Магнитные поля и индуктивность
Глава 15 - Индукторы
Когда электроны проходят через проводник, вокруг этого проводника будет развиваться магнитное поле. Этот эффект называется электромагнетизмом. Магнитные поля влияют на выравнивание электронов в атоме и могут вызывать физическую силу между атомами в пространстве, подобно тому, как усиливаются электрические поля между электрически заряженными частицами. Как и электрические поля, магнитные поля могут занимать совершенно пустое пространство и влиять на вещество на расстоянии.
Полевая сила и полевой поток
Поля имеют две меры: полевую силу и полевой поток. Сила поля - это количество «толчка», которое поле оказывает на определенное расстояние. Полевой поток представляет собой общее количество или эффект поля в пространстве. Полевая сила и поток примерно аналогичны напряжению («толчок») и току (потоку) через проводник, соответственно, хотя поток поля может существовать в полностью пустом пространстве (без движения частиц, таких как электроны), тогда как ток может иметь место где есть свободные электроны, чтобы двигаться. Полевой поток можно противопоставить в пространстве, подобно тому, как потоку электронов может противостоять сопротивление. Количество полевого потока, которое будет развиваться в космосе, пропорционально величине применяемой силы поля, деленной на величину противодействия потоку. Подобно тому, как тип проводящего материала диктует удельное сопротивление проводника электрическому току, тип материала, занимающего пространство, через которое подается магнитное поле, диктует конкретную оппозицию потоку магнитного поля.
В то время как поток электрического поля между двумя проводниками позволяет накапливать заряд свободных электронов внутри этих проводников, поток магнитного поля позволяет некоторой «инерции» накапливаться в потоке электронов через проводник, создающий поле.
Сильные магнитные поля с индукторами
Индукторы представляют собой компоненты, предназначенные для использования этого явления путем формирования длины проводящей проволоки в виде катушки. Эта форма создает более сильное магнитное поле, чем то, что будет производиться прямым проводником. Некоторые индукторы формируются с проволочной намоткой в самонесущей катушке. Другие обертывают провод вокруг твердого материала сердечника некоторого типа. Иногда сердечник индуктора будет прямым, а в других случаях он будет соединен в петлю (квадратную, прямоугольную или круговую), чтобы полностью содержать магнитный поток. Все эти варианты дизайна влияют на производительность и характеристики индукторов.
Схематический символ для индуктора, как и конденсатор, довольно прост, будучи немного больше, чем символ катушки, представляющий спиральный провод. Хотя простая форма катушки является общим символом для любого индуктора, индукторы с сердечниками иногда отличаются добавлением параллельных линий к оси катушки. Более новая версия символа индуктора распределяет форму катушки в пользу нескольких «горбов» подряд:
Поскольку электрический ток создает сосредоточенное магнитное поле вокруг катушки, этот поток поля соответствует накоплению энергии, представляющей кинетическое движение электронов через катушку. Чем больше ток в катушке, тем сильнее будет магнитное поле, и чем больше энергии будет поддерживать индуктор.
Поскольку индукторы сохраняют кинетическую энергию движущихся электронов в виде магнитного поля, они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла) в цепи. Энергохранилище в индукторе зависит от количества проходящего через него тока. Способность индуктора сохранять энергию в зависимости от тока приводит к стремлению поддерживать ток на постоянном уровне. Другими словами, индукторы склонны противостоять изменениям тока. Когда ток через индуктор увеличивается или уменьшается, индуктор «сопротивляется» изменению, создавая напряжение между его выводами в противоположной полярности до изменения.
Чтобы хранить больше энергии в индукторе, ток через нее должен быть увеличен. Это означает, что его магнитное поле должно увеличиваться в силе, а изменение напряженности поля создает соответствующее напряжение в соответствии с принципом электромагнитной самоиндукции. И наоборот, чтобы выпустить энергию из катушки индуктивности, ток через нее должен быть уменьшен. Это означает, что магнитное поле индуктора должно уменьшаться в силе, и это изменение напряженности поля самопроизвольно индуцирует падение напряжения только противоположной полярности.
Так же, как первый Закон Движения Исаака Ньютона («объект в движении имеет тенденцию оставаться в движении, неподвижный объект имеет тенденцию оставаться в покое») описывает тенденцию массы противостоять изменениям скорости, можно указать тенденцию индуктора к противодействуют изменениям тока как таковым: «Электроны, движущиеся через индуктор, как правило, остаются в движении; электроны, находящиеся в покое в индукторе, как правило, остаются в состоянии покоя ». Гипотетически, катушка индуктивности, замкнутая, будет поддерживать постоянную скорость тока через нее без внешней помощи:
Практически, однако, способность индуктора к самоподдерживающему току реализуется только с помощью сверхпроводящего провода, так как сопротивление провода в любом нормальном индукторе достаточно, чтобы ток быстро разлагался без внешнего источника энергии.
Когда ток через индуктор увеличивается, он понижает напряжение, противоположное направлению потока электронов, действуя как силовая нагрузка. В этом состоянии считается, что индуктор заряжается, потому что в его магнитном поле сохраняется все большее количество энергии. Обратите внимание на полярность напряжения относительно направления тока:
И наоборот, когда ток через индуктор уменьшается, он понижает напряжение, поддерживающее направление потока электронов, действуя как источник энергии. В этом состоянии индуктор, как говорят, разряжается, поскольку его запас энергии уменьшается, поскольку он высвобождает энергию из своего магнитного поля в остальную часть схемы. Обратите внимание на полярность напряжения относительно направления тока.
Если к немагнитному индуктору внезапно применяется источник электроэнергии, индуктор сначала будет сопротивляться потоку электронов, сбросив полное напряжение источника. По мере того, как ток начинает увеличиваться, будет создано более сильное и сильное магнитное поле, поглощающее энергию от источника. В конце концов ток достигает максимального уровня и перестает расти. В этот момент индуктор перестает поглощать энергию от источника и снижает минимальное напряжение на своих выводах, тогда как ток остается на максимальном уровне. Поскольку индуктор потребляет больше энергии, его уровень тока увеличивается, а падение напряжения уменьшается. Обратите внимание, что это как раз противоположное поведение конденсатора, когда хранение энергии приводит к увеличению напряжения на компоненте! В то время как конденсаторы сохраняют свой энергетический заряд, поддерживая статическое напряжение, индукторы поддерживают свой «заряд» энергии, поддерживая постоянный ток через катушку.
Тип материала, который обматывает проволоку, сильно влияет на силу магнитного потока магнитного поля (и, следовательно, количество накопленной энергии), генерируемого для любого заданного количества тока через катушку. Катушки из ферромагнитных материалов (например, мягкого железа) будут стимулировать более сильные потоки флюсов для разработки с заданной силой поля, чем немагнитные вещества, такие как алюминий или воздух.
Что такое индуктивность «Индуктивность»>
Мера способности индуктора сохранять энергию при заданном объеме тока называется индуктивностью. Неудивительно, что индуктивность также является мерой интенсивности противодействия изменениям тока (точно, сколько самоиндуцированного напряжения будет производиться при заданной скорости изменения тока). Индуктивность символически обозначается столицей «L» и измеряется в единице Генри, сокращенно «H.»,
Дроссель Vs. Индуктор
Устаревшее название индуктора - это дроссель, поэтому его общее использование заключается в блокировке высокочастотных сигналов переменного тока в радиосхемах («забивать»). Другим названием индуктора, который все еще используется в наше время, является реактор, особенно при использовании в больших энергетических применениях. Оба эти названия будут иметь больший смысл после того, как вы изучили теорию цепей переменного тока (AC), и особенно принцип, известный как индуктивное сопротивление.
- ОБЗОР:
- • Индукторы реагируют на изменения тока путем снижения напряжения в полярности, необходимой для противодействия изменению.
- • Когда индуктор сталкивается с увеличением тока, он действует как нагрузка: понижающее напряжение при его поглощении (отрицательное на текущей стороне входа и положительное на текущей стороне выхода, как резистор).
- • Когда индуктор сталкивается с уменьшающимся током, он действует как источник: создает напряжение, когда он высвобождает накопленную энергию (положительную на текущей стороне входа и отрицательную на текущей стороне выхода, как аккумулятор).
- • Способность индуктора сохранять энергию в виде магнитного поля (и, следовательно, противостоять изменениям тока) называется индуктивностью. Он измеряется в блоке Генри (H).
- • Индукторы обычно известны другим термином: дроссель. В приложениях большой мощности их иногда называют реакторами.