Indukcyjność jest miarą zdolności elementów obwodu elektrycznego do gromadzenia energii pola magnetycznego. Jest to również miara zależności między prądem a polem magnetycznym. Porównuje się ją również z bezwładnością elektryczności, podobnie jak masę jako miarę bezwładności ciał mechanicznych.
Zawartość
Zjawisko samoindukcji
Zjawisko samoindukcji występuje, gdy prąd płynący przez obwód przewodzący zmienia swoją wielkość. W takim przypadku zmienia się strumień magnetyczny w obwodzie, a na przewodach ramki przewodzącej prąd powstaje EMF zwany EMF samoindukcji. EMF jest przeciwny do kierunku prądu i jest równy:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Oczywiście EMF samoindukcji jest równe szybkości zmiany strumienia magnetycznego spowodowanej zmianą natężenia prądu płynącego w obwodzie i jest proporcjonalne do szybkości zmiany natężenia prądu. Współczynnik proporcjonalności między EMF samoindukcji a szybkością zmian prądu nazywany jest indukcyjnością i oznaczany literą L. Wartość ta jest zawsze dodatnia, a jej jednostka w układzie SI wynosi 1 Henry (1 Gn). Stosuje się również ułamki - miligenerie i mikrogenerie. O indukcyjności 1 Henryka można mówić, gdy zmiana natężenia prądu o wartości 1 ampera powoduje powstanie pola elektromagnetycznego o wartości 1 wolta samoindukcji. Indukcyjność ma nie tylko obwód, ale także pojedynczy przewodnik i cewka, które można sobie wyobrazić jako wiele obwodów połączonych szeregowo.
Energia jest przechowywana w indukcyjności, którą można obliczyć jako W=L*I2/2, gdzie:
- W - energia, J;
- L - indukcyjność, Gn;
- I to natężenie prądu w cewce, A.
W tym przypadku energia jest wprost proporcjonalna do indukcyjności cewki.
Ważne! W inżynierii indukcyjność odnosi się również do urządzenia, w którym przechowywane jest pole elektryczne. Elementem najbardziej zbliżonym do tej definicji jest cewka indukcyjna.
Ogólny wzór na obliczanie indukcyjności cewki fizycznej jest skomplikowany i w praktycznych obliczeniach niewygodny. Warto pamiętać, że indukcyjność jest proporcjonalna do liczby zwojów, średnicy cewki i zależy od jej kształtu geometrycznego. Na indukcyjność ma również wpływ przenikalność magnetyczna rdzenia, na którym umieszczona jest cewka, ale nie ma na nią wpływu prąd płynący przez zwoje. Aby obliczyć indukcyjność, należy każdorazowo skorzystać ze wzorów podanych dla konkretnej konstrukcji. Na przykład dla cewki cylindrycznej jej podstawową charakterystykę oblicza się według wzoru:
L=μ*μ*(N2*S/l),
gdzie:
- μ oznacza względną przenikalność magnetyczną rdzenia cewki;
- μ - jest stałą magnetyczną, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - liczba obrotów;
- S - powierzchnia cewki
- l - długość geometryczna cewki.
Do obliczania indukcyjności cewek cylindrycznych i innych kształtów cewek najlepiej używać kalkulatorów, w tym kalkulatorów internetowych.
Łączenie cewek indukcyjnych szeregowo i równolegle
Indukcyjności można łączyć szeregowo lub równolegle, tworząc zestaw o nowej charakterystyce.
Połączenie równoległe
Gdy cewki są połączone równolegle, napięcia wszystkich elementów są równe, a prądy (naprzemiennie) są odwrotnie proporcjonalne do indukcyjności elementów.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Całkowitą indukcyjność obwodu definiuje się jako 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Wzór jest słuszny dla dowolnej liczby elementów, a dla dwóch cewek upraszcza się do postaci L=L1*L2/(L1+L2). Jest oczywiste, że indukcyjność wynikowa jest mniejsza niż indukcyjność elementu o najmniejszej wartości
Połączenie szeregowe
W przypadku tego typu połączenia przez obwód złożony z cewek płynie ten sam prąd, a napięcie (zmienne!) na każdym elemencie obwodu rozkłada się proporcjonalnie do indukcyjności każdego z nich:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Całkowita indukcyjność jest równa sumie wszystkich indukcyjności i będzie większa niż indukcyjność elementu o największej wartości. Dlatego to połączenie jest stosowane, gdy konieczne jest zwiększenie indukcyjności.
Ważne! W przypadku łączenia cewek szeregowo lub równolegle wzory obliczeniowe są poprawne tylko w przypadkach, gdy wzajemny wpływ pól magnetycznych elementów na siebie jest wyeliminowany (przez ekranowanie, duże odległości itp.). Jeśli istnieje wpływ, to całkowita wartość indukcyjności będzie zależała od wzajemnego układu cewek.
Niektóre zagadnienia praktyczne i konstrukcje cewek indukcyjnych
W praktyce stosowane są różne konstrukcje cewek indukcyjnych. W zależności od celu i zastosowania, urządzenia można wykonać na różne sposoby, ale należy wziąć pod uwagę efekty działania rzeczywistych cewek.
Współczynnik jakości cewki indukcyjnej
Rzeczywista cewka ma kilka parametrów oprócz indukcyjności, a jednym z najważniejszych jest współczynnik jakości. Wartość ta określa straty w cewce i zależy od:
- straty omowe w przewodzie nawojowym (im większa rezystancja, tym niższy współczynnik jakości);
- Straty dielektryczne w izolacji przewodu i ramie nawojowej;
- straty w osłonach;
- Straty podstawowe.
Wszystkie te wielkości określają rezystancję strat, a współczynnik jakości jest bezwymiarową wartością równą Q=ωL/R strat, gdzie:
- ω = 2*π*F - częstotliwość kołowa;
- L - indukcyjność;
- ωL - reaktancja cewki.
Można w przybliżeniu powiedzieć, że współczynnik jakości jest równy stosunkowi rezystancji biernej (indukcyjnej) do rezystancji czynnej. Z jednej strony licznik rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości, ale jednocześnie, ze względu na efekt naskórkowości, rośnie również rezystancja strat poprzez zmniejszenie efektywnego przekroju poprzecznego drutu.
Efekt skórny
W celu ograniczenia wpływu ciał obcych oraz pól elektrycznych i magnetycznych, a także wzajemnego oddziaływania elementów przez te pola, cewki (zwłaszcza wysokiej częstotliwości) są często umieszczane w osłonie. Oprócz korzystnego działania ekranowanie powoduje zmniejszenie wartości Q cewki, zmniejszenie indukcyjności i zwiększenie pojemności pasożytniczej. Ponadto im bliżej ścian ekranu znajdują się uzwojenia cewki, tym bardziej szkodliwy jest ten efekt. Dlatego cewki ekranowane są prawie zawsze projektowane z możliwością regulacji.
Regulowana indukcyjność
W niektórych przypadkach konieczne jest dokładne ustawienie wartości indukcyjności w miejscu po podłączeniu cewki do innych elementów obwodu, kompensując odchylenia strojenia. W tym celu stosuje się różne metody (zmiana kierunku obrotów itp.), ale najdokładniejszą i najbardziej płynną metodą jest regulacja rdzenia. Jest on wykonany w postaci gwintowanego pręta, który można obracać wewnątrz i na zewnątrz ramy, regulując indukcyjność cewki.
Indukcyjność zmienna (wariometr)
Tam, gdzie wymagana jest operacyjna regulacja indukcyjności lub sprzężenia indukcyjnego, stosuje się cewki o innej konstrukcji. Zawierają one dwa uzwojenia: uzwojenie ruchome i uzwojenie nieruchome. Całkowita indukcyjność jest równa sumie indukcyjności obu cewek i indukcyjności wzajemnej między nimi.
Zmieniając położenie jednej cewki względem drugiej, reguluje się całkowitą wartość indukcyjności. Urządzenie takie nazywane jest wariometrem i jest często stosowane w urządzeniach komunikacyjnych do strojenia obwodów rezonansowych w przypadkach, gdy z jakiegoś powodu nie można zastosować kondensatorów zmiennych. Wariometr jest dość kłopotliwy, co ogranicza jego zastosowanie.
Indukcyjność w postaci cewki z nadrukiem
Cewki o małej indukcyjności mogą być wykonane jako spirala z nadrukowanych przewodników. Zalety tej konstrukcji są następujące:
- możliwość produkcji;
- wysoka powtarzalność.
Wadą jest brak możliwości dokładnego dostrojenia podczas regulacji oraz trudność w uzyskaniu wysokich indukcyjności - im wyższa indukcyjność, tym więcej miejsca zajmuje cewka na płytce.
Cewka z uzwojeniem odcinkowym
Indukcyjność bez pojemności istnieje tylko na papierze. W każdym przypadku fizycznego zastosowania cewki występuje pasożytnicza pojemność międzyzwojowa. W wielu przypadkach jest to zjawisko szkodliwe. Pojemności błądzące zwiększają pojemność obwodu LC, zmniejszając częstotliwość rezonansową i współczynnik jakości układu drgającego. Cewka ma również swoją własną częstotliwość rezonansową, która powoduje niepożądane zjawiska.
Aby zmniejszyć pojemność błądzącą, stosuje się różne metody, z których najprostszą jest uzwojenie cewki indukcyjnej w kilku sekcjach połączonych szeregowo. W przypadku tego typu połączenia indukcyjności są sumowane, a całkowita pojemność ulega zmniejszeniu.
Cewka indukcyjna na rdzeniu toroidalnym
Linie pola magnetycznego cylindrycznej cewki indukcyjnej prowadzą przez wnętrze cewki (jeśli jest w niej rdzeń, to przez niego) i są zwierane na zewnątrz przez powietrze. Fakt ten pociąga za sobą kilka niedogodności
- indukcyjność ulega zmniejszeniu;
- charakterystyka cewki jest mniej obliczalna;
- Każdy obiekt wprowadzony w zewnętrzne pole magnetyczne zmienia parametry cewki (indukcyjność, pojemność błądząca, straty itp.), dlatego w wielu przypadkach konieczne jest stosowanie osłon.
Cewki nawinięte na rdzeniach toroidalnych (w postaci pierścienia lub "obwarzanka") są w znacznym stopniu pozbawione tych wad. Linie magnetyczne biegną wewnątrz rdzenia w postaci zamkniętych pętli. Oznacza to, że obiekty zewnętrzne praktycznie nie mają wpływu na parametry cewki nawiniętej na takim rdzeniu, a ekranowanie nie jest konieczne w przypadku takiej konstrukcji. Indukcyjność również wzrasta, a charakterystyka jest łatwiejsza do obliczenia.
Jedną z wad cewek nawiniętych na torusach jest brak możliwości płynnej regulacji indukcyjności na miejscu. Innym problemem jest wysoka pracochłonność i niska technologia nawijania. Dotyczy to jednak w mniejszym lub większym stopniu wszystkich elementów indukcyjnych.
Powszechną wadą fizycznej realizacji indukcyjności są także duże wymiary masowe, stosunkowo niska niezawodność i mała łatwość konserwacji.
Dlatego w technice próbuje się zrezygnować z elementów indukcyjnych. Nie zawsze jest to jednak możliwe, dlatego w najbliższej i średniej przyszłości będą stosowane elementy nawojowe.
Powiązane artykuły:
