От чего зависит индуктивность
Содержание
Катушку индуктивности применяют в колебательном контуре радиоприемника для обеспечения селективного приема сигналов с ограничением по частотному диапазону. Аналогичные по конструкции устройства (соленоиды) обеспечивают достаточные усилия для перемещения сердечника с подсоединенным приводом. На основе единых базовых принципов создают иные электронные схемы, датчики, преобразователи энергии. Выяснив, от чего зависит индуктивность, можно использовать полученные знания для успешного решения разных практических задач.
Различные модификации катушки индуктивности
Что такое индуктивность
Этим термином обозначают зависимость, которая устанавливается между силой тока в проводнике (I) и созданным магнитным потоком (Ф):
L = Ф/ I.
С учетом базового определения несложно понять зависимость индуктивности от свойств окружающей среды, оказывающей влияние на распределение силовых линий. Определенное значение имеют размеры и конфигурация проводящего элемента.
Индуктивность подобна механической инерции. Только в данном случае речь идет о действиях с электрическими величинами. Этим коэффициентом характеризуют способность рассматриваемого компонента противодействовать изменению проходящего через него тока.
Самоиндукция
Если через замкнутый контур пропускать переменный ток, можно зарегистрировать с помощью простых экспериментов магнитное поле в окружающей среде. Изменение силовых параметров сопровождается появлением в цепи наведенной электродвижущей силы. Данное явление называют самоиндукцией.
Величину ЭДС можно вычислить по формуле:
Е = -L * (Δi/Δt).
Это выражение показывает зависимость напряжения от изменения тока за единицу времени. Поправочный коэффициент (L) обозначает особенности проводника (индукционной катушки). Знак «-» характеризует инерционные свойства явления.
При пропускании синусоидального сигнала следует учитывать отставание напряжения (векторное выражение) от тока на 90 градусов. Амплитуда будет прямо пропорциональна частоте (w):
E = L * I * w.
Влияние числа витков и способа намотки
Катушка индуктивности – это спираль, созданная из проводящего материала. Рабочие параметры изделий будут зависеть от особенностей конструкции. Индуктивность увеличивают:
- большим количеством витков на единицу длины;
- укрупнением поперечного сечения;
- установкой в центральной части сердечника с ферромагнитными характеристиками.
От чего зависит индуктивность катушки, примеры типовых решений
Индуктивность одновиткового контура и индуктивность катушки
Для расчета элементарной конструкции подойдет преобразованная первая формула:
Ф = L * I.
Если рассматривается катушка, это выражение трансформируют в суммарное выражение магнитных потоков (Ψ), образованных отдельными витками:
Ψ = n * Ф.
Аналогичным образом:
Ln = L1 * n.
В действительности для точных расчетов учитывают различия силовых линий в центральной части и на краях конструкции. Для коррекции применяют более сложные выражения.
Индуктивность соленоида
Достаточно длинная электрическая катушка формирует внутри параллельные силовые линии. Для создания равномерного распределения энергии необходимо применять проводник с толщиной намного меньше, по сравнению с диаметром поперечного сечения. Разумеется, необходимо установить одинаковое расстояние между отдельными витками.
Такую конструкцию называют соленоидом. Плотность магнитного потока (B) в центральной рабочей части будет зависеть прямо пропорционально от длины (l) и следующих параметров:
- количества витков (N);
- тока (i);
- плотности намотки (n – число контуров на единицу длины);
- площади поперечного сечения (S);
- объема (V = S * l).
Ниже приведены основные формулы для вычислений при отсутствии сердечника с учетом магнитной постоянной (m0 ≈ 1,257 *10-6 Гн/ м):
- В = m0 * N * (i/l) = m0 * n * I;
- Ψ = m0 * N2 * (I * S/l) = m0 * n2 * i *V;
- L = m0 * N2 * (S/l) = m0 * n2 * V.
Индуктивность тороидальной катушки (катушки с кольцевым сердечником)
Для вычисления индукции катушки с сердечником в представленные выше формулы добавляют корректирующий множитель «m». С учетом особой формы изделия необходимо сделать следующие изменения:
L = N2 * ((m0 * m * S)/2π * rL), либо L = N2 * ((m0 * m * h)/2π) * ln(R/r),
где:
- 2π * rL – длина рабочего элемента со средним радиусом rL;
- R (r) и h – наружный (внутренний) радиус и высота тора, соответственно.
Коэффициентом «m» учитывают относительный показатель магнитной проницаемости определенного материала к значению для нейтральной среды (вакуума). Если m намного больше единицы, допускается не учитывать искажения поля, которые создает толстый проводник.
Материал сердечника
Как и в предыдущем примере, для вычисления индукции катушки с сердечником в представленные выше формулы добавляют множитель относительной магнитной проницаемости «m»:
L = m0 * m * N2 * (S/l) = m0 * m * n2 * V.
С помощью этого коэффициента учитывают ферромагнитные свойства определенного материала.
Если для примера взять бесконечный (очень длинный) прямой провод с круглым сечением, то он будет обладать определенной индуктивностью:
L = (m0/2π) * l *(mc * ln(l/r) +1/4m,
где:
- mc – магнитная проницаемость (относительная) среды;
- r – радиус, который намного меньше длины (l) проводника.
Однако простые зависимости действуют только до определенной частоты. С определенного уровня волны малой длины начинают распространяться в поверхностной части проводников (скин-эффект). Дополнительно приходится учитывать влияние вихревых составляющих, экранирующих излучение и меняющих силовые параметры поля.
Современные магнитные материалы
Катушка будет работать в точном соответствии с расчетом, если правильно подобраны все функциональные компоненты конструкции. Как показано выше, существенное значение имеют параметры сердечника. Ниже отмечены важные особенности соответствующих материалов:
- Сталь с низким содержанием примесей стоит недорого. Ее рекомендуется применять в цепях постоянного тока, так как при повышении частоты значительно увеличиваются потери.
- В специальные сорта (трансформаторную сталь) добавляют кремний. Для уменьшения вредного влияния поверхностных эффектов сердечник собирают из пластин. Однако и такие решения не следует использовать при частоте более 1 кГц.
- Сплавы из железа с никелем отличаются увеличенной магнитной проницаемостью. Рабочий диапазон – до 80-120 кГц.
- Порошковые материалы создают со слоем диэлектрика на поверхностях отдельных микроскопических гранул. Они хорошо приспособлены для работы с высокочастотными сигналами, однако не обладают большой магнитной проницаемостью.
- Ферриты – это материалы, созданные на основе керамических компонентов. Они отличаются хорошими техническими характеристиками, малыми потерями. Следует учитывать значительную зависимость от температуры, а также ухудшение рабочих параметров при длительной эксплуатации.
Измерение индуктивности катушки, созданной из медного провода на ферритовом сердечнике
Вариометр
Что такое катушка, показано выше на простых примерах. На практике для обозначения однотипных групп применяют специфическую терминологию. Вариометром, например, называют деталь с переменной индуктивностью. В типовой конструкции применяют две катушки, установленные одна внутри другой. Необходимый результат получают регулировкой взаимного положения функциональных компонентов. Для перемещения применяют ручной привод или автоматизированный механизм с внешней схемой управления.
Мультипликаторные катушки
Особенности других конструкций:
- Дроссель обеспечивает высокое сопротивление цепи переменному току, поэтому такой пассивный индуктивный элемент часто применяют для создания фильтров. При подключении к сети питания 220В/ 50 Гц используют железные сердечники. При повышении частоты – ферритовые аналоги.
- Контурные катушки магнитные устанавливают в комбинации с конденсаторами для создания схем с определенной полосой пропускания.
- Электрическим реактором называют крупные конструкции, которые применяют в силовых сетях.
- Сдвоенные катушки применяют для разделения цепей по постоянной составляющей.
Токовый реактор ограничивает сильный ток, предотвращает развитие аварийной ситуации при КЗ
Выше отмечены типовые области применения элементов с индуктивными характеристиками. Они пригодны для создания фильтров, ограничения тока и разделения цепи прохождения постоянных и переменных составляющих сигнала. Магнитное поле катушки с током распространяется в пространстве. Чтобы предотвратить паразитное воздействие, отдельные компоненты размещают на достаточном расстоянии.
