Электроника:Постоянный ток/Катушки индуктивности/Магнитные поля и индуктивность

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Магнитные поля и индуктивность

Когда поток электронов течёт по проводнику, вокруг проводника образуется магнитное поле. Данный эффект и есть электромагнетизм.

Магнитные поля заставляют электроны в атоме выравнивать свои спины, что приводит к образованию физической силы, действующей между атомами, точно так же, как электрические поля, создают силу между электрически заряженными частицами. Так же, как и электрические, магнитные поля распространяются по совершенно пустому пространству и воздействуют на материю на расстоянии.

Сила поля и поток поля

Для полей есть две основные меры: сила поля (в случае магнитного поля это магнитодвижущая сила или МДС) и поток поля (в случае магнитного поля это магнитный поток). Магнитодвижущая сила определяет «усилие», которое магнитное поле оказывает на определённом расстоянии. Магнитный поток характеризует общее количество магнитного поля, а также совокупность эффектов, вызываемых магнитным полем в пространстве. МДС и магнитный поток, соответственно, примерно аналогичны электрическому напряжению (которое, собственно, и «толкает» электроны, заставляя их двигаться по проводнику) и самому току (потоку движущихся по проводнику электронов). Хотя магнитный поток поля может существовать в полностью пустом пространстве (при этом не требуется наличие движущихся частиц, вроде электронов), тогда как электрический ток возникает только там, где есть условия для движения свободных электронов.

Даже в открытом космосе магнитному потоку поля можно противодействовать, так же как перед потоком электронов можно поставить заслон в виде сопротивления. Величина магнитного потока, который распространяется в пространстве, пропорциональна величине приложенной магнитодвижущей силы, делённой на величину сопротивления магнитному потоку. Подобно тому, как тип проводящего материала определяет удельное сопротивление этого проводника электрическому току, так и тип среды (под ней мы понимаем материал, занимающий пространство), через которую воздействует магнитное поле, диктует конкретное сопротивление потоку магнитного поля.

Как поток электрического поля между двумя проводниками позволяет накапливать заряд, состоящий из свободных электронов внутри этих проводников, также и поток магнитного поля позволяет накопить определённую «инерцию» для потока электронов в проводнике, который создаёт магнитное поле.

Катушки индуктивности и более сильные магнитные поля

Катушка индуктивности или индуктивный элемент (также иногда используется калька с английского индуктор) – это компонент, предназначенный для использования электромагнитных явлений за счёт придания проводу формы катушки по всей его длине. Такая форма создаёт более сильное магнитное поле, чем в случае с прямым проводом. Обычно проволока в индукторах намотана на специальный диэлектрический каркас, на бывают и самонесущие (бескаркасные) катушки индуктивности.

В катушках с каркасом провод наматывают вокруг специального твёрдого сердечника. Сердечник по своей форме может быть прямым, а в других случаях он будет в виде замкнутого контура (причём петля может иметь форму квадрата, прямоугольника или окружности), чтобы полностью удерживать магнитный поток. Производительность и характеристики катушки индуктивности зависит от варианта конструкции.

Как и конденсаторы, на схемах обозначаются катушки индуктивности достаточно просто, в виде спиралевидного провода. Если нужно (хотя это и необязательно) подчеркнуть, что это катушка с сердечником, то рядом со спиралью добавляют пару параллельных линий вдоль оси катушки. Также сейчас всё чаще в схемах используется новый символа для индукторов – вместо спирали изображаются несколько «горбов» подряд:

Рис. 1. Варианты обозначения катушек индуктивности на электрических схемах.

Поскольку электрический ток генерирует концентрированное магнитное поле, данный магнитный поток соответствует накопленной кинетической энергии электронов, движущихся через катушку. Чем больше сила тока в катушке, тем сильнее магнитное поле и тем больше энергии накапливает индуктор.

Рис. 2. Магнитное поле вокруг катушки в результате прохождения тока в цепи.

Поскольку индукторы хранят кинетическую энергию движущихся электронов в виде магнитного поля, они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла). Накопление энергии в катушке индуктивности зависит от силы протекающего через неё тока.

Способность индуктивного элемента накапливать энергию в зависимости от силы тока приводит к стремлению поддерживать ток на постоянном уровне. Другими словами, катушка индуктивности препятствует изменениям силы тока. Когда сила тока через катушку индуктивности увеличивается или уменьшается, катушка «сопротивляется», создавая напряжение между своими выводами, с полярностью, направленной на противодействие изменениям.

Чтобы накапливать больше энергии в катушке индуктивности, необходимо увеличить силу тока, проходящего через неё. Это значит, что магнитное поле должно увеличиваться в силе, и это изменение напряжённости поля создаёт соразмерное напряжение в соответствии с принципом электромагнитной самоиндукции.

И наоборот, чтобы высвободить энергию из индуктора, ток через него должен быть уменьшен. Это означает, что магнитное поле индуктора должно уменьшаться в силе, и это изменение напряжённости поля самоиндуцирует падение напряжения прямо противоположной полярности.

Гипотетически, закороченный индуктор будет вечно поддерживать постоянный ток без внешнего воздействия:

Рис. 3. В идеале в результате короткого замыкания в цепи образуется не затухающий со временем ток.

На практике, однако, «вечный» ток в индукторе возможен, только если провод будет из сверхпроводника. Сопротивление обычного провода приведёт к очень быстрому затуханию тока без внешнего источника питания.

Когда ток через катушку индуктивности увеличивается, на ней падает напряжение, противоположное направлению тока, действуя как силовая нагрузка. В этом состоянии индуктор заряжается, потому что в его магнитном поле накапливается все большее количество энергии. Обратите внимание на полярность напряжения относительно направления тока:

Рис. 4. При увеличении силы тока в цепи катушка индуктивности выполняет роль нагрузки.

И наоборот, если ток через катушку индуктивности уменьшается, в ней падает напряжение, что способствует протеканию тока, действуя как источник энергии. В этом состоянии считается, что индуктор разряжается, потому что его запас энергии уменьшается, поскольку он отдаёт энергию своего магнитного поля остальной части цепи. Обратите внимание на полярность напряжения относительно направления тока.

Рис. 5. При уменьшении силы тока в цепи катушка индуктивности выполняет роль источника питания.

Если источник электроэнергии внезапно подаёт ток на размагниченную катушку индуктивности, индуктор сначала сопротивляется току, снижая полное напряжение источника питания. Когда сила тока начинает увеличиваться, создаётся более сильное магнитное поле, поглощающее энергию источника питания. В конце концов сила тока достигает максимального уровня и перестаёт расти. В этот момент индуктор больше не поглощает энергию источника питания и снижает минимальное напряжение на своих выводах, в то время как сила тока остаётся на максимальном уровне.

Поскольку индуктор накапливает больше энергии, его уровень тока увеличивается, а падение напряжения уменьшается. Обратите внимание, что это прямо противоположно поведению конденсатора, когда накопление энергии приводит к увеличению напряжения на нём! В то время как конденсаторы сохраняют свой заряд, поддерживая статическое напряжение, катушки индуктивности удерживают свой энергетический «заряд», поддерживая постоянный ток.

Тип материала, на который наматывается провод, сильно влияет на силу потока магнитного поля (и, следовательно, на количество запасаемой энергии), генерируемого для любого заданного количества тока, проходящего через катушку. Сердечники катушек, сделанные из ферромагнитных материалов (таких как т.н. «мягкое железо»), содействуют возникновению более сильных магнитных полей, чем пара- и диамагнетики, такие как алюминий или воздух.

Что такое индуктивность?

Индуктивность – это мера способности катушки индуктивности накапливать энергию для заданного количества протекающего тока. Неудивительно, что индуктивность также является мерой силы сопротивления изменениям тока (сколько именно самоиндуцированного напряжения будет произведено при заданной скорости изменения силы тока). Индуктивность обозначается заглавной буквой «L» и измеряется в единицах Генри, сокращенно «Гн».

«Дроссель» или «катушка индуктивности»?

Ещё одно устаревшее название для катушки индуктивности – дроссель, поскольку индуктивный элемент обычно используется для блокировки («дросселирования») высокочастотных сигналов переменного тока в радиосхемах. Другое название индуктора, которое все ещё используется в наше время, – реактор, особенно если речь о больших мощностях. Оба эти названия станут более понятными после того, как вы изучите теорию цепей переменного тока (AC), и особенно принцип, известный как индуктивное реактивное сопротивление.

Итог

• Катушки индуктивности реагируют на изменения тока, понижая напряжение в полярности, необходимой, чтобы противодействовать изменению силы тока.
• Когда индуктивный элемент сталкивается с возрастающей силой тока, он действует как нагрузка, создавая напряжение по мере поглощения энергии (положительная полярность на стороне входа тока и отрицательная на стороне выхода тока, т.е. действует как резистор).
• Когда индуктивный элемент сталкивается с уменьшающейся силой тока, он действует как источник, создавая напряжение, высвобождая накопленную энергию (отрицательная полярность на стороне входа тока и положительная на стороне выхода тока, т.е. действует как источник питания).
• Способность индуктора накапливать энергию в виде магнитного поля (и, следовательно, противодействовать изменениям тока) называется индуктивностью. Индуктивность измеряется в единицах Генри (Гн).
• Раньше катушки индуктивности обычно называли дросселем. В приложениях большой мощности их иногда называют реакторами.