Индуктивность проводника

Величина, описываемая соотношением между скоростью изменения тока и некоторой величиной, проявляющейся в проводнике при действии ЭДС самоиндукции, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью проводника.

Индуктивность характеризует способность извлекать энергию из источника энергии и сохранять ее в виде магнитного поля. Это свойство любого проводника, предотвращающее резкие изменения текущего через него тока. Допустим, если ток в катушке увеличивается, то магнитное поле вокруг нее расширяется. Если ток в катушке, наооборот, снижается, то магнитное поле начнет сжиматься. Но сжатие магнитного поля индуцирует в катушке некоторое напряжение, поддерживающее ток. Таким образом, индуктивность позволяет энергии источника сохраняться в виде магнитного поля, зависящего от протекающего тока. Когда ток снижается, уменьшается и магнитное поле, возвращая в цепь ранее запасенную энергию.

ЭДС самоиндукции катушки имеет такое направление, что в любой момент времени оно противодействует приложенному внешнему напряжению. Российский физик Эмилий Ленц первым изучил это явление и сформулировал правило. "С ростом тока силовые магнитные линии как будто „выходят" из оси проводника и концентрическими окружностями распространяются наружу, а ЭДС самоиндукции при этом направлена в противоположное направление, относительно увеличивающегося тока.

Эдс самоиндукции

При снижение силы тока магнитные линии концентрическими окружностями возвращаются к оси проводника, а ЭДС самоиндукции направлено согласно снижаемому уровню тока.

Индуктивность обозначается латинским символом L. Можно сформулировать и более простое определение: индуктивность, электротехническая величина показывающая, сколько энергии магнитного поля можно накопить в проводнике. При скручивание проводника в катушку его индуктивность увеличивается в разы. Чем выше L проводника, тем больше номинальное значение ЭДС самоиндукции. Индуктивность измеряется единицей, получившей название генри. Сокращенно генри обозначается Гн. Эта велечина названа в честь американского физика исследователя Джозефа Генри.

Индуктивностью в один генри обладает катушка, в которой с изменением силы тока на один ампер в течение секундного временного интервала наводится ЭДС самоиндукции, равная один вольт.

Кроме генри используются величины: тысячная доля генри (миллигенри—мГн), миллионная доля генри (микрогенри — мкГн)

1 миллигенри (мГн ) =1/1000 Гн = 10-3 Гн;
1 микрогенги (мкГн) = 1/1000000 Гн = 1/1000 мГн =10-6 Гн

Катушка индуктивности

Как следует из названия, катушка индуктивности представляет из себя именно катушку, то есть имеется некоторое количество витков проводника (обычно медного) намотанных на каркасе. Причем наличие изоляции между витками и каркасом является важнейшим условием. Кроме того витки катушки индуктивности не должны замыкаться между собой. Чаще всего витки наматываются на тороидальный или цилиндрический каркас.

Винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого проводника, обладает значительно большой величиной индуктивности при относительно малом уровне емкости и низком активном сопротивлении.

Индуктивность катушки прямо пропорциональна квадрату числа витков, так как с увеличением количества витков увеличивается, число магнитных силовых линий, и число пересечений каждой силовой линии с проводником.
- увеличивается с увеличением площади витка, так как возрастает уровень магнитного потока в катушке.
- уменьшается с увеличением осевой длины катушки, так как, чем она выше, тем меньшее число витков на единицу ее осевой длины и, следовательно, тем ниже магнитный поток.

Если в катушку добавить железный или стальной сердечник, то величина индуктивности возрастет многократно.

Разновидностей таких катушексуществуют великое множество. Они бывают высокочастотные, низкочастотные, с подстроечными сердечникам, с отводами, и рассчитанными на большие напряжения. Катушки для СВЧ техники называют микрополосковыми линиями. Они совсем не похожи на обычную индуктивность. (правый рисунок)

бескаркасные катушкимикрополосковые линии

Катушка индуктивности с сердечником может выглядеть так - рисунок слева, а с подстроечным сердечником, как на фотографии справа. Величина индуктивности в случае с подстроечным сердечником меняется в небольших пределах. Подстроечные катушки используются в схемах, где необходима одноразовая подстройка. В дальнейшем ее обычно не регулируют.

Катушка с сердечником простым и подстроечным

Одной из разновидностей катушки индуктивности является соленоид, почитать об его устройстве и способах его управления можно перейдя по ссылке.

Индуктивность. Соединение катушек и формулы для расчета

Последовательное соединение катушек индуктивности

Суммарная индуктивность двух или более катушек, соединенных последовательно и расположенных на определенном расстоянии друг от друга так, что их магнитные поля не пересекали витки соседей, равна сумме их индуктивностей.


Параллельное соединение катушек

при параллельном их соединении и при соблюдении того же условия отсутствие магнитного взаимодействия относительно их расположения, расчет осуществляем по формулам:

Индуктивность. Соединение катушек при условии взаимного влияния их магнитных полей

Если катушки, соединенные в электрическую цепь последовательно, находятся близко друг к другу, и так, что часть магнитного потока одной пронизывает витки другой, т. е. между катушками присутствует индуктивная связь, то для расчета их общей индуктивности данная выше формула уже не подойдет. При таком расположении могут возникнуть два частных случая:
Магнитные потоки катушек в цепи имеют одинаковые направления
Или наооборот их потоки направлены навстречу друг другу

Любой их них будет иметь место в зависимости от направления витков катушек и от направлений протекания токов в них.

Если обе катушки намотаны в одну сторону и токи в них протекают в одном попутном направлении, то-есть когда магнитные потоки направлены в одну сторону. При этих факторах витки каждой катушки будут пронизываться своим потоком и частью потока соседа, т. е. магнитные потоки в обоих катушках будут выше по сравнению с отсутствием индуктивной связи. Поэтому общая индуктивность схемы будет выше суммы ее составляющих отдельных катушек. Наоборот, когда потоки направлены навстречу друг другу, общая индуктивность схемы будет ниже суммы L отдельных катушек.

В первом случае, в расчетной формуле ставится знак плюс, а во втором знак минус.

Величина М приведенная в формуле, называется коэффициентом взаимной индукции, представляет собой некоторую добавочную индуктивность, обусловленную частью магнитного потока, общей для обеих катушек.

На явлении взаимоиндукции основан принцип работы вариометра. Он состоит из двух катушек, общая L которых может, по необходимости, плавно регулироваться в некотором диапазоне. В радиолюбительской практике вариометры используют для настройки колебательных контуров самодельных радиоприемников и передатчиков.

Индуктивное сопротивление катушки

Индуктивное сопротивление отличается от классического омического тем, что при протекании через индуктивность переменного тока отсутствуют потери мощности.

В реальных условиях любая катушка индуктивности обладает и реальным омическим сопротивлением. Но если оно не очень большое по сравнению с индуктивным сопротивлением, то им можно условно пренебречь.

При этом происходит следующий эффект: в течение первой четверти периода, когда ток увеличивается, магнитное поле потребляет энергию из цепи, а в течение следующей четверти , когда ток снижается, возвращает ее в цепь. Поэтому, в среднем за период в индуктивном сопротивлении мощность не расходуется. Поэтому индуктивное сопротивление получило название реактивного.

Зависимость индуктивного сопротивления катушки от частоты переменного тока

Индуктивное сопротивление одной и той же катушки будет отличаться для переменных токов разных частот. Чем выше частота , тем большее влияние на схему оказывает индуктивность и тем выше будет индуктивное сопротивление катушки. Наоборот, чем ниже частота переменного тока, тем индуктивное сопротивление ниже. При нулевой частоте (постоянный ток), индуктивное сопротивление нулевое.

Индуктивное сопротивление в формулах электротехники, обозначается как XL и измеряется в омах.

XL=2π×f×L
где XL — индуктивное сопротивление в омах; f—частота переменного тока в гц; L — индуктивность катушки в генри

Величину 2π×f называют круговой частотой и обозначают буквой ω (омега). Поэтому формулу выше можно представить так:

XL=ω×L

Отсюда следует, что при протекании через катушку постоянного тока (ω = 0). Поэтому, если, требуется пропустить по цепи постоянный ток, задержав переменный, то в цепь вводят последовательно катушку индуктивности.

Для преграждения пртекания токов низких звуковых частот используют катушки с железным сердечником, так называемые дроссели низкой частоты (НЧ), а для высоких радиочастот уже без железного сердечника, которые называют дроссели высокой частоты (ВЧ).

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Если она стоит в цепи переменного тока, то в ней, фаза тока всегда будет отставать от напряжения. В курсе этой лекции рассмотрим причины отставания фазы тока на элементарном примере, когда в идеальной цепи есть только индуктивное сопротивление, а омическое сопротивление отсутствует, точнее омическим сопротивлением провода катушки пренебрегаем, так как оно очень низкое.

Основные размеры катушек - справочные сведения

В однослойной катушке индуктивности диаметр D представляет собой диаметр окружности, образуемой осевой линией активного сечения провода. На высоких частотах этот диаметр равен внутреннему диаметру витков (диаметр каркаса или d1).

Длина катушки l это расстояние между осевыми линиями крайних витков. Обычно d0- диаметр провода (без учета изоляции). Шаг намотки τ - расстояние между осевыми линиями соседних витков. Из-за неплотности, для расчетов вводится специальный поправочный коэффициент α так называемый - коэффициент неплотности. Он помогает найти длину катушки с намотанным проводом. Значения коэффициента представлены ниже.

Размеры многослойной катушки индуктивности определяются величиной наружного диаметра D, внутреннего D0, Радиальной глубиной t и длиной намотки l. Dср - средний диаметр. N - число витков. Все размеры всегда в мм.

Индуктивность и как ее маркируют

Предлагаемые справочные сведения по маркировке дросселей и индуктивностей будут особенно полезны радиолюбителям и электронщикам при ремонте радиоприемников и аудиотехники. Да и в других электронных устройствах они не редко встречаются.