Влияние металлов на индуктивность
Обновлено: 05.07.2024
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Г. М. Гуро
Нелинейные свойства гранул и межгранульной среды высокотемпературных сверхпроводников системы Bi-Sr-Ca-Cu-O
Теоретические аспекты конечно-элементного моделирования состояний и функциональности магнитоуправляемых датчиков
Текст научной работы на тему «Индуктивность металлов и сверхпроводников»
ИНДУКТИВНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СВЕРХПРОВОДНИКОВ
следующего из закона индукции Фарадея
где Ф - магнитный поток, создаваемый полным током 7, протекающим по сечению
5 проводника (7 = 5.7), ] соответствует плотности тока проводимости j = а£ (а проводимость, £ - электрическое поле). Током смещения пренебрегается.
и Ье соответствуют двум типам связи магнитного поля (вектор-потенциала А) и плотности тока которые определяются локальной связью внутри проводника
и интегральной связью тока, текущего внутри проводника, с магнитным полем вне его
Интегрирование производится по объему Vj, занимаемому током, R - размер системы. Подстановка выражения (2) и соотношения (3) в формулу приводит к выражениям
Здесь С - длина проводника, тпе - масса электронов, п - их концентрация, г - радиус проводника, R - размер системы (для контура - его радиус; для прямолинейного проводника - расстояние от него, на котором можно пренебречь А).
Отметим, что ранее рассматривались другие коэффициенты самоиндукции: Lm (L магнитное), описывающее распределение магнитного поля вне проводника [2] и LK (1 кинетическое), связанное с энергией свободных электронов [3]. Однако для определения LK необходимо дополнительное условие, которое авторами не приводится. Для Lx и Le результаты представляются в замкнутом виде.
В монографии [4] было указано, что самоиндукция должна в принципе зависеть от частоты возбуждения.
Ниже приводится вывод полученных нами конкретных соотношений. Следуя уравнению Максвелла
и материальному уравнению j = сг£, приходим к выражению локальной связи
с 87Г с2 . 87Г 2
lujo с отгиба с
Здесь u)j - низкочастотная граница, где возникает переход от нормального скин-эффекта [5] к области квазистационарных токов [1], г - столкновительное время электронов с решеткой.
Высокочастотная граница соответствует параметру, сравнимому с длиной пробега электронов It = vjt (т.е. и < когда происходит переход от нормального скин-эффекта к аномальному [5].
Учитывая особенности скин-эффекта, можно провести замену параметра ¿(w) на поверхностный импеданс (со значениями электрического и магнитного полей на поверхности проводника)
^s — Ц«) S>s — IT > C H s
ZiH = в*- Cs = -S(u) (6)
Используя уравнение Максвелла rotH = формулу Н = rot А и калибровочное соотношение divA = 0, получим уравнение V2A = решением которого является
А = -1~1 j/Rdvj(3)■, Я = у/У + (ул - уУ + (гя - г,-)2. у]
Здесь точки Я^ расположены в проводнике, а точки Яя - в окружающем пространстве.
соответствует предельному значению при и —> 0.
При малых г (г < А - полоска пленки малой толщины; и >и^) X,, увеличиваясь, приближается к Ье. Поэтому в металлах при таких толщинах Ь = Ье + Д.
Переход металл-сверхпроводник (М —► СП) происходит при т —» оо [6]. Поэтому из выражения
Л2 = А2 = , Ш —; n-ns + пп, е* = 2е; m* = 2ms.
В СП имеет место постоянный незатухающий ток J (т.е. L = Les).
Кроме того, в СП справедливо уравнение Лондона [7] j — ^1/А2А, которое является локальной связью (L = L1S). Таким образом, в СП будет также L = Les + Z,,s.
При нормальных размерах г (г ~ 1 мм) Les » Li,.
В СП А зависит от температуры [8]:
При действии на СП переменного тока (du/dt ф 0) в последнем возникает электри-ческое поле £. Такое поле вызывает ток нормальных электронов, который нагревает образец, изменяя величину А.
Потери на нагревание согласно [1] зависят от частоты. Исподьзуя указанную зависимость и выражение (8), можно получить аналогично металлам частотную зависимость Lis В заключение автор выражает благодарность А. И. Головашкину за обсуждение результатов данной работы и Л. А. Шелепину за ряд ценных замечаний. [1] Л а н д а у Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М. Электродинамика сплошных сред, §§ 33, 34, 60 (1992). [2] Koch Н., L ü b b i g H. eds. Superconducting Devieses and Their Applications, В. Cabrera, New York, Springer-Verlag, p. 236, 1991. [3] П e н и н H. А., Г о л о в а ш к и н А. И., Г у р о Г. М. ФТТ, 38, (5), 1493 (1996). [4] Т а м м И. Е. Основы теории электричества. § 90, гл. VI, 1966. [5] Reuter G. Е. Н., Sondheimer Е. Н. Proc. Roy. Soc., 195, N 1042, 336 (1948). [6]VanDuzer Т., Turner С. W. Principles Superconductive Devies and Circuites. New York, Elesvier, 1981. Ещё один вид резонанса не престаёт удивлять научный мир на протяжении уже 80-ти лет. За его исследование уже получены 4-е нобелевские премии, на его основе созданы многочисленные приборы спектрометрии, он используется в химических реакциях для аномального поглощения или излучения энергии, а в области медицины это вид резонанса стал совсем незаменим, поскольку лежит в основе метода магнитно-резонансной томографии. Речь идёт о ядерном магнитном резонансе (ЯМР) [1]. Мы будем применять для исследования классическую схему ключевания параллельного колебательного контура (рис. 1), в котором ёмкость C1 подбирается под резонансную частоту, а катушка индуктивности L1, точнее — материал её проводника, и будет нами исследоваться. Активное сопротивление этой катушки — R1 — не влияет на классическую резонансную частоту, а для резонанса второго рода (РВР) находится по формуле (1.9). Сразу же заметим, что проявление ЯМР при классическом резонансе меньше, чем при РВР, поэтому для опытов будем использовать только последний. Схему генератора GG1 можно взять по одной из следующих ссылок: генератор 1-150кГц, генератор 10-500кГц (рис. 1, 2), либо применить любой другой — с похожими характеристиками. Если обычную катушку индуктивности, намотанную медным проводом, ввести в режим классического резонанса или РВР, то признаки ЯМР будут проявляться слабо (фото) или вообще не проявляться. Поэтому, мы будем применять бифилярную намотку (рис. 2.1), в которой, при той же мощности потребления генератора, можно получить большую магнитную индукцию. Это утверждение не является достаточным, т.к. по идее, можно было бы на обычной катушке создать ту же индукцию и получить тот же результат. Однако, эксперименты показали, что в опытах такого рода, для качественного проявления эффектов ЯМР, тип намотки играет огромную роль! Ещё одним важным проявлением требуемого эффекта является нарушение работы рядом стоящей аппаратуры. Причём эти явления могут происходить на относительно малых мощностях, порядка 3-4Вт. Даже при таких низких энергиях у автора полностью выключался компьютер и зависал осциллограф, что сильно затрудняло исследовательский процесс. Если на такую катушку (рис. 2.1) подать импульсы с генератора GG1 и посмотреть на общую осциллограмму (рис. 2.2), то проявления ЯМР на ней будут плохо заметны. А вот если осциллограмму развернуть, вплоть до одного импульса, то эффект от ЯМР будет уже хорошо виден (рис. 2.3). В этом случае обмотки катушки соединены последовательно, как в патенте Тесла [2]. Ещё больше этот эффект можно усилить, если соединить обмотки бифилярной катушки параллельно, тогда биения ЯМР будут ещё интенсивнее (рис. 2.4). Возможно, это связано с большей индукцией магнитного поля, но, как уже ранее замечалось, это может оказаться недостаточно полным объяснением. Провод для катушки, используемой в этом эксперименте, можно взять из аудиокабеля, но жилы в нём должны быть полностью медными — это важно. Диаметр жилы — 0.5-1мм, диаметр всей катушки — 12-13см. Ёмкость C1 — 33нФ, а частота генератора GG1 — порядка 20кГц. Она подстраивается под частоту РВР. Эксперимент такого формата, по сути, эквивалентен классическому, в котором применяются сильные нарастающие магнитные поля и присутствует механическое вращение исследуемого материала. Катушка из этого металла, намотанная классическим способом, также не проявит признаков ЯМР на осциллограмме. Для намотки бифилярного варианта автор использовал алюминиевый строительный скотч, намотав его на основание из проводящего материала (рис. 4.1). Частота генератора GG1 для РВР в этом случае оказалась чуть выше, а осцилограмма ЯМР получилась такая, как на рисунке 4.2. Исключением из ряда явилась катушка, намотанная стальным проводом (марка ПНСВ). Для проявления эффектов ЯМР её можно намотать классическим способом (рис. 5.1). Частота GG1 в этом случае оказалсь намного ниже, чем с медными и алюминиевыми катушками, что соответствует теории ЯМР. В результате этих исследований был получен достаточно простой метод проявления эффектов ЯМР в катушках индуктивности. Оптимальный способ намотки — бифилярный, причём если намотка ведётся двумя проводами, то наилучшее их соединение — параллельное. Из предыдущего пункта и из некоторых побочных проявлений ЯМР в виде наводок на рядом стоящую аппаратуру, автор делает предположение, что в процессе получения ЯМР участвует второе магнитное поле [4], которое как раз и отличается наведением индуцированного заряда на одиночные проводники. Также возможно, что процесс ЯМР тесно связан с продольной волной, которая распостраняется вдоль проводника и зависит от таких факторов: его атомной или доменной структуры и от напряжённости магнитного поля в нём. В этом случае такой ЯМР можно назвать продольно-ориентированным. Выбросы ЯМР не совсем классические: они возникают при ускорении (нарастании) магнитного поля, а не при его постоянном значении [1]. Возможно, мы имеем дело с совершенно новым явлением. Судя по осциллограммам, энергия ЯМР выше, чем затраченная на создание магнитного поля. Но существуют энергетические потери на активное сопротивление катушки индуктивности, которые могут нивелировать этот эффект. Мой коллега, талантливый итальянский инженер-электронщик Antonio Cimminiello, продолжил эти опыты, применяя более совершенные драйверы и измерительную аппаратуру. Некоторые их моменты представлены на следующих фотографиях. Полная галерея опытов Antonio находится здесь. Я делюсь первым альбомом, где я размещаю несколько меток, чтобы описать различные условия испытаний. На этом первом этапе конфигурация индуктивности не изменяется, напряжение постоянного тока составляет 12В, среднее потребление составляет 3.5 Вт, сигнал возбуждения — прямоугольная волна 15 кГц с коэффициентом заполнения 30%. В опыте я наблюдаю за изменениями формы волны напряжения на стоке DE475, при изменении конденсатора с параллельно подключённой катушкой. Очевидно, что при уменьшении значения емкости импульс сжимается во времени, амплитуда гармоник увеличивается, а их количество уменьшается. Если вы уберёте конденсатор, то получите только один импульс обратной ЭДС без гармоник. Две заметки: Также, стоит обратить внимание на ещё один момент: длительность самого выброса ЯМР почти не меняется в зависимости от параметров колебательного контура, но зависит от материала катушки и способа её намотки. © Перепечатка материалов сайта возможна с условием установки ссылки на него и соблюдением авторских прав Магнитное поле и индуктивность Вокруг всякого проводника, по которому течет ток, возникает магнитное поле. Такой эффект называется электромагнетизмом. Магнитные поля оказывают влияние на выравнивание электронов в атомах , и могут вызывать физическую силу, способную развиваться в пространстве. Как и электрические поля , магнитные поля могут занимать совершенно пустое пространство , и воздействовать на материю на расстоянии . Магнитное поле обладает двумя основными характеристиками: магнитодвижущей силой и магнитным потоком. Общее количество поля или его эффект называется магнитным потоком, а сила, которая формирует этот магнитный поток в пространстве, называется магнитодвижущей силой. Эти две характеристики примерно аналогичны электрическому напряжению (магнитодвижущая сила) и электрическому току (магнитный поток) в проводнике. Магнитный поток, в отличие от электрического тока (который существует только там, где есть свободные электроны), может распространяться в абсолютно пустом пространстве. Пространство оказывает сопротивление магнитному потоку точно так же, как проводник оказывает сопротивление электрическому току. Величина магнитного потока равна магнитодвижущей силе, поделенной на сопротивление среды. Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Если электрическое поле зависит от имеющегося количества разноименных зарядов (чем больше электрических зарядов одного вида на одном проводнике, и противоположного, на другом, тем больше будет электрическое поле между этими проводниками), то магнитное поле создается потоком электронов (чем интенсивнее движение электронов, тем больше вокруг них магнитного поля). Устройство, способное запасать энергию магнитного поля, называется катушкой индуктивности. Форма катушки создает гораздо более сильное магнитное поле, чем обычный прямолинейный проводник. Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали (существуют так же и бескаркасные катушки). Обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Условные обозначения катушек индуктивности на электрических схемах выглядят следующим образом: Поскольку электрический ток создает вокруг катушки концентрированное магнитное поле , магнитный поток этого поля приравнивается к хранилищу энергии (сохранение которой происходит за счет кинетического движения электронов через катушку). Чем больше ток в катушке , тем сильнее магнитное поле , и тем больше энергии будет хранить катушка индуктивности . Так как катушки индуктивности сох раняют кинетическую энергию движущихся электронов в виде магнитного поля , в электрической цепи они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла) . Способность накапливать энергию в зависимости от тока позволяет катушке индуктивности поддерживать этот ток на постоянном уровне. Иными словами, она сопротивляется изменениям тока. Когда ток через катушку увеличивается или уменьшается , она производит напряжение, полярность которого противоположна этим изменениям . Для сохранения большего количества энергии, ток через катушку индуктивности должен быть увеличен. В этом случае напряженность магнитного поля увеличится, что приведет к возникновению напряжения согласно принципу электромагнитной самоиндукции. И наоборот, для высвобождения энергии из катушки, проходящий через нее ток должен быть уменьшен. В этом случае напряженность магнитного поля уменьшится, что приведет к возникновению напряжения противоположной полярности. Вспомните Первый закон Ньютона, который гласит что всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. С катушками индуктивности ситуация примерно аналогичная: "электроны, движущиеся через катушку стремятся оставаться в движении, а покоящиеся электроны имеет тенденцию оставаться в покое". Гипотетически , короткозамкнутая катушка индуктивности б удет сколь угодно долго поддерживать постоянную скорость потока электронов без внешней помощи : На практике же, катушка индуктивности способна поддерживать постоянный ток только при использовании сверхпроводников. Сопротивление обычных проводов приведет к неизбежному затуханию потока электронов (без внешнего источника энергии). Когда ток через катушку увеличивается, он создает напряжение, полярность которого противоположна потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки. Она, как говорится, "заряжается", поскольку все большее количество энергии сохраняется в ее магнитном поле. На следующем рисунке о братите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока: И наоборот, когда ток через катушку уменьшается, на ее выводах возникает напряжение, полярность которого соответствует потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве источника питания. Она высвобождает энергию магнитного поля в остальную часть схемы. Обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока: Если ненамагниченную катушку индуктивности подключить к источнику питания, то в первоначальный момент времени она будет сопротивляться потоку электронов пропуская все напряжение источника. Как только ток начнет возрастать, сила магнитного поля, созданного вокруг катушки, будет увеличиваться поглощая энергию источника питания. В конечном итоге ток достигнет максимального значения и прекратит свой рост. В этот момент катушка прекращает поглощать энергию от источника питания и напряжение на ее выводах падает до минимального уровня ( в то время как ток остается на максимальном уровне) . Таким образом, при сохранении большего количества энергии, ток через катушку индуктивности увеличивается, а напряжение на ее выводах падает. Заметьте, такое поведение полностью противоположно поведению конденсатора, в котором увеличение количества запасенной энергии приводит к увеличению напряжения на его выводах. Если конденсаторы используют запасенную энергию на поддержание постоянной величины напряжения , то катушки индуктивности такую энергию используют на поддержание постоянной величины тока . Тип материала, из которого изготавливается провод катушки, оказывает значительное влияние на магнитный поток (а следовательно и на количество запасаемой энергии) создаваемый заданной величиной тока. Влияет на магнитный поток и материал, из которого изготавливается сердечник катушки индуктивности: ферромагнитный материал (например железо) создаст более сильный поток, чем немагнитный материал (например алюминий или воздух). Способность катушки индуктивности извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля называется индуктивностью. Индуктивность так же является мерой сопротивления изменениям тока. Для обозначения индуктивности используется символ " L ", а измеряется она в Генри , сокращенно " Гн " Особенности катушек индуктивности В идеале катушка индуктивности действует как чисто реактивное устройство. Ее сопротивление переменному току базируется не на трении электронов, как это происходит в резистивных компонентах, а на индуктивной реакции к изменениям тока. Однако, катушки индуктивности не так чисты в своем реактивном поведении. Начнем с того, что делаются они из проводов, обладающих некоторым измеримым количеством сопротивления (за исключением сверхпроводников). Это внутреннее сопротивление действует так, как будто оно подключено последовательно с идеальной катушкой индуктивности: Следовательно, импеданс любой реальной катушки индуктивности будет сложным сочетанием сопротивления и реактивного сопротивления индуктивности. Усугубляет эту проблему так называемый скин-эффект (поверхностный эффект), который выражается в том, что переменный ток течет не через всё поперечное сечение провода, а только по его внешним областям. Когда электроны текут в одном направлении (постоянный ток), они для своего перемещения используют всю площадь поперечного сечения проводника. Когда электроны периодически меняют направление своего движения (переменный ток), они избегают середины проводника, ограничивая тем самым эффективную площадь поперечного сечения. С увеличением частоты скин-эффект становится более выраженным. Кроме того, переменное магнитное поле катушки индуктивности (возбужденное переменным током) может излучаться в пространство как часть электромагнитной волны, особенно если переменный ток имеет высокую частоту. Эта излучаемая энергия не возвращается обратно к катушке, проявляясь как сопротивление (рассеиваемая мощность) в схеме. Если в катушке индуктивности используется железный сердечник, то к резистивным потерям провода и излучению добавляются новые побочные эффекты, проявляющиеся в качестве дополнительного сопротивления между проводами. Когда катушка индуктивности возбуждается переменным током, произведенные ею переменные магнитные поля вызывают в железном сердечнике блуждающие (вихревые) токи. Эти токи должны преодолеть электрическое сопротивление железа, которое не является столь же хорошим проводником как медь. Потери, связанные с вихревыми токами, можно нейтрализовать путем деления железного сердечника на множество тонких пластин, каждая из которых отделена от другой тонким слоем изолирующего лака. В таком сердечнике вихревые токи не смогут существовать, что предотвратит (или существенно снизит) резистивные потери от данного эффекта. Как вы наверное догадались, потери от вихревых токов в металлических сердечниках катушек индуктивности проявляются в виде тепла. Данный эффект наиболее выражен при высоких частотах, и может быть настолько велик, что иногда используется в производственных процессах для нагрева металлических предметов. Процесс "индукционного нагрева" применяется в металлолитейном производстве (для создания высокочистых материалов), где металлические элементы и сплавы должны нагреваться в вакуумной среде с целью исключения загрязнения "по воздуху". В высокочастотных устройствах вихревые токи могут развиваться даже в пределах поперечного сечения проводов, способствуя возникновению дополнительных резистивных эффектов. Для минимизации таких токов необходимо использовать специальные провода, состоящие из очень мелких, индивидуально изолированных жил. Помимо всего вышеперечисленного, при развороте магнитного поля катушки индуктивности необходимо преодолеть любой магнитный гистерезис, что приводит к затратам энергии, проявляющимся как дополнительное сопротивление в цепи. Некоторые наиболее распространенные материалы (например, феррит) особенно печально известны своим гистерезисным эффектом. Противодействовать этому эффекту лучше всего при помощи тщательного выбора материала и пределов на пиковой интенсивности магнитного поля, генерируемого в каждом цикле. В общей сложности, все рассмотренные резистивные свойства реальной катушки индуктивности (сопротивление провода, потери на излучение, вихревые токи и потери на гистерезис) выражаются одним общим термином: "эффективное сопротивление". Стоит отметить, что скин-эффект и потери на излучение применимы также к обычным витым проводам в схемах переменного тока. Их комбинированное воздействие, как правило, является незначительным, но на радиочастотах они могут быть весьма велики. Передающие радиоантенны, к примеру, разрабатываются с явной целью рассеивания максимального количества энергии в виде электромагнитного излучения. При проектировании схем переменного тока эффективному сопротивлению катушки индуктивности должно уделяться серьёзное внимание. для определения относительной величины эффективного сопротивления катушки индуктивности, введено такое понятие, как добротность. Рассчитывается добротность следующим образом: Обозначение "Q" не имеет ничего общего с электрическим зарядом. По некоторым причинам, власть имущие решили использовать одну и ту же букву алфавита для обозначения совершенно разных величин. Чем больше значение "Q", тем "чище" катушка индуктивности. Катушки с высоким значением Q лучше подходят для проектирования, поскольку в них легче добавить дополнительное сопротивление в случае необходимости. У идеальной катушки индуктивности Q бесконечна, а эффективное сопротивление равно нулю. Добротность (Q), как и реактивное сопротивление (X) зависит от частоты. Однако, резистивные эффекты катушек индуктивности (скин-эффект провода, потери на излучение, вихревые токи и потери на гистерезис) также изменяются с частотой. Благодаря этому, изменение добротности происходит не пропорционально с изменением реактивного сопротивления. Чтобы определиться с точным значением добротности, она должна быть указана на определенной частоте испытаний. Паразитное сопротивление - не единственная причуда катушек индуктивности, о которой мы должны знать. Вследствие того, что витки провода катушки отделены друг от друга изолирующим промежутком (воздухом, лаком, или другим видом электрической изоляции), между ними может возникнуть электрическая емкость. Подробнее о такой емкости мы поговорим несколько позже, а на данный момент вам следует знать, что она "портит" реактивную чистоту реальных катушек индуктивности. Что вы себе представляете под словом «катушка» ? Ну… это, наверное, какая-нибудь «фиговинка», на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции. Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга. Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод! Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC — метра. Что такое индуктивность? Если через провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле: В — магнитное поле, Вб А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями: Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле: С научной же точки зрения, индуктивность — это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается , то магнитное поле сжимается. Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение. Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома: I — сила тока в катушке , А U — напряжение в катушке, В R — сопротивление катушки, Ом Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное. И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности — источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку. То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение. Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может. Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и немагнитным сердечником. Снизу на фото катушка с немагнитным сердечником. Но где у нее сердечник? Воздух — это немагнитный сердечник :-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри. А вот катушки индуктивности с сердечником: В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра. Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники: Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора. Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые дроссели. Дроссель — это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот. Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели: Также существует еще один особый вид дросселей — это сдвоенный дроссель. Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике. От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов. Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC — метр мне показывает ноль. Имеется ферритовый сердечник Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край LC-метр показывает 21 микрогенри. Ввожу катушку на середину феррита 35 микрогенри. Уже лучше. Продолжаю вводить катушку на правый край феррита 20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности: 1 — это каркас катушки 2 — это витки катушки 3 — сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки. Экспериментируем дальше. Давайте попробуем сжимать и разжимать витки катушки. Для начала ставим ее в середину и начинаем сжимать витки Индуктивность стала почти 50 микрогенри! А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту 13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо «виток к витку». Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12. Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков — тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам. Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом. Отдалим витки катушки друг от друга Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения. Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9. Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам. Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от «витков в квадрате». Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки. При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей. А при параллельном соединении получаем вот так: При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности. Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные фильтры для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока. Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке: Читайте также:Влияние металлов на индуктивность
- амплитуда и длительность первого импульса (около 230 В, 50 нс) последовательности не изменяется в зависимости от используемого значения емкости. Первый импульс, по-видимому, отражает энергию, запасенную индуктором, и порождает серию последовательных импульсов;
- частота колебаний немного меняется в зависимости от емкости.
1. Магнитное поле и индуктивность
Катушка индуктивности
Индуктивность
Самоиндукция
Типы катушек индуктивности
Дроссель
Что влияет на индуктивность?
Обозначение на схемах
Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности
Резюме