Индуктивность проводника

Индуктивность – это одно из понятий электротехники, которое связывает между собой взаимодействие электрического тока в проводнике и магнитного поля. Если брать аналогию с механикой, то индуктивность можно сравнить с механической инерцией. Данное понятие характеризует электродвижущую силу самоиндукции проводника. Это явление проявляется в том, что при изменении величины тока через проводник меняется создаваемый им магнитный поток, а он, в свою очередь, вызывает появление ЭДС, компенсирующей изменение тока.

Индуктивность на электросхеме

Индуктивность на электросхеме

Индуктивностью обладает любой отрезок электрической цепи, причем чем больше длина проводника, тем большее значение параметра. На практике это привело к разработке катушек индуктивности, где проводник выполнен в виде обмотки из некоторого количества витков.

Индуктивность измеряется в Генри (Гн), в честь ученого, произведшего много исследований в данной области. На схемах обозначается буквой L.

Расчет

Точный расчет значения индуктивности проводников довольно сложен и выполняется средствами и методами высшей математики. Важно учесть, что индуктивность проводника зависит от его расположения в пространстве по отношению к иным проводникам и диэлектрикам. Это связано с тем, что любое вещество имеет определенное влияние на магнитное поле, усиливая или ослабляя его действие, искажая форму магнитных линий.

Магнитное поле обмотки

Магнитное поле обмотки

Практические расчеты сводятся к принятию упрощенных моделей, с рядом допусков. К примеру, магнитный поток в многовитковой катушке в центре и на краях сильно отличается, поэтому для упрощения расчетов длинной катушки (соленоида) принимают, что ее длина во много раз больше диаметра, толщина обмотки, соответственно, меньше диаметра. Но даже в этом случае получается лишь приблизительный результат.

Катушки индуктивности

Необходимость в элементах схемотехники, имеющих большие значения параметра, подтолкнуло к созданию катушек. Все они представляют отрезки изолированного провода, смотанные в спираль с определенным количеством витков. Форма обмотки может быть различной, в зависимости от предъявляемых требований к остальным параметрам катушек. К таким параметрам относятся:

  • Добротность. Характеризует потери энергии в катушке индуктивности;
  • Собственная (паразитная) емкость. По большей части нежелательная характеристика, поскольку затрудняет настройку контуров и влияет на фазовые сдвиги;
  • Зависимость значения индуктивности от температуры – температурный коэффициент.

Добротность связана с омическим сопротивлением. Напряжение высокой частоты вызывает появление скин-эффекта, суть которого в том, что ток вытесняется ближе к поверхности проводника. Для минимизации скин-эффекта обмотку выполняют литцендратом, в многожильном проводе, в котором каждая жила изолирована одна от другой. Также высокочастотные катушки изготавливают из посеребренного провода, поскольку серебро имеет меньшее, чем у меди сопротивление.

Литцендрат

Литцендрат

Для уменьшения паразитной емкости обмотки выполняют определенным образом:

  • Прогрессивным способом, при котором шаг намотки на катушки плавно изменяется от витка к витку;
  • Намоткой «универсал»;
  • Намоткой «внавал» с хаотичным расположением витков;
  • Секционированием, с намоткой секций с небольшим количеством витков и разнесением секций на расстояние друг от друга.
Намотка «Универсал»

Намотка «Универсал»

Для катушек с большим значением индуктивности становятся проблемой их значительные габариты. Увеличить индуктивность, не прибегая к намотке большого количества витков можно, поместив внутрь обмотки сердечник из ферромагнитного материала. В зависимости от назначения, требований к напряженности поля, рабочей частоте, применяют такие материалы для сердечника:

  • Феррит;
  • Карбонильное железо;
  • Альсифер;
  • Пермаллой.

К примеру, напряжение с частотой 50Гц требует применения в силовых трансформаторах сердечника, выполненного из пермаллоя.

В диапазоне СВЧ индуктивность обычно требуется небольшая, поэтому может изготавливаться из прямых или изогнутых отрезков провода, запаянного в отверстия печатной платы, либо выполняться непосредственно печатным монтажом в идее полосковых линий.

Полосковая линия

Полосковая линия

Поскольку точный расчет практически невозможен, большинство катушек в ответственных к индуктивности элементах схемы имеют возможность подстройки. На низких частотах это регулируется положением сердечника, а на высоких – изменением взаимного расположения и конфигурации витков. Катушку какой индуктивности надо включить в цепь, рассчитывается по параметрам цепи, а необходимое значение устанавливается в процессе регулировки.

Свойства

Катушка индуктивности в цепи переменного тока имеет отличительные свойства, которые нашли свое практическое применение:

  • Проходя через витки, переменное напряжение опережает ток на 90 градусов;
  • Импеданс (реактивное сопротивление) растет прямо пропорционально частоте;
  • Отставание тока и самоиндукция создают возможность для запасания энергии. При прекращении протекания тока, например, при размыкании цепи, катушка возвращает в цепь запасенную энергию, стараясь поддержать ток в цепи. Чем выше скорость уменьшения тока, тем больше энергии высвободится. Это выражается в значении ЭДС самоиндукции.
График тока и напряжения

График тока и напряжения

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока имеет чисто омическое сопротивление, которое для катушек из толстого провода и с малым количеством витков может быть очень маленьким, и сила тока в катушке может превысить допустимое значение.

Взаимоиндукция

Расположенные рядом друг с другом катушки оказывают взаимное влияние. Создаваемое одной из катушек магнитное поле вызывает появление ЭДС в рядом расположенной. Взаимное влияние (это называется коэффициент взаимоиндукции) тем сильнее, чем ближе расположены витки. Наибольшее влияние наблюдается при расположении витков вдоль одной оси или на одном магнитопроводе.

Трансформаторы переменного тока и катушки связи основаны полностью на явлении взаимоиндукции.

Размещая подвижную обмотку вблизи (внутри или снаружи) неподвижной, получаются элементы, взаимной и собственной индуктивностью которых можно управлять. Такие элементы получили название вариометры.

Датчики

Бесконтактные датчики на основе катушек индуктивности получили широкое распространение. Они основаны на резком изменении индуктивности при внесении в активную зону датчика какого-либо материала с определенными ферромагнитными свойствами. Последствием таких действий могут быть:

  • Изменение частоты резонанса колебательного контура;
  • Изменение частоты генерации;
  • Срыв колебаний генератора;
  • Изменение импеданса.

Сигнал с датчика поступает на усилитель либо непосредственно на следящее или исполнительное устройство.

Методы снижения нежелательной индуктивности

В отдельных случаях индуктивностью проводника пренебрегать нельзя, там она носит нежелательный характер. Примером смогут служить высокоомные проволочные постоянные и переменные резисторы в цепях переменного тока. Для уменьшения индуктивности обмотку выполняют бифилярным методом – в два провода. Получившиеся обмотки соединяют встречно. Таким образом, в соседних проводниках ток протекает навстречу друг другу, компенсируя таким образом образование электромагнитного поля.

В электрических сетях с большими значениями индуктивной нагрузки напряжение переменного тока получает большие искажения формы, что требует установки компенсаторов реактивной мощности.

Применение

Индуктивные элементы находят применение во многих областях радио,- и электротехники:

  • В частотно-зависимых цепях (колебательные контуры, фильтры);
  • В антеннах для приема и излучения радиоволн;
  • В импульсных стабилизаторах постоянного напряжения в качестве накопительного элемента;
  • В электромагнитах;
  • Для фильтрации питания и ограничения тока в цепи. В таком качестве катушки индуктивности называются дросселями.

В настоящее время наметилась тенденция к сокращению использования громоздких элементов. Катушки индуктивности практически не поддаются миниатюризации и по возможности их стараются заменить эквивалентными схемами (гираторами) или применить схемотехнические решения, использующие другие элементы. Проектирование инверторных блоков питания, работающих на повышенной частоте, – это один из примеров миниатюризации, поскольку габаритные размеры трансформаторов, дросселей и фильтров прямо зависят от частоты, так как чем больше частота, тем меньше требуемая индуктивность, тем меньше габариты.

Видео

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock detector