При проведении эксперимента надо ограничить ток в цепи, посредством включенной последовательно с катушкой нагрузки, иначе возникнет короткое замыкание.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

В цепи переменного тока в катушке индуктивности происходит следующий процесс:

1. ток возбуждает в катушке электромагнитное поле. Поскольку он переменный, то и параметры электромагнитного поля во времени меняются, то есть оно тоже переменное;
2. переменное магнитное поле в соответствии с законом электромагнитной индукции возбуждает в самой катушке ЭДС. Ее так и называют — ЭДС самоиндукции. Она всегда идет против направления изменения силы тока. Следовательно, в первой половине полупериода, когда сила тока возрастает, катушка это нарастание сдерживает. При этом часть энергии электричества накапливается в формируемом катушкой магнитном поле;
3. во второй половине полупериода, катушка, наоборот, противостоит снижению силы тока, возвращая в цепь накопленную в виде магнитного поля энергию.

Таким образом, катушка индукции оказывает сопротивление источнику переменного тока. Это сопротивление имеет иную природу, нежели активное, преобразующее электрическую энергию в тепло.

Сопротивление катушки энергию не потребляет, а лишь аккумулирует ее и затем снова возвращает в цепь, меняя характер протекания в ней тока. Его называют индуктивным. В противоположность активному, оно, как и емкостное сопротивление конденсатора, является реактивным.

Эффект проявляется тем сильнее, чем выше частота переменного тока, то подтверждается формулой расчета индуктивного сопротивления: XL = w*L = 2 π * f * L, где:

• XL — индуктивное сопротивление, Ом;
• W — круговая частота переменного тока, рад/с;
• F — частота переменного тока, Гц;
• L — индуктивность катушки, Гн.

Индуктивное сопротивление, несмотря на иной принцип действия, измеряется в тех же единицах, что и активное — Омах. Таким образом, в цепях переменного тока катушка индуктивности выступает ограничителем силы тока и нагрузку, в отличие от цепи постоянного, вводить не требуется.

Зависимость индуктивного сопротивления катушки от частоты тока позволяет использовать данный элемент помимо прочего, для фильтрации высокочастотных помех или сигналов. Например, при установке его в схеме динамика, последний воспроизводит только низкие частоты, то есть играет роль сабвуфера.

На преодоление индуктивного сопротивления источник расходует часть мощности — это реактивная мощность (Wр). Остальное называют активной или полезной мощностью (Wа) — она производит полезную работу. Вместе реактивная и активная мощности образуют полную: Wр + Wа = Wпол.

График происходящих процессов в катушке индуктивности

Доля активной мощности характеризуется параметром cosϕ: cosϕ = Wа / W пол. Полную мощность принято измерять в вольт-амперах (ВА). Именно эти единицы указываются в характеристике источников бесперебойного питания (ИБП) и дизельных электрогенераторов. Активная мощность измеряется в привычных ваттах (Вт).

Все сказанное имеет отношение к потребителям с электродвигателями и трансформаторами, поскольку обмотки этих элементов по сути, являются катушками индуктивности. То есть если на шильдике импульсного блока питания компьютера указано, что его мощность составляет 400 Вт и cosϕ = 0,7, то от «бесперебойника» данное устройство потянет мощность Wпол = Wа / cosϕ = 400 0,7 = 571,4 ВА.

При большом количестве подобных потребителей, затраты на реактивную мощность существенно перегружают генераторы электростанций, ввиду чего в энергосетях применяют установки компенсации реактивной мощности (УКРМ).

При включении катушки индуктивности в цепь постоянного тока процесс, описанный в пунктах 1-3, также имеет место, только не все время, а в момент включения/отключения.

Если собрать простейшую цепь из последовательно установленных выключателя, катушки и лампы, можно видеть, что лампочка загорается при замыкании цепи с запаздыванием и также с запаздыванием гаснет после размыкания.

Объясняется это тем, что ток в момент включения меняется от нулевого значения до максимума, также в момент отключения его значение меняется, хоть и очень быстро, от максимума до нуля. В первом случае катушка накапливает в себе часть энергии в виде магнитного поля, во втором — отдает ее лампе, отчего та и горит после размыкания цепи.

График зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени

Графически характер изменения тока в цепи и ЭДС самоиндукции с течением времени выглядит так:

Зависимость тока и ЭДС самоиндукции в катушке в цепи переменного тока

Из графика видно, что ЭДС самоиндукции тем больше, чем выше скорость изменения силы тока. В начале периода (участок вблизи т.1 на графике) сила тока возрастает быстро, потому и ЭДС самоиндукции здесь максимальна. К концу первой четверти периода (т. 2) скорость изменения снижается почти до нуля (синусоида принимает горизонтальное положение), после чего сила тока все стремительнее уменьшается (участок между т. 2 и т. 3).

Соответственно, ЭДС самоиндукции снижается в т. 2 до нуля, а затем снова возрастает, но при этом меняет знак на противоположный: теперь она противодействует падению силы тока, то есть ток и ЭДС по знаку совпадают. В следующем полупериоде картина повторяется.

График зависимости тока и напряжения в цепи от времени

Графически зависимость тока в цепи и напряжения с течением времени выглядит так:

График зависимости тока и напряжения в цепи от времени

Как видно, синусоиды тока и напряжения не совпадают: первая смещена относительно второй на угол в 90⁰ или ¼ периода вправо, то есть, отстает от нее. Данное явление называют сдвигом фаз.

Сдвиг фаз между напряжением и током

Данное явление обусловлено противодействием катушки индуктивности изменению силы тока.

Изучить явление поможет простой опыт, для которого понадобятся следующие устройства и элементы:

Все элементы последовательно подключаются к источнику постоянного тока. На осциллографе видно две синусоиды, отображающие напряжение на генераторе частоты (красная) и на резисторе (желтая).

Вторую синусоиду можно считать отображением колебаний тока на резисторе, так как он по амплитуде, фазе и частоте всегда соответствует напряжению на данном участке.

Ход опыта:

1. генератор настраивается на частоту в 1 кГц. По осциллографу видно, что фазы обеих синусоид совпадают. Амплитуда на второй синусоиде составляет почти 2 В;
2. увеличивают частоту тока до 100 кГц. Осциллограф отражает два изменения: амплитуда колебаний напряжения на резисторе уменьшилась, а синусоида резистора сдвинулась относительно синусоиды генератора: это и есть сдвиг фаз;
3. при дальнейшем увеличении частоты, наблюдается следующее: амплитуда напряжения на резисторе падает до 480 мВ, а сдвиг фаз увеличивается;
4. при установке максимально возможной частоты, амплитуда напряжения на резисторе падает до 120 мВ. Сдвиг фаз приближается к 90⁰ (четверть периода).

Опыт подтвердил, что индуктивное сопротивление катушки при увеличении частоты возрастает. Попутно наблюдается сдвиг фаз между напряжением источника и током нагрузки, стремящийся к 90⁰.

Видео по теме

Кратко о катушке индуктивности в цепи переменного тока в видео:

Катушка индуктивности при всей своей простоте, применяется довольно широко. Это и индукционные нагреватели, и обмотки трансформаторов, двигателей и генераторов, и дроссели (сглаживание пульсаций и подавление помех), и реактор (ограничение силы тока при замыкании на ЛЭП), и многое другое. Правильно применяя данный элемент, радиолюбитель повысит качество работы электросхемы.

Индуктивность.

Как работает трансформатор.

Рассмотрим работу дросселя собранного на замкнутом магнитопроводе и подключенного в виде нагрузки, к источнику переменного тока. Число витков и магнитная проницаемость сердечника подобраны таким образом, что его реактивное сопротивление велико, ток протекающий в цепи соответственно — нет.

Ток, переодически изменяя свое направление, будет возбуждать в обмотке катушки (назовем ее катушка номер 1) электромагнитное поле, направление которого будет также переодически меняться — перемагничивая сердечник. Если на этот же сердечник поместить дополнительную катушку(назовем ее — номер 2), то под действием переменного электромагнитного поля сердечника, в ней возникнет наведенная переменная Э.Д.С.

Если количество витков обеих катушек совпадает, то значение наведенной Э.Д.С. очень близко к значению напряжения источника питания, поданного на катушку номер 1. Если уменьшить количество витков катушки номер 2 вдвое, то значение наведенной Э.Д.С. уменьшится вдвое, если количество витков наоборот, увеличить — наведенная Э.Д.С. также, возрастет. Получается, что на каждый виток, приходится какая-то определенная часть напряжения.

Обмотку катушки на которую подается напряжение питания (номер 1) называют первичной, а обмотка, с которой трансформированое напряжение снимается — вторичной.

Отношение числа витков вторичной(N_p) и первичной (N_s) обмоток равно отношению соответствующих им напряжений — U_p(напряжение первичной обмотки) и U_s(напряжение вторичной обмотки).

Если подключить к вторичной обмотке какую-либо нагрузку, в ней возникнет ток(I_s). Это вызовет пропорциональное увеличение тока(I_p) и в первичной обмотке. Будет верным соотношение:

Трансформаторы могут применяться как для преобразовния питающего напряжения, так и для развязки и согласования усилительных каскадов. При работе с трансформаторами необходимо обратить внимание на ряд важных параметров, таких как:
1. Допустимые токи и напряжения для первичной и вторичной обмоток.
2. Максимальную мощность трансформатора — мощность которая может длительное время передаваться через него, не вызывая перегрева обмоток.
3. Диапазон рабочих частот трансформатора.

Параллельный колебательный контур.

Если соединить катушку индуктивности и конденсатор — получится очень интересный элемент радиотехники — колебательный контур. Если зарядить конденсатор или навести в катушке Э.Д.С., используя электромагнитное поле — в контуре начнут происходить следующие процессы: Конденсатор разряжаясь, возбуждает электромагнитное поле в катушке индуктивности. Когда заряд истощается, катушка индуктивности возвращает запасенную энергию обратно в конденсатор, но уже с противоположным знаком, за счет Э.Д.С. самоиндукции. Это будет повторяться снова и снова — в контуре возникнут электромагнитные колебания синусоидальной формы. Частота этих колебаний называется резонансной частотой контура, и зависит от величин емкости конденсатора(С), и индуктивности катушки (L).

Параллельный колебательный контур обладает очень большим сопротивлением на своей резонансной частоте. Это позволяет использовать его для частотной селекции(выделения) в входных цепях радиоаппаратуры и усилителях промежуточной частоты, а так же — в различных схемах задающих генераторов.

Калькулятор расчета индуктивности однослойной катушки.

Сопротивление катушки индуктивности, устройство и принцип работы

Катушка индуктивности играет немаловажную роль, в качестве одного из элементов, используемых в электротехнике. Так, несколько катушек образовывают трансформатор или могут быть использованы в качестве магнитов. А в целом спектр использования катушек индуктивности в электротехнике довольно широк, но для начала следует подробнее рассказать о принципе устройства и её работе.

Итак, катушка индуктивности или как коротко её называют специалисты – индуктивность, представляет собой пассивный элемент с двумя полюсами, применяемый в различных электронных устройствах и системах. Индуктивность является основным параметром катушки. Она зависима от материалов, из которых изготовлена катушка и её геометрических параметров. Как правило, индуктивность совершенно не зависима от тока и напряжения, проходящего через катушку и, следовательно, эти параметры не учитываются при характеристике самой катушки.

Другими словами катушки индуктивности применяются для того, чтобы накапливать энергию, подавлять помехи, сглаживать пульсацию, ограничивать силу переменного тока, для создания датчиков, магнитных полей и много другого.

Также катушка индуктивности имеет возможность влиять на реактивное сопротивление по отношению к переменному току, когда сопротивление постоянного тока незначительно. При совместном применении катушек с конденсаторами, они могут быть использованы в качестве фильтров, при помощи которых могут осуществляться частотные селекции электросигналов. Помимо этого такое использование может создавать элементы для задерживания сигналов и элементов запоминания, благодаря тому, что способна производить взаимодействие связей между цепями, через магнитный поток и так далее.

Характеристики катушки индуктивности

В сравнении с резисторами и конденсаторами у катушек индуктивности также существуют свои различия. В отличие от этих устройств они не являются изделиями стандартных образцов. Их производят для определённых целей и поэтому катушки индуктивности наделены именно такими характеристиками, какие нужны для решения задач связанных с преобразованием напряжения, токов и электросигналов.

Как писалось выше, конструкции у индуктивных катушек бывают различными. Некоторые из них делаются как винтовые или винтоспиральные, причём в последних, параметры намотки, зависят от длинны самой катушки. Также могут быть одно-слойные и многослойные намотки из различных проводников, которые в свою очередь бывает изолированные одно-жильные или много-жильные. Они располагаются на диэлектрических каркасных контурах разного типа сечения – круглой, прямоугольной формы или квадратной. Очень часто каркас бывает тороидальной формы, а при условии, если её используют с толстым проводом и небольшим количеством витков она может использоваться без специального каркаса.

При создании некоторых элементов может образовываться паразитная или другими словами нежелательная ёмкостная связь. Чтобы снизить её распределяющий по определённой области эффект, когда используется дроссель высокой частоты, для катушки с однослойного типа, используется особая намотка. Иначе такой способ намотки именуют «прогрессивным» шагом, то есть намотка постепенно меняется по всей длине катушки. Но наименьшую нежелательную (паразитную) ёмкость имеют катушки, для которых используется многослойная намотка. Особенно противостоит паразитной ёмкости наилучшим образом катушка с шагом «универсал». Для этого типа намотки витки проводника отделяются группами и распределяются по всей длине катушки.

Конструкция и материалы катушки индуктивности

Для того, чтобы увеличить индуктивность катушки, эксплуатируется особый сердечник из ферромагнита. Он может быть замкнутого или разомкнутого типов. Для катушек, монтируемых в устройствах для снижения помех, используются сердечники, изготовленные из карбонильного железа, флюкстроловые или ферритовые. В катушках для устройств в чью задачу входит сглаживание пульсаций различных частот – промышленного происхождения и звукового. Такие катушки обладают сердечниками из магнитомягких сплавов или электро-технической стали. Кроме того сердечники используются специально для того, чтобы изменять в катушках индуктивности. Изменения эти относительно небольшие и, как правило, зависят от того, как располагается сам сердечник по отношению к обмотке. Обычно это касается сердечника из ферромагнита.

При сверхвысоких частотах диэлектрики из ферромагнита обычно теряют свою магнитную проницаемость, вследствие чего увеличивается процент потерь, поэтому здесь уже идут в ход сердечники из латуни.

Катушка Индуктивности в Цепи Переменного Тока: Принцип Действия

Катушки индуктивности различных модификаций

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.

Теоретика

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

Что такое катушка индуктивности

Разнообразие размеров катушек

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.

Дроссели на печатной плате

• 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.

Соленоид

• 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.

Обмотка с втягивающего реле на стартере

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

Схема сверхпроводящего индуктивного накопителя

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

Конструкционные особенности

Строение катушки индуктивности

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.

Тороидальная катушка

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

Интересно знать! Шаг намотки может быть прогрессивным, то есть его величина изменяется по длине катушки. Применяется такая намотка для снижения «паразитной» емкости.

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.

Строение трансформатора

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.

Определение индуктивности: формула

• 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.

Совет! Изменение величины индуктивности катушки происходит пропорционально изменению числа витков.

Расчет энергии магнитного поля катушки

• Давно известно, что любое магнитное поле обладает некоторой энергией. Отсюда следует, что магнитное поле катушки тоже имеет определенный запас магнитной энергии. Величина этого запаса равна затраченной энергии на обеспечение протекания тока (I) в противодействие ЭДС. Расчеты производятся по приведенной выше формуле.

Гидротурбина

• Чтобы было еще понятнее давайте сравним катушку с гидротурбиной. Итак, водяной поток, который направлен через турбину, будет ощущать ее сопротивление, пока турбина до конца не раскрутится. Она имеет некоторую инерцию, а значит, будет вращаться синхронно с потоком воды, не оказывая ему практически никакого сопротивления.
• Если вы попробуете остановить поток воды или сменить его направление, то увидите, что турбина продолжит вращаться по инерции, заставляя двигаться воду в прежнем направлении. Чем выше инерция у турбины, тем сильнее она будет сопротивляться изменению направления потока воды.
• Ровно то же самое происходит в катушке индуктивности, когда переменный ток начинает течь в обратном направлении.

При последовательном соединении катушек их индуктивность складывается

• Влияние тока на индуктивность катушки выражается не только в виде основного эффекта взаимодействия. Часто наблюдаются паразитные эффекты, из-за которых сопротивление переменному току катушки индуктивности чисто реактивным назвать нельзя. Из-за этих эффектов в катушке возникают некоторые потери, оценивающиеся как сопротивление потерь. Данное значение составляет сумму потерь в сердечнике, проводе, экране и диэлектрике.
• Каждая из потерь вызвана разными причинами. В проводах их целых три: они обладают хоть и малым, но все же активным омическим сопротивлением; данное сопротивление растет с увеличением частоты, что обусловлено уменьшением амплитуды электромагнитных волн, по мере того как они проникают в глубину проводящей среды (это явление называется скин-эффектом) – другими словами, ток вытесняется на верхние слои провода, из-за чего изменяется площадь проводника, а значит, и его сопротивление; если провода свиты в спираль, возникает эффект близости, из-за которого тоже меняется активное сечение проводника, и общее сопротивление.

Дроссель сварочного аппарата

• Потери в диэлектрике могут возникать из-за межвиткового конденсатора, или по причине его электромагнитных свойств. Однако справедливости ради стоит отметить, что потери в этой части детали настолько малы, что ими часто пренебрегают при расчетах.
• Потери на сердечнике складываются из двух величин: потери на перемагничивание ферромагнетика (потери на гистерезис) и потери на вихревые токи. Переменное магнитное поле, возникающее от протекающего в проводнике тока, индуцирует вихревые ЭДС в соседних проводниках – сердечнике, проводах ближайших витков, и даже экране. Возникшие токи, имеющие название помимо вихревых, токи Фуко, также являются причиной потерь, из-за активного сопротивления провода.
• С потерями на сопротивление связана и другая характеристика, называемая добротностью. Ее величина – это соотношение реактивного и активного сопротивления катушки индуктивности.

Паразитная емкость катушки индуктивности

• Следующий параметр – это паразитная емкость. Явление состоит в том, что между витками катушки возникает некоторая нежелательная емкостная связь.
• ТКИ (температурный коэффициент индуктивности) – все мы знаем, что при нагревании вещества увеличиваются в размерах. Когда это происходит с катушкой, мы получаем нестабильность индуктивности, из-за изменения длины и диаметра проводника, длины и диаметра каркаса, а значит, изменения диаметра и шага витков. Помимо этого перемена температуры влияет на диэлектрическую проницаемость материала каркаса, что влечет изменение емкости катушки и влияет на проницаемость магнитным полем ферромагнетика сердечника.
• ТКД (температурный коэффициент дробности) – тут все понятно! Это изменение параметров добротности в зависимости от температуры.

Включение катушки индуктивности в цепи с постоянным и переменным током

В целом, мы определили, что такое катушка индуктивности, для чего она нужна, и какие характеристики для расчета ее параметров важны, однако до сих пор неискушенному читателю наверняка не понятно, как будут изменяться параметры протекающего через эту деталь тока.

Цепь, питаемая постоянным током

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока

Чтобы упростить изложение, будем проводить очень простой опыт:

• Для начала нам потребуется блок питания, способный выдавать стабильные 12 Вольт напряжения на выходе, 12-ти вольтовая лампочка накаливания для создания сопротивления, а также сама катушка индуктивности.

Стержень из феррита

• Катушку мы соберем своими руками из куска лакированной медной проволоки и ферритового стержня.

Изготовление катушки индуктивности

• Инструкция предельно проста — берем проволоку и наматываем ее на стержень, после чего зачищаем ножом концы, чтобы можно было подсоединить клеммы от блока питания и подпаять провода.
• Цена такой схемы минимальна, так что можете без проблем повторить опыт при желании дома.

Измерение индуктивности собранной катушки

• При помощи LC-метра измеряем индуктивность полученной детали. Как видно из фото выше, в рассматриваемом примере она составила 132 мкГн.

Схема с включенной катушкой индуктивности

• Теперь берем все наши детали и соединяем их по приведенной выше схеме.

Схема включена в сеть

• Вот что получилось на практике. Как видим, постоянный ток протекает через катушку практически беспрепятственно, если не учитывать естественное сопротивление проводника, ведь ток не меняет своего направления на противоположное.

На данной схеме лампочку заменяет резистор, но это не важно

• Значит ли это, что катушка индуктивности неприменима в цепях с постоянным током? Вовсе нет! Вот другая схема, в которую, как мы видим, уже включен некий выключатель, способный размыкать цепь. Именно в момент замыкания и происходит самое интересное.
• Поскольку до этого ток был равен нулю, он начнет изменяться и расти, из-за чего изменится магнитное поле катушки, что в свою очередь приведет к возникновению ЭДС. В катушке появится индукционный ток, который потечет в обратном направлении основного потока от источника питания.
• Именно в момент включения величина ЭДС будет максимальной, так как скорость изменения тока в этот момент наиболее высока, а значит, ток катушки индуктивности равен нулю.
• Что произойдет дальше? А дальше мы увидим, что ток в катушке индуктивности начнет расти, тогда как ЭДС, наоборот, снижаться. Вот как это выглядит на графике.

Uвх – входное напряжение питания; Il- изменение величины тока; Ul – напряжение на катушке

• На верхнем графике изображено изменение напряжения входной сети, сразу после включения. Как видим, моментально появляется постоянное значение.
• Дальше показано, как меняется величина тока, протекающего через катушку. Он тоже достигает постоянно значения, но не сразу, а спустя какое-то время.
• Напряжение на катушке (нижний график) также вырастает моментально, но тут же начинает падать. При этом обратите внимание, что графики силы тока и напряжения зеркально противоположны.
• Если все это перенести на наш опыт с лампой, то мы увидим, что после соединения цепи через выключатель, она загорится не сразу, а с некоторой задержкой.

Похожая ситуация будет и при размыкании цепи.

Физические процессы в катушке при размыкании цепи

По графикам видна противоположная ситуация, означающая, что лампочка продолжить гореть еще какое-то время после размыкания цепи.

Дело в том, что при прекращении подачи питания, в катушке снова возникнет ЭДС, однако ток индукции потечет теперь в том же направлении, что и от источника питания, то есть запасенная энергия в катушке, поддержит питание цепи.

Включение в цепь с переменным током

Теперь давайте проведем другой опыт, в котором подключим сделанную ранее катушку к источнику питания переменного тока.

Схема включения катушки индуктивности в цепь переменного тока

• Для создания приведенной схемы и снятия показаний нам потребуются: генератор частоты, осциллограф, резистор на 100 Ом и сама катушка.

Схема в сборе

• На фото выше виден осциллограф, отображающий 2 синусоиды. Это каналы, соответствующие частотам генератора (красная) и резистора (желтая), который включен в цепь уже после катушки индуктивности.
• Опыт с постоянным током показал, что катушка индуктивности при неизменном токе, никак не изменяет параметры тока, то есть не оказывает ему никакого сопротивления, а изменения случаются лишь во время включения и выключения питания.
• Теперь же, при помощи генератора, мы сможем посмотреть, как изменится сопротивление катушки, вследствие увеличения частот.

Ток имеет частоту 1 кГц

• Для начала подадим ток частотой в 1 кГц. Как видно из показаний, сигнал на выходе ничем не отличается от входного – сохранились и частота, и амплитуда.

Частота в 100 кГц

• Наращиваем частоту, останавливаясь на 100 кГц-ах. По графикам видно, что произошло какое-то изменение. А именно, уменьшилась амплитуда (ток стал выравниваться) и желтый график сместился вправо (появилась задержка) – это явление называет сдвигом фаз, то есть разницей между начальными и итоговыми замерами величин.

Интересно знать! Чтобы иметь возможность измерить сдвиг фаз, необходимо чтобы сигналы имели одинаковую частоту. Амплитуда значения не имеет.

Сдвиг фаз

Давайте посмотрим, что произойдет, если частоту увеличить еще.

Частота в 500 кГц

• По графикам видно, что тенденция сохранилась. Фаза сдвинулась еще сильнее, а амплитуда упала до 480 милливольт, хотя изначально равнялась практически 2 Вольтам.

Частота в 2 Мегагерца

• Выставляем максимальную частоту, что способен выдать наш генератор, и видим падение амплитуды до 120 мВ, и смещение фазы практически на 90 градусов.
• Отсюда можно сделать вывод, что с увеличением частоты питающего тока сопротивление катушки индуктивности будет расти. При этом происходит сдвиг фаз, максимальное значение которого составляет 90 градусов.

Сопротивление катушки напрямую зависит от ее индуктивности и рассчитывается по следующей формуле.

Расчет сопротивления катушки индуктивности

Работает при этом катушка все по тому же принципу.

Изменение тока и ЭДС самоиндукции

На графике показана зависимость тока и ЭДС от времени. Почему она выглядит именно так?

• Мы уже выяснили на примере постоянного тока, что ЭДС прямопропорциональна скорости, с которой изменяется сила тока. Собственно на графике и показывается эта зависимость.
• Рассмотрим часть графика. Между точками 1 и 2 ток изменяется, причем вначале изменение весьма резкое, но чем ближе к точке 2, тем оно сильнее замедляется, а в некотором промежутке времени и вовсе остается почти одинаковым.
• Отсюда следует, что скорость изменения тока выше около точки 1, а значит, в тот момент времени ЭДС и будет самым высоким.
• Также мы помним, что направление ЭДС противоположно основному току, то есть принимает отрицательное значение. Вот собственно и показанная зависимость – ток от точки 1 до точки 2 растет, а ЭДС падает, при прямой зависимости от скорости изменения тока.
• Идем дальше – промежуток 2-3. Ток у нас падает – сначала с медленной, а затем быстрой скоростью. ЭДС же, наоборот, растет, принимая положительное значение. И так далее, по аналогии.

Теперь, что касается знаков. На участке 1-2, у тока и ЭДС они противоположные, а значит, ЭДС тормозит ток, препятствуя его возрастанию, из-за того что они направлены навстречу друг другу. Далее идет участок 2-3, на котором ток и ЭДС выравниваются по знакам, а значит ЭДС побежит в ту же сторону, поддерживая убывающий ток.

Вот мы и пришли к тому факту, что току, протекающему в цепи, катушка индуктивности оказывает индуктивное или реактивное сопротивление. Возвращаясь к формуле расчета этого сопротивления, видим, что, так как частота в постоянном токе равно 0, сопротивление не оказывается, и наоборот, высокая частота переменного тока, увеличивает сопротивление катушки.

Так, мы что-то забыли! Да, конечно же! Что будет в это время с напряжением?

Зависимость напряжения и тока от времени

Из графика видно, что ток относительно напряжения сдвинут по фазе на ¼ такта, или на 90 градусов (отстает), что является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, с включенной катушкой индуктивности.

Как все это можно задействовать на практике. Самый банальный пример – это фильтр низких частот (ФНЧ). Мы увидели, что сигнал с высокой частотой проходит намного хуже, тогда как низкочастотный, не испытывает никакого сопротивления. Если включить катушку индуктивности  в цепь, запитывающую динамик, то мы получим обрезку высоких частот, превращая конструкцию в сабвуфер, играющий только басы.

На этом все. Мы разобрали, как меняется ток катушки индуктивности, ЭДС и напряжение. Кто бы мог подумать, что это простое устройство совершает такую работу? Этим то и прекрасен мир электротехники. Изучайте его, и вам откроется много интересного! В дополнение просмотрите лекцию из видео в этой статье. Удачи!

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока. — Студопедия.Нет

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек 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:

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

§ — магнитная проницаемость вакуума. Это табличная величина (константа) и равна она следующему значению:

§ — 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.

§ — площадь поперечного сечения катушки

§ — количество витков

§ — 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:

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 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. Напряжения 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:

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