Катушка индуктивности. Устройство и принцип работы.

Приветствую всех на нашем сайте!

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

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

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

Важнейшей характеристикой

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

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

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

L = \frac{\mu_0\thinspace \mu S N^2}{l}

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

• \mu_0 – магнитная проницаемость вакуума. Это табличная величина (константа) и равна она следующему значению: \mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7}\medspace\frac{Гн}{м}
• \mu – магнитная проницаемость магнитного материала сердечника. А что это за сердечник и для чего он нужен? Сейчас выясним. Дело все в том, что если катушку намотать не просто на каркас (внутри которого воздух), а на магнитный сердечник, то индуктивность возрастет многократно. Посудите сами – магнитная проницаемость воздуха равна 1, а для никеля она может достигать величины 1100. Вот мы и получаем увеличение индуктивности более чем в 1000 раз
• S – площадь поперечного сечения катушки
• N – количество витков
• l – длина катушки

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

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

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

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

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь. Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

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

\varepsilon_s = -\frac{d\Phi}{dt}

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

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать.

Напряжение на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

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

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

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

\varepsilon_s = -L\medspace\frac{dI}{dt}

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

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

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

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

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

\varepsilon_L = -L\medspace\frac{dI}{dt}

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

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

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: \varepsilon < 0, i > 0, участок 3-4: \varepsilon > 0, i < 0). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника).

А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока).

И в итоге мы приходим к очень интересному факту – катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:

X_L = w\medspace L

Где w – круговая частота: w = 2 \pi f. [/latex]f[/latex] – это частота переменного тока. Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный (f = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

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

u + \varepsilon_L = 0

А следовательно:

u = – \varepsilon_L

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

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

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

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

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

1. Магнитное поле и индуктивность | 14. Катушки индуктивности | Часть1

1. Магнитное поле и индуктивность

Магнитное поле и индуктивность

Вокруг всякого проводника, по которому течет ток, возникает магнитное поле. Такой эффект называется электромагнетизмом. Магнитные поля оказывают влияние на выравнивание электронов в атомах, и могут вызывать физическую силу, способную развиваться в пространстве. Как и электрические поля, магнитные поля могут занимать совершенно пустое пространство, и воздействовать на материю на расстоянии.

Магнитное поле обладает двумя основными характеристиками: магнитодвижущей силой и магнитным потоком. Общее количество поля или его эффект называется магнитным потоком, а сила, которая формирует этот магнитный поток в пространстве, называется магнитодвижущей силой. Эти две характеристики примерно аналогичны электрическому напряжению (магнитодвижущая сила) и электрическому току (магнитный поток) в проводнике. Магнитный поток, в отличие от электрического тока (который существует только там, где есть свободные электроны), может распространяться в абсолютно пустом пространстве. Пространство оказывает сопротивление магнитному потоку точно так же, как проводник оказывает сопротивление электрическому току. Величина магнитного потока равна магнитодвижущей силе, поделенной на сопротивление среды.

Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Если электрическое поле зависит от имеющегося количества разноименных зарядов (чем больше электрических зарядов одного вида на одном проводнике, и противоположного, на другом, тем больше будет электрическое поле между этими проводниками), то магнитное поле создается потоком электронов (чем интенсивнее движение электронов, тем больше вокруг них магнитного поля).

Устройство, способное запасать энергию магнитного поля, называется катушкой индуктивности. Форма катушки создает гораздо более сильное магнитное поле, чем обычный прямолинейный проводник. Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали (существуют так же и бескаркасные катушки). Обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность.

Условные обозначения катушек индуктивности на электрических схемах выглядят следующим образом:

 

 

Поскольку электрический ток создает вокруг катушки концентрированное магнитное поле, магнитный поток этого поля приравнивается к хранилищу энергии (сохранение которой происходит за счет кинетического движения электронов через катушку). Чем больше ток в катушке, тем сильнее магнитное поле, и тем больше энергии будет хранить катушка индуктивности.

 

 

Так как катушки индуктивности сохраняют кинетическую энергию движущихся электронов в виде магнитного поля, в электрической цепи они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла). Способность накапливать энергию в зависимости от тока позволяет катушке индуктивности поддерживать этот ток на постоянном уровне. Иными словами, она сопротивляется изменениям тока. Когда ток через катушку увеличивается или уменьшается, она производит напряжение, полярность которого противоположна этим изменениям.

Для сохранения большего количества энергии, ток через катушку индуктивности должен быть увеличен. В этом случае напряженность магнитного поля увеличится, что приведет к возникновению напряжения согласно принципу электромагнитной самоиндукции. И наоборот, для высвобождения энергии из катушки, проходящий через нее ток должен быть уменьшен. В этом случае напряженность магнитного поля уменьшится, что приведет к возникновению напряжения противоположной полярности.

Вспомните Первый закон Ньютона, который гласит что всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. С катушками индуктивности ситуация примерно аналогичная: «электроны, движущиеся через катушку стремятся оставаться в движении, а покоящиеся электроны имеет тенденцию оставаться в покое». Гипотетически, короткозамкнутая катушка индуктивности будет сколь угодно долго поддерживать постоянную скорость потока электронов без внешней помощи:

 

 

На практике же, катушка индуктивности способна поддерживать постоянный ток только при использовании сверхпроводников. Сопротивление обычных проводов приведет к неизбежному затуханию потока электронов (без внешнего источника энергии).

Когда ток через катушку увеличивается, он создает напряжение, полярность которого противоположна потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки. Она, как говорится, «заряжается»,  поскольку все большее количество энергии сохраняется в ее магнитном поле. На следующем  рисунке обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:

 

 

И наоборот, когда ток через катушку уменьшается, на ее выводах возникает напряжение, полярность которого соответствует потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве источника питания. Она высвобождает энергию магнитного поля в остальную часть схемы. Обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:

 

 

Если ненамагниченную катушку индуктивности подключить к источнику питания, то в первоначальный момент времени она будет сопротивляться потоку электронов пропуская  все напряжение источника. Как только ток начнет возрастать, сила магнитного поля, созданного вокруг катушки, будет увеличиваться поглощая энергию источника питания. В конечном итоге ток достигнет максимального значения и прекратит свой рост. В этот момент катушка прекращает поглощать энергию от источника питания и напряжение на ее выводах падает до минимального уровня (в то время как ток остается на максимальном уровне). Таким образом, при сохранении большего количества энергии, ток через катушку индуктивности увеличивается, а напряжение на ее выводах падает. Заметьте, такое поведение полностью противоположно поведению конденсатора, в котором увеличение количества запасенной энергии  приводит к увеличению напряжения на его выводах. Если конденсаторы используют запасенную энергию на поддержание постоянной величины напряжения, то катушки индуктивности такую энергию используют на поддержание постоянной величины тока.

Тип материала, из которого изготавливается провод катушки, оказывает значительное влияние на магнитный поток (а следовательно и  на количество запасаемой энергии) создаваемый заданной величиной тока. Влияет на магнитный поток и материал, из которого изготавливается сердечник катушки индуктивности: ферромагнитный материал (например железо) создаст более сильный поток, чем немагнитный материал (например алюминий или воздух).

Способность катушки индуктивности извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля называется индуктивностью. Индуктивность так же является мерой сопротивления изменениям тока. Для обозначения индуктивности используется символ  «L», а измеряется она в Генри, сокращенно «Гн»

Беспроводная передача энергии через магнитно-связанные индуктивные катушки

Введение

Думаю, что многие из читателей видели хотя бы один ролик на популярных видеосервисах, где электричество передается через пустое пространство при помощи индуктивных катушек.

В этой статье мы хотим обратиться к первоосновам процесса беспроводной передачи энергии с помощью магнитного поля. Начав с рассмотрения простейшей индуктивной катушки, и вычисления ее индуктивности, мы постепенно перейдем к теории электрических цепей, в рамках которой, будет показан и обоснован способ передачи максимальной мощности при прочих равных условиях. Итак, начнем.

Магнитное поле одиночного витка с током

Рассмотрим магнитное поле одиночного витка с током. Найдем магнитное поле витка в любой точке пространства. Почему необходимо подобное рассмотрение? Потому что почти во всех книгах, по крайней мере в тех, которые удалось отыскать автору статьи, решение данной задачи ограничивается нахождением лишь одной компоненты магнитного поля и лишь вдоль оси витка — $inline$B_z(z)$inline$, в то время как мы отыщем закон для магнитного поля во всем пространстве.

Иллюстрация к закону Био-Савара-Лапласа

Для нахождения магнитного поля, воспользуемся законом Био-Савара-Лапласа (смотри Википедия — Закон Био-Савара-Лапласа). На рисунке видно, что центр системы координат $inline$O$inline$ совпадает с центром витка. Контур окружности витка обозначен как $inline$C$inline$, а радиус окружности — как $inline$a$inline$.По витку течет ток $inline$I$inline$. $inline$\vec{r}$inline$ — это переменная-радиус-вектор из начала координат в произвольную точку витка. $inline$\vec{r}_0$inline$ — это радиус-вектор в точку наблюдения. Еще нам понадобится полярный угол $inline$\varphi$inline$ — угол между радиус-вектором $inline$\vec{r}$inline$ и осью $inline$OX$inline$. Расстояние от оси витка до точки наблюдения обозначим за $inline$\rho$inline$. И наконец, $inline$\mathrm{d}\vec{r}$inline$ — элементарное приращение радиус-вектора $inline$\vec{r}$inline$.

Согласно закону Био-Савара-Лапласа, элемент контура с током $inline$\mathrm{d}\vec{r}$inline$ создает элементарный вклад в магнитное поле, который дается формулой

$$display$$\mathrm{d}\vec{B}(\vec{r}_0)=\frac{\mu_0 I}{4\pi} \cdot \frac{[\,\mathrm{d}\vec{r} \times (\vec{r}_0-\vec{r})]}{|\vec{r}_0-\vec{r}|^3}$$display$$

Теперь остановимся подробнее на переменных и выражениях, входящих в формулу. С учетом аксиальной симметрии задачи можем записать

$$display$$\vec{r}_0 = (\rho\cos{\varphi}, \rho\sin{\varphi}, z) \overset{\varphi = 0}{\rightarrow} (\rho, 0, z)$$display$$

$$display$$\vec{r} = (a\cos{\varphi}, a\sin{\varphi}, 0)$$display$$

$$display$$\mathrm{d}\vec{r} = (-a\sin{\varphi}, a\cos{\varphi}, 0)\,\mathrm{d}\varphi$$display$$

$$display$$\vec{r}_0-\vec{r} = (\rho -a\cos{\varphi}, -a\sin{\varphi}, z)$$display$$

$$display$$[\mathrm{d}\vec{r} \times (\vec{r}_0-\vec{r})] = \begin{vmatrix} \vec{e}_x& \vec{e}_y& \vec{e}_z\\ -a\sin{\varphi}\,\mathrm{d}\varphi& a\cos{\varphi}\,\mathrm{d}\varphi& 0\\ \rho -a\cos{\varphi}& -a\sin{\varphi}& z \end{vmatrix} = (az\cos{\varphi}, az\sin{\varphi}, a^2 -a\rho\cos{\varphi})\,\mathrm{d}\varphi$$display$$

$$display$$|\vec{r}_0-\vec{r}|^3 = \left(\rho^2 + a^2 + z^2 -2\rho a\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}$$display$$

Для того чтобы найти результирующее магнитное поле, нужно проинтегрировать по всему контуру витка, то есть

$$display$$\vec{B}(\vec{r}_0) = \int_C{\,\mathrm{d}\vec{B}(\vec{r}_0)}$$display$$

После подстановки всех выражений и некоторых тождественных преобразований получаем выражения для аксиальной и радиальной компоненты магнитного поля соответственно

$$display$$B_z(\rho, z) = \frac{\mu_0 I}{4\pi} \int_0^{2\pi}{\frac{\left( a^2 -\rho a\cos{\varphi}\right)\,\mathrm{d}\varphi}{\left(\rho^2 + a^2 + z^2 -2\rho a\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}}}$$display$$

$$display$$B_r(\rho, z) = \frac{\mu_0 I}{4\pi} \int_0^{2\pi}{\frac{a\,z\,\cos{\varphi}\,\mathrm{d}\varphi} {\left(\rho^2 + a^2 + z^2 -2\rho a\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}}}$$display$$

Для нахождения абсолютного значения магнитного поля необходимо просуммировать компоненты по теореме Пифагора $inline$B = \sqrt{B_r^2 + B_z^2}$inline$.

Продемонстрируем полученное решение на примере витка радиуса $inline$a = 0.1$inline$ (м) и $inline$I=1$inline$ (А).

Амплитуда аксиальной компоненты магнитного поля

Амплитуда радиальной компоненты магнитного поля

Абсолютная амплитуда магнитного поля

Заметим, что для витка произвольной формы, на больших расстояниях $inline$z\gg a$inline$, т.е. много больше характерного размера витка, поведение магнитного поля будет стремиться к найденному решению.

Подсказка…

Для подобных вычислений и построения графиков удобно использовать MathCad 15

Катушка индуктивности. Магнитно-связанные катушки

Теперь, когда мы знаем решение для магнитного поля одного витка, можем найти индуктивность катушки, состоящей из $inline$n$inline$ витков. По определению индуктивность — это коэффициент пропорциональности между током в витке и магнитным потоком через площадь сечения витка. Мы пользуемся здесь идеальной моделью катушки, которая безразмерна по направлению своей оси симметрии. Конечно же, на практике такого не бывает. Однако, как приближенные, полученные формулы будут достаточно хороши. Хотя катушки и считаются безразмерными вдоль $inline$OZ$inline$, необходимо задаться ненулевым радиусом сечения провода. Обозначим его $inline$\delta$inline$, и пример равным $inline$\delta=0,1$inline$ (мм). Иначе при интегрировании магнитного потока подынтегральное выражение обратится в бесконечность.

Индуктивно связанные катушки

На рисунке изображены две магнитно связанные катушки. Пусть первая катушка имеет радиус $inline$a_1$inline$ и содержит $inline$n_1$inline$ витков, а вторая — $inline$a_2$inline$ и $inline$n_2$inline$ соответственно. Тогда для нахождения собственных индуктивностей необходимо вычислить магнитный поток каждой катушки через свое собственное сечение.

$$display$$\Phi = \iint_S{\vec{B}\cdot\vec{\,\mathrm{d}S}} = \int_0^{2\pi}{\int_0^{a-\delta}{B_z(\rho,z)\rho\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\varphi}} = 2\pi\int_0^{a-\delta}{B_z(\rho,z)\rho\,\mathrm{d}\rho}$$display$$

Поскольку в катушке много витков, найдем величину, называемую потокосцепление, дважды умножив на количество витков

$$display$$\Psi = \frac{1}{2}n^2\mu_0 I \int_0^{a-\delta}{\int_0^{2\pi}{\frac{\left( a^2 — \rho a\cos{\varphi}\right)\,\mathrm{d}\varphi}{\left(\rho^2 + a^2 + z^2 -2\rho a\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}}}\rho\,\mathrm{d}\rho}$$display$$

По определению, индуктивность это коэффициент пропорциональности $inline$L$inline$ в формуле $inline$\Psi = LI$inline$. Таким образом, получим собственные индуктивности катушек

$$display$$L_1 = \frac{1}{2}n_1^2\mu_0 \int_0^{a_1-\delta}{\int_0^{2\pi}{\frac{\left( a_1^2 — \rho a_1\cos{\varphi}\right)\,\mathrm{d}\varphi}{\left(\rho^2 + a_1^2 -2\rho a_1\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}}}\rho\,\mathrm{d}\rho}$$display$$

$$display$$L_2 = \frac{1}{2}n_2^2\mu_0 \int_0^{a_2-\delta}{\int_0^{2\pi}{\frac{\left( a_2^2 — \rho a_2\cos{\varphi}\right)\,\mathrm{d}\varphi}{\left(\rho^2 + a_2^2 -2\rho a_2\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}}}\rho\,\mathrm{d}\rho}$$display$$

Пусть центры катушек разделены расстоянием $inline$d$inline$, лежат на одной оси, и их плоскости витков сориентированы параллельно. Для нахождения взаимной индуктивности, нужно вычислить потокосцепление, образуемое одной катушкой через сечение другой, то есть

$$display$$\Psi_{12} = \frac{1}{2}n_1 n_2\mu_0 I \int_0^{a_2-\delta}{\int_0^{2\pi}{\frac{\left( a_1^2 — \rho a_1\cos{\varphi}\right)\,\mathrm{d}\varphi}{\left(\rho^2 + a_1^2 + z^2 -2\rho a_1\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}}}\rho\,\mathrm{d}\rho}$$display$$

Тогда взаимная индуктивность катушек дается выражением

$$display$$M_{12} = \frac{1}{2}n_1 n_2\mu_0 \int_0^{a_2-\delta}{\int_0^{2\pi}{\frac{\left( a_1^2 — \rho a_1\cos{\varphi}\right)\,\mathrm{d}\varphi}{\left(\rho^2 + a_1^2 + d^2 -2\rho a_1\cos{\varphi}\right)^{\frac{3}{2}}}}\rho\,\mathrm{d}\rho}$$display$$

Насколько известно автору, такие интегралы можно взять только численно.
Заметим, что как правило $inline$\Psi_{12} = \Psi_{21}$inline$ и $inline$M_{12} = M_{21} = M$inline$. Коэффициентом связи катушек называется величина

$$display$$k = \frac{M}{\sqrt{L_1L_2}}$$display$$

Исследуем зависимость коэффициента связи катушек от расстояния. Для этого рассмотрим две одинаковые катушки с радиусом витков $inline$a_1 = a_2 = 0.1$inline$ (м) и количеством витков $inline$n_1 = n_2 = 100$inline$. При этом собственная индуктивность каждой из катушек составит $inline$L_1 = L_2 = 8.775$inline$ (мГн).

Коэффициент связи катушек от расстояния между ними

График не изменится, если одинаково изменить число витков в обеих катушках, либо одинаково изменить радиус обеих катушек. Коэффициент связи удобно выражать в процентах. Из графика видно, что даже при расстоянии между катушками в 1 (мм) коэффицент связи меньше 100%. Коэффициент падает до 10% на расстоянии порядка 60 (мм), и до 1% на 250 (мм).

Беспроводная передача энергии

Итак, нам известны индуктивности и коэффициент связи. Теперь воспользуемся теорией электрических цепей переменного тока для поиска оптимальных параметров, при которых передаваемая мощность оказалась бы максимальной. Для понимания этого параграфа читатель должен быть знаком с понятием электрического импеданса, а также с законами Кирхгофа и законом Ома. Как известно из теории цепей, две индуктивно-связанные катушки образуют воздушный трансформатор. Для анализа трансформаторов удобна Т-образная схема замещения.

Воздушный трансформатор и его эквивалентная схема

Передающую катушку слева будем условно называть «трасмиттер», а принимающую катушку справа — «ресивер». Между катушками коэффициент связи $inline$k$inline$. На стороне ресивера находится потребитель, представленный нагрузкой $inline$z_L$inline$. Нагрузка в общем случае может быть комплексной. Входное напряжение на стороне трансмиттера $inline$u_1$inline$, а входной ток — $inline$i_1$inline$. Напряжение, передаваемое на ресивер — $inline$u_2$inline$, и передаваемый ток $inline$i_2$inline$. Полный импеданс на стороне трансмиттера обозначим как $inline$z_1$inline$, а полный импеданс на стороне ресивера $inline$z_2$inline$.

Предполагается, что на вход схемы подается синусоидальное напряжение $inline$u_1 = u_{1m}\sin{\omega t}$inline$.

Обозначим $inline$R_{coil\,1}, R_{coil\,2}, L_{coil\,1}, L_{coil\,2}, M$inline$ — сопротивления и индуктивности катушек (две собственные и одна взаимная) соответственно. Тогда, согласно теории трансформатора

$$display$$z_1 = R_{coil\,1} + j\omega (L_{coil\,1} — M)$$display$$

$$display$$z_2 = R_{coil\,2} + j\omega(L_{coil\,2} — M) + R_{load} + j X_{load}$$display$$

С другой стороны, согласно нашим обозначениям

$$display$$z_1 = r_1 + j x_1$$display$$

$$display$$z_2 = r_2 + j x_2$$display$$

где $inline$r_1, r_2$inline$ — полные активные сопротивления на стороне трансмиттера и ресивера соответственно, и $inline$x_1, x_2$inline$ — полные реактивные сопротивления.

Импеданс связи равен $inline$z_3 = j \omega M = j x_3$inline$.

Найдем входной ток цепи

$$display$$i_1 = \frac{u_1}{z_1 + z_2 || z_3}$$display$$

где знак $inline$||$inline$ обозначает параллельное соединение сопротивлений. Тогда напряжение, переданное на ресивер

$$display$$u_2 = u_1 — i_1 z_1 = u_1\left(1 — \frac{z_1}{z_1 + z_2 || z_3}\right)$$display$$

И наведенный ток

$$display$$i_2 = \frac{u_2}{z_2} = \frac{u_1}{z_2}\left(1 — \frac{z_1}{z_1 + z_2 || z_3}\right)$$display$$

Можем найти комплексную мощность, переданную в ресивер

$$display$$s_2 = u_2 i_2^* = p_2 + jq_2$$display$$

Таким образом имеем выражение для комплексной мощности

$$display$$s_2 = |u_1|^2 z_2 \left|\frac{z_3}{z_1z_2+z_1z_3+z_2z_3}\right|^2$$display$$

Выражение для активной компоненты мощности

$$display$$p_2 = |u_1|^2 r_2 \left|\frac{z_3}{z_1z_2+z_1z_3+z_2z_3}\right|^2$$display$$

Выражение для реактивной компоненты мощности

$$display$$q_2 = |u_1|^2 x_2 \left|\frac{z_3}{z_1z_2+z_1z_3+z_2z_3}\right|^2$$display$$

В большинстве практических задач требуется передать максимальную активную мощность, поэтому

$$display$$p_2 \rightarrow \mathrm{max} \Rightarrow \left|\frac{z_3}{z_1z_2+z_1z_3+z_2z_3}\right|^2 \rightarrow \mathrm{max}$$display$$

Либо, что то же самое

$$display$$\left|z_1 + z_2 + \frac{z_1z_2}{z_3}\right|^2 \rightarrow \mathrm{min}$$display$$

$$display$$\left|r_1 + jx_1 + r_2 + jx_2 +\frac{(r_1 + jx_1)( r_2 + jx_2)}{jx_3}\right|^2 \rightarrow \mathrm{min}$$display$$

$$display$$\frac{1}{x_3^2}|(r_1x_3 + r_2x_3 + r_1x_2 + r_2x_1) + j(x_1x_3 + x_2x_3 + x_1x_2 — r_1r_2)|^2 \rightarrow \mathrm{min}$$display$$

Для удобства введем функцию

$$display$$f(x_1,x_2) = (r_1x_3 + r_2x_3 + r_1x_2 + r_2x_1) + j(x_1x_3 + x_2x_3 + x_1x_2 — r_1r_2)$$display$$

и исследуем ее на наличие экстремумов

$$display$$|f(x_1,x_2)|^2 \rightarrow \mathrm{min}$$display$$

Откуда получаем систему из двух уравнений

$$display$$\frac{\partial|f|^2}{\partial x_1} = 2\mathbb{Re}(f)r_2 + 2\mathbb{Im}(f)(x_2 + x_3) = 0$$display$$

$$display$$\frac{\partial|f|^2}{\partial x_2} = 2\mathbb{Re}(f)r_1 + 2\mathbb{Im}(f)(x_1 + x_3) = 0$$display$$

Эта система имеет пять решений, два из которых нефизичны, так как приводят к мнимым значениям величин, которым полагается быть действительными. Три других физических решения приведены ниже вместе с соответствующими формулами для мощности
Решение 1

$$display$$x_1 = -x_3,\quad x_2 = -x_3$$display$$

Мощность

$$display$$p_2 = \frac{|u_1|^2\,x_3^2\,r_2}{\left(r_1r_2 + x_3^2\right)^2}, \quad q_2 = -\frac{|u_1|^2\,x_3^3}{\left(r_1r_2 + x_3^2\right)^2}$$display$$

Решение 2 и 3

$$display$$x_1 = \frac{1}{r_2}\left(\sqrt{r_1r_2\left(x_3^2-r_1r_2\right)}-r_2x_3\right), \quad x_2 = \frac{1}{r_1}\left(\sqrt{r_1r_2\left(x_3^2-r_1r_2\right)}-r_1x_3\right)$$display$$

$$display$$x_1 = -\frac{1}{r_2}\left(\sqrt{r_1r_2\left(x_3^2-r_1r_2\right)}+r_2x_3\right), \quad x_2 = -\frac{1}{r_1}\left(\sqrt{r_1r_2\left(x_3^2-r_1r_2\right)}+r_1x_3\right)$$display$$

Мощность для решений 2 и 3

$$display$$p_2 = \frac{|u_1|^2}{4\,r_1}, \quad q_2 = \frac{|u_1|^2\,x_2}{4\,r_1\,r_2}$$display$$

Решение 2 и 3 нужно использовать, когда реактивное сопротивление связи достаточно велико

$$display$$x_3^2 > r_1r_2$$display$$

Когда же это не так, нужно использовать решение 1. Чаще всего в реальных ситуациях $inline$x_3$inline$ окажется мало, поэтому рассмотрим решение 1 несколько подробнее.
Решение 1: $inline$x_1 = -x_3,\quad x_2 = -x_3$inline$. И соответствующая ему активная мощность дается формулой

$$display$$p_2 = \frac{|u_1|^2\,x_3^2\,r_2}{\left(r_1r_2 + x_3^2\right)^2}$$display$$

Из формулы мощности видно, что мощность зависит от реактивного сопротивления связи $inline$x_3 = 2\pi\,f\,k\,\sqrt{L_{coil\,1}L_{coil\,2}}$inline$, а значит и от частоты передачи $inline$f$inline$, и от геометрии взаимного расположения катушек, которая учитывается коэффициентом связи $inline$k$inline$.

Как заметили внимательные читатели, зависимость $inline$p_2(x_3)$inline$ — нелинейная. Функция $inline$p_2(x_3)$inline$ достигает максимума при $inline$x_3 = \sqrt{r_1r_2}$inline$.

Исследование формулы мощности $inline$p_2(x_3)$inline$ на экстремумы

Максимальная активная мощность при $inline$x_3 = \sqrt{r_1r_2}$inline$ равна

$$display$$p_2 = \frac{|u_1|^2}{4\,r_1}$$display$$

Таким образом, вышеозначенная формула представляет абсолютный теоретический предел переданной активной мощности при любых условиях. При этом для реактивной мощности, переданной в ресивер, имеем

$$display$$q_2=\frac{|u_1|^2}{\sqrt{r_1r_2}}$$display$$

Численное моделирование

Продемонстрировать работу всей вышеизложенной теории можно, выполнив симуляцию SPICE модели нашего устройства из двух связанных катушек.

SPICE модель двух индуктивно-связанных катушек

Симуляция выполнена для коэффициента связи $inline$k = 1$inline$%, что соответствует 25 см удаления между катушками. Параметры катушек те же, что и в предыдущем параграфе, принятые для построения графика $inline$k$inline$.

Получается, что реактивные сопротивления каждой из катушек необходимо скомпенсировать конденсаторами $inline$С_1$inline$ и $inline$С_2$inline$. То есть настроить каждый из контуров (передающий и принимающий) в резонанс на заданной частоте. Если предположить, что величина нагрузки действительная, то величины емкостей могут быть найдены из формул

$$display$$C_1 = \frac{1}{\omega^2 L_1}, \quad C_2 = \frac{1}{\omega^2 L_2}$$display$$

Ниже приведены два графика для переданного напряжения и переданной мощности во времени на частоте $inline$f=10$inline$ (кГц).

Переданное напряжение

Переданная мощность

Из рисунков видно, что на расстоянии 25 (см) переданное напряжение оказалось приблизительно в 2.5 меньше входного, а переданная пиковая мощность — приблизительно в 4 раза меньше мощности, потребляемой от входа, что согласуется с полученными формулами.

В заключении опишем, какие меры можно предпринять для увеличения передаваемой мощности:

1. увеличить количество витков в катушках $inline$n_1, n_2$inline$
2. увеличить радиус витков $inline$a_1, a_2$inline$
3. увеличить частоту передачи $inline$f$inline$
4. уменьшить расстояние между катушками $inline$d$inline$
5. ввести магнитный сердечник, принадлежащий обеим катушкам (замкнутый либо открытый)
6. ввести незамкнутый магнитный сердечник, принадлежащий лишь катушке-ресиверу

Пожалуй, написание этой статьи накладывает на автора обязательство изготовить и протестировать такую систему из двух катушек в лабораторных условиях, но это уже совсем другая история. Благодарю за внимание.

Литература

1. Сивухин, Д. В. «Общий курс физики. Т. 3: Электричество и магнетизм.» (1990).
2. Бессонов, Лев Алексеевич. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. Общество с ограниченной ответственностью Издательство ЮРАЙТ, 2012.
3. Лаврентьев, М. А., and Б. В. Шабат. «Теория функций комплексной переменной.» (1972).

Магнитное поле катушки с током — Знаешь как

Проведем окружность радиуса R, совпадающую со средней магнитной линией кольцевой катушки (рис. 3-11), имеющей равномерно распределенную обмотку, состоящую из ɯ витков. 

Полный ток, пронизывающий поверхность, ограниченную средней магнитной линией, ΣI = Iɯ

Вследствие симметрии напряженность поля Н в точках, расположенных на средней магнитной линии, будет одинаковой.

Намагничивающая сила

F_M = Hl = H • 2πR

Согласно закону полного тока

Iɯ = Hl.

Напряженность магнитного поля на средней магнитной линии (осевой линии) кольцевой катушки

H = Iɯ : l

Рис. 3-11. Кольцевая катушка.

а магнитная индукция

B = μaH = μa(Iɯ/l)

Считая магнитную индукцию на осевой линии кольцевой катушки равной ее среднему значению (что допустимо при R₁ — R₂ < R₁), напишем выражение для магнитного потока катушки:

Ф = BS = μ_а((IɯS):l)

Рис. 3-12. Цилиндрическая катушка.

Зависимость (3-20) аналогична закону Ома для электрической цепи и поэтому называется законом Ома для магнитной цепи; здесь Ф — магнитный поток аналогичен току; F_M — н. с. аналогична э. д. с, a R_M — сопротивление магнитной цепи — магнитопровода — аналогично сопротивлению электрической цепи. Под магнитной цепью здесь следует понимать магнитопровод — сердечник, в котором под действием н. с. замыкается магнитный поток.

Цилиндрическую катушку (рис. 3-12) можно рассматривать как часть кольцевой катушки с бесконечно большим

радиусом с обмоткой, расположенной только на части сердечника, длина которой равна длине катушки. Напряженность поля и магнитная индукция на осевой линии в центре катушки определяются по тем же формулам, как и для кольцевой катушки. Но для цилиндрической катушки эти формулы являются приближенными. Ими можно пользоваться для определения Н и В внутри длинной катушки, длина которой значительно больше ее диаметра. 

Статья на тему Магнитное поле катушки с током

Электромагнитная индукция ч.3. Н. Тесла и его загадки

Один из ранних патентов Николы Тесла описывает новый способ намотки катушек. Этот способ он назвал бифилярной намоткой, т.к. катушка мотается сразу двумя параллельными проводами и считал эту намотку очень важным изобретением:

«Бифилярная катушка — электромагнитная катушка, которая содержит две близко расположенных, параллельных обмотки.
Есть четыре типа бифилярно намотанных катушек:
1. параллельная намотка, последовательное соединение;
2. параллельная намотка, параллельное соединение;
3. встречно намотанная катушка, последовательное соединение;
4. встречно намотанная катушка, параллельное соединение.
Некоторые бифилярные катушки намотаны так, что ток в обеих обмотках течёт в одном и том же направлении. Магнитное поле, созданное одной обмоткой складывается с созданным другой, приводя к большему общему магнитному полю. В других — витки расположены так, чтобы ток протекал в противоположных направлениях. Поэтому магнитное поле, созданное одной обмоткой равно и направлено противоположно созданному другой, приводя к общему магнитному полю равному нулю. Это означает, что коэффициент самоиндукции катушки — ноль».

На рисунке выше изображена катушка первого вида и в ней магнитные поля обмоток складываются. Тесла указывал на то, что магнитное поле такой катушки намного больше, чем у обычной.
Вот так выглядит катушка с нулевой самоиндукцией (второй вид):

Любому специалисту по одному её виду становится сразу понятно, что в такой катушке не может появиться индукционный ток, т.к. он будет направлен в обоих проводах в одну сторону и на концах проводов никакой разности потенциалов не будет. Такая катушка будет только греться, но никакой энергии не выдаст. Два оставшихся вида намотки – это частные случаи двух первых и особого интереса не представляют.

Т.к. безындукционная намотка слишком наглядна, то все известные мне изобретатели вечных двигателей сконцентрировались на первом виде намотки, дающем большое магнитное поле. Однако мне долго не давало покоя совершенно не понятное описание катушки в патенте. Вот этот текст:

«Я выяснил, что в каждой катушке существуют определённые взаимоотношения между её самоиндукцией и ёмкостью, что позволяет току данной частоты и потенциала проходить через неё с омическим сопротивлением (DL : здесь Тесла имеет в виду исчезновение реактивного сопротивления) или, другими словами, как если она работает без самоиндукции. Это происходит в результате взаимоотношений между характером тока и самоиндукцией и ёмкостью катушки, т.е. количество последнего достаточно для нейтрализации самоиндукции для данной частоты. Известно, что чем выше частота или разность потенциалов тока, тем меньше ёмкость требуется для нейтрализации самоиндукции, поэтому в любой катушке, особенно небольшой ёмкости, можно достичь поставленных целей, если добиться нужных условий».

И в конце что-то вроде предупреждения:

«Применяя моё изобретение, специалисты в этой области должны хорошо понимать зависимость между понятиями ёмкость, самоиндукция, частота и разность потенциалов тока. Также как и понимать какая ёмкость достигается и какая намотка должна иметь место для каждого конкретного случая».

Действительно, у каждой катушки есть ещё и своя небольшая ёмкость, которая скорее создаёт дополнительные проблемы, чем помогает их решить. К тому же, никто не делает конденсаторы из провода. В общем, стало понятно только то, что патент серьёзно правили и не оставили в нём самой главной информации, до которой, без глубокого понимания процесса, дойти невозможно.

Возможно, что на этом всё и закончилось бы, но мне взбрело в голову намотать катушку первого вида, чтобы проверить, на сколько сильнее магнитное поле она создаст, по сравнению с обычным электромагнитом.

Я нашёл катушку от старого реле длиной 5 см и с сопротивлением обмотки 300 Ом. При подаче на неё постоянного напряжения в 12 В контакты немного искрили и к сердечнику притягивалась железная шайба. Не очень сильно, но наглядно. Ток в цепи был около 40 мА, что соответствует закону Ома.

Т.к. катушка Тесла рассчитана на переменный ток, не подразумевает размещение нескольких дисков из обмоток рядом, а намотка проводом имела бы очень низкое сопротивление и просто сгорела бы от постоянного напряжения, я решил увеличить площадь сечения провода и намотал около 40-50 витков фольгой из старого электролитического конденсатора (очень сложно было ровно мотать сразу два слоя фольги с бумажными изоляторами, поэтому витки не считал). Соединил я обмотки по первому виду. Получилась катушка такой же длины, в два раза толще и с суммарным сопротивлением 7 Ом. По закону Ома ток в такой катушке должен был быть чуть меньше 2 А и фольга при подключении если и не сгорит сразу, то может сильно нагреться.

Однако, меня ждал сюрприз. При подключении питания была чуть заметная искра, а железная шайба даже не шелохнулась. Я сначала решил, что сработала защита от короткого замыкания, но о

3. Факторы, влияющие на индуктивность катушки | 14. Катушки индуктивности | Часть1

3. Факторы, влияющие на индуктивность катушки

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки оказывают влияние следующие основные факторы:

Число витков провода в катушке: При прочих равных условиях, увеличение числа витков приводит к увеличению индуктивности; уменьшение числа витков приводит к уменьшению индуктивности.

Пояснение: чем больше количество витков, тем больше будет магнитодвижущая сила для заданной величины тока.

 

 

Площадь поперечного сечения катушки: При прочих равных условиях, катушка с большей площадью поперечного сечения будет иметь большую индуктивность; а катушка с меньшей площадью поперечного сечения — меньшую индуктивность.

Пояснение: Катушка с большей площадью поперечного сечения оказывает меньшее сопротивление формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Длина катушки: При прочих равных условиях, чем больше длина катушки, тем меньше ее индуктивность; чем меньше длина катушки, тем больше ее индуктивность.

Пояснение: Чем больше длина катушки, тем большее сопротивление она оказывает формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Материал сердечника: При прочих равных условиях, чем больше магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого намотана катушка, тем больше индуктивность; чем меньше магнитная проницаемость сердечника — тем меньше индуктивность.

Пояснение: Материал сердечника с большей магнитной проницаемостью способствует формированию большего магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Приблизительное значение индуктивности любой катушки можно найти по следующей формуле:

 

 

Следует понимать, что данная формула дает только приблизительные цифры. Одной из причин такого положения дел является изменение величины магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля (вспомните нелинейность кривой В/Н для разных материалов). Очевидно, если проницаемость (µ) в уравнении будет непостоянна, то и индуктивность (L) также будет в некоторой степени непостоянна. Если гистерезис материала сердечника будет существенным, то это непременно отразится на индуктивности катушки. Разработчики катушек индуктивности пытаются минимизировать эти эффекты, проектируя сердечник таким образом, чтобы его намагниченность никогда не приближалась к уровням насыщения, и катушка работала в более линейной части кривой B/H.

Если катушку сделать таким образом, что любой из вышеперечисленных факторов у нее можно механически изменить, то получится катушка с регулируемой величиной индуктивности или вариометр. Наиболее часто встречаются вариометры, индуктивность которых регулируется количеством витков или  положением сердечника (который перемещается внутри катушки). Пример вариометра с изменяемым количеством витков можно увидеть на следующей фотографии:

 

 

Это устройство использует подвижные медные контакты, которые подключаются к катушке в различных точках ее длины. Подобные катушки, имеющие воздушный сердечник, применялись в разработке самых первых радиоприемных устройств.

Катушка с фиксированными значениями индуктивности, показанная на следующей фотографии, представляет собой еще одно раритетное устройство, использовавшееся в первых радиостанциях. Здесь вы можете увидеть несколько витков относительно толстого провода, а так же соединительные выводы:

 

 

А это еще одна катушка индуктивности, так же предназначенная для радиостанций. Для большей жесткости ее провод намотан на керамический каркас:

 

 

Многие катушки индуктивности обладают небольшими размерами, что позволяет монтировать их непосредственно на печатные платы. Посмотрев внимательно на следующую фотографию, можно увидеть две расположенные рядом катушки:

 

 

Две катушки индуктивности расположены справа в центре этой платы и имеют обозначения L₁ и L₂. В непосредственной близости от них находятся резистор R₃ и конденсатор С₁₆. Показанные на плате катушки называются «торроидальными», так как их провод намотан вокруг сердечника, имеющего форму тора.

Как резисторы и конденсаторы, катушки индуктивности могут выполняться в корпусе для поверхностного монтажа (SMD). На следующей фотографии представлено несколько таких катушек:

 

 

Две индуктивности здесь расположены справа в центре платы. Они представляют собой маленькие черные чипы с номером «100», а над одной из них можно увидеть обозначение L₅.

Самоиндукция простыми словами: определение, формулы, примеры

Явление электромагнитной индукции очень часто наблюдается в электротехнике. Взаимное влияние электрических и магнитных полей иногда приводит к интересным результатам. Самоиндукция – частный случай электромагнитной индукции.

Общеизвестно, что причиной порождения электрического тока является переменное магнитное поле. Именно этот принцип реализован в конструкциях современных генераторов. Природа самоиндукции также связана с электромагнетизмом, но это явление проявляется она по-другому.

Определение

Рассмотрим схему катушки, по обмоткам которой протекает электрический ток (рис. 1). Так как вокруг проводника, который находится под током, всегда существует связанное с ним магнитное поле, то силовые линии этого поля пронизывают плоскости витков. В результате такого взаимодействия соленоиды образуют собственное магнитное поле, магнитные линии которого замыкаются за его пределами.

Рис. 1. Магнитное поле катушки

Частным случаем катушки является замкнутый контур (один виток). В нём, как и в катушке, образуется собственное магнитное поле (см. рис. 2). Если ток постоянный, то в контуре никаких изменений не происходит.

Но при изменении параметров, например, в результате размыкания цепи, изменяется магнитный поток, создаваемый электрическим полем, что является причиной возникновения ЭДС индукции. Аналогичное изменение произойдёт и в случае замыкания цепи.

Изменение параметров магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля, что в свою очередь приводит к возбуждению индуктивной электродвижущей силы. Возникновение ЭДС индукции, в результате изменения ток в замкнутом контуре, называется самоиндукцией.

Магнитный поток, ограниченный поверхностью контура, меняется прямо пропорционально изменению тока, циркулирующего в нём.

Рис. 2. Явление самоиндукции

Направление вектора ЭДС самоиндукции не совпадает с направлением тока в период его возрастания (при замыкании цепи), но он сонаправлен с ним в период убывания (разъединения цепи). Такое действие проявляется в замедлении появления тока в соленоиде при замыкания цепи, или в его задержке на какое-то время после разрыва цепи.

Описанное явление можно наблюдать на опыте с лампочками, одна из которых подключена последовательно с индуктивностью (см. рис. 3).

Рис. 3. Схема опыта с лампочками

Как видно на рисунке слева, ток от источника питания, проходящий через лампочку 2, при замыкании контактов встретит сопротивление вихревых токов, поскольку они противоположно направлены. Поэтому зажигание этой лампочки произойдёт с задержкой.

На время включения лампочки 1 вихревые токи повлияют, но сила тока в её цепи уменьшится после зажигания лампы 2. При отключении цепи от источника питания произойдёт обратный процесс: лампочка в цепи индуктивности некоторое время будет медленно угасать, а вторая лампа потухнет сразу после разъединения контактов.

График на рисунке 4 красноречиво объясняет эффект задержки.

Рис. 4. Иллюстрация задержки изменения тока в цепи индуктивности

Обратите внимание на нелинейность изменения силы тока по времени.

Аналогичные процессы происходят в цепи, состоящей из одной катушки. На рисунке 5 изображена такая схема и график изменения силы тока.

Рис. 5. Возникновение самоиндукции

Остаётся добавить, что скорость изменение величины ЭДС зависит от количества витков соленоида. Чем больше витков, тем больше влияние вихревых токов, на параметры цепи.

В случае с переменным током амплитуда ЭДС самоиндукции пропорциональна амплитуде синусоиды питания, её частоте и индуктивности катушки.

Синусоидальный ток, проходя через катушку индуктивности, сдвигается по фазе на величину π/2. Именно этот сдвиг является причиной отставания собственного тока катушки от тока, вырабатываемого источником питания.

Формулы

Собственный магнитный поток контура (Ф) связан прямо пропорциональной зависимостью с индуктивностью (L) этого контура и величиной тока в нём (i). Данная зависимость выражается формулой: Ф = L×i. Коэффициент пропорциональности L принято называть коэффициентом самоиндукции или же просто индуктивностью контура.

При этом индуктивность контура пребывает в зависимости от его геометрии, площади плоскости ограниченной витком и магнитной проницаемости окружающей среды. Но этот коэффициент не зависит от силы тока в контуре. Если же форма, линейные размеры и магнитная проницаемость не изменяются, то для определения величины индуктивной ЭДС применяется формула:

где E_{самоинд.} – ЭДС самоиндукции, Δi – изменение силы тока за время Δt.

Индуктивность

Выше мы отметили, что индуктивность контура зависит от его геометрии и размеров, а также от магнитной проницаемости среды. Если речь идёт о катушке, то эти утверждения справедливы и для неё. На индуктивность катушки влияет её диаметр и количество витков. Индуктивность существенно повышается, если в катушку добавить ферромагнитный сердечник.

Магнитные поля отдельных витков катушки складываются. Если витков достаточно много, то ток, протекающий через катушку, образует вокруг неё сильное магнитное поле, реагирующее на изменения электрического поля. Индуктивность является той величиной, которая характеризует то, насколько сильно проводник, из которого состоят витки, противодействует электрическому току.

Чем больше индуктивность катушки и чем выше скорость прерывания её цепи, тем больший всплеск ЭДС произойдёт в цепи. При этом полярность вихревых токов на выводах катушки противоположна направлению тока источника питания.

Индуктивность (то есть коэффициент пропорциональности) является важной характеристикой катушек, дросселей и других контурных элементов. Этот параметр можно сравнить с ёмкостью конденсаторов. Тем более что действие катушки индуктивности и конденсатора в электрических цепях очень похожи. RL и RC цепочки часто используют для сглаживания всплесков напряжений в различных фильтрах.

Единицей измерения индуктивности в международной системе СИ является генри. Величина размеров в 1 Гн – это такая индуктивность, при которой ЭДС составляет 1 В, при скорости изменения тока на 1 А за секунду.

Индуктивность определяет количество энергии, выделяющейся в результате действия собственного магнитного поля при самоиндукции. Эту энергию легко рассчитать по формуле: W_м = LI²/2.

Собственная энергия катушки численно равна работе, которую необходимо выполнить источником питания при преодолении ЭДС самоиндукции.

Важно знать, что в результате резкого разрыва цепи с большой индуктивностью, энергия высвобождается в виде искры или даже с образованием дугового разряда.

Примеры использования на практике

Явление самоиндукции нашло широкое практическое применение. Автолюбители прекрасно знают, что такое катушка зажигания. Без неё карбюраторный двигатель не запустится.

Работает этот важный узел следующим образом:

1. На катушку с большой индуктивностью подаётся бортовое напряжение 12 В.
2. Электрическая цепь резко обрывается специальным прерывателем.
3. Накопленная энергия самоиндукции поступает по высоковольтным проводам на свечу и образует на её электродах мощную искру.
4. Искровой разряд зажигает топливную смесь, приводя в движение поршень.

В современных автомобилях разрыв цепи выполняет электроника, но суть от этого не меняется – для образования искры по-прежнему используется энергия самоиндукции.

Мы уже упоминали о сетевых фильтрах, в которых используется явление самоиндукции. RL цепочка реагирует на любое изменение параметров. При его возрастании она задерживает во времени пиковые скачки и заполняет собственными вихревыми токами провалы. Таким образом, происходит сглаживание напряжения в электрически цепях.

В блоках питания электронной аппаратуры таким же способом убирают:

• шумы:
• пульсации;
• нежелательные частоты.

Самоиндукция дросселей используется в люминесцентных лампах для розжига электродов. После срабатывания стартера происходит разрыв контактов, в результате чего в дросселе наводится ЭДС самоиндукции. Энергия дросселя разжигает дугу на электродах, и люминесцентная лампа начинает светиться.

Перечисленные примеры демонстрируют полезное применение самоиндукции. Однако, как это всегда бывает, индуктивная ЭДС может наносить вред. При разъединении контактов выключателей, нагрузкой которых являются цепи с большой индуктивностью, возможны дуговые разряды. Они разрушают контакты, замедляют время защиты и т.п. С целью снижения риска от негативных влияний самоиндукции автоматические выключатели оборудуют дугогасительными камерами.

В таких случаях приходится принимать меры для нейтрализации энергии ЭДС самоиндукции. Ещё большая потребность в рассеянии энергии самоиндукции возникает в полупроводниковых ключах, чувствительных к пробоям.

В промышленности и энергетике самоиндукция является серьёзной проблемой. При отключении нагруженных линий ЭДС самоиндукции может достигать опасных для жизни величин. Это требует дополнительных затрат на принятие мер предосторожности. В частности, необходимо устанавливать на линиях устройства, препятствующие молниеносному размыканию цепи.

Видео в помощь

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Индуктивность

Индуктивность — это свойство электрической цепи, с помощью которого изменяющееся магнитное поле создает электродвижущую силу или напряжение в этой цепи или в соседней цепи. Индуктивность также определяется как свойство электрической цепи, противодействующей любому изменению тока. В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в цепи индуцирует ток в соседней цепи.Примерно в то же время это открытие независимо сделал американский ученый Джозеф Генри. Генерация электродвижущей силы и тока изменяющимся магнитным полем называется электромагнитной индукцией. Работа электрогенераторов основана на принципе индуктивности.

Силовые линии магнитного поля

Чтобы лучше понять индуктивность, полезно иметь представление о силовых линиях магнитного поля. Все магниты окружены магнитным полем, также называемым магнитным потоком.Магнитное поле можно представить как состоящее из силовых линий или силовых линий. Силы магнитного притяжения и отталкивания движутся по силовым линиям. Шаблон силовых линий магнитного поля можно наблюдать в нашем интерактивном руководстве по Java Magnetic Field Lines.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Открытия Фарадея

Фарадей открыл электромагнитную индукцию в эксперименте с использованием двух катушек проволоки, намотанных вокруг противоположных сторон кольца из мягкого железа, аналогично экспериментальной установке на Рисунке 1 ниже.

Первая катушка справа прикреплена к батарее. Вторая катушка содержит компас, который действует как гальванометр для определения тока. Когда переключатель замкнут, через первую катушку проходит ток, и железное кольцо намагничивается. Когда переключатель в первый раз замыкается, компас во второй катушке на мгновение отклоняется и сразу же возвращается в исходное положение. Отклонение компаса указывает на то, что возникла электродвижущая сила, заставившая на мгновение протекать ток во второй катушке.Фарадей также заметил, что при размыкании переключателя компас снова на мгновение отклоняется, но в противоположном направлении.

Фарадей знал, что катушка с проводом, по которой протекает электрический ток, создает магнитное поле. Поэтому он предположил, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток во второй катушке. Замыкание и размыкание переключателя вызывают изменение магнитного поля: расширение и сжатие соответственно. Вы можете провести эксперимент Фарадея в нашем интерактивном руководстве по Java Faraday’s Experiment.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Фарадей продемонстрировал, что его гипотеза верна, перемещая простой стержневой магнит назад и вперед внутри катушки. Он заметил, что ток индуцировался в катушке только во время движения магнита. Он также заметил, что в катушке индуцировался ток, когда катушка перемещалась рядом с неподвижным постоянным магнитом.Он обнаружил, что именно относительное движение между проводником и магнитным полем производит ток. Для генерации тока либо проводник может перемещаться через поле, либо поле может проходить мимо проводника. Чтобы возникла электромагнитная индукция, должно произойти изменение магнитного потока. Проведите этот эксперимент в нашем 2-м экспериментальном интерактивном учебном пособии по Java Faraday.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Связь между изменением магнитного потока и индуцированной электродвижущей силой известна как закон электромагнитной индукции Фарадея:

Величина электромагнитной силы, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через цепь.

Математически закон Фарадея записывается как:

E = — (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, DF — изменение магнитной силы в сетках, а Dt — количество времени в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Из приведенной выше формулы мы видим, что величина индуцированного напряжения определяется двумя факторами:

1. Величина магнитного потока
   Чем больше количество силовых линий магнитного поля, пересекающих проводник, тем больше индуцированное напряжение.
2. Скорость, с которой силовые линии магнитного поля пересекают проводник
   Чем быстрее силовые линии пересекают проводник или проводник пересекает силовые линии, тем больше индуцированное напряжение. Вы можете наблюдать это, изменяя скорость, с которой вы перемещаете магнит, в нашем 2-м экспериментальном интерактивном руководстве по Java Фарадея.

Закон Ленца

Знак минус в законе Фарадея указывает на направление или полярность индуцированного напряжения.В 1833 году русский физик Генрих Ленц открыл взаимосвязи между силами, напряжениями и токами электромагнитной индукции. Закон Ленца гласит:

Индуцированная электродвижущая сила генерирует ток, который индуцирует противодействующее магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, генерирующему ток.

Например, когда внешнее магнитное поле приближается к кольцевому проводнику, ток, который создается в кольце, будет индуцировать собственное магнитное поле, противоположное приближающемуся внешнему магнитному полю.С другой стороны, когда внешнее магнитное поле удаляется от кольца, индуцированное магнитное поле в кольце меняет направление на противоположное и препятствует изменению направления внешнего магнитного поля. Вы можете увидеть в действии закон Ленца в нашем интерактивном учебном пособии по Java Lenz’s Law.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Самоиндуктивность

Мы знаем, что ток, протекающий по проводнику, создает магнитное поле вокруг проводника.Когда ток увеличивается, уменьшается или меняет направление, магнитное поле изменяется. Магнитное поле расширяется, сжимается или меняет направление в ответ на изменения тока. Изменяющееся магнитное поле индуцирует дополнительную электродвижущую силу или напряжение в проводнике. Индукция этого дополнительного напряжения называется самоиндукцией, потому что она индуцируется внутри самого проводника. Направление самоиндуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его породил.Это соответствует закону Ленца, который можно выразить следующим образом:

Индуцированная электродвижущая сила (напряжение) в любой цепи всегда имеет направление, противоположное току, который его породил.

Эффект самоиндукции в цепи заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в цепи. Например, когда напряжение подается на цепь, ток начинает течь во всех частях цепи. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле.Когда поле расширяется, в цепи генерируется противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение вызывает протекание тока в направлении, противоположном направлению основного тока. Индуктивность на этом этапе препятствует нарастанию тока. Когда индуцированное магнитное поле становится устойчивым, оно перестает индуцировать обратное напряжение.

Когда ток в цепи отключается, индуцированное магнитное поле начинает разрушаться. Когда поле схлопывается, оно генерирует напряжение в направлении, которое на мгновение продлевает основной ток.Когда индуцированное магнитное поле полностью схлопывается, индуцированное напряжение и ток прекращаются. Опять же, самоиндукция препятствует изменению тока. Он препятствует нарастанию тока и задерживает его пробой. Вы можете увидеть влияние самоиндукции на ток в нашем интерактивном руководстве по Java Self-Inductance.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Взаимная индуктивность

В эксперименте Фарадея с двумя катушками на кольце из проводящего железа он обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в одной катушке индуцирует электродвижущую силу или напряжение во второй катушке.Это явление называется взаимной индуктивностью. Взаимная индуктивность возникает, когда изменяющееся магнитное поле в одной цепи индуцирует напряжение в соседней цепи.

В соответствии с законом Ленца направление индуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его генерировал. Снова глядя на эксперимент Фарадея ниже, мы обнаруживаем, что когда напряжение подается на катушку справа, в железном кольце индуцируется магнитное поле. По мере расширения поля во второй катушке слева создается напряжение.Это вторичное напряжение вызывает ток во второй катушке. Этот вторичный ток проходит в направлении, противоположном току в первой катушке. Когда индуцированное магнитное поле в кольце становится постоянным, ток перестает течь во второй катушке.

Когда ток в первой катушке отключается, индуцированное магнитное поле в кольце начинает разрушаться. Когда поле схлопывается, оно снова генерирует напряжение во второй катушке.Результирующий ток во второй катушке имеет направление, противоположное ранее наведенному току. Когда магнитное поле в кольце полностью разрушается, индуцированное напряжение и ток во вторичной катушке прекращаются. Вы можете провести этот эксперимент в нашем интерактивном учебном пособии по Java Faraday’s Experiment.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Катушки индуктивности

Дроссели — это электрические устройства, предназначенные для обеспечения индуктивности в цепи.Индуктор — это просто катушка с проволокой. Самоиндукция возникает в цепи, даже если проводники абсолютно прямые. Однако самоиндукция в прямом проводе очень мала. Индуктивность намного более значительна, когда проводники скручены, потому что магнитное поле каждого витка катушки пересекает соседние витки катушки. Для увеличения индуктивности индуктор может иметь железный сердечник. Помещение железа внутрь катушки значительно увеличивает силу ее магнитных полей.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки влияют три фактора:

1. Количество витков в катушке
   Чем больше количество витков в катушке, тем больше индуктивность.Это верно, потому что чем больше витков в катушке, тем больше взаимодействий магнитного поля.
2. Площадь сечения катушки
   Чем больше площадь поперечного сечения катушки, тем больше индуктивность. Этот фактор тесно связан с количеством витков в катушке. Он включает рассмотрение расстояния между витками. Поскольку магнитное поле становится слабее по мере его движения, близкорасположенные витки обеспечивают взаимодействия там, где поля наиболее сильны.
3. Проницаемость керна
   Проницаемость относится к способности материала проводить магнитные силовые линии. Железо имеет гораздо большую проницаемость, чем воздух. Следовательно, катушка с железным сердечником имеет большую индуктивность, чем катушка с сердечником, содержащим только воздух.

Расчет наведенного напряжения в катушке

Закон Фарадея можно использовать для определения полной наведенной электродвижущей силы или напряжения в катушке.Предполагая, что витки катушки плотно намотаны, полное наведенное напряжение катушки можно рассчитать по следующей формуле:

E = — N (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, N — количество витков в катушке, DF — изменение магнитной силы в веберах, а Dt — время в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Измерение индуктивности

Символ индуктивности — заглавная буква L в честь Генриха Ленца. Единицей измерения индуктивности является генри, названный в честь Джозефа Генри, сокращенно ч . Одна генри индуктивности существует, когда один вольт электродвижущей силы индуцируется при изменении тока со скоростью один ампер в секунду. Математически это записывается как:

L = E / (DI / Dt)

, где L — индуктивность в генри, E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, DI — изменение тока в амперах, а Dt — время в секундах, в течение которого происходит изменение тока. .

Катушки индуктивности в последовательной цепи

Последовательная цепь — это цепь, в которой ток имеет только один путь. В последовательной цепи весь ток проходит через каждый из компонентов в цепи. Схема на рисунке 2 имеет три последовательно включенных индуктора.

Если катушки индуктивности экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, общая индуктивность цепи является накопительной. Полная индуктивность такой цепи — это сумма всех индукторов в цепи.Поэтому используйте следующую формулу для расчета общей индуктивности последовательной цепи:

L _T = L ₁ + L ₂ + L ₃ . . .

, где L _T — общая индуктивность в цепи, а от L ₁ до L ₃ . . . — это номинальные значения индуктивности отдельных катушек индуктивности в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность последовательной цепи на Рисунке 2 можно рассчитать следующим образом:

L _T = 50 + 40 + 20

L _T = 110 м h

Катушки индуктивности в параллельных цепях

Параллельная цепь — это цепь, в которой компоненты расположены так, что путь для тока разделен.Схема на рисунке 3 имеет три параллельно включенных индуктора.

Параллельное подключение катушек индуктивности всегда снижает общую индуктивность цепи. Если индукторы экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, полную индуктивность цепи можно рассчитать по следующей формуле:

L _T = 1 ÷ (1 / L ₁ + 1 / L ₂ + 1 / L ₃ ….)

, где L _T — полная индуктивность в цепи, а L ₁ через L ₃ .. . — это номинальные значения индуктивности отдельных катушек индуктивности в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность указанной выше параллельной цепи можно рассчитать следующим образом:

L _T = 1 ÷ (1/5 + 1/15 + 1/30)

L _T = 1 ÷ (0,2 + 0,066 + 0,033)

L _T = 1 ÷ 0,299

L _T = 3.344 мч

Индуктивное реактивное сопротивление

Эффект самоиндукции в катушке заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в катушке. Например, когда на катушку подается напряжение, в катушке начинает течь ток. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле. Когда поле расширяется, в катушке генерируется противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение противостоит основному току. Это противодействие протеканию тока называется индуктивным реактивным сопротивлением и измеряется в омах.

Величина индуктивного сопротивления в цепи зависит от частоты и величины переменного тока, а также от величины индуктивности. Индуктивное реактивное сопротивление цепи можно рассчитать по следующей формуле:

X _L = 2pfL

, где X _L — индуктивное реактивное сопротивление в омах, 2p — постоянная, полученная расчетным путем, которая обычно округляется до 6,28, f — частота приложенного переменного тока в герцах, а L — это постоянная. индуктивность цепи в генри.

Трансформаторы

Работа трансформаторов основана на принципе взаимной индуктивности. Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения напряжений и токов переменного тока (AC) в цепях. Трансформатор обычно состоит из двух катушек провода, электрически изолированных друг от друга, намотанных на один сердечник. Одна катушка называется первичной катушкой; другой называется вторичной обмоткой. Первичная катушка — это входная катушка трансформатора, а вторичная катушка — это выходная катушка.Когда переменное напряжение подается на первичную катушку, оно вызывает изменяющееся магнитное поле в сердечнике. Взаимная индукция вызывает наведение напряжения во вторичной катушке.

Количество обмоток первичной и вторичной обмоток трансформатора определяет, как изменяется напряжение в цепи. Когда количество витков первичной катушки больше, чем количество вторичной катушки, индуцированное напряжение во вторичной катушке меньше, чем приложенное напряжение первичной катушки.Когда количество витков первичной катушки меньше, чем количество вторичной катушки, индуцированное напряжение во вторичной катушке больше, чем приложенное напряжение первой катушки. Если выходное напряжение трансформатора больше входного напряжения, он называется повышающим трансформатором. Если выходное напряжение трансформатора меньше входного напряжения, он называется понижающим трансформатором. Узнайте о влиянии переменного входного напряжения и количества обмоток трансформатора в нашем интерактивном учебном пособии по Java Transformer.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Повышающий трансформатор увеличивает напряжение. Однако увеличение напряжения сопровождается уменьшением тока. Обратное верно для понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор снижает напряжение, но увеличивает ток. Это свойство трансформаторов делает их очень полезными и выгодными для передачи электроэнергии на большие расстояния.Повышающие трансформаторы используются на электростанциях для выработки очень высоких напряжений. Уменьшается выходной ток, что значительно снижает потери мощности из-за сопротивления в линиях передачи. Когда мощность достигает потребителей, используются понижающие трансформаторы для снижения напряжения и увеличения тока до уровня, необходимого для потребительских приложений.

Применение индуктивности

Свойства индукторов делают их очень полезными в различных приложениях.Например, индукторы противодействуют любым изменениям тока. Следовательно, индукторы можно использовать для защиты цепей от скачков тока. Катушки индуктивности также используются для стабилизации постоянного тока и для контроля или устранения переменного тока. Катушки индуктивности, используемые для устранения переменного тока выше определенной частоты, называются дросселями.

Генераторы

Одним из наиболее распространенных способов использования электромагнитной индуктивности является генерация электрического тока. Чтобы узнать, как работает генератор, посетите наш учебник по генераторам и двигателям .

Радиоприемники Катушки индуктивности

могут использоваться в цепях с конденсаторами для генерации и изоляции высокочастотных токов. Например, катушки индуктивности используются с конденсаторами в схемах настройки радиоприемников. На рисунке 4 переменный конденсатор подключен к схеме антенна-трансформатор. Передаваемые радиоволны заставляют индуцированный ток течь в антенне через первичную катушку индуктивности на землю.

Вторичный ток в обратном направлении индуцируется во вторичной катушке индуктивности.Этот ток течет к конденсатору. Скачок тока в конденсаторе вызывает противодействующую электродвижущую силу. Эту противодействующую электродвижущую силу называют емкостным реактивным сопротивлением. Индуцированный поток тока через катушку также вызывает противодействующую электродвижущую силу. Это называется индуктивным реактивным сопротивлением. Таким образом, в цепи есть как емкостное, так и индуктивное реактивное сопротивление.

На более высоких частотах индуктивное реактивное сопротивление больше, а емкостное реактивное сопротивление меньше. На более низких частотах все наоборот.Переменный конденсатор используется для выравнивания индуктивного и емкостного сопротивлений. Состояние, при котором реактивные сопротивления уравновешены, называется резонансом. Конкретная частота, которая изолирована выровненными реактивными сопротивлениями, называется резонансной частотой.

Радиосхема настраивается путем регулировки емкости переменного конденсатора для выравнивания индуктивного и емкостного реактивного сопротивления цепи для желаемой резонансной частоты или, другими словами, для настройки на желаемую радиостанцию.Наш интерактивный учебник по Java для радиоприемника демонстрирует, как катушки индуктивности и переменный конденсатор используются для настройки на радиочастоты.

	Интерактивное учебное пособие по Java

Металлоискатели

Работа металлоискателя основана на принципе электромагнитной индукции.Металлоискатели содержат одну или несколько катушек индуктивности. Когда металл проходит через магнитное поле, создаваемое катушкой или катушками, поле индуцирует в металле электрические токи. Эти токи называются вихревыми токами. Эти вихревые токи, в свою очередь, создают собственное магнитное поле, которое генерирует ток в детекторе, который передает сигнал, указывающий на присутствие металла. Наблюдайте за магнитными полями и вихревыми токами, генерируемыми металлоискателем, в нашем учебном пособии по металлоискателю для Java.

	Интерактивное учебное пособие по Java

НАЗАД НА ДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНИТИЗМА

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1995-2019, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены.Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается нашим
Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией на
Национальная лаборатория сильного магнитного поля.

Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18

Счетчик доступа с 29 марта 1999 г .: 252720

.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• образование
• Исследовательская работа
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Alumni
• О MIT
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Alumni
  • О MIT

Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

.

Расчеты взаимной индуктивности и магнитной силы для катушки Bitter Disk (блин) с нелинейным радиальным током и нитевидной круговой катушки с азимутальным током

Катушки Bitter — это электромагниты, используемые для генерации чрезвычайно сильных магнитных полей, превышающих 30 T. В этой статье мы производим вычисления взаимная индуктивность и магнитная сила между катушкой Горького диска (блина) с нелинейным радиальным током и кольцевой нитевидной катушкой с азимутальным током. Близкая форма, выраженная через полные эллиптические интегралы первого и второго рода, а также лямбда-функцию Хоймана, получается для этой конфигурации либо для взаимной индуктивности, либо для магнитной силы.Результаты этого метода сравниваются с результатами, полученными усовершенствованным методом модифицированного филамента для представленной конфигурации. Все результаты находятся в отличном согласии.

1. Введение

В литературе и научных статьях расчет взаимной индуктивности и магнитной силы между обычными кольцевыми катушками с однородными плотностями тока проводился различными методами — аналитическими или численными [1–15]. Однако существует не так много ссылок на взаимную индуктивность и расчет магнитной силы между кольцевыми катушками, в которых плотности тока неоднородны.Катушки с этой характеристикой являются катушками Биттера или соленоидами Биттера. Катушки Горького используются в приложениях с сильным магнитным полем, и они отличаются от обычных катушек тем, что имеют обратное радиальное распределение тока [16, 17]. Интересным моментом является расчет взаимной индуктивности и магнитной силы между катушками Биттера или между одной катушкой Биттера и обычной катушкой. Как правило, расчет магнитной силы между кольцевыми катушками тесно связан с расчетом их взаимной индуктивности.Поскольку их взаимная энергия равна произведению их взаимной индуктивности и токов в катушках, составляющая магнитной силы притяжения или отталкивания в любом направлении равна произведению токов, умноженных на дифференциальный коэффициент взаимной индуктивности. взято относительно этой координаты. Взаимная индуктивность и магнитная сила вычисляются по множественным интегралам с различными функциями ядра. Таким образом, при вычислении взаимной индуктивности и соответствующей магнитной силы между двумя катушками нам необходимо интегрировать их ядерные функции в зависимости от конфигурации катушек.Будем надеяться, что эти функции ядра являются функциями Грина, а где «» — расстояние между двумя катушками. Этот интегральный подход, намного более простой, чем дифференциальный подход, приводит к относительно простым выражениям, которые включены в эти две физические величины. В этой статье мы рассчитываем взаимную индуктивность между дисковой катушкой Биттера с нелинейным радиальным током и кольцевой нитевидной катушкой с азимутальным током (обычная катушка). Катушки коаксиальные и воздушные. Либо взаимная индуктивность, либо магнитная сила получается в замкнутой форме, выраженной по полным эллиптическим интегралам первого и второго рода, а также по лямбда-функции Хоймана [18, 19].Результаты этих расчетов будут сравниваться с результатами, полученными с помощью улучшенного метода накала для рассматриваемой конфигурации. Результаты, полученные этими двумя методами, прекрасно согласуются.

2. Основные выражения

Взаимная индуктивность и магнитная сила между дисковой катушкой (блин) с однородной азимутальной плотностью тока и нитевидной катушкой с азимутальным током (см. Рисунок 1) могут быть рассчитаны соответственно по [1, 2], где

.

% PDF-1.3 % 3511 0 obj> endobj Xref 3511 93 0000000016 00000 н. 0000003939 00000 н. 0000002204 00000 н. 0000004198 00000 п. 0000004588 00000 н. 0000004895 00000 н. 0000005042 00000 н. 0000005184 00000 п. 0000005331 00000 п. 0000005473 00000 п. 0000005615 00000 н. 0000005757 00000 н. 0000005904 00000 н. 0000006046 00000 н. 0000006188 00000 п. 0000006330 00000 н. 0000006476 00000 н. 0000006617 00000 н. 0000006759 00000 н. 0000006901 00000 н. 0000007048 00000 н. 0000007194 00000 н. 0000007340 00000 н. 0000007487 00000 н. 0000007629 00000 н. 0000007776 00000 н. 0000007918 00000 п. 0000008065 00000 н. 0000008207 00000 н. 0000008349 00000 п. 0000008496 00000 н. 0000008637 00000 н. 0000008779 00000 н. 0000008921 00000 н. 0000009063 00000 н. 0000009205 00000 н. 0000009345 00000 п. 0000009490 00000 н. 0000009959 00000 н. 0000010530 00000 п. 0000010771 00000 п. 0000010849 00000 п. 0000011096 00000 п. 0000011658 00000 п. 0000012003 00000 п. 0000012041 00000 п. 0000012264 00000 п. 0000012780 00000 п. 0000013996 00000 п. 0000014535 00000 п. 0000014752 00000 п. 0000015344 00000 п. 0000015814 00000 п. 0000016451 00000 п. 0000016948 00000 н. 0000017090 00000 п. 0000017136 00000 п. 0000017614 00000 п. 0000018116 00000 п. 0000051274 00000 п. 0000053945 00000 п. 0000053999 00000 п. 0000054053 00000 п. 0000054107 00000 п. 0000054161 00000 п. 0000054215 00000 п. 0000054269 00000 п. 0000054323 00000 п. 0000054377 00000 п. 0000054431 00000 п. 0000054485 00000 п. 0000054539 00000 п. 0000054593 00000 п. 0000054647 00000 п. 0000054701 00000 п. 0000054755 00000 п. 0000054810 00000 п. 0000054865 00000 п. 0000054920 00000 п. 0000054975 00000 п. 0000055030 00000 п. 0000055085 00000 п. 0000055140 00000 п. 0000055195 00000 п. 0000055250 00000 п. 0000055305 00000 п. 0000055360 00000 п. 0000055415 00000 п. 0000055470 00000 п. 0000055525 00000 п. 0000055580 00000 п. 0000055635 00000 п. 0000003697 00000 н. прицеп ] >> startxref 0 %% EOF 3513 0 obj> поток x ڼ V {LSg? m7iU, \ uFJt @ ˣZn͒p -! «NYh4 šd٢}} j ߾ |; [

.