Индуктор (также известный как электрический индуктор) определяется как двухполюсный пассивный электрический элемент, который хранит энергию в виде магнитного поля, когда через него проходит электрический ток. Его также называют катушкой, дросселем или реактором.
Индуктор представляет собой просто катушку провода. Обычно он состоит из катушки из проводящего материала, обычно изолированной меди, намотанной на железный сердечник, выполненный либо из пластика, либо из ферромагнитного материала; таким образом, его называют индуктором с железным сердечником.
Индукторы обычно доступны в диапазоне от 1 µГн (10-6 Гн) до 20 Гн. Многие индукторы имеют магнитный сердечник, изготовленный из феррита или железа внутри катушки, который используется для увеличения магнитного поля и, следовательно, индуктивности индуктора.
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, когда электрический ток, протекающий через индуктор или катушку, изменяется, переменное магнитное поле создает ЭДС (электродвижущую силу) или напряжение. Наведенное напряжение или ЭДС на индукторе прямо пропорционально скорости изменения электрического тока, протекающего через индуктор.
Индуктивность (L) — это свойство катушки индуктивности, которое препятствует любому изменению величины или направления тока, протекающего через неё. Чем больше индуктивность катушки, тем выше её способность накапливать электрическую энергию в виде магнитного поля.
Катушка индуктивности в цепи противодействует изменениям силы тока, возбуждая напряжение на себе, пропорциональное скорости изменения тока. Чтобы понять, как работает катушка индуктивности в цепи, рассмотрим изображение ниже.
Как показано, лампа, катушка провода (индуктор) и выключатель подключены к батарее. Если мы удалим индуктор из цепи, лампа загорится в обычном режиме. При наличии индуктора поведение цепи будет совершенно иным.
Индуктор или катушка имеет значительно меньшее сопротивление по сравнению с лампой, поэтому при замыкании выключателя большая часть тока должна начать протекать через катушку, поскольку она обеспечивает путь с низким сопротивлением для тока. Следовательно, можно ожидать, что лампа будет светиться очень слабо.
Но из-за поведения индуктора в цепи, когда мы замыкаем выключатель, лампа ярко загорается, а затем становится тусклее, а когда мы размыкаем выключатель, лампа загорается очень ярко и затем быстро гаснет.
Причина в том, что когда напряжение или разность потенциалов прикладываются к индуктору, электрический ток, протекающий через индуктор, создаёт магнитное поле. Это магнитное поле снова создаёт наведённый электрический ток в индукторе, но противоположной полярности, согласно закону Ленца.
Этот наведённый ток, обусловленный магнитным полем индуктора, стремится противодействовать любым изменениям — увеличению или уменьшению — тока. Как только магнитное поле сформировано, ток может течь нормально.
Теперь, когда выключатель разомкнут, магнитное поле вокруг индуктора поддерживает протекание тока в индукторе до тех пор, пока магнитное поле не исчезнет. Этот ток поддерживает свечение лампы в течение определённого времени, даже если выключатель разомкнут.
Другими словами, индуктор может накапливать энергию в виде магнитного поля и пытается противодействовать любым изменениям тока, протекающего через него. Таким образом, общим результатом является то, что ток через индуктор не может изменяться мгновенно.
Схематическое обозначение катушки индуктивности показано на изображении ниже.
Напряжение на индуктивности прямо пропорционально скорости изменения электрического тока, протекающего через индуктивность. Математически напряжение на индуктивности можно выразить следующим образом,
где,
= мгновенное напряжение на индуктивности в Вольтах,
= индуктивность в Генри,
= скорость изменения электрического тока в амперах в секунду
Напряжение на индуктивности обусловлено энергией, накопленной в магнитном поле индуктивности.
Если постоянный ток протекает через индуктивность, то
становится равным нулю, так как постоянный ток не изменяется со временем. Следовательно, напряжение на индуктивности также становится равным нулю. Таким образом, при рассмотрении постоянных величин в установившемся режиме индуктивность действует как короткозамкнутый проводник.
Мы можем выразить ток через индуктивность в терминах напряжения, развиваемого на ней, следующим образом:
В приведенном выше уравнении пределы интегрирования определяются с учетом прошлой истории или начальных условий, то есть от
.
Предположим, что переключение происходит в момент времени t=0, то есть выключатель закрывается в момент времени t=0. Тогда уравнение для тока через индуктивность имеет вид:
Мы можем разделить пределы интегрирования на два интервала:
и
. Мы знаем, что
— это момент, непосредственно перед переключением, в то время как
— это момент, непосредственно после переключения. Следовательно, мы можем записать
Следовательно,
Здесь, термин
указывает значение тока в индуктивности за предыдущий период, что является начальным условием для
. Обозначим его как
.
При
можно записать,
![]()
Изначально мы предположили, что переключение происходит в нулевой момент времени. Таким образом, интегрирование от
до
равно нулю.
Следовательно,
Таким образом, ток через индуктивность не может измениться мгновенно. Это означает, что ток через индуктивность до и после переключения одинаков.
Индуктивность при
, то есть в момент переключения напряжения на индуктивности, идеально равна
, так как интервал времени
равен нулю. Таким образом, в момент переключения индуктивность действует как разомкнутый контур. В установившемся режиме при
она действует как короткозамкнутый контур.
Если индуктивность несет начальный ток I0 до переключения, то в момент
она действует как источник постоянного тока с величиной
, а в установившемся режиме при
, она действует как короткозамкнутый контур через источник тока.
Индуктивности, соединенные последовательно и параллельно, ведут себя аналогично резисторам, соединенным последовательно и параллельно. Рассмотрим две магнитно связанные катушки 1 и 2, имеющие самоиндукцию
и
соответственно. Пусть M — взаимная индуктивность между двумя катушками в генри.
Две индуктивности в электрической цепи могут быть соединены различными способами, что дает различные значения эквивалентной индуктивности, как обсуждается ниже.
Рассмотрим цепь, содержащую две магнитно связанные индуктивности или катушки, соединенные последовательно. Существует два возможных способа соединения индуктивностей последовательно.
В первом случае потоки, создаваемые индуктивностями, действуют в одном направлении. В этом случае такие индуктивности считаются соединенными последовательно с добавлением или кумулятивно.
Во втором случае, если ток в другой индуктивности обращается, так что потоки, создаваемые индуктивностями, противодействуют друг другу, то такие индуктивности считаются соединенными последовательно с противодействием или дифференциально.
Пусть самоиндукция индуктора 1 равна
, а самоиндукция индуктора 2 равна
. Оба индуктора связаны с помощью взаимной индукции M.
Два индуктора или катушки соединены последовательно с помощью, как показано на изображении ниже.
В этом соединении собственные и взаимные магнитные потоки обоих индукторов действуют в одном направлении; следовательно, собственные и взаимно индуцированные э.д.с. также находятся в одном направлении.
Таким образом,
Собственная индуцированная э.д.с. в индукторе 1, ![]()
Взаимно индуцированная э.д.с. в индукторе 1, ![]()
Собственная индуцированная э.д.с. в индукторе 2, ![]()
Взаимно наведенное ЭДС в индуктивности 1,![]()
Общая наведенная ЭДС в комбинации,
Если
является эквивалентной индуктивностью двух индуктивностей, соединенных последовательно и взаимодействующих, то ЭДС, наведенная в комбинации, определяется как,
Сравнивая уравнения (1) и (2), получаем,
Вышеприведенное уравнение дает эквивалентную индуктивность двух последовательно соединенных индукторов или катушек с кумулятивным или аддитивным соединением.
Если между двумя катушками нет взаимной индуктивности (т.е. M = 0), то,
Рассмотрим цепь, содержащую два взаимосвязанных индуктора или катушки, соединенные в серии таким образом, что потоки, создаваемые двумя индукторами, противодействуют друг другу, как показано на изображении ниже.
Так как потоки противоположны, знак взаимно наведенной э.д.с. будет противоположен знаку собственной индукции. Следовательно,
Собственная индукция в индукторе 1,![]()
Взаимно наведенное ЭДС в индукторе 1, ![]()
Собственное наведенное ЭДС в индукторе 2, ![]()
Взаимно наведенное ЭДС в индукторе 2, ![]()
Общее наведенное ЭДС в комбинации,
Если
является эквивалентной индуктивностью двух индукторов, соединенных последовательно противофазно, то ЭДС, наведенная в комбинации, определяется следующим образом,
Сравнивая уравнения (4) и (5), получаем,
Вышеприведенное уравнение дает эквивалентную индуктивность двух катушек, соединенных в противоположной последовательности или в дифференциальной схеме.
Если между двумя катушками нет взаимной индуктивности (т.е., M = 0), то,
Две катушки имеют самоиндукции 10 мГн и 15 мГн, а взаимная индуктивность между ними составляет 10 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность, когда они соединены последовательно в одно направление.
Решение:
Исходные данные: L1 = 10 мГн, L2 = 15 мГн и M = 10 мГн
Согласно формуле последовательного соединения с добавлением,
Таким образом, используя эту формулу, мы получаем эквивалентную индуктивность 45 мГн при их последовательном соединении с добавлением.
Две катушки имеют самоиндукции 10 мГн и 15 мГн, а взаимная индукция между двумя катушками составляет 10 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность при их последовательном соединении противоположным образом.
Решение:
Исходные данные: L1 = 10 мГн, L2 = 15 мГн и M = 10 мГн
Согласно формуле последовательного соединения противоположным образом,
Таким образом, используя уравнение, мы получаем эквивалентную индуктивность 5 мГн при их соединении в противоположных направлениях.
Две индуктивности могут быть соединены параллельно таким образом, что
Взаимно индуцируемое ЭДС помогает собственному индуцированному ЭДС, то есть параллельное соединение с поддержкой
Взаимно индуцируемое ЭДС препятствует собственному индуцированному ЭДС, то есть параллельное соединение с противодействием
Когда две индуктивности соединены параллельно с поддержкой, взаимно индуцируемое ЭДС помогает собственному индуцированному ЭДС, как показано на рисунке ниже.
Пусть i1 и i2 — токи, протекающие через индуктивности L1 и L2, а I — общий ток.
Таким образом,
Следовательно,
В каждом индукторе будут индуцироваться две ЭДС. Одна из-за самоиндукции, а другая из-за взаимной индукции.
Поскольку индукторы соединены параллельно, ЭДС равны.
Следовательно,
Теперь, подставив уравнение (9) в уравнение (8), получим,
Если
является эквивалентной индуктивностью параллельно соединенных катушек, то ЭДС, наведенная в нем, будет
Это равно ЭДС, наведенной в любой одной катушке, то есть
Подставим значение
из уравнения (10) в уравнение (13), получаем,
Теперь, приравняем уравнение (11) к уравнению (14),
Вышеуравнение дает эквивалентную индуктивность двух индуктивностей, соединенных параллельно с накоплением или кумулятивным соединением.
Если между двумя катушками нет взаимной индуктивности (т.е. M = 0), то,
Когда две катушки индуктивности соединены параллельно в противофазе, взаимно индуцированная ЭДС противодействует самоиндуцированным ЭДС.
Как показано на изображении ниже, две катушки индуктивности соединены параллельно в противофазе или дифференциально.
Аналогично соединению с параллельным согласованием, можно доказать, что,
Приведённое выше уравнение даёт эквивалентную индуктивность двух катушек индуктивности, соединённых параллельно в противофазе или по дифференциальной схеме.
Если между двумя катушками отсутствует взаимная индуктивность (т.е. M = 0), тогда,
Две катушки индуктивности имеют самоиндукции 5 мГн и 10 мГн, а взаимная индукция между ними составляет 5 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность, когда они соединены параллельно с поддержкой.
Решение:
Исходные данные: L1 = 5 мГн, L2 = 10 мГн и M = 5 мГн
Согласно формуле для параллельного соединения с поддержкой,
Таким образом, используя данное уравнение, мы получаем эквивалентную индуктивность 5 мГн при параллельном соединении с поддержкой.
Два индуктивных элемента имеют собственные индуктивности 5 мГн и 10 мГн, а взаимная индуктивность между ними составляет 5 мГн. Найдите эквивалентную индуктивность, когда они подключены параллельно противофазно.
Решение:
Исходные данные: L1 = 5 мГн, L2 = 10 мГн и M = 5 мГн
Согласно формуле для параллельного противофазного соединения,
Таким образом, используя уравнение, мы получаем эквивалентную индуктивность 1 мГн при их параллельном противофазном соединении.
Когда магнитное поле одного индуктивного элемента (катушки) пересекает или связывает витки другого соседнего индуктивного элемента, говорят, что два индуктивных элемента магнитно связаны. В результате магнитной связи между катушками возникает взаимная индуктивность.
В связанных цепях происходит передача энергии от одной цепи к другой, когда одна из цепей запитана. Двухобмоточный трансформатор, автотрансформатор, и индукционный двигатель являются примерами магнитно связанных индуктивных элементов или цепей.
Рассмотрим две магнитно связанные катушки 1 и 2 с индуктивностями L1 и L2 соответственно. Пусть M — это взаимная индуктивность между двумя катушками.
Влияние взаимной индуктивности заключается в том, что она либо увеличивает (L1 + M и L2 + M) либо уменьшает (L1 – M и L2 – M) индуктивность двух катушек, в зависимости от их расположения.
Когда две катушки расположены так, что их потоки усиливают друг друга, то индуктивность каждой катушки увеличивается на M, то есть становится L1 + M для катушки 1 и L2 + M для катушки 2. Это происходит потому, что общий поток, связанный с каждой катушкой, больше, чем ее собственный поток.
Когда две катушки расположены так, что их потоки противодействуют друг другу, то индуктивность каждой катушки уменьшается на M, то есть становится L1 – M для катушки 1 и L2 – M для катушки 2. Это происходит потому, что общий поток, связанный с каждой катушкой, меньше, чем ее собственный поток.
Мы знаем, что любое изменение тока в одной катушке всегда сопровождается появлением взаимно наведенного ЭДС во второй катушке.
Взаимная индуктивность определяется как способность одной катушки (или цепи) создавать ЭДС в соседней катушке (или цепи) посредством индукции, когда ток в первой катушке изменяется.
Другими словами, свойство двух катушек, благодаря которому каждая из них противодействует любому изменению тока, протекающего в другой, называется взаимной индуктивностью между этими катушками. Это противодействие происходит потому, что изменяющийся ток в одной катушке создает взаимно наведенное ЭДС в другой катушке, которое препятствует изменению тока в первой катушке.
Взаимная индуктивность (M) может быть определена как число потокосцеплений катушки на единицу тока в другой катушке.
Математически,
где,
= ток в первой катушке
= поток, связывающий вторую катушку
= количество витков во второй катушке
Взаимная индуктивность между двумя катушками составляет 1 генри, если изменение тока со скоростью 1 ампер в секунду в одной катушке вызывает ЭДС 1 В в другой катушке.
Коэффициент связи (k) между двумя катушками определяется как доля магнитного потока, создаваемого током в одной катушке, который связывает другую.
Коэффициент связи является важным параметром для связанных цепей, чтобы определить степень связи между индуктивно связанными катушками.
Математически коэффициент связи можно выразить как,
где,
L1 — это самоиндукция первой катушки
L2 — это самоиндукция второй катушки
M — это взаимная индуктивность между двумя катушками
Коэффициент связи зависит от взаимной индуктивности между двумя катушками. Чем выше коэффициент связи, тем выше взаимная индуктивность. Две индуктивно связанные катушки связаны с помощью магнитного потока.
Когда весь поток одной катушки связывает другую, коэффициент связи равен 1 (т.е. 100%), тогда говорят, что катушки тесно связаны.
Если только половина потока, создаваемого в одной катушке, связывает другую, коэффициент связи равен 0.5 (т.е. 50%), тогда говорят, что катушки слабо связаны.
Если поток одной катушки вообще не связывает другую катушку, коэффициент связи равен 0, говорят, что катушки магнитно изолированы друг от друга.
Коэффициент связи всегда будет меньше единицы. Он зависит от материалов сердечника. Для воздушного сердечника коэффициент связи может составлять от 0.4 до 0.8 в зависимости от расстояния между двумя катушками, а для железного или ферритового сердечника он может достигать 0.99.
Источник: Electrical4u.
Заявление: Уважайте оригинал, хорошие статьи стоят того, чтобы их делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.