En induktor (også kendt som en elektrisk induktor) defineres som et toterminal-passivt elektrisk element, der opbevarer energi i form af et magnetfelt, når elektrisk strøm flyder gennem den. Den kaldes også for en spole, choker eller reaktor.
En induktor er simpelthen en tråde spole. Den består typisk af en spole af ledende materiale, normalt isoleret kobber, indviklet på en jernkerne, enten af plastik eller ferromagnetisk materiale; derfor kaldes den en jernkern-induktor.
Induktore findes typisk i området fra 1 µH (10-6 H) til 20 H. Mange induktorer har en magnetkerne lavet af ferrit eller jern inde i spolen, hvilket bruges til at øge magnetfeltet og dermed induktorens induktans.
Ifølge Faradays lov om elektromagnetisk induktion, producerer et tidsafhængigt magnetfelt en e.m.f. (elektromotorisk kraft) eller spænding, når en elektrisk strøm, der flyder gennem en induktor eller spole, ændres. Den inducerede spænding eller e.m.f. over en induktor er direkte proportional med hastigheden af ændringen af den elektriske strøm, der flyder gennem induktoren.
Induktans (L) er en egenskab ved en induktor, der modarbejder enhver ændring i størrelse eller retning af strømmen, der løber igennem den. Jo større en induktors induktans, jo større kapacitet har den til at opbevare elektrisk energi i form af et magnetfelt.
Induktoren i en kredsløb modarbejder ændringer i strømstyrken, der løber igennem den, ved at inducere en spænding på den, som er proportional med hastigheden af ændringen i strømstyrken. For at forstå, hvordan induktoren fungerer i en kredsløb, overvej det viste billede nedenfor.
Som vist, er en lampe, en spole af tråd (induktor) og en skruetegn forbundet til en batteri. Hvis vi fjerner induktoren fra kredsløbet, lyser lampen normalt. Med induktoren opfører kredsløbet sig helt anderledes.
Induktoren eller spolen har meget lavere modstand sammenlignet med lampen, så når skruetegnet lukkes, skulle mesteparten af strømmen begynde at løbe gennem spolen, da den giver en vej med lav modstand for strømmen. Derfor forventer vi, at lampen kun gløder meget svagt.
Men på grund af induktorens adfærd i kredsløbet, når vi lukker skruetegnet, gløder lampen højt og bliver derefter svagere, og når vi åbner skruetegnet, gløder pæreren meget højt og slukker derefter hurtigt.
Årsagen er, at når spænding eller potentiafdifferens anvendes på en induktor, producerer den elektriske strøm, der løber gennem induktoren, et magnetfelt. Dette magnetfelt skaber igen en indusceret elektrisk strøm i induktoren, men med modsat polaritet ifølge Lenz's lov.
Denne induscerede strøm, forårsaget af induktorens magnetfelt, forsøger at modarbejde enhver ændring, stigning eller fald, i strømmen. Når magnetfeltet er opbygget, kan strømmen løbe normalt.
Når skruetegnet lukkes, holder magnetfeltet omkring induktoren strømmen løbende i induktoren, indtil magnetfeltet kollapser. Denne strøm holder lampen glødende i en vis periode, selvom skruetegnet er åbent.
Med andre ord kan induktoren lagre energi i form af et magnetfelt, og den forsøger at modarbejde enhver ændring i strømmen, der løber gennem den. Dermed er den samlede konsekvens, at strømmen gennem en induktor ikke kan ændre sig øjeblikkeligt.
Schematic symbol for en induktor vises på billedet nedenfor.
Spændingen over en induktor er direkte proportionel til hastigheden for ændring af den elektriske strøm, der løber gennem induktoren. Matematisk kan spændingen over induktoren udtrykkes som,
hvor,
= Momentan spænding over induktoren i Volt,
= Induktans i Henry,
= Hastighed for ændring af elektrisk strøm i ampere per sekund
Spændingen over en spole skyldes den energi, der er lagret i spolens magnetfelt.
Hvis gulstrøm går igennem spolen, bliver
nul, da gulstrømmen er konstant med hensyn til tiden. Derfor bliver spændingen over spolen nul. Så når det gælder gulstrøm, opfører spolen sig som en kortslutning i stedtilstanden.
Vi kan udtrykke strømen gennem en spole i forhold til spændingen, der opstår på den, som
I ovenstående ligning bestemmes integrationsgrænserne ved at tage højde for tidligere historik eller startbetingelser, dvs. fra
.
Nu, under antagelse af, at skiftet finder sted ved t=0, dvs. at kontakten lukkes ved t=0, har vi ligningen for strømmen gennem spolen som,
Vi kan opdele integrationsgrænserne i to intervaller som
og
. Vi ved, at
er øjeblikket lige før skiftet finder sted, mens
er øjeblikket lige efter skiftet finder sted. Derfor kan vi skrive
Derfor,
Her angiver udtrykket
værdien af induktorens strøm i historisk periode, hvilket er intet andet end den initielle betingelse for
. Lad det betegnes ved
.
Ved
kan vi skrive,
![]()
I starten antog vi, at skiftet finder sted ved tiden nul. Derfor er integrationen fra
til
nul.
Derfor,
Derved kan strømmen gennem spolen ikke ændre sig øjeblikkeligt. Dette betyder, at strømmen gennem en spole, før og efter skiftet, er den samme.
Induktor ved
, dvs. ved tiden for skiftet af spændingen over induktoren, er ideelt
da tidsintervallet
er nul. Derfor fungerer induktoren som en åben kredsløb ved skiftetidspunktet. I stedy tilstand ved
fungerer den som en kortslutning.
Hvis induktoren før skiftet har en initial strøm I0, så fungerer den i øjeblikket
som en konstant strømkilde med værdi
, mens i stedy tilstand ved
fungerer den som en kortslutning over en strømkilde.
Induktorer i serie og parallel er ligesådan som motstande i serie og parallel. Betragt to magnetisk koblet spoler 1 og 2, der har selvinduktion
og
hhv. Lad M være den gensidige induktion mellem de to spoler i henry.
De to induktorer i et elektrisk kredsløb kan forbinder på forskellige måder, hvilket giver forskellige værdier af ækvivalent induktion, som beskrevet nedenfor.
Betragt et kredsløb, der indeholder to magnetisk koblet induktorer eller spoler forbundet i serie. Der er to mulige måder at forbinde induktorerne i serie.
På den første måde virker fluxerne, der produceres af induktorerne, i samme retning. Sådan forbundne induktorer siges at være forbundet i serie-støtte eller kumulativt.
På den anden måde, hvis strømmen vender i den anden induktor, så fluxerne, der produceres af induktorerne, modsætter hinanden, siges sådan forbundne induktorer at være forbundet i serie-modstand eller differentielt.
Lad selvinduktansen for induktoren 1 være
og for induktoren 2 være
. Begge induktorer er koblet med den mutuelle induktans M.
De to induktorer eller spoler er forbundet i serie (kumulativ), som vist på billedet nedenfor.
I denne forbindelse virker selvfeltene og det mutuelle felt for begge induktorer i samme retning, så de selvinducerede og mutuelt inducerede e.m.f. er også i samme retning.
Derfor,
Selvinduceret e.m.f. i induktor 1, ![]()
Mutuelt induceret e.m.f. i induktor 1, ![]()
Selvinduceret e.m.f. i induktor 2, ![]()
Mutuelt induceret spænding i induktoren 1, ![]()
Samlet induceret spænding i kombinationen,
Hvis
er den ækvivalente induktance for de to induktorer i en serieforstærkende forbindelse, er den inducerede spænding i kombinationen givet ved,
Ved sammenligning af ligninger (1) og (2) får vi,
Den ovenstående ligning giver den ækvivalente induktance for to additivt forbundne serieinduktorer eller spoler.
Hvis der ikke er nogen gensidig induktance mellem de to spoler (dvs. M = 0), så er,
Overvej en kredsløb, der indeholder to gensidigt koblet induktorer eller spoler, som er forbundet i serie, således at fluxerne, der produceres af de to induktorer, modsætter hinanden, som vist på billedet nedenfor.
Da fluxerne modsætter hinanden, vil tegnet for gensidigt induceret e.m.f. være det modsatte af selv-induceret e.m.f.-er. Derfor,
Selv-induceret e.m.f. i induktor 1, ![]()
Mutuelt induceret spænding i induktoren 1, ![]()
Selvinduceret spænding i induktoren 2, ![]()
Mutuelt induceret spænding i induktoren 2, ![]()
Den totale inducerede spænding i kombinationen,
Hvis
er den ækvivalente induktance for de to induktorer i en serie oppositionsforbindelse, er den inducerede spænding i kombinationen givet ved,
Ved sammenligning af ligninger (4) og (5) får vi,
Den ovenstående ligning giver den ækvivalente induktance for to induktorer forbundet i serie opposition eller differentialforbindelse.
Hvis der ikke er nogen gensidig induktance mellem de to spoler (dvs. M = 0), så er,
To spoler har selvinnduktioner på henholdsvis 10 mH og 15 mH, og gensidig induktion mellem de to spoler er 10 mH. Find den ækvivalente induktance, når de er forbundet i serie støtten.
Løsning:
Givne data: L1 = 10 mH, L2 = 15 mH og M = 10 mH
Ifølge formel for serieforstærkelse,
Dermed får vi ved hjælp af ligningen den ækvivalente induktance 45 mH, når de er forbundet i serieforstærkelse.
To spoler har selfinduktioner på henholdsvis 10 mH og 15 mH, og den gensidige induktion mellem de to spoler er 10 mH. Find den ækvivalente induktance, når de er forbundet i serie med modvirkende polaritet.
Løsning:
Givne data: L1 = 10 mH, L2 = 15 mH og M = 10 mH
Ifølge formel for serie med modvirkende polaritet,
Dermed får vi ved hjælp af ligningen den ækvivalente induktance på 5 mH, når de er forbundet i serie modsat.
De to spoler kan forbindes i parallel således
Den gensidigt inducerede spænding understøtter de selv-inducerede spændinger, dvs. parallel støttende forbindelse
Den gensidigt inducerede spænding modvirker de selv-inducerede spændinger, dvs. parallel modsat forbindelse
Når to spoler er forbundet i parallel støttende, understøtter den gensidigt inducerede spænding de selv-inducerede spændinger, som vist på figuren nedenfor.
Lad i1 og i2 være strømmene, der løber gennem spolerne L1 og L2, og I være den samlede strøm.
Dermed,
Derfor,
I hver spole vil der blive induceret to EMF'er. Den ene pga. selvinduktion og den anden pga. gensidig induktion.
Da spolerne er forbundet parallel, er EMF'erne lige store.
Derfor,
Nu sættes ligning (9) ind i ligning (8), og vi får,
Hvis
er den ækvivalente induktance for de parallelt forbundne induktorer, vil den inducerede spænding i den være
Dette er lig med den inducerede spænding i enhver enkelt spole, dvs.
Erstat værdien af
fra ligning (10) i ligning (13), fås,
Nu sættes ligning (11) lig med ligning (14),
Den ovenstående ligning giver den ækvivalente induktance for to induktorer forbundet i parallel-hjælp eller kumulativ forbindelse.
Hvis der ikke er nogen gensidig induktance mellem de to spoler (dvs., M = 0), så,
Når to induktorer er forbundet i parallel opposition, modarbejder den gensidigt indledte spænding de selvindledte spændinger.
Som vist på billedet nedenfor er de to induktorer forbundet i parallel opposition eller differentielt.
På samme måde som ved parallel-aiding forbindelse kan det bevises, at,
Den ovenstående ligning giver den ækvivalente induktance for to induktorer forbundet i parallel opposition eller differential forbindelse.
Hvis der ikke findes gensidig induktance mellem de to spoler (dvs. M = 0), så gælder følgende:
To induktorer har selvinduktancer på henholdsvis 5 mH og 10 mH, og den gensidige induktans mellem dem er 5 mH. Find den ækvivalente inductance, når de er forbundet parallel med støtte.
Løsning:
Givne data: L1 = 5 mH, L2 = 10 mH og M = 5 mH
Ifølge formlen for parallel med støtte,
Ved hjælp af denne formel får vi den ækvivalente inductance 5 mH, når de er forbundet parallel med støtte.
To indduktorer har selfinduktanse på henholdsvis 5 mH og 10 mH, og den gensidige induktanse mellem de to er 5 mH. Find den ækvivalente induktanse, når de er forbundet parallel med modsat retning.
Løsning:
Givne data: L1 = 5 mH, L2 = 10 mH og M = 5 mH
Ifølge formlen for parallel motstående,
Ved hjælp af ligningen får vi den ækvivalente induktanse 1 mH, når de er forbundet parallel med modsat retning.
Når det magnetiske felt fra en induktor (spole) skærer eller forbinder spoler i en anden naboinduktor, siges de to induktorer at være magnetisk koblet. På grund af koblede induktorer eller spoler findes der en gensidig induktans mellem de to spoler.
I koblet circuits overføres energi fra et circuit til et andet, når enten af circuitene er aktiveret. En to-vindingstransformator, en autotransformator, og en induktionsmotor er eksempler på magnetisk koblet induktorer, spoler eller circuits.
Overvej to magnetisk koblet induktorer eller spoler 1 og 2 med induktanser L1 og L2 henholdsvis. Lad M være den gensidige induktans mellem de to spoler.
Effekten af gensidig induktans er enten at øge (L1 + M og L2 + M) eller formindske (L1 – M og L2 – M) induktansen af de to spoler, dette afhænger af dispositionen af de to spoler eller induktorer.
Når de to spoler er således placeret, at deres flux støtter hinanden, øges induktansen for hver spole med M, dvs. det bliver L1 + M for spole 1 og L2 + M for spole 2. Dette skyldes, at den totale flux, der forbinder hver spole, er større end dens egen flux.
Når de to spoler er således placeret, at deres flux modvirker hinanden, formindskes induktansen for hver spole med M, dvs. det bliver L1 – M for spole 1 og L2 – M for spole 2. Dette skyldes, at den totale flux, der forbinder hver spole, er mindre end dens egen flux.
Vi ved, at enhver ændring i strøm i en spole altid er fulgt af produktion af gensidigt induceret spænding i den anden spole.
Gensidig induktans defineres som evnen hos en spole (eller kredsløb) til at producere en spænding i en nærliggende spole (eller kredsløb) gennem induktion, når strømmen i den første spole ændres.
Med andre ord kaldes egenskaben hos to spoler, hvorved hver af dem modvirker enhver ændring i strømmen, der løber i den anden, for gensidig induktans mellem de to spoler. Denne modstand opstår, fordi en ændring i strøm i en spole producerer gensidigt induceret spænding i den anden spole, hvilket modvirker en ændring i strømmen i den første spole.
Gensidig induktans (M) kan defineres som flux-linkages for en spole pr. enhed strøm i den anden spole.
Matematisk set
Hvor,
= Strøm i den første spole
= Flux, der forbinder den anden spole
= Antal vikninger på den anden spole
Den gensidige induktance mellem to spoler er 1 henry, hvis strømmen ændres med en hastighed på 1 ampere pr. sekund i den ene spole inducerer et e.m.f. på 1 V i den anden spole.
Koblingskoefficienten (k) mellem to spoler defineres som brøkdelen af magnetisk flux, der produceres af strømmen i den ene spole, der forbinder den anden.
Koblingskoefficienten er en vigtig parameter for koblet kredsløb til at bestemme mængden af kobling mellem induktivt koblet spoler.
Matematisk kan koblingskoefficienten udtrykkes som,
Hvor,
L1 er selviduktionen i den første spole
L2 er selviduktionen i den anden spole
M er den gensidige induktion mellem de to spoler
Koblingskoefficienten afhænger af den gensidige induktion mellem de to spoler. Hvis koblingskoefficienten er højere, vil den gensidige induktion også være højere. To induktivt koblet spoler forbinder sig gennem magnetisk flux.
Når hele fluxen fra den ene spole forbinder den anden, er koblingskoefficienten 1 (dvs. 100%), og spolerne siges at være tæt koblet.
Hvis kun halvdelen af fluxen oprettet i den ene spole forbinder den anden, er koblingskoefficienten 0,5 (dvs. 50%), og spolerne siges at være løst koblet.
Hvis fluxen fra den ene spole slet ikke forbinder med den anden spole, er koblingskoefficienten 0, og spolerne siges at være magnetisk isoleret fra hinanden.
Koblingskoefficienten vil altid være mindre end enhed. Den afhænger af de brugte kerne materialer. For luftkerne kan koblingskoefficienten være 0,4 til 0,8 afhængigt af afstanden mellem de to spoler, og for jern eller ferritkerne kan den være så høj som 0,99.
Kilde: Electrical4u.
Erklæring: Respekter det originale, godt indhold fortjener at deles, hvis der er krænkelser kontakt for sletning.