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

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

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

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»

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

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

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