Индуктор, что это?
Мы все слышали термин индуктор много раз, но что это? Это пассивный элемент, предназначенный для хранения энергии в ее магнитном поле. Индукторы находят многочисленные применения в электронных и энергетических системах. Они используются в источниках питания, трансформаторах, радиостанциях, телевизорах, радарах и электродвигателях.
Что такое индуктор и как он работает - факты, которые вы никогда не должны забывать (фото: Тамара Кван через Flickr)
Любой проводник электрического тока имеет индуктивные свойства и может рассматриваться как индуктор.
Но для усиления индуктивного эффекта практический индуктор обычно формируется в цилиндрическую катушку со многими витками проводящей проволоки, как показано на рисунке 1.
Индуктор состоит из катушки проводящей проволоки.
Рисунок 1 - Типичная форма индуктора
Если ток пропускается через индуктор, обнаруживается, что напряжение на индукторе прямо пропорционально скорости изменения тока. Использование условного обозначения пассивного знака в следующем уравнении (1):
где L - константа пропорциональности, называемая индуктивностью индуктора. Единицей индуктивности является Генри (H), названная в честь американского изобретателя Джозефа Генри (1797-1878). Из приведенного выше уравнения видно, что 1 Генри составляет 1 вольт-секунду на ампер.
Ввиду вышеприведенного уравнения, для индуктивности, имеющей напряжение на своих клеммах, его ток должен меняться со временем. Следовательно, v = 0 для постоянного тока через индуктор.
Индуктивность - это свойство, при котором индуктор проявляет противодействие изменению тока, протекающего через него, измеренного в хенри (H).
Индуктивность индуктора зависит от его физического размера и конструкции. Формулы для расчета индуктивности индукторов различной формы получены из электромагнитной теории и могут быть найдены в стандартных электротехнических справочниках.
Например, для индуктора (соленоида), показанного на рисунке 1,
где:
- N - количество оборотов,
- l - длина,
- A - площадь поперечного сечения и
- m - проницаемость сердечника.
Из приведенного выше уравнения видно, что индуктивность может быть увеличена за счет увеличения числа витков катушки, используя материал с более высокой проницаемостью в качестве сердечника, увеличивая площадь поперечного сечения или уменьшая длину катушки.
Рисунок 2 - Различные типы индукторов: (a) катушка индуктивности соленоида, (b) тороидальная индуктивность, (c) катушка индуктивности
Как и конденсаторы, коммерчески доступные индукторы имеют разные значения и типы. Типичные практические индукторы имеют значения индуктивности от нескольких микрофенилов (мГн), как и в системах связи, до десятков хенри (H), как в энергетических системах. Индукторы могут быть фиксированными или переменными. Ядро может быть изготовлено из железа, стали, пластика или воздуха.
Термины катушки и дроссели также используются для индукторов.
Общие индукторы показаны на рисунке 2 выше. Символы схемы для индукторов показаны на рисунке 3, следуя пассивному знаку.
Рисунок 3 - Символы цепи для индукторов: (a) воздушный сердечник, (b) железный сердечник, (c) переменный железный сердечник
Уравнение (1) представляет собой соотношение напряжение-ток для катушки индуктивности. На рисунке 4 показано это соотношение графически для индуктора, индуктивность которого не зависит от тока. Такой индуктор известен как линейный индуктор.
Для нелинейного индуктора график уравнения (1) не будет прямой, поскольку его индуктивность изменяется с течением.
Мы будем предполагать линейные индукторы в этой технической статье.
Рисунок 4 - Отношение напряжения и тока катушки индуктивности
Отношение напряжения и напряжения получается из уравнения (1) как:
Интегрирование дает:
или
где i (t 0) - полный ток для -∞ <t <t o и i (-∞) = 0. Идея сделать i (-∞) практична и разумна, потому что в прошлом должно было быть время, когда в индукторе не было тока.
Индуктор предназначен для хранения энергии в ее магнитном поле. Сохраненная энергия может быть получена из уравнения (1). Мощность, подаваемая на индуктор:
Сохраненная энергия:
Так как i (-∞) = 0,
Заметки //
Следует отметить следующие важные свойства индуктора:
ПРИМЕЧАНИЕ 1 //
Из уравнения 1 следует, что напряжение на индукторе равно нулю, когда ток является постоянным.
Таким образом, индуктор действует как короткое замыкание на постоянный ток.
ЗАМЕТКА 2 //
Важным свойством индуктора является его противодействие изменению тока, протекающего через него. Ток через индуктор не может мгновенно измениться.
Согласно уравнению (1), прерывистое изменение тока через индуктор требует бесконечного напряжения, что физически невозможно. Таким образом, индуктор выступает против резкого изменения тока через него.
Например, ток через индуктор может иметь вид, показанный на рис. 5 (а), тогда как ток индуктора не может иметь вид, показанный на рис. 5 (б), в реальных ситуациях из-за разрывов. Однако напряжение на индукторе может резко измениться.
Рисунок 5 - Ток через индуктор: (a) разрешен, (b) недопустим; резкое изменение невозможно
ЗАМЕТКА 3 //
Как идеальный конденсатор, идеальный индуктор не рассеивает энергию. Сохраненная в нем энергия может быть восстановлена позднее. Индуктор принимает энергию от цепи при хранении энергии и подает питание на цепь при возврате ранее сохраненной энергии.
ПРИМЕЧАНИЕ 4 //
Практический неидеальный индуктор имеет значительный резистивный компонент, как показано на рисунке 6. Это связано с тем, что индуктор изготовлен из проводящего материала, такого как медь, который имеет некоторое сопротивление.
Поскольку индуктор часто изготовлен из высокопроводящей проволоки, он имеет очень небольшое сопротивление.
Рисунок 6.26 - Модель цепи для практического индуктора
Это сопротивление называется сопротивлением обмотки R w, и оно появляется последовательно с индуктивностью индуктора. Наличие R w делает его как накопителем энергии, так и устройством рассеивания энергии. Поскольку R w обычно очень мала, в большинстве случаев его игнорируют. Неидеальный индуктор также имеет обмотку C w из-за емкостной связи между проводящими катушками.
C w очень мала и может быть проигнорирована в большинстве случаев, за исключением высоких частот. В этой статье мы предполагали только идеальные индукторы.
Кто был Джозеф Генри?
Джозеф Генри (1797-1878), американский физик, обнаружил индуктивность и построил электрический двигатель. Родился в Олбани, Нью-Йорк, Генри окончил Академию Олбани и преподавал философию в Принстонском университете с 1832 по 1846 год.
Джозеф Генри (1797-1878), американский физик, обнаружил индуктивность и построил электрический двигатель
Он был первым секретарем Смитсоновского института. Он провел несколько экспериментов по электромагнетизму и разработал мощные электромагниты, которые могли поднимать объекты весом в тысячи фунтов. Интересно, что Джозеф Генри обнаружил электромагнитную индукцию перед Фарадеем, но не смог опубликовать свои выводы.
Единица индуктивности, Генри, была названа в его честь.
Ссылка // Основы электрических цепей Чарльзом К. Александром и Мэтью Н. О. Садику (Покупка печатной копии из Амазонки)