зависимость индуктивности в катушке от сердечника

Один из важных элементов электротехники и электроники – индуктивность. В этой статье рассказывается о том, что это такое, и от чего зависит эта величина.

Катушки индуктивности

Что такое индуктивность

При изменении силы тока в проводнике наводится ЭДС самоиндукции. Соотношение между скоростью изменения тока и ЭДС – это коэффициент самоиндукции, или индуктивность проводника.

Это также коэффициент, отображающий связь между электрическим током, текущим в проводнике или обмотке, и магнитным потоком, который он создаёт.

Если этот провод намотать на катушку, то магнитное поле возрастёт. Это связано с явлением самоиндукции. Она увеличивается также при наличии внутри обмотки сердечника с высокой магнитной проницаемостью.

Обозначается этот параметр буквой «L». Кроме того, также в схемах обозначается катушка индуктивности или дроссель.

Единица измерения индуктивности катушки – 1 генри (Гн). Такой индуктивностью обладает дроссель, в котором при изменении тока на 1 ампер за 1 секунду наводится ЭДС в 1 вольт.

Так называют также саму катушку, главным качеством которой является индуктивное сопротивление.

Важно! Катушка, кроме индуктивного, обладает активным сопротивлением. Соотношение между ними называется «добротность».

Что такое индуктивность

Самоиндукция

Принцип работы катушки индуктивности можно сравнить с инерцией. При начале движения поезда энергия тратится на его разгон, а при торможении запасённая кинетическая энергия не позволяет остановиться составу мгновенно.

При появлении тока в проводнике вокруг него появляется поле. Часть энергии, протекающей по проводу, расходуется на его создание, и ток достигает максимума только после создания магнитного поля.

При отключении питания поле будет поддерживать ток до исчерпания энергии, заключённой в этом поле.

Магнитное поле проводника

При изменении магнитного потока, проходящего через площадь, ограниченную контуром, в проводниках, образующих этот контур, наводится ЭДС. Ток, протекающий по проводам, создаёт вокруг них магнитное поле, изменения которого, в свою очередь, наводят в этих проводах электродвижущую силу. Это ЭДС самоиндукции.

Самоиндукция направлена против источника напряжения и противодействует изменениям силы тока в цепи. Поэтому ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Величина ЭДС индукции зависит от скорости изменения магнитного потока. Но так как изменения тока в обмотке приводят к изменениям магнитного поля, то величина самоиндукции зависит от скорости его изменения. Она появляется и существует только при изменениях силы и направления тока. В сети переменного напряжения он отстаёт по фазе от напряжения. Это можно увидеть на экране осциллографа.

Через некоторое время после включения магнитный поток достигает своего максимума, перестаёт противодействовать росту тока, и параметры цепи начинают определяться активным сопротивлением обмотки.

При отключении поле начинает поддерживать ток в цепи. Это приводит к росту напряжения на выводах катушки и искрению контактов.

Влияние числа витков и способа намотки

Если прямой проводник свернуть в кольцо, то получится катушка индуктивности. При подключении к ней постоянного напряжения в ней появляются северный и южный магнитные полюса. При этом устройство превращается в электромагнит. Чем больше витков в бобине и чем больше ток, протекающий через неё, тем больше магнитное поле. Поэтому магнитный поток, создаваемый обмоткой, определяется как произведение силы тока на число витков и измеряется в ампер-витках.

При включении прибора в сеть переменного напряжения в таком устройстве магнитные поля отдельных витков усиливают друг друга путём взаимоиндукции.

Магнитное поле катушки с током

Основным параметром катушки является индуктивность. На неё влияет то, как намотано это устройство:

• Число витков. Чем больше витков, тем выше индуктивность. Это связано с тем, что витки наводят ЭДС друг в друге, чем поддерживают её;
• Длина катушки и расстояние между витками. Чем больше длина и расстояние между витками, тем меньше индуктивность из-за уменьшенного влияния магнитного поля проводов друг на друга;
• Площадь сечения обмотки. Чем больше сечение катушки, тем выше индуктивность. Это вызвано меньшим сопротивлением в контуре большего размера магнитному потоку.

Интересно. Индуктор в индукционных электроплитах мотается в виде плоской катушки – «корзины».

Материал сердечника

Кроме числа витков и размеров катушки, на формирование магнитного потока влияет магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого она намотана. У разных материалов она различная. Кроме того, имеет значение поперечное сечение сердечника, а также его форма: если он замкнут в кольцо или другую геометрическую фигуру, то поток на всём пути следования проходит по сердечнику с большей проницаемостью, чем воздух, и оказывает большее влияние на соседние витки, что повышает индуктивность катушки с сердечником.

Интересно. Аналогичное влияние оказывает длина магнитопровода: чем он длиннее, тем индуктивность ниже.

Катушка на ферритовом сердечнике

Современные магнитные материалы

Сердечники могут изготавливаться из различных материалов, исходя из рабочей частоты и силы тока:

• Электротехническая сталь. Применяется в сетях постоянного напряжения в реле и электромагнитах. Использование в устройствах переменного напряжения недопустимо из-за вихревых токов и связанных с этим больших потерь при нагреве;
• Трансформаторная сталь. Для уменьшения потерь и нагрева сердечники устройств для переменного напряжения собираются из пластин трансформаторной стали. Однако при рабочей частоте, превышающей 1 кГц, и больших токах намагничивания потери становятся слишком большими, поэтому при таких частотах этот материал не используется;
• Железоникелевые сплавы. Имеют высокую проницаемость при малых полях и низкий предел насыщения. Работают при частотах до 100кГц и используются в магнитофонных головках, датчиках и подобных механизмах;
• Пермаллои. Железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью. Для придания различных свойств легируются другими металлами;
• Аморфные и нанокристаллические материалы. Имеют большой диапазон рабочих частот и применяются в электросчётчиках, импульсных трансформаторах в блоках питания и как замена пермаллоев. Имеют, по сравнению с ними, большую рабочую частоту и индукцию насыщения;
• Магнитодиэлектрики. У этих материалов диапазон частот в десятки мГц, но малая проницаемость и предел насыщения, поэтому работают только в слабых полях. Используются в высокочастотной технике: в магнитопроводах, дросселях и катушках;
• Ферриты и ферритовые сердечники. У этого материала минимальные вихревые токи, и они могут работать на максимальных рабочих частотах, но имеют малый предел насыщения. Параметры зависят от температуры и ухудшаются (стареют) со временем. У каждой марки есть критическая частота, свыше которой возрастают потери. Это определяет их область применения.

При повышении рабочей частоты материалов уменьшается предел насыщения. Кроме того, свойства магнитопроводов меняются при изменении частоты и насыщенности магнитного потока. Поэтому не рекомендуется использовать материал сердечников в непредназначенных для него условиях.

Вариометр

В некоторых случаях необходимо менять параметры устройства. Это делается разными способами:

• Изменением положения сердечника. В подстроечных элементах небольшого размера это делается отвёрткой, вращая которую магнитопровод можно выдвинуть из обмотки;
• Изменением числа витков. В конструкциях небольшого размера это выполняется при помощи переключателей, в крупногабаритных устройствах по виткам передвигается ползунок с контактами;
• Изменением положения частей катушки относительно друг друга. Если части катушки отодвигать друг от друга, то индуктивность уменьшится, и, наоборот, при приближении она возрастёт. Аналогичный эффект получится, если части катушки без сердечника намотаны на каркасах разного диаметра, и одна вращается внутри другой. Поворотом можно добиться взаимной нейтрализации магнитного потока и, как следствие, уменьшения индуктивности.

Вариометр – катушка с переменной индуктивностью

Знание того, от чего зависит индуктивность, и принципа её работы, а также, зачем в ней нужен сердечник из магнитопроницаемого материала, поможет изготовить катушку индуктивности своими руками.

Видео

Оцените статью:

2. Катушки индуктивности и расчеты | 14. Катушки индуктивности | Часть1

2. Катушки индуктивности и расчеты

Катушки индуктивности и расчеты

Катушки индуктивности, в отличии от проводников, не обладают стабильным сопротивлением. Однако, для них существует определенная математическая зависимость между напряжением и током:

 

 

Как видите, эта формула похожа на аналогичную формулу «Закона Ома» для конденсатора. Она связывает одну переменную (в нашем случае напряжение на катушке индуктивности) со скоростью изменения другой переменной (тока через катушку). И напряжение (u) и скорость изменения тока здесь (di/dt) мгновенны: они берутся в определенный момент времени. Величина скорости изменения тока (di/dt) выражается в амперах в секунду, и имеет положительное значение при увеличении тока, и отрицательное значение при его уменьшении.

Поведение катушки индуктивности (по аналогии с конденсатором) тесно связано с переменной времени. Если не учитывать внутреннее сопротивление катушки индуктивности (ради чистоты эксперимента мы принимаем его равным нулю), то напряжение на ее выводах будет зависеть от изменения тока во времени.

Давайте предположим, что мы подключили идеальную катушку индуктивности (имеющую нулевое сопротивление провода) к цепи, позволяющей измерить ток через эту катушку при помощи потенциометра:

 

 

Если механизм потенциометра находится в одном положении (ползунок неподвижен), то соединенный последовательно с ним амперметр зарегистрирует постоянный (неизменный) ток, а подключенный к катушке индуктивности вольтметр покажет 0 вольт. Так как ток в этом случае постоянен, скорость его изменения (di/dt) будет равна нулю. Посмотрев внимательно на вышеприведенное уравнение можно сделать вывод, что при нулевом значении du/dt мгновенное напряжение на катушке так же будет равно нулю. С точки зрения физики, если ток будет постоянным (неизменным), то постоянным будет и произведенное катушкой индуктивности магнитное поле. При отсутствии изменений магнитного потока (dΦ/dt = 0 Вебер в секунду) индуцированное напряжение будет равно нулю.

 

 

Если ползунок потенциометра медленно перемещать вверх, то его сопротивление будет медленно  уменьшаться. Ток в цепи при этом будет возрастать, что можно увидеть по медленному отклонению стрелки амперметра:

 

 

Если ползунок потенциометра перемещать с постоянной скоростью, то ток в цепи будет нарастать равномерно, а значит, отношение di/dt будет иметь фиксированное значение. Это значение, умноженное на индуктивность (так же имеющую фиксированную величину), даст нам постоянное напряжение некоторой величины. С точки зрения физики, постепенное увеличение тока приведет к росту магнитного поля. Увеличивающийся магнитный поток поля создаст в катушке индуцированное напряжение, выраженное уравнением Фарадея: e = N(dΦ/dt). Это напряжение принимает такую полярность, которая пытается противодействовать изменению тока. Другими словами, полярность напряжения, индуцированного в результате увеличения тока, будет ориентирована против направления этого тока, чтобы сохранить его величину на прежнем уровне. Это явление демонстрирует более общий принцип физики, известный как Правило Ленца, который гласит: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки. Она имеет отрицательную полярность индуцированного напряжения со стороны входа потока электронов, и положительную полярность  —  со стороны выхода.

 

 

Если мы будем двигать ползунок потенциометра в том же направлении, но с различной скоростью, то получим следующий график:

 

 

Обратите внимание: напряжение на катушке индуктивности в любой момент времени пропорционально скорости изменения  (наклону линии) тока. Когда линия тока на графике растёт быстро (крутой подъем), напряжение имеет большое значение. Когда линия тока растет медленно (пологий подъем), напряжение имеет маленькое значение. В одном месте графика можно увидеть строго горизонтальный отрезок линии тока (нулевой наклон, представляющий период времени, когда ползунок потенциометра не двигался вообще), при котором напряжение упало до нулевой отметки.

Если мы будем двигать ползунок потенциометра вниз, то его сопротивление увеличится, а ток в цепи уменьшится (отрицательное значение для di/dt). Катушка индуктивности всегда выступает против любого изменения тока, полярность индуцированного ей напряжения будет противоположна направлению этого изменения:

 

 

Величина производимого катушкой индуктивности напряжения конечно же зависит от скорости уменьшения тока. Как гласит Закон Ленца, индуцированное напряжение будет противоположно изменению тока. При уменьшении тока полярность напряжения будет ориентирована таким образом, чтобы попытаться сохранить величину этого тока на прежнем уровне. В данном случае катушка выступает в качестве источника. Она имеет положительную полярность индуцированного напряжения со стороны входа потока электронов, и отрицательную полярность  —  со стороны выхода. Чем быстрее уменьшается ток, тем больше напряжения будет производить катушка индуктивности за счет высвобождения накопленной энергии.

Запомните, величина индуцированного идеальной катушкой индуктивности напряжения прямо пропорциональна скорости изменения протекающего через нее тока. Единственным различием между эффектами снижения  увеличения тока является полярность индуцированного напряжения. При одинаковой скорости уменьшения/увеличения тока, величина напряжения будет одинаковой. Например, при скорости изменения тока (di/dt) -2 ампера в секунду будет произведено такое же количество индуцированного напряжения, как и при di/dt  +2 ампера в секунду, только полярность этих напряжений будет противоположной.

Если ток через катушку индуктивности изменяется очень быстро, то она произведет очень высокое напряжение. В качестве примера давайте рассмотрим следующую схему:

 

 

В этой схеме лампа подключена параллельно катушке индуктивности. Переключатель используется для управления током в цепи, а питание подается от 6-вольтовой батареи. При включении выключателя, катушка индуктивности окажет кратковременное сопротивление изменению тока от нуля до некоторой величины, на ее выводах сгенерируется небольшое напряжение. Так как для ионизации газа внутри неоновой лампы необходимо напряжение порядка 70 вольт, шести вольт источника питания, а тем более низкого мгновенного напряжения катушки индуктивности в момент включения выключателя будет явно недостаточно, чтобы зажечь эту лампу:

 

 

Если выключатель разомкнуть, то в цепи мгновенно возникнет очень высокое сопротивление (сопротивление воздушного зазора между контактами). Это сопротивление спровоцирует почти мгновенное уменьшение тока. Математически, значение di/dt  будет очень большим отрицательным числом. Такое быстрое изменение тока (с некоторой величины до нуля, в короткий промежуток времени) приведет к возникновению очень высокого напряжения на катушке индуктивности (пытающегося противодействовать понижению тока). Этого напряжения, как правило, более чем достаточно чтобы зажечь неоновую лампу, хотя бы на короткое время, пока ток не упадет до нуля:

 

 

Для достижения максимального эффекта, индуктивность катушки должна быть как можно больше (по крайней мере один Генри).

Что такое катушка индуктивности и зачем она нужна?

А каушка ниток понятно? Только в данном случае вместо ниток — изолированные витки проводника. Обладает индуктивностью, т. е способностью к созданию токов самоиндукции. Применяется для создания магнитного поля. А конкретные области применения — замечательно описаны Александром.

катушка служит для индуктивности потоков эл. тока

Если хочешь получит полный ответ набери в поисковике yandex слова — катушка индуктивности, и выбирай ответ. Успехов.

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока. Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п. . Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения. Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор. Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив. Катушки используются также в качестве электромагнитов. Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы. Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна) . Рамочная антенна DDRR Индукционная петля Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах. Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника. Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во времена Второй мировой войны.

Почему индуктивное сопротивление зависит от индуктивности контура и частоты переменного тока?

Физическая величина Xl = ωL называется индуктивным сопротивлением катушки. Где L есть индуктивность катушки ω=2πf где f есть частота тока. Итого индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте тока и ее индуктивности.

Почему и от чего первым признаком отравления является посинение трупа?

при протекании переменного тока по катушке создает в ней переменное магнитное поле, которое создает эдс самоиндукции. эдс самоиндукции имеет знак минус E=-L(dJ/dt), т. е. всегда препятствует току вызвавшему ее. она тем больше чем больше индуктивность L и скорость изменения магнитного потока, которая пропорциональна частоте w. таким образом противодействие катушки току (индуктивное сопротивление X(L)) пропорционально L и w и больше ни от чего не зависит. непосредственный расчет показывает что коэффициент пропорциональности равен 1. тогда X(L)=wL