Een geïdealiseerd element wordt inductie genoemd elektrisch circuit, waarin de magnetische veldenergie wordt opgeslagen. Energiereserves elektrisch veld of transformatie elektrische energie andere soorten energie komen er niet in voor.
Het dichtst bij het geïdealiseerde element - inductie - is een echt element van een elektrisch circuit - een inductieve spoel.
In tegenstelling tot inductie slaat de inductieve spoel ook elektrische veldenergie op en zet deze elektrische energie om in andere soorten energie, met name thermische energie.
Kwantitatief gezien wordt het vermogen van reële en geïdealiseerde elementen van een elektrisch circuit om magnetische veldenergie op te slaan gekenmerkt door een parameter die inductantie wordt genoemd.
De term "inductantie" wordt dus gebruikt als de naam van een geïdealiseerd element van een elektrisch circuit, als de naam van een parameter die de eigenschappen van dit element kwantitatief karakteriseert, en als de naam van de hoofdparameter van een inductieve spoel.
De relatie tussen spanning en stroom in een inductieve spoel wordt bepaald door de wet elektromagnetische inductie Hieruit volgt dat wanneer de magnetische flux die door de inductieve spoel gaat verandert, er een elektromotorische kracht e in wordt geïnduceerd, evenredig met de snelheid van verandering in de fluxkoppeling van de spoel ψ en zodanig gericht dat de stroom veroorzaakt hierdoor heeft de neiging de verandering in de magnetische flux te voorkomen:
Hoe hoger de inductie van de geleider , hoe groter het magnetische veld dezelfde waarde zal hebben elektrische stroom. Fysisch gezien is inductie in een elektrisch circuit een spoel die bestaat uit een passieve (diëlektrische) of actieve (ferromagnetisch materiaal, ijzer) kern en een elektrische draad eromheen gewikkeld.
Als de stromende stroom in de loop van de tijd van waarde verandert, dat wil zeggen dat deze niet constant maar variabel is, verandert het magnetische veld in het inductieve circuit, wat resulteert in een EMF (elektromotorische kracht) van zelfinductie. Dit EMF is ook zoiets elektrische spanning gemeten in volt (V).
De eenheid van inductie is H (Henry). Het is vernoemd naar Joseph Henry, een Amerikaanse wetenschapper die het fenomeen zelfinductie ontdekte. Er wordt aangenomen dat het circuit (inductor) een waarde van 1 H heeft als er bij een stroomverandering van 1 A (ampère) in één seconde een emf van 1 V (volt) in verschijnt. Inductie wordt aangeduid met de letter L, ter ere van Emil Khristianovich Lenz, een beroemde Russische natuurkundige. De term "inductantie" werd in 1886 voorgesteld door Oliver Heaviside, een autodidactische Engelse wetenschapper.
Eigenschappen van inductie
- Inductie is altijd positief.
- Inductie hangt alleen af van de geometrische afmetingen van het circuit en de magnetische eigenschappen van het medium (kern).
Inductor
Een inductor is een elektronische component die een schroef- of spiraalvormige structuur is, gemaakt met behulp van een geïsoleerde geleider. De belangrijkste eigenschap van een inductor is, zoals de naam al aangeeft, inductie. Inductie is de eigenschap van het omzetten van de energie van een elektrische stroom in de energie van een magnetisch veld. De inductiewaarde voor een cilindrische of ringspoel is
Waar ψ de fluxkoppeling is, µ 0 = 4π*10 -7 is de magnetische constante, N is het aantal windingen, S is het dwarsdoorsnedeoppervlak van de spoel.
Ook heeft de inductor eigenschappen als een kleine capaciteit en een lage actieve weerstand, en een ideale spoel is daar volledig verstoken van. Toepassing hiervan elektronische component bijna overal waargenomen in elektrische apparaten.
De toepassingsdoeleinden zijn verschillend:
- onderdrukking van interferentie in het elektrische circuit;
- het niveau van pulsaties verzachten;
- accumulatie van energiepotentieel;
- beperking van stromen met variabele frequentie;
- constructie van resonante oscillerende circuits;
- filterfrequenties in elektrische signaalcircuits;
- vorming van een magnetisch veldgebied;
- constructie van vertragingslijnen, sensoren, enz.
Toepassing in de techniek
Inductoren worden gebruikt:
Over het algemeen zijn hun wikkelingen in alle elektrische stroomgeneratoren van welk type dan ook, evenals in elektromotoren, inductoren. In navolging van de oude traditie van het afbeelden van een platte aarde die op drie olifanten of walvissen staat, zouden we vandaag de dag met grotere rechtvaardiging kunnen beweren dat het leven op aarde op een inductieve spoel rust.
- dit is de kwaliteit van de spoel in circuits AC. De kwaliteitsfactor van een inductor wordt gedefinieerd als de verhouding tussen zijn inductieve reactantie en zijn actieve weerstand. Grof gezegd, inductieve reactantie is de weerstand van de spoel tegen wisselstroom, en actieve weerstand- dit is de weerstand van de spoel tegen gelijkstroom en de weerstand als gevolg van verliezen aan elektrisch vermogen in het frame, de kern, het scherm en de isolatie van de spoel. Hoe lager de actieve weerstand, hoe hoger de kwaliteitsfactor van de spoel en de kwaliteit ervan. We kunnen dus zeggen dat hoe hoger de kwaliteitsfactor, hoe minder energieverlies in de inductor.
Inductieve reactantie wordt bepaald door de formule:
XL L = ωL = 2πfL
Waarbij ω = 2πf – cirkelvormige frequentie (f – frequentie, Hz); L – spoelinductie, H.
Kwaliteitsfactor van de spoel wordt bepaald door de formule:
Q = XL L / R = ωL / R = 2πfL / R
Waar R de actieve weerstand van de inductor is, Ohm.
Huidige magnetische veldenergie
Rond een stroomvoerende geleider bevindt zich een magnetisch veld dat energie bevat. Waar komt het vandaan? De stroombron is opgenomen in de elektriciteit keten beschikt over een reserve aan energie. Op het moment van elektrische sluiting. Het stroombroncircuit gebruikt een deel van zijn energie om het effect van de zelfinductieve emf die ontstaat te overwinnen. Dit deel van de energie, de eigen energie van de stroom genoemd, gaat naar de vorming van een magnetisch veld. De energie van het magnetische veld is gelijk aan de intrinsieke energie van de stroom.
De eigen energie van de stroom is numeriek gelijk aan het werk dat de stroombron moet doen om de zelfinductie-emf te overwinnen om een stroom in het circuit te creëren.
De energie van het magnetische veld dat door de stroom wordt gecreëerd, is recht evenredig met het kwadraat van de stroom. Waar gaat de magnetische veldenergie naartoe nadat de stroom stopt? – opvalt (wanneer het circuit wordt geopend met een voldoende grote stroom, kan er een vonk of boog ontstaan).
Spoel inductie -schroef,spiraal of spiraalvormige spoel gemaakt van gewalst geïsoleerd geleider, die aanzienlijk is inductie op relatief laag containers en klein actieve weerstand. Een dergelijk systeem is in staat magnetisch te accumuleren energie bij lekken elektrische stroom.
Apparaat
Om de inductie te vergroten, zijn kernen gemaakt van ferromagnetisch materialen: elektrisch staal, permalloy, carbonylijzer, ferrieten. Kernen worden ook gebruikt om de inductie van spoelen binnen kleine grenzen te veranderen.
Eigenschappen van een inductor
Inductor in elektrisch circuit geleidt goed DC en verzet zich tegelijkertijd wisselstroom, want wanneer de stroom in de spoel verandert, Zelf-geïnduceerde emf, waardoor deze verandering wordt voorkomen.
De spoel heeft reactantie waarvan de waarde gelijk is aan: , waar is de inductantie van de spoel, - cyclische frequentie vloeiende stroom. Dienovereenkomstig dan hogere frequentie de stroom die door de spoel vloeit, hoe groter de weerstand ervan.
Wanneer er stroom vloeit, slaat de spoel energie op die gelijk is aan de arbeid die moet worden verricht om de huidige stroom tot stand te brengen. De grootte van deze energie is gelijk aan
Wanneer de stroom in de spoel verandert, ontstaat er een zelfinductieve emf, waarvan de waarde gelijk is
Inductorkarakteristieken
] Inductie
De belangrijkste parameter van de inductor is zijn inductie , die bepaalt welke draad magnetisch veld ontstaat door een spoel als er een stroom van 1 ampère doorheen vloeit. Typische waarden van spoelinductanties variëren van tienden van µH tot tientallen Gn .
Solenoïde-inductie
Ringkerninductie
De inductie van de spoel is evenredig met de lineaire afmetingen van de spoel, magnetische permeabiliteit kern en het kwadraat van het aantal windingen. De inductantie van een spoel die is opgewonden ringkern kern
μ 0 - magnetische constante
μ i -magnetische permeabiliteit kernmateriaal (afhankelijk van frequentie)
S e- dwarsdoorsnede van de kern
l e- kern middellijnlengte
N- aantal beurten
Bij seriële verbinding spoelen is de totale inductantie gelijk aan de som van de inductanties van alle aangesloten spoelen.
Bij parallelle verbinding De totale inductantie van de spoelen is gelijk aan
Verlies weerstand
Draadverliezen
Draadverliezen worden veroorzaakt door drie redenen:
Ten eerste hebben de wikkeldraden een ohmse (actieve) weerstand.
Ten tweede neemt de weerstand van de wikkeldraad tegen wisselstroom toe met toenemende frequentie, wat te wijten is aan huideffect, waarvan de essentie is dat de stroom niet door de gehele doorsnede van de geleider vloeit, maar door het ringvormige deel van de doorsnede.
Ten derde verschijnt in de draden van de wikkeling, gedraaid in een spiraal, het nabijheidseffect, waarvan de essentie de verplaatsing van stroom onder invloed is wervelstromen en een magnetisch veld naar de omtrek van de draad grenzend aan het frame, waardoor de dwarsdoorsnede waardoor de stroom vloeit halvemaanvormig wordt, wat leidt tot een extra toename van de weerstand van de draad.
Diëlektrische verliezen
Kern verlies
Kernverliezen bestaan uit wervelstroomverliezen, hysteresis en aanvankelijke verliezen.
Schermverlies
Schermverliezen worden veroorzaakt doordat de stroom die door de spoel vloeit een stroom in het scherm induceert.
Kwaliteitsfactor
Een ander kenmerk hangt nauw samen met verliesweerstand: kwaliteitsfactor. De kwaliteitsfactor van een inductor bepaalt de verhouding tussen de actieve en reactantie van de spoel. De kwaliteitsfactor is
In de praktijk varieert de kwaliteitsfactor van 30 tot 200. Er wordt een verhoging van de kwaliteitsfactor bereikt optimale keuze diameter van de draad, het vergroten van de afmeting van de inductor en het gebruik van kernen met hoge magnetische permeabiliteit en lage verliezen, wikkeling van het “universele” type, gebruik van verzilverde draad, gebruik van gevlochten draad van het “universele” type Litz-draad».
Temperatuurcoëfficiënt van inductie (TCI)
TCI is een parameter die de afhankelijkheid van de spoelinductie van de temperatuur karakteriseert.
De temperatuurinstabiliteit van inductie wordt veroorzaakt door een aantal factoren: bij verwarming nemen de lengte en diameter van de wikkeldraad toe, de lengte en diameter van het frame nemen toe, waardoor de steek en diameter van de windingen veranderen; Wanneer de temperatuur verandert, verandert bovendien de diëlektrische constante van het framemateriaal, wat leidt tot een verandering in de eigen capaciteit van de spoel.
Soorten inductoren
Lus-inductoren
Deze spoelen worden gebruikt in combinatie met condensatoren resonantiecircuits te verkrijgen. Ze moeten een hoge stabiliteit, nauwkeurigheid en stabiliteit hebben kwaliteitsfactor.
Spoelen
Dergelijke spoelen worden gebruikt om inductieve koppeling tussen individuele circuits en cascades te bewerkstelligen. Met deze aansluiting kunt u de circuits scheiden door middel van gelijkstroom basen En verzamelaar enz. Dergelijke spoelen zijn niet onderworpen aan strenge eisen op het gebied van kwaliteitsfactor en nauwkeurigheid, daarom zijn ze gemaakt van dunne draad in de vorm van twee wikkelingen met kleine afmetingen. De belangrijkste parameters van deze spoelen zijn inductie en koppelingscoëfficiënt.
Variometers
Dit zijn spoelen waarvan de inductantie tijdens bedrijf kan worden gewijzigd om de oscillerende circuits te herschikken. Ze bestaan uit twee in serie geschakelde spoelen. Eén van de spoelen is stationair (stator), de andere bevindt zich in de eerste en draait (rotor). Wanneer de positie van de rotor ten opzichte van de stator verandert, verandert de waarde van de wederzijdse inductantie, en daarmee de inductantie van de variometer. Met een dergelijk systeem kunt u de inductantie 4-5 keer veranderen. Bij ferrovariometers wordt de inductantie veranderd door de ferromagnetische kern te verplaatsen.
Verslikt
Dit zijn inductoren met een hoge weerstand tegen wisselstroom en een lage weerstand tegen gelijkstroom. Meestal opgenomen in de voedingscircuits van versterkerapparaten. Ontworpen om voedingen te beschermen tegen hoogfrequente signalen. Op lage frequenties ze worden gebruikt in voedingsfilters en hebben meestal metalen of ferrietkernen.
Dubbel gaspedaal
Dubbele gashendels
twee tegengewonden inductoren, gebruikt in vermogensfilters. Door tegenwikkeling en wederzijdse inductie effectiever voor hetzelfde algemene afmetingen. Dubbele smoorspoelen worden veel gebruikt als ingangsfilters voor voedingen; in differentiële signaalfilters van digitale lijnen, evenals in audiotechnologie.
Toepassingen van inductoren
Lusantenne
Inductielus
Inductoren (samen met condensatoren en/of weerstanden) worden gebruikt om verschillende circuits met frequentieafhankelijke eigenschappen te construeren, met name filters, circuits feedback,oscillerende circuits enz..
Er worden inductoren gebruikt polsstabilisatoren als een element dat energie opslaat en spanningsniveaus transformeert.
Er vormen zich twee of meer inductief gekoppelde spoelen transformator.
Inductor, aangedreven puls stroom van transistor schakelaar, wordt soms gebruikt als hoogspanningsbron met laag vermogen in circuits met lage stroomsterkte, wanneer het creëren van een afzonderlijke hoge voedingsspanning in de voeding onmogelijk of economisch onpraktisch is. In dit geval op de spoel vanwege zelfinductie Er ontstaan hoge spanningspieken, die in de schakeling gebruikt kunnen worden door bijvoorbeeld gelijkrichten en afvlakken.
Coils worden ook gebruikt als elektromagneten.
Spoelen worden gebruikt als energiebron voor excitatie inductief gekoppeld plasma.
Voor radiocommunicatie - emissie en ontvangst elektromagnetische golven(magnetische antenne, ringantenne).
Voor het verwarmen van elektrisch geleidende materialen in inductie ovens.
Hoe sensor bewegingen: de verandering in de inductantie van de spoel kan over een breed bereik worden gevarieerd door de kern te verplaatsen (uittrekken).
De inductor wordt gebruikt in inductieve magneetveldsensoren. Inductiemagnetometers werden in tijden ontwikkeld en op grote schaal gebruikt Tweede Wereldoorlog.
Als je goed nadenkt, kun je simpelweg niet allerlei toepassingen tellen voor zoiets ogenschijnlijk eenvoudigs als een inductor. In één artikel zullen we er slechts een paar in herinnering brengen. Ondertussen worden de menselijke vindingrijkheid en het menselijk talent nooit moe om zich creatief uit te drukken, en steeds meer nieuwe apparaten en mechanismen uit te vinden en te ontwikkelen, gebaseerd op .
Het lijkt erop dat wat hier kan worden gebouwd? Een eenvoudige draadspiraal, misschien een kern met een bepaalde vorm, en een stroom die in constante, afwisselende of gepulseerde vorm door de draad gaat. Ondertussen zou alle moderne elektrotechniek zonder inductoren eenvoudigweg niet kunnen bestaan. Laten we het eens nader bekijken.
Ladingheffers in de vorm van elektromagnetische wasmachines worden al vele jaren over de hele wereld gebruikt voor het laden van ferromagnetisch afval. Toevoer naar de werkende wikkeling elektrische stroom bij 18 kW kan meer dan 2 ton ijzer tegelijk worden vastgehouden en geladen, terwijl de scheurkracht die bij een bepaald vermogen wordt ontwikkeld groter is dan 25 ton.
Een elektromagneet met een diameter van ongeveer 1,5 meter wordt eenvoudigweg aan een kraanhaak gehaakt, in de regel aangedreven door driefasige wisselspanning, en u kunt snel ferromagnetische materialen of sommige ijzerproducten laden. De in secties verdeelde wikkelingen van verschillende inductoren ontvangen stroom, waardoor een kern van een speciale legering wordt gemagnetiseerd, en deze trekt op zijn beurt bijvoorbeeld schroot aan dat in auto's moet worden geladen.
Wat als u periodiek de stroom van een elektrisch circuit moet in- en uitschakelen, alsof u op de knop van een mechanische schakelaar drukt, terwijl het installeren van een halfgeleidersleutel niet aan te raden is, en een mechanische schakelaar of tuimelschakelaar noch handig noch esthetisch is aangenaam?
Stel dat u de sensor alleen maar met uw vinger hoeft aan te raken, en het resultaat zou het proces moeten zijn van verbinding maken met (of verbreken van) het netwerk krachtige lading, zoals een lamp of motor. Ze komen helpen. Dankzij relais kun je de enorme schakelknoppen overbodig maken; je kunt nu eenvoudigweg microknoppen aanraken die reageren elektronisch circuit, waarvan de functie is om stroom te leveren aan de relaisspoel of er stroom uit te halen. De relaiswikkeling is de wikkeling van een elektromagneet (opnieuw een inductor), die een veerbelast contact aantrekt dat als mechanische schakelaar fungeert.
Om wisselspanning en stroom van dezelfde waarde om te zetten in wisselspanning en een stroom van een andere grootte, gebruik . De primaire en secundaire wikkelingen van de transformator, gemonteerd op een ferromagnetische kern, zijn inductoren.
De primaire wikkeling creëert, wanneer wisselstroom door de draad gaat, een wisselende magnetische flux in het volume van de kern, die de windingen van de secundaire wikkeling doordringt en daarin een EMF induceert, waardoor een spanning in de secundaire wikkeling ontstaat. Transformatoren verhogen de spanning van elektriciteitscentrales en leveren deze aan hoogspanningslijnen, en verlagen vervolgens de spanning van hoogspanningslijnen en leveren deze aan onze huizen.
Als er geen transformatoren zouden zijn (inductoren die als primaire en secundaire wikkelingen fungeren), zou er geen transmissie of distributie van elektriciteit plaatsvinden. Om nog maar te zwijgen van laboratorium-autotransformatoren, lastransformatoren,transformatoren op ferriet in puls blokken stroomvoorziening, en natuurlijk zou er geen sprake zijn van bobines in auto's, maar bobines zijn ook speciaal, maar het zijn transformatoren, dat wil zeggen weer inductiespoelen.
Om elektriciteit om te zetten in gepulseerde bronnen Voor de voeding worden speciale smoorspoelen gebruikt: smoorspoelen. De functie van een dergelijke spoel is om eerst energie in de vorm van een magnetisch veld in de kern te verzamelen, deze daar op te slaan en vervolgens aan de belasting af te geven. Als een transformator tegelijkertijd elektriciteit omzet, ontvangt de inductor eerst energie en geeft deze vervolgens weer vrij.
Het proces van het omzetten van elektriciteit bij de inductor is in de tijd verdeeld. Hier is echter opnieuw het gebruik van een inductor de belangrijkste eigenschap. Er wordt een stroompuls op de inductorwikkeling toegepast; de inductor slaat energie op in een magnetisch veld. Dan werkt de stroompuls niet meer, maar wordt een belasting op de inductor aangesloten en stroomt de inductorstroom door de belasting, maar met een andere spanning, afhankelijk van de timingkarakteristieken van het stuurcircuit van de omzetter. De inductor bevindt zich dus heel dicht bij elkaar, bijvoorbeeld in energiebesparende lampen, werkt in combinatie met halfgeleiderschakelaars.
Inductieovens en inductiekookplaten
Een inductor is een spoel met een kern. Maar wat als we als kern, binnenin de spoel, in zijn werkingsgebied, een soort werkstuk van ferromagnetisch materiaal introduceren, dat verwarmd moet worden door wervelstromen? Dit is precies hoe inductieovens werken. De inductieverhitterspoel fungeert als een inductor voor het ferromagnetische werkstuk en induceert daarin wervelstromen hoge frequentie, wat leidt tot verwarming van het werkstuk totdat het smelt.
Een inductiekookplaat werkt op een vergelijkbare manier. De bodem van het kookgerei wordt verwarmd door een wervelstroom, zoals de kern van een inductiespoel, waarvan de wikkeling verborgen is in het paneel van de inductiekookplaat. Trouwens, inductiespoelen worden ook gebruikt in de stroomcircuits van inductiekookplaten - in de rol van pulstransformatoren en gashendels.
De inductor heeft de eigenschap een verandering in de stroom te voorkomen, hij vertoont een soort elektromagnetische traagheid, waardoor de stroom door zichzelf lijkt te lekken, omdat terwijl de stroom door de spoel groeit, het magnetische veld dat hij creëert niet onmiddellijk kan veranderen. verandering kost tijd, de inductor lijkt te vertragen terwijl zijn magnetische veld de stroom in zijn eigen draad verandert.
Deze eigenschap – om stroomveranderingen te voorkomen – wordt gebruikt in inductieve RFI-filters. Voor gelijkstroom een spoel is geen weerstand, tenzij de weerstand van de draad uitsteekt actieve weerstand, maar voor wisselstroom en hoogfrequente stroom (wat bijvoorbeeld schakelinterferentie is) - de spoel zal een obstakel worden. Op deze manier beschermen filters op basis van inductoren netwerken en circuits tegen interferentie.
Als onderdeel van een oscillerend circuit
Een oscillerend circuit is een spoel, in het bijzonder een inductor (met een kern), verbonden met een condensator. Het oscillerende circuit als zodanig dient doorgaans als een oscillerend systeem. Het heeft zijn eigen resonantiefrequentie en kan daarom fungeren als meesterelement voor het genereren of ontvangen van oscillaties van een bepaalde frequentie, bijvoorbeeld in radiocommunicatie.
Trouwens, inductieverhitters hebben vaak een inductor die parallel is geschakeld met een condensator; integraal onderdeel oscillerend circuit. Bovendien kan het resonantiecircuit zelf als een filter fungeren: stromen van frequenties die dicht bij zijn eigen resonantiefrequentie liggen, doorlaten en versterken, en frequenties ver daarvandaan onderdrukken. Bij radio-ontvangers maken ferrietantennes ook deel uit van een afstembaar oscillerend circuit.
Rotors en stators van motoren en generatoren
Bij motoren en generatoren zijn de stator en de rotor gemodificeerde inductoren. Een rotor met een bekrachtigingswikkeling en poolstukken - wat is geen inductor?
De stator van dezelfde generator heeft driefasige wikkeling- Dit is een soort wijziging van de inductor. Zelfs asynchrone motor- en het heeft een statorwikkeling, die ook wel een inductor kan worden genoemd. Bovendien wordt bij de keuze van werkcondensatoren als zodanig rekening gehouden met de inductanties van deze statorspoelen, bijvoorbeeld bij driefasige motor moet aangepast zijn aan de voeding uit een enkelfasig circuit.
Verplaatsings- en positiesensoren
Inductieve verplaatsings- en positiesensoren zijn inductoren met gemodificeerde kernen. Het plaatvormige deel van de spoelkern verandert, wanneer het wordt verplaatst, de inductantie van de spoel, en de frequentieparameters van het circuit veranderen als gevolg van de verandering in inductantie. Zo wordt de aanwezigheid van een object in het werkingsveld van de sensor gedetecteerd. Of een cilindrische staafvormige kern kan bewegen terwijl een daarmee geassocieerd object beweegt, en informatie over de positie van het object wordt afgelezen uit frequentieparameters die verband houden met de variabele inductantie van de spoel waarvan de kern beweegt.
Straalrichting in een CRT
In sommige kathodestraalbuismonitors wordt de stroom geladen deeltjes gefocusseerd en afgebogen door speciale afbuigspoelen. De inductiespoelen van het afbuigsysteem zijn gemonteerd op een speciaal gevormde ferrietkern waarin de kathodestraalbuis. Door de stroom in de wikkelingen aan te passen, verandert het circuit de parameters van het totale magnetische veld van alle spoelen van het systeem, waardoor de straal een specifiek pad creëert om een nauwkeurig berekende locatie op het scherm te raken.
Elektroklep, elektrisch slot, magneetrelais
Net als een magneet die ijzeren voorwerpen aantrekt, kan een spoel een ferromagnetische kern van een of andere vorm aantrekken. Sommige elektrische sloten, magneetkleppen en bijvoorbeeld het oprolrelais van een autostarter werken ongeveer volgens dit principe, waarbij de bendix wordt verplaatst en enige tijd in de bedrijfspositie wordt gehouden totdat de motor wordt gestart. De krachtige haspel trekt eerst het anker naar binnen en houdt het vervolgens vast. Wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, keert de bendix met een veer terug naar zijn plaats.
Magnetische plasma-opsluitingsspoelen
Tokamaks zijn thermonucleaire fusie-installaties waarin plasma wordt opgesloten door er een magnetisch veld omheen te creëren, zodat het plasma alleen langs de krachtlijnen beweegt, maar er niet overheen kan ontsnappen en het proces kan verstoren. Binnen een bepaalde configuratie van supergeleidende spoelen, in de zeer eenvoudig geval- Als het plasma in een cirkel op een torus wordt geregen, zou het plasma hypothetisch bijna eeuwig kunnen rondcirkelen. Zoals je kunt zien, hebben inductoren ook hun weg gevonden naar tokamaks: torusvormige kamers met magnetische spoelen. De naam van de installatie spreekt voor zich.
Over inductoren gesproken, we kunnen niet anders dan denken aan de legendarische Tesla-spoel (of resonante transformator). IN in dit geval de inductor fungeert zowel als transformator als als a oscillerend circuit, en hoe ontvangende antenne met open bak. Er is geen condensator parallel aan de resonerende spoel, zoals bij een inductieverhitter, maar er is een eenzame capaciteit in de vorm van een toroïde.
Elke spoel heeft, naast de parameter "inductantie", ook een eigen capaciteit golf impedantie. Tijdens de installatie wordt met al deze parameters rekening gehouden. Het lijkt erop dat het gewoon een geaarde spoel is met een ringkern er bovenop, geïntroduceerd in zijn eigen resonantie. Maar wat ziet het er indrukwekkend uit!
Welkom iedereen op onze website!
Wij blijven studeren elektronica vanaf het allereerste begin, dat wil zeggen vanaf de basis, en het onderwerp van het artikel van vandaag zal zijn werkingsprincipe en belangrijkste kenmerken van inductoren. Wat de toekomst betreft, zal ik zeggen dat we eerst zullen bespreken theoretische aspecten, en we zullen verschillende toekomstige artikelen volledig wijden aan de beschouwing van verschillende elektrische schema's, die inductoren gebruiken, evenals elementen die we eerder hebben bestudeerd als onderdeel van onze cursus - en.
Het ontwerp en het werkingsprincipe van een inductor.
Zoals al duidelijk blijkt uit de naam van het element, is een inductor in de eerste plaats slechts een spoel :), dat wil zeggen groot aantal windingen van geïsoleerde geleider. Bovendien is de aanwezigheid van isolatie de belangrijkste voorwaarde– de windingen van de spoel mogen niet met elkaar worden kortgesloten. Meestal worden de windingen op een cilindrisch of toroïdaal frame gewikkeld:
Het belangrijkste kenmerk smoorspoelen is natuurlijk inductie, waarom zou het anders zo'n naam krijgen :) Inductantie is het vermogen om de energie van een elektrisch veld om te zetten in de energie van een magnetisch veld. Deze eigenschap van de spoel is te wijten aan het feit dat wanneer er stroom door de geleider stroomt, er een magnetisch veld omheen verschijnt:
En zo ziet het magnetische veld eruit dat verschijnt als er stroom door de spoel gaat:
Strikt genomen heeft elk element in een elektrisch circuit inductie, zelfs een gewoon stuk draad. Maar het feit is dat de omvang van een dergelijke inductie zeer onbeduidend is, in tegenstelling tot de inductie van spoelen. Om deze waarde te karakteriseren wordt feitelijk de Henry (H) meeteenheid gebruikt. 1 Henry is eigenlijk een zeer grote waarde, dus µH (microhenry) en mH (milihenry) worden het vaakst gebruikt. Maat inductie spoelen kunnen worden berekend met behulp van de volgende formule:
Laten we eens kijken wat voor soort waarde in deze expressie is opgenomen:
Uit de formule volgt dat naarmate het aantal windingen of bijvoorbeeld de diameter (en dienovereenkomstig het dwarsdoorsnedeoppervlak) van de spoel toeneemt, de inductie zal toenemen. En naarmate de lengte toeneemt, neemt deze af. De windingen op de spoel moeten dus zo dicht mogelijk bij elkaar worden geplaatst, omdat dit zal leiden tot een afname van de lengte van de spoel.
MET inductor apparaat We zijn er achter, het is tijd om na te denken over de fysieke processen die in dit element plaatsvinden wanneer er een elektrische stroom doorgaat. Om dit te doen, zullen we twee circuits overwegen - in de ene zullen we gelijkstroom door de spoel laten gaan, en in de andere - wisselstroom :)
Laten we dus eerst eens kijken wat er in de spoel zelf gebeurt als er stroom vloeit. Als de stroom zijn waarde niet verandert, heeft de spoel daar geen invloed op. Betekent dit dat bij gelijkstroom het gebruik van inductoren niet moet worden overwogen? Maar nee :) Gelijkstroom kan immers worden in- en uitgeschakeld, en op de schakelmomenten gebeuren de interessantste dingen. Laten we naar het circuit kijken:
In dit geval fungeert de weerstand als belasting; op zijn plaats kan bijvoorbeeld een lamp staan. Naast de weerstand en inductantie bevat het circuit een DC-bron en een schakelaar waarmee we het circuit zullen sluiten en openen.
Wat gebeurt er op het moment dat we de schakelaar sluiten?
Spoelstroom zal beginnen te veranderen, omdat deze op het vorige moment gelijk was aan 0. Een verandering in stroom zal leiden tot een verandering in de magnetische flux in de spoel, wat op zijn beurt het optreden van een emf zal veroorzaken ( elektromotorische kracht) zelfinductie, die als volgt kan worden uitgedrukt:
Het optreden van EMF zal leiden tot het verschijnen van een geïnduceerde stroom in de spoel, die in de richting zal vloeien die tegengesteld is aan de richting van de stroombronstroom. De zelfgeïnduceerde emf zal dus voorkomen dat er stroom door de spoel vloeit (de geïnduceerde stroom zal de circuitstroom opheffen vanwege het feit dat hun richtingen tegengesteld zijn). Dit betekent dat op het initiële moment (onmiddellijk na het sluiten van de schakelaar) de stroom door de spoel gelijk is aan 0. Op dit moment is de zelfinductie-EMK maximaal. Wat zal er hierna gebeuren? Omdat de omvang van de EMF recht evenredig is met de snelheid waarmee de stroom verandert, zal deze geleidelijk verzwakken en zal de stroom dienovereenkomstig integendeel toenemen. Laten we naar grafieken kijken die illustreren wat we hebben besproken:
In de eerste grafiek zien we ingangsspanning van het circuit– het circuit is aanvankelijk open, maar wanneer de schakelaar gesloten is, verschijnt er een constante waarde. In de tweede grafiek zien we verandering van de stroom door de spoel inductie. Onmiddellijk na het sluiten van de schakelaar is de stroom afwezig vanwege het optreden van zelfinductie-emf, en begint deze vervolgens geleidelijk toe te nemen. De spanning op de spoel daarentegen is op het beginmoment maximaal en neemt vervolgens af. De spanningsgrafiek over de belasting zal qua vorm (maar niet qua grootte) samenvallen met de stroomgrafiek door de spoel (aangezien bij een serieschakeling de stroom die door de spoel vloeit verschillende elementen kettingen zijn hetzelfde). Als we dus een lamp als belasting gebruiken, zullen deze niet onmiddellijk oplichten na het sluiten van de schakelaar, maar met een kleine vertraging (in overeenstemming met de huidige grafiek).
Een soortgelijk tijdelijk proces in het circuit zal worden waargenomen wanneer de sleutel wordt geopend. Er zal een zelfinductieve emf ontstaan in de inductor, maar de geïnduceerde stroom zal in het geval van een open circuit in dezelfde richting worden gericht als de stroom in het circuit, en niet in de tegenovergestelde richting, daarom zal de opgeslagen energie van de inductor wordt gebruikt om de stroom in het circuit te behouden:
Nadat de schakelaar is geopend, treedt er een zelfinductie-emf op, die voorkomt dat de stroom door de spoel afneemt, zodat de stroom bereikt nul waarde niet onmiddellijk, maar na enige tijd. De spanning in de spoel is qua vorm identiek aan het geval van het sluiten van de schakelaar, maar tegengesteld van teken. Dit komt door het feit dat de verandering in stroom, en dienovereenkomstig de zelfinductieve emf in het eerste en tweede geval, tegengesteld van teken is (in het eerste geval neemt de stroom toe en in het tweede geval neemt deze af).
Ik heb trouwens gezegd dat de omvang van de zelfinductie-EMK direct evenredig is met de snelheid waarmee de stroom verandert, dus de evenredigheidscoëfficiënt is niets meer dan de inductie van de spoel:
Dit eindigt met inductoren in DC-circuits en gaat verder AC-circuits.
Beschouw een circuit waarin wisselstroom aan de inductor wordt geleverd:
Laten we eens kijken naar de tijdsafhankelijkheden van stroom- en zelfinductie-EMK, en dan uitzoeken waarom ze er zo uitzien:
Zoals we al hebben ontdekt Zelf-geïnduceerde emf we hebben een direct proportioneel en tegengesteld teken van de snelheid waarmee de stroom verandert:
Eigenlijk laat de grafiek ons deze afhankelijkheid zien :) Ontdek zelf: tussen de punten 1 en 2, onze huidige veranderingen, en hoe dichter bij punt 2, hoe kleiner de veranderingen, en op punt 2, over een korte periode, de huidige verandert niets aan de betekenis ervan. Dienovereenkomstig is de stroomveranderingssnelheid maximaal op punt 1 en neemt deze geleidelijk af naarmate deze punt 2 nadert, en op punt 2 is deze gelijk aan 0, wat we zien in zelfgeïnduceerde emf-grafiek. Bovendien neemt de stroom over het gehele interval 1-2 toe, wat betekent dat de snelheid van de verandering positief is, en daarom neemt de EMF over dit hele interval daarentegen negatieve waarden aan.
Op dezelfde manier, tussen de punten 2 en 3 - de stroom neemt af - is de veranderingssnelheid van de stroom negatief en neemt toe - neemt de zelfinductie-emf toe en is positief. Ik zal de overige delen van de grafiek niet beschrijven - alle processen daar verlopen volgens hetzelfde principe :)
Bovendien laat de grafiek zeer zien belangrijk punt– met toenemende stroom (secties 1-2 en 3-4), de zelfinductie emf en stroom verschillende tekens(sectie 1-2: , title="Gereerd door QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Teruggegeven door QuickLaTeX.com" height="12" width="41" style="vertical-align: 0px;">, ). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге мы приходим к очень !} interessant feit– de inductor is bestand tegen de wisselstroom die door het circuit vloeit. Dit betekent dat het een weerstand heeft, die inductief of reactief wordt genoemd en als volgt wordt berekend:
Waar is de cirkelfrequentie: . - Dit .
Dus hoe hoger de frequentie van de stroom, hoe groter de weerstand die de inductor eraan zal bieden. En als de stroom constant is ( = 0), dan reactantie spoel is gelijk aan 0 en heeft daarom geen invloed op de vloeistroom.
Laten we teruggaan naar onze grafieken die we hebben gemaakt voor het geval dat we een inductor in een wisselstroomcircuit gebruiken. We hebben de zelfinductie-emf van de spoel bepaald, maar wat zal de spanning zijn? Alles is hier eigenlijk eenvoudig :) Volgens de tweede wet van Kirchhoff:
En daarom:
Laten we de afhankelijkheid van stroom en spanning in het circuit op tijd in één grafiek weergeven:
Zoals je kunt zien, zijn de stroom en de spanning in fase () ten opzichte van elkaar verschoven, en dit is een van de belangrijkste eigenschappen van wisselstroomcircuits waarin een inductor wordt gebruikt:
Wanneer een inductor wordt aangesloten op een wisselstroomcircuit, treedt er een faseverschuiving op in het circuit tussen spanning en stroom, waarbij de stroom een kwart periode uit fase is met de spanning.
Dus we zijn erachter gekomen hoe we de spoel op het AC-circuit moeten aansluiten :)
Hier zullen we waarschijnlijk het artikel van vandaag afronden; het is al behoorlijk lang geworden, dus we zullen de volgende keer ons gesprek over inductoren voortzetten. Dus tot snel, we zien je graag op onze website!
