обеспечивает очень меньшее затухание входящих сигналов, заставляя высокочастотные сигналы выходить на выходе с очень меньшим или нулевым затуханием. Таким образом пропускается высокочастотный сигнал, а низкочастотный сигнал блокируется.

Частоту среза этого фильтра можно рассчитать, используя f _c = R / 2πL

ПОЛОСНЫЙ ПРОХОДНОЙ ФИЛЬТР:

В этом фильтре через них может проходить только полоса частот, и все, что находится за пределами этой частоты, будет отклонено.В отличие от фильтра низких и высоких частот, полосовой фильтр имеет две частоты среза. Будет разрешено проходить только верхнюю и нижнюю частоту среза и сигнал частоты между этими частотами.

Работа этого фильтра в основном зависит от параллельно подключенных индуктора и конденсатора. Это контур резервуара, как мы видели ранее в настроенном контуре. Если вы помните, что вы видели в разделе «Настроенная схема», резонансная частота — это частота, при которой реактивное сопротивление индуктора и конденсатора на входящий сигнал будет одинаковым.Реактивное сопротивление, определяемое парой индуктивности и конденсатора, будет высоким по сравнению с сопротивлением резистора, когда входящий сигнал близок к разумной частоте или около нее. Следовательно, полоса частот, близкая к разумной, будет проходить через фильтр. Частоты вне этого диапазона будут заблокированы.

УСИЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ:

Бустеры напряжения — это схемы, которые используются для повышения входящего напряжения до определенного уровня. Он показывает более высокое выходное напряжение, чем входное.Катушки индуктивности являются наиболее важным элементом в схемах повышения напряжения из-за их способности создавать самоиндуцированную ЭДС при протекании через них тока переменного тока. Выше показана типичная схема усилителя, в которой на индуктор подается постоянный ток. С другой стороны, к нему подключен полевой МОП-транзистор. MOSFET будет включаться и выключаться с постоянными интервалами от источника сигнала.

Когда MOSFET включен, ток течет от источника питания к индуктору, а затем проходит через MOSFET.Это создает магнитный поток, а также самоиндуцированное напряжение на индукторе. Когда MOSFET выключен с помощью источника сигнала, это приводит к уменьшению протекания тока. Индуктор теперь будет пытаться поддерживать постоянный ток. В результате самоиндуцированное напряжение переключает полярность, заставляя его действовать как напряжение, последовательно подключенное к источнику питания G1.

Это комбинированное напряжение (напряжение от источника питания G1 и самоиндуцированное напряжение на L1) будет пропускать ток через диод и заряжать конденсатор до этого уровня напряжения.Когда полевой МОП-транзистор включается и выключается достаточно быстро, конденсатор будет сохранять это напряжение и показывать этот уровень напряжения на выходе. Таким образом, используя такие схемы, вы получите повышенное напряжение на выходе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИНДУКТОРОВ:

• Индуктор — это пассивный элемент, что означает, что он не может генерировать энергию самостоятельно.
• Противодействует изменениям тока, протекающего через него.
• Индуктор предлагает путь с низким сопротивлением при подаче на него сигнала постоянного тока.
• При подаче сигнала переменного тока вокруг индуктора формируется магнитное поле, в результате чего возникает самоиндуцированное напряжение, которое противодействует изменению тока, протекающего через него.
• В отличие от конденсатора, индуктор предлагает высокое сопротивление к высокочастотным сигналам и низкое сопротивление к низкочастотным сигналам.
• Важные области применения индукторов — в радиопередатчиках, приемниках, источниках питания, фильтрах сигналов и т. Д.

Это в основном об индукторах и их применении в практических схемах.Мы предлагаем вам дважды прочитать это руководство по работе с индукторами и по применению, чтобы получить четкое представление об индукторах. Этот учебник, должно быть, помог вам определить цель использования индуктора в любых схемах в будущем. Есть также другие приложения Inductor, которые мы не рассмотрели в этом руководстве, но мы рассмотрим их в другом руководстве, которое будет опубликовано в ближайшие дни.

Здесь вы можете найти учебные материалы по другим электронным компонентам на нашем веб-сайте. В будущем мы будем публиковать больше электронных руководств.Подпишитесь на нашу рассылку новостей и следите за нами через каналы социальных сетей, чтобы получать регулярные обновления с нашего веб-сайта. Если у вас есть какие-либо сомнения, которые нуждаются в разъяснении или дополнительном объяснении, оставьте свои вопросы в поле для комментариев ниже. Или, если вы считаете, что мы упустили что-то важное в этом уроке, дайте нам знать, мы добавим их.

Связанное содержание

Катушки индуктивности и резисторы в цепях постоянного тока

• Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• • Переходные события в цепях постоянного тока.
• • Отношения переходного напряжения и тока в простой цепи LR.

Рис. 4.4.1 Контур LR

В цепи, которая содержит индуктивность (L), а также сопротивление (R), например, та, что показана на рис. 4.4.1, когда переключатель замкнут, ток не сразу повышается до значения в установившемся состоянии, а увеличивается в ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНАЯ мода. Это связано с тем, что ОБРАТНАЯ ЭДС создается изменением тока, протекающего через катушку индуктивности.Эта обратная ЭДС имеет амплитуду, пропорциональную СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ тока (чем выше скорость изменения, тем больше обратная ЭДС), и полярность, которая противодействует изменению тока в катушке индуктивности, которое вызвало ее изначально.

Обратная ЭДС возникает из-за того, что изменяющийся ток в катушке индуктивности вызывает изменение магнитного поля вокруг нее, а изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, вызывает индукцию ЭДС обратно в катушку индуктивности. Этот процесс называется САМОИНДУКЦИЕЙ.

Ток через индуктор

Рис.4.4.2 Ток через индуктор

Поскольку обратная ЭДС препятствует быстрому изменению тока, происходящему в катушке индуктивности, скорость изменения тока снижается, и то, что было бы вертикальной линией на графике (рис. 4.4.2), становится наклоном. Скорость изменения тока через катушку индуктивности теперь меньше, поэтому образуется меньшая обратная ЭДС. Это позволяет току увеличиваться дальше. Взаимосвязь между изменяющимся током и противо-ЭДС дает кривую, которая всегда следует математическому закону, чтобы получить конкретную форму кривой i.е. экспоненциальная кривая. Когда переключатель разомкнут, ток спадает экспоненциально до нуля.

Напряжение на индукторе

Рис. 4.4.3 Напряжение на индукторе

Глядя на Рис. 4.4.3, на котором показано напряжение (V _L ) на катушке индуктивности (L), мы видим, что при включении напряжение сразу же возрастает до максимального значения. Это связано с тем, что к цепи прикладывается напряжение, и ток мало или отсутствует, потому что L эффективно (в течение очень короткого времени) очень высокое сопротивление из-за эффекта обратной ЭДС, вызванного быстро изменяющимся (расширяющимся) магнитным полем вокруг индуктор индуцирует напряжение (обратная ЭДС) обратно в катушку индуктивности, полярность которой противоположна приложенному напряжению от источника питания, и поэтому первоначально препятствует увеличению тока через индуктор.Из-за этого противодействия, вызванного обратной ЭДС, сначала кажется, что индуктор имеет очень высокое сопротивление. и поэтому полное напряжение питания вырабатывается на катушке индуктивности. Однако по мере того, как ток через L начинает нарастать, скорость изменения магнитного поля уменьшается, противодействие из-за обратной ЭДС уменьшается, и кажущееся « сопротивление » индуктора падает до низкого значения (реальное сопротивление проволочной катушки). и напряжение V _L уменьшается до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой все напряжение батареи вырабатывается на резисторе R; напряжение или разность потенциалов (pd) на L практически равна нулю, и теперь энергия накапливается в магнитном поле вокруг индуктора.

При отключении тока магнитное поле теперь коллапсирует, а не растет, как при включении. Это коллапсирующее магнитное поле теперь возвращает свою энергию в катушку индуктора и индуцирует напряжение (обратную ЭДС) в катушке индуктивности, но поскольку изменение силы магнитного поля происходит в направлении, противоположном расширяющемуся полю при включении, индуцированное напряжение составляет теперь с противоположной полярностью, как показано на рис. 4.4.3. Индуцированная обратная ЭДС теперь противодействует уменьшению причины тока путем выключения, замедляя спад тока, как это видно на рис.4.4.2.

Быстрый коллапс магнитного поля при размыкании переключателя может вызвать очень большие всплески напряжения, поскольку величина индуцированного напряжения зависит от скорости изменения магнитного поля. Возникающее высокое напряжение может привести к возникновению дуги на контактах переключателя, поскольку напряжение перепрыгивает через промежуток между контактами. Эти большие всплески напряжения могут также повредить другие компоненты в цепи, особенно полупроводники, поэтому необходимо соблюдать осторожность при проектировании цепей, содержащих индукторы или управляющих индуктивными нагрузками, чтобы предотвратить эти всплески.Однако в некоторых схемах, где требуются высокие напряжения, этот эффект также можно использовать с пользой, подав прямоугольную волну на катушку индуктивности. Возникающие очень большие всплески напряжения можно затем выпрямить с помощью специальных высоковольтных диодов для получения постоянного напряжения в тысячи вольт.

Как работают индукторы? — Utmel

Катушки индуктивности — это элементы накопления энергии, которые преобразуют электрическую энергию в магнитную энергию для хранения. Он похож на трансформатор, но индуктор имеет только одну обмотку.Структура индуктора обычно состоит из каркаса, обмотки, экрана, упаковочного материала, железного сердечника и магнитопровода.

Каталог

Ⅰ Введение

Индукторы — это элементы накопления энергии, которые преобразуют электрическую энергию в магнитную для хранения. Он похож на трансформатор, но индуктор имеет только одну обмотку. Конструкция индуктора обычно состоит из каркаса, обмотки, экрана, упаковочного материала, железного сердечника и магнитопровода.Индуктор — это пассивный электронный компонент, который может накапливать электрическую энергию в виде магнитного потока. Когда ток течет, справа от направления тока создается магнитное поле. В своей базовой форме индуктор может быть такой же простой, как проволочная катушка. Сделав провода вокруг сердечника, можно увеличить индуктивность вдвое. Характеристики материала магнитопровода имеют большое влияние на значение индуктивности, и характеристики индуктивности также могут быть оптимизированы за счет формы.

Катушки индуктивности обладают важными характеристиками, которые инженеры могут использовать для управления энергией и управляющими сигналами. Основные характеристики индуктора: 1. В отличие от резистора, электрическая энергия, связанная с индуцированным током, не будет рассеиваться в виде тепла, а будет накапливаться в соответствующем магнитном поле. 2. Когда ток индуктора прерывается, он возвращается в цепь; 3. Поведение катушки индуктивности зависит от частоты; 4. Когда магнитное поле накапливает энергию, которую оно может принять, индуктор «насыщается».После этого, если произойдет увеличение тока, напряженность магнитного поля не увеличится, а избыточная электрическая энергия будет рассеиваться в виде тепла.

Используя эти характеристики, катушки индуктивности обычно используются для моделирования цепей фильтров и для управления потоком энергии в импульсных преобразователях мощности.

Ⅱ Единица индуктивности

Поскольку индуктивность была обнаружена американским ученым Джозефом Генри, единицей индуктивности является «Генри». Единица индуктивности — Генри (Гн).6 мкГн.

Когда на катушку индуктивности подается напряжение, скорость нарастания тока зависит от напряжения и значения индуктивности. Потенциал 1 В на катушке индуктивности 1H увеличивает ток со скоростью 1 А в секунду. Применимая здесь формула: V = L * di / dt. Ток 1 А через катушку может создать магнитный поток 1 Вт, поэтому эта катушка имеет индуктивность 1 Гн.

Кроме того, существуют индукторы общего назначения и прецизионные индукторы, как показано ниже:

	Прецизионный индуктор			Индуктор общего назначения
Symbol	F	G	J	K		M
Допуск	1%	2%	5%	10%	15%	20%

Ⅲ Что делает индуктор?

1.Роль индукторов в переменном токе

Когда переменный ток течет в индуктор и индуктор будет препятствовать его изменению. Он не сразу становится большим, а увеличивается медленно. Когда питание переменного тока отключено, индуктор переменного тока не потеряет сразу, а постепенно станет меньше.

Этот процесс хорошо видно по изменению яркости лампы накаливания. В цепи переменного тока последовательно в цепь включены индукторы, лампы накаливания, переключатели и т. Д.При замкнутом выключателе лампа накаливания включается не мгновенно, а из темного в яркое. Когда выключатель выключен, лампа накаливания не выключается внезапно. Он меняется от светлого к темному. Весь процесс ясно показывает, что рабочая функция индуктора заключается в стабилизации тока. Электрическая энергия преобразуется в магнитную энергию, а затем магнитная энергия преобразуется в электрическую. В обоих процессах первый представляет собой лампу накаливания от темного к яркому, а второй — от яркого к темному.

2. Роль катушек индуктивности в фильтрации индуктивности

В цепи постоянного тока, когда через индуктор протекает ток, в катушке мгновенно создается индуцированное магнитное поле, и магнитное поле индуцирует ток. . Направление индуцированного тока и тока, протекающего через катушку индуктивности, противоположны, что будет препятствовать прохождению внешнего тока. Текущий ток стабилизируется, и индуцированное магнитное поле больше не будет изменяться, поэтому постоянный ток может течь плавно.Из этого процесса мы видим, что индуктивность фактически препятствует изменению тока. При прохождении через переменный ток, поскольку переменный ток изменяется в любое время, индуктивность всегда сопротивляется этому изменению и препятствует прохождению переменного тока.

Рисунок 1. Схема фильтра & pi; -типа

Препятствующее влияние катушки индуктивности на переменный ток называется индуктивным реактивным сопротивлением, и оно связано с частотой переменного тока и индуктивностью.Чем выше частота переменного тока, тем больше индуктивность и индуктивное реактивное сопротивление. Воспользовавшись этой функцией, мы часто используем ее при фильтрации источников питания. На рисунке выше показана схема фильтра типа & pi;, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности. После фильтрации конденсатора в сигнале постоянного тока будут небольшие колебания. Однако катушка индуктивности может препятствовать изменению тока, так что она может подавлять эти небольшие колебания, тем самым выводя более чистую мощность постоянного тока.

За исключением описанных выше эффектов блокировки и фильтрации, индуктор также выполняет функции подавления помех электромагнитных волн, фильтрации сигналов, стабилизации тока и фильтрации шума.

Ⅳ Как работают индукторы?

Рисунок 2. Простая конструкция индуктора

На принципиальной схеме индуктор выглядит следующим образом:

Рисунок 3. Обозначение индуктора

Когда через провод течет ток, вокруг него создается концентрическое магнитное поле. В это время, если провод сгибается в «форму пружины», как показано на рисунке, магнитный поток внутри индуктора будет указывать в том же направлении, тем самым усиливая магнитное поле.Регулируя количество витков, можно создать магнитное поле, пропорциональное количеству витков. Это принцип работы индуктора.

Рисунок 4. Принцип индуктора

Магнитное поле создается, когда ток проходит через индуктор, и наоборот, изменения магнитного поля вызывают ток. (Закон электромагнитной индукции)

E = L ・ (di / dt)

L: Самоиндукция катушки индуктивности E: Обратная ЭДС

Противоэлектродвижущая сила E, генерируемая в катушке индуктивности, пропорциональна скорости изменения тока на единицу времени (di / dt), поэтому это не происходит, когда определенный ток продолжает течь в том же направлении, что и постоянный ток.Другими словами, катушка индуктивности не влияет на постоянный ток, а только на переменный ток, чтобы блокировать ток. Используя это свойство индуктора, его можно использовать в качестве сопротивления (импеданса) в цепи переменного тока. Полное сопротивление Z (единица Ом) индуктора составляет:

Z = ωL = 2πfL

f — частота переменного тока, а L — собственная индуктивность индуктора.

Катушка индуктивности — это пассивный электронный компонент, который может накапливать электрическую энергию в виде магнитного потока. Обычно провод наматывают, при прохождении тока магнитное поле создается с правой стороны от направления тока.

Рисунок 5. Магнитное поле индуктора

Формула расчета значения индуктивности приведена ниже. Чем больше количество валков, тем сильнее магнитное поле. В то же время увеличение площади поперечного сечения или изменение магнитопровода может усилить магнитное поле.

Рисунок 6. Формула расчета значения индуктивности

Итак, давайте посмотрим, что происходит с индуктором, когда через него протекает переменный ток.Переменный ток относится к току, величина и направление которого периодически меняются со временем. Когда через катушку индуктивности проходит переменный ток, создаваемое током магнитное поле отключает другие обмотки, создавая обратное напряжение, которое препятствует изменению тока. В частности, когда ток внезапно увеличивается, электродвижущая сила в направлении, противоположном току, то есть в направлении уменьшения тока, будет генерироваться, чтобы препятствовать увеличению тока.И наоборот, когда ток уменьшается, он генерируется в направлении увеличения тока.

Рисунок 7. Переменный ток течет через катушку индуктивности

Если направление тока меняется на противоположное, также будет генерироваться обратное напряжение. Прежде чем ток будет заблокирован обратным напряжением, ток будет обратным, так что ток не сможет течь. С другой стороны, постоянный ток не изменяется из-за тока, поэтому нет обратного напряжения и нет опасности короткого замыкания.Другими словами, индуктор — это компонент, который пропускает постоянный ток, но не переменный.

Рисунок 8. Обратный ток течет через катушку индуктивности

Следующий рисунок поможет вам понять, как индуктор работает в цепи:

Рисунок 9. индуктор работает в цепи

Здесь вы видите батарею, лампочку, катушку вокруг (желтого) железного блока и выключатель. Катушка — это индуктор.Если вы прочитали принцип работы электромагнита, вы будете знать, что индуктор — это электромагнит.

Если убрать дроссель из схемы, то получится обычная вспышка. Закройте выключатель, и лампочка загорится. Если индуктор установлен в схеме, как показано, его роль будет совершенно иной.

Лампочка представляет собой резистор (сопротивление выделяет тепло и заставляет нить накаливания в лампочке светить). Сопротивление провода в катушке намного ниже (это просто провод), поэтому, когда вы включите переключатель, вы увидите, что лампочка тускло светится.Большая часть тока будет проходить через контур через цепь с низким сопротивлением. На самом деле происходит следующее: когда вы замыкаете выключатель, лампочка сначала горит ярко, а затем гаснет. Когда вы включаете выключатель, лампочка становится очень яркой, а затем быстро гаснет.

Это дроссель вызывает это странное явление. Когда ток начинает течь в катушке впервые, катушка образует магнитное поле. Во время формирования магнитного поля катушка препятствует протеканию тока.Как только магнитное поле сформировано, ток обычно может проходить через провод. Когда переключатель разомкнут, магнитное поле вокруг катушки заставляет ток течь в катушке до тех пор, пока магнитное поле не исчезнет. Благодаря этому току лампа может гореть некоторое время даже при разомкнутом переключателе. Другими словами, индуктор может накапливать энергию в своем магнитном поле и обычно предотвращает любое изменение количества тока, протекающего через него.

Представьте себе поток воды …

Интуитивно понятный способ понять принцип работы индуктора — представить узкую водопроводную трубу с протекающей по ней водой и тяжелое водяное колесо с лопастью, погруженной в водопроводную трубу.Представьте, что вода в водопроводе изначально не течет. Теперь вы пытаетесь заставить воду течь. Водяное колесо будет останавливать поток воды, пока оно не начнет вращаться со скоростью воды. Если вы попытаетесь остановить поток воды в водопроводной трубе, вращающееся водяное колесо будет продолжать перемещать воду до тех пор, пока скорость водяного колеса не уменьшится до скорости потока воды.