Наша сеть партнеров Banwar
Вступ
Одиниці виміру
Історична довідка
Котушка індуктивності
Застосування в техніці
досліди
Вступ
Якби кому-небудь прийшла в голову ідея провести опитування населення Землі на тему «Що ви знаєте про індуктивності?», То переважна кількість опитуваних просто знизало б плечима. А адже це другий за чисельністю слідом за транзисторами технічний елемент, на якому ґрунтується сучасна цивілізація! Любителі детективів, пригадавши, що в своїй юності зачитувалися захоплюючими розповідями сера Артура Конан Дойла про пригоди знаменитого сищика Шерлока Холмса, з різним ступенем впевненості пробормочут щось про метод, яким вищезазначений сищик користувався. При цьому маючи на увазі метод дедукції, який, нарівні з методом індукції, є основним методом пізнання в західній філософії Нового часу.
При методі індукції відбувається дослідження окремих фактів, принципів і формування загальних теоретичних концепцій на основі отриманих результатів (від часткового до загального). Метод дедукції, навпаки, передбачає дослідження від загальних принципів, законів, коли положення теорії розподіляються на окремі явища.
Слід зазначити, що індукція, в сенсі методу, не має скільки-небудь прямого відношення до індуктивності, просто вони мають загальний латинський корінь inductio - наведення, спонукання - і позначають зовсім різні поняття.
Лише мала частина опитуваних з числа носіїв точних наук - професійних фізиків, інженерів-електротехніків, радіоінженерів і студентів цих напрямків - зможуть дати чітку відповідь на це питання, а деякі з них готові прочитати з ходу цілу лекцію на цю тему.
визначення індуктивності
У фізиці індуктивність, або коефіцієнт самоіндукції, визначається як коефіцієнт пропорційності L між магнітним потоком Ф навколо провідника зі струмом і породжує його струмом I або - в більш суворої формулюванні - це коефіцієнт пропорційності між електричним струмом, поточним в будь-якому замкнутому контурі, і магнітним потоком, створюваним цим струмом:
або
Для розуміння фізичної ролі котушки індуктивності в електричних ланцюгах можна використовувати аналогію формули енергії, що запасається в ній при протіканні струму I, з формулою механічної кінетичної енергії тіла.
При заданій силі струму I індуктивність L визначає енергію магнітного поля W, створюваного цим струмом I:
Аналогічно, механічна кінетична енергія тіла визначається масою тіла m і його швидкістю V:
Тобто індуктивність, подібно масі, не дозволяє енергії магнітного поля миттєво збільшитися, так само як і маса не дозволяє виконати таке з кінетичної енергією тіла.
Проведемо дослідження поведінки струму в індуктивності:
Мал. 1. Електрична схема експерименту
Мал. 2. Фізична реалізація експерименту
Мал. 3. Осцилограма струму через індуктивність. Жовта осциллограмма - вихід сигнал-генератора, блакитна - сигнал на резисторі.
Через інерційності індуктивності відбувається затягування фронтів вхідного напруги. Така ланцюг в автоматиці і радіотехніці називається інтегрує, і застосовується для виконання математичної операції інтегрування.
Проведемо дослідження напруги на котушці індуктивності:
Мал. 4. Електрична схема експерименту
Мал. 6. Осцилограма напруги на індуктивності (блакитна)
У моменти подачі і зняття напруги через властиву котушок індуктивності ЕРС самоіндукції, виникають викиди напруги. Така ланцюг в автоматиці і радіотехніці називається диференціює, і застосовується в автоматиці для коригування процесів в керованому об'єкті, що носять швидкий характер.
Мал. 5. За великим рахунком, у всіх генераторах електричного струму будь-якого типу, так само як і в електродвигунах, їх обмотки являють собою котушки індуктивності.
Одиниці виміру
В системі одиниць СІ індуктивність вимірюється в генрі, скорочено Гн. Контур зі струмом має індуктивністю в один Генрі, якщо при зміні струму на один ампер в секунду на висновках контуру виникатиме напруга в один вольт.
У варіантах системи СГС - системі СГСМ і в гаусом системі індуктивність вимірюється в сантиметрах (1 Гн = 10⁹ см; 1 см = 1 нГн); для сантиметрів в якості одиниць індуктивності застосовується також назва абгенрі. В системі СГСЕ одиницю виміру індуктивності або залишають безіменній, або іноді називають статгенрі (1 статгенрі ≈ 8,987552 • 10⁻¹¹ Генрі, коефіцієнт перекладу чисельно дорівнює 10⁻⁹ від квадрата швидкості світла, вираженої в см / с).
Історична довідка
Символ L, який використовується для позначення індуктивності, був прийнятий в честь Емілія Христиановича Ленца (Heinrich Friedrich Emil Lenz), який відомий своїм внеском у вивчення електромагнетизму, і який вивів правило Ленца про властивості індукційного струму. Одиниця виміру індуктивності названа на честь Джозефа Генрі (Joseph Henry), який відкрив самоіндукції. Сам термін індуктивність був запропонований Олівером Хевісайдом (Oliver Heaviside) в лютому 1886 року.
У числі вчених, які взяли участь в дослідженнях властивостей індуктивності і розробці різних її застосувань, необхідно згадати сера Генрі Кавендіша, який проводив експерименти з електрикою; Майкла Фарадея, який відкрив електромагнітну індукцію; Ніколу Тесла, який відомий своєю роботою над системами передачі електрики; Андре-Марі Ампера, якого вважають першовідкривачем теорії про електромагнетизм; Густава Роберта Кірхгофа, який досліджував електричні ланцюги; Джеймса Кларка Максвелла, який досліджував електромагнітні поля і приватні їх приклади: електрику, магнетизм і оптику; Генрі Рудольфа Герца, який довів, що електромагнітні хвилі дійсно існують; Альберта Абрахама Майкельсона і Роберта Ендрюса Милликена. Звичайно, всі ці вчені досліджували й інші проблеми, про які тут не згадується.
Котушка індуктивності
За визначенням, котушка індуктивності - це гвинтова, спіральна або вінтоспіральная котушка з згорнутого ізольованого провідника, що володіє значною індуктивністю при відносно малої місткості та малому активному опорі. Як наслідок, при протіканні через котушку змінного електричного струму, спостерігається його значна інерційність, яку можна спостерігати в описаному вище експерименті. У високочастотної техніки котушка індуктивності може складатися з одного витка або його частини, в граничному випадку на надвисоких частотах для створення індуктивності використовується відрізок провідника, який має так званої розподіленої індуктивністю (Полоскова лінії).
Застосування в техніці
Котушки індуктивності застосовуються:
Мал. 9. Котушки індуктивності
- Для придушення перешкод, згладжування пульсацій, накопичення енергії, обмеження змінного струму, в резонансних (коливальний контур) і частотно-виборчих ланцюгах; створення магнітних полів, датчиків переміщень, в зчитувальних пристроях кредитних карт, а також в самих безконтактних кредитних картах.
- Котушки індуктивності (спільно з конденсаторами і резисторами) використовуються для побудови різних ланцюгів з частотно-залежними властивостями, зокрема, фільтрів, ланцюгів зворотного зв'язку, коливальних контурів і інших. Такі котушки, відповідно, так і називають: контурна котушка, котушка фільтра і так далі.
- Дві индуктивно пов'язані котушки утворюють трансформатор.
- Котушка індуктивності, що живиться імпульсним струмом від транзисторного ключа, іноді застосовується в якості джерела високої напруги невеликої потужності в слабкострумових схемах, коли створення окремого високого напруги живлення в блоці живлення неможливо або економічно недоцільно. У цьому випадку на котушці через самоіндукції виникають викиди високої напруги, які можна використовувати в схемі.
- При використанні для придушення перешкод, згладжування пульсацій електричного струму, ізоляції (розв'язки) по високій частоті різних частин схеми і накопичення енергії в магнітному полі сердечника котушку індуктивності називають дроселем.
- У силовій електротехніці (для обмеження струму при, наприклад, короткому замиканні ЛЕП) котушку індуктивності називають реактором.
- Обмежувачі струму зварювальних апаратів виконуються у вигляді котушки індуктивності, обмежуючи струм зварювальної дуги і роблячи її більш стабільною, тим самим дозволяючи отримати більш рівний і міцний зварювальний шов.
- Котушки індуктивності використовуються також в якості електромагнітів - виконавчих механізмів. Циліндричну котушку індуктивності, довжина якої набагато перевищує діаметр, називають соленоїдом. Крім того, часто соленоидом називають пристрій, що виконує механічну роботу за рахунок магнітного поля при втягуванні феромагнітного сердечника.
- В електромагнітних реле котушки індуктивності називають обмоткою реле.
- Нагрівальний індуктор - спеціальна котушка індуктивності, робочий орган установок індукційного нагріву та кухонних індукційних печей.
За великим рахунком, у всіх генераторах електричного струму будь-якого типу, так само як і в електродвигунах, їх обмотки являють собою котушки індуктивності. Слідуючи традиції стародавніх зображення плоскої Землі, що стоїть на трьох слонах або китах, сьогодні ми могли б з більшою підставою стверджувати, що життя на Землі покоїться на котушці індуктивності.
Мал. 15. Магнітосфера Землі
Адже навіть магнітне поле Землі, що захищає всі земні організми від корпускулярного космічного і сонячного випромінювання, згідно з основною гіпотезою про його походження, пов'язане з протіканням величезних струмів в рідкому металевому ядрі Землі. По суті справи, це ядро являє собою котушку індуктивності планетарного масштабу. Підраховано, що зона, в якій діє механізм «магнітного динамо», знаходиться на відстані 0,25-0,3 радіуса Землі.
Мал. 7. Магнітне поле навколо провідника зі струмом. I - струм, B - вектор магнітної індукції.
досліди
На закінчення хотілося б розповісти про деякі цікавих властивості котушок індуктивності, які ви могли б самі поспостерігати, маючи під рукою найпростіші матеріали і доступні прилади. Для проведення дослідів нам буде потрібно відрізки ізольованого мідного дроту, феритовий стрижень і будь-який сучасний мультиметр з функцією вимірювання індуктивності. Згадаймо, що будь-який провідник зі струмом створює навколо себе магнітне поле такого виду, показане на малюнку 7.
Мал. 8. Магнітне поле котушки зі струмом.
Намотаємо на феритовий стрижень чотири десятка витків дроту з невеликим кроком (відстанню між витками). Це буде котушка №1. Потім намотаємо така ж кількість витків з таким же кроком, але зі зворотним напрямком намотування. Це буде котушка №2. І потім намотаємо 20 витків в довільному напрямку впритул. Це буде котушка №3. Потім акуратно знімемо їх з феритового стрижня. Магнітне поле таких котушок індуктивності виглядає приблизно так, кака показано на рис. 8.
Мал. 10.
Котушки індуктивності діляться в основному на два класи: з магнітним і немагнітним сердечником. На малюнку 8 показана котушка з немагнітним осердям, роль немагнитного сердечника виконує повітря. На рис. 9 показані приклади котушок індуктивності з магнітним сердечником, який може бути замкнутим або розімкнутим.
Мал. 11.
В основному використовують сердечники з фериту і пластин з електротехнічної сталі. Сердечники підвищують індуктивність котушок в рази. На відміну від сердечників в формі циліндра, сердечники в вигляді кільця (тороїдальні) дозволяють отримати велику індуктивність, так як магнітний потік в них замкнутий.
Мал. 12.
Підключимо кінці мультиметра, включеного в режим вимірювання індуктивності, до кінців котушки №1. Індуктивність такої котушки надзвичайно мала, порядку декількох часток мікрогенрі, тому прилад нічого не показує (рис. 10). Почнемо вводити в котушку феритовий стрижень (рис. 11). Прилад показує порядку десятка мікрогенрі, причому при просуванні котушки до центру стрижня її індуктивність зростає приблизно в три рази (рис. 12).
Мал. 13.
У міру просування котушки до іншого краю стержня, значення індуктивності котушки знову падає. Висновок: індуктивність котушок може регулюватися шляхом переміщення в них сердечника, і максимальне її значення досягається при розташуванні котушки на феритових стержні (або, навпаки, стержня в котушці) в центрі. Ось ми і отримали справжній, хай і трохи незграбний, варіометр. Проробивши вищеописаний досвід з котушкою №2, ми отримаємо аналогічні результати, тобто напрямок намотування на індуктивність не впливає.
Мал. 14.
Укладемо витки котушки №1 або №2 на феритових стержні щільніше, без зазорів між витками, і знову виміряємо індуктивність. Вона збільшилася (рис. 13).
Мал. 15.
А при розтягуванні котушки по стрижні її індуктивність зменшується (рис. 14). Висновок: змінюючи відстань між витками можна підлаштовувати індуктивність, а для максимальної індуктивності намотувати котушку треба «виток до витка». Прийомом підстроювання індуктивності шляхом розтягування або стиснення витків частенько користуються радіотехніки, налаштовуючи свою пріёмопередающую апаратуру на потрібну частоту.
Встановимо на феритовий стрижень котушку №3 і виміряємо її індуктивність (рис. 15). Число витків зменшилася в два рази, а індуктивність зменшилася в чотири рази. Висновок: чим менше кількість витків - тим менше індуктивність, і немає лінійної залежності між індуктивністю і числом витків.
література
Автор статті: Sergey Akishkin
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.