Единица индуктивности и взаимной индуктивности

Проводник с электрическим током имеет способность накапливать энергию в магнитном поле. Подобное явление называется индуктивностью. У обычного проводника, имеющего прямую форму, эта величина имеет небольшое значение, но если проводнику придать вид спирали и одинаковую направленность тока с соседними проводниками, то их поля будут взаимодействовать. При этом усилится индуктивность. Но есть факт того, что воздух значительно их ослабляет.

Человеческий мозг предположил следующее: поле должно протекать вокруг проводников не по воздуху, а по железу, сопротивляемость которого магнитному полю намного меньше. Такие катушки являются индуктивными.

Свойства

При подаче напряжения к индуктивной катушке, в ней происходит линейное нарастание тока, а при его снятии начинается его падение. Моментально остановить его протекание в катушке не представляется возможным, как, например, нельзя сразу остановить автомобиль, мчащийся на скорости. При попытке быстро остановить нарастание этого параметра, произойдёт удар напряжения, равный тому, что оно, при этом, может вызвать искровой разряд. Подобное явление получило название самоиндукция. На этом принципе основана работа катушки зажигания в автомобиле.

Коэффициент самоиндукции — это есть индуктивность. Иными словами: величина, которая характеризует связь между находящимся в проводнике электрическим током и магнитным полем, создаваемым при протекании. Эта мера представляет сумму потока индукции. Прямая зависимость её от конфигурации проводника и от проницаемости доказана.

При подаче на катушку электрического тока постоянного напряжения, в катушке возникает напряжение, противоположное напряжению электрического тока (Е =U), которое исчезает через некоторое время. Это противоположное напряжение называется ЭДС (электродвижущей силой самоиндукции). Параметр зависит от индуктивности катушки.

Как найти индуктивность

Формулы индуктивности будут выглядеть следующим образом:

• Ф = LI (магнитный поток в контуре);
• Е= LdI/dt (ЭДС самоиндукции).

ЭДС определяет энергию магнитного поля, от этой величины зависит противодействие системы при изменении тока. При этом ЭДС самоиндукции направлена противоположно последнему.

Перевод слова «индукция» с латинского языка (induct) — побуждение, наведение. Исходя из сказанного, понятно, что это величина, которая характеризует магнитные свойства электрической цепи. Ток проводящего контура создаёт в окружающем его пространстве магнитное поле. При этом, возникающий в контуре поток Ф, имеет прямую ему пропорциональность. Формально записывается это так: Ф=LI, где L — коэффициент пропорциональности или коэффициент самоиндукции контура. Его определяют размеры и формы контура, а также, магнитная проницаемость среды.

Энергия W магнитного поля тока I определяется по формуле: W =LI2/2. При проведении аналогии между электрическим и механическими явлениями, энергия сопоставима с кинетической энергией тела T=mv2/2, где m — масса, v — скорость. Тогда индуктивность подобна массе, а ток — скорости. Это наглядное сравнение помогает лучше понять суть. Эта интересная характеристика определяет инерционные свойства электрического тока.

На практике для увеличения её значения применяют катушки с сердечниками из ферромагнетиков, их свойства имеют зависимость от напряжённости магнитного поля и, следовательно, I. В основном это ферритовые пластины из электротехнической стали. Эффективность применения сердечников довольно значительна: индуктивность катушки возрастает в несколько раз. Помимо цилиндрических, распространены тороидальные варианты, они позволяют достичь большей индуктивности, из-за наличия замкнутого магнитного потока.

Индуктивность соленоида определённой длины, имеющего N витков и площадь поперечного сечения S в среде, имеющей проницаемость m равна:

где m0— магнитная проницаемость вакуума.

Определение индуктивности

Измерение индуктивности катушки можно провести в лабораторных условиях. За единицу индуктивности в системе СИ принимается 1 Генри — она измеряется в контуре с магнитным потоком в 1 Вб, сила тока при этом в контуре равна 1 Амперу. В системе Гаусса индуктивность равняется 1 Гн = 10⁹ см.

Для того, чтобы её определить, нужно измерить действующее значение переменного тока и его частоту, а также, напряжение на катушке и её активное сопротивление:

1. R —омическое сопротивление катушки.
2. F — частоту переменного тока.
3. U — напряжение.
4. I — силу тока.

Применение катушек в технике

Явление электромагнитной индукции известно уже давно и широко применяется в технике. Примеры использования:

• сглаживание пульсаций и помех, накопление энергии;
• создание магнитных полей в различных устройствах;
• фильтры цепей обратной связи;
• создание колебательных контуров;
• трансформаторы (устройство из двух катушек, связанных индуктивно);
• силовая электротехника использует для ограничения тока при к. з. на ЛЭП (катушки индуктивности, называются реакторами);
• ограничение тока в сварочных аппаратах — катушки индуктивности делают его работу стабильнее, уменьшая дугу, что позволяет получить ровный сварочный шов, имеющий наибольшую прочность;
• применение катушек в качестве электромагнитов различных исполнительных механизмов;
• обмотки электромагнитных реле;
• индукционные печи;
• установление качества железных руд, исследование горных пород при помощи определения магнитной проницаемости минералов.

Теория индуктивностей

Характеристики магнитного поля

Магнитное поле создается постоянными магнитами и проводниками, по которым протекает электрический ток. Для характеристики магнитного поля вводятся такие величины:
Напряженность магнитного поля, характеризующая интенсивностъ магнитного поля в данной точке пространства. Напряженность магнитного поля, создаваемого током, определяется его величиной и формой проводника. Напряженность магнитного поля, в а/м внутри катушки. у которой длина намного больше диаметра, может быть определена по формуле

где I — ток (в а); w— число витков, l — длина катушки (в м).
Магнитный поток — общее количество магнитных силовых линий, пронизывающих контур. Для вакуума и практически для воздуха магнитный поток в веберах – вб, определяется по формуле

где S — площадь контура в квадратных метрах.
Магнитная индукция — интенсивность результирующего магнитного поля в данном веществе измеряется в веберах на метр квадратный (вб/м2)

Магнитная проницаемость — величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция в данном веществе больше или меньше на пряжеиности внешнего магнитного поля (ом*сек)/м

Магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная) равна единице. Для воздуха μ приблизительно равна 1. У парамагнитных веществ (алюминий, платина) μ > 1, у диамагнитных (медь, висмут и др.) μ >> 1. В соответствии с приведенными выше формулами для любого вещества можем написать:

Кроме практической системы единиц, пользуются абсолютной электромагнитной системой единиц. Соотношение между единицами этих систем следующее:

1 = 12,56*10-3 Э (эрстед);
1 вб = 108 мкс (максвелл);
1 вб/м2 = 104 гс (гаусс).

Индуктивность и взаимоиндуктивность

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) численно равна э. д. с. самоиндукции (eL), возникающей в проводнике (контуре) при равномерном изменении тока в нем на 1 а в 1 сек.

Индуктивность, измеряется в следующих единицах:
1 гн = 1000 мгн;
1 мгн = 1000 мкгн;
1 мкгн = 1000 см.

Рис. 1 Схема взаимосвязанных индуктивностей.

Коэффициент взаимоиндукции М численно равен э. д. с. взаимоиндукции, возникающей в одном контуре при равномерном изменении тока на 1 а в 1 сек. в другом контуре (рис. 1).

Коэффициент взаимоиндукции измеряется в тех же единицах, что и индуктивность. Связь через общий магнитный поток двух катушек индуктивностью L1 и L2 называется индуктивной связью, характеризуемой коэффициентом связи

Зная коэффициент связи, можно определить коэффициент рассеяния

Если катушки находятся на общем замкнутом ферромагнитном сердечнике достаточно большого сечения, то k приблизительно равно 1, а ϭ приблизительно равна .

Соединение индуктивностей

Общая индуктивность L нескольких последовательно или параллельно соединенных индуктивностей при отсутствии, а также при наличии индуктивной связи между ними определяется по формулам, приведенным в таблице №1.

Таблица № 1

Схема соединения	Общая индуктивность

В формулах отмеченных значком * верхний знак алгебраического сложения, используется при согласованном включении индуктивностей, а нижний знак алгебраического сложения, используется при встречном включении индуктивностей.

Катушки с малой индуктивностью

Однослойные катушки

применяются на частотах выше 1500 кГц. Намотка может быть сплошная и с принудительным шагом. Однослойные катушки с принудительным шагом отличаются высокой добротностью (Q = 150 — 400) и стабильностью. Они применяются в основном в контурах КВ и УКВ. Высокостабильные катушки, применяемые в контурах гетеродинов на КВ и УКВ, наматываются при незначительном натяжении проводом, нагретым до 80—120°.
Для катушек с индуктивностью выше 15 — 20 мкГн применяется сплошная однослойная намотка. Целесообразность перехода на сплошную намотку определяется диаметром катушки. В таблице № 2, приведены ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на сплошную намотку:

Таблица № 2

Диаметр каркаса (в мм.)

10

15

20

25

30

Предельная индуктивность (в мкГн)

30

50

100

200

500

Индуктивность простой однослойной катушки может быть рассчитана по формуле (1):

где L — индуктивность (в мкГн), D — диаметр катушки (в см), I — длина намотки (в см), w — число витков.

При намотке однослойной катушки индуктивности с принудительным шагом, общая индуктивность (в мкГн), рассчитывается по формуле (2):

где L — индуктивность катушки, найденная по формуле (1) т. е. без поправки на шаг намотки;
А и В — поправочные коэффициенты, определяемые по графикам рис. 2а и 2б;
D — диаметр (в см);
w — число витков катушки.

Рис. 2 Графики поправочных коэффициентов для расчета индуктивности однослойных катушек с принудительным шагом намотки
d — диаметр провода;
t – шаг намотки;

Многослойные катушки могут быть разделены на простые и сложные. Примерами простых намоток являются рядовая многослойная намотка и намотка внавал.

Несекцнонированные многослойные катушки с простыми намотками отличаются пониженной добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью, требуют применения каркасов со щечками.

Широкое применение имеют сложные универсальные намотки. В радиолюбительской практике находит применение также сотовая намотка. Индуктивность многослойной катушки может быть рассчитана по формуле:

где L — индуктивность катушки (в мкГн), D — средний диаметр намотки (в см), l — длина намотки (в см), t — толщина катушки (в см), w — число витков.

Если задана индуктивность и нужно рассчитать число витков, то следует задаться величинами D, l и t и подсчитать необходимое число витков. После этого следует произвести проверку толщины катушки по формуле:

где t — толщина катушки (в см), l — длина намотки (в мм), w — число витков. d — диаметр провода с изоляцией (в мм), α — коэффициент неплотности намотки. Значения коэффициента неплотности α, для многослойной намотки, могут быть взяты из таблицы 4.

Таблица 4

Диаметр провода без изоляции в (мм)

Коэффициент неплотности α

0,08 — 0,11

1,3

0,15 — 0,25

1,25

0,35 — 0,41

1,2

0,51 — 0,93

1,1

Более 1,0

1,05

Для намотки «внавал» α надо увеличить на 10% — 15%. Если фактическая толщина катушки отличается от принятой в начале расчета более чем на 10%, то следует задаться другими размерами катушки и повторить расчет.

Секционированные катушки индуктивности — рисунок 3, характеризуются достаточно высокой добротностью, пониженной собственной емкостью, меньшим наружным диаметром и допускают в небольших пределах регулировку индуктивности путем смещения секций.

Рис. 3 Секционированная катушка индуктивности.

Они применяются как в качестве контурных в контурах длинных и средних волн, так и в качестве дросселей высокой частоты.
Каждая секция представляет собой обычную многослойную катушку с небольшим числом витков. Число секций n может быть от двух до восьми, иногда даже больше. Расчет секционированных катушек сводится к расчету индуктивности одной секции. Индуктивность секционированной катушки, состоящей из n секций,

где Lc — индуктивность секции, k — коэффициент связи между смежными секциями.
Коэффициент связи зависит от размеров секций и расстояния между ними. Эта зависимость изображена на графике — рисунок 4.

Рис. 4 График зависимости коэффициента связи от размеров секций и расстояния между ними.

Отношение b/Dср выбирается так, чтобы величина коэффициента связи была в пределах 0,25 — 0,4. Это получается при расстояниях b = 2l. Расчет каждой секции производится обычным способом.

Корзиночная катушка, изображена на рисунке 5. Это плоскоспиральная намотка на основание в виде круга с нечетным числом радиальных прорезей. Через каждый разрез провод переходит с одной стороны круглого основания на другую.

Рис. 5 Корзиночная катушка индуктивности.

Индуктивность такой катушки в мкГн определяется по формуле:

где w — число витков, D2 — внешний диаметр намотки (в см), D1 — внутренний диаметр намотки (в см), k — поправочный коэффициент для корзиночных катушек, определяемый из таблицы 5.

Таблица 5. Поправочный коэффициент k для корзиночных катушек.

k

Наилучшим соотношением для корзиночных катушек является D2 = 2D1

Торроидальные катушки индуктивности на немагнитном сердечнике — выполняются сплошной намоткой на кольцевом немагнитном сердечнике, со средним диаметром D , как правило, поперечное сечение кольца имеет форму окружности с диаметром d . Эскиз торроидальной катушки индуктивности на немагнитном сердечнике изображен на рисунке 6.

Рис. 6 Торроидальная катушка индуктивности на немагнитном сердечнике.

Индуктивность такой катушки в мкГн определяется по следующей формуле:

где D — средний диаметр торроидального сердечника (в см.), w — количество витков катушки, d — диаметр витка (в см.)

Собственная емкость катушек индуктивности

Собственная емкость изменяет параметры катушки, понижает добротность и стабильность настройки контуров. В диапазонных контурах эта емкость уменьшает коэффициент перекрытия диапазона.
Величина собственной емкости определяется типом намотки и размерами катушки. Наименьшая собственная емкость (несколько пф) у однослойных катушек, намотанных с принудительным шагом. Многослойные катушки обладают большей емкостью, величина которой зависит от способа намотки. Так, емкость катушек с универсальной намоткой составляет 5—25 пф, а с рядовой многослойной намоткой может быть выше 50 пф.

Катушки с большой индуктивностью

В катушках с большой индуктивностью применяются сердечники из ферромагнитных материалов. Индуктивность катушки с замкнутым стальным сердечником, измеряется в генри (гн) и рассчитывается по формуле:

Где μ – магнитная проницаемость материала, Sc – сечение сердечника в квадратных сантиметрах см2, ω – число витков катушки, lc– средняя длина магнитного пути в см. Схематическое изображение Ш – образного магнитного сердечника, приведено на рисунке 7.

Рис. 7 Ш – образный магнитный сердечник

Следует помнить, что магнитная проницаемость материала зависит от переменной составляющей индукции в сердечнике и от величины постоянного подмагничивания, а также от частоты. Ниже приводится методика расчета катушек индуктивности, работающих при малых значениях переменной составляющей индукции, например, дросселей сглаживающих фильтров для выпрямителей. Для катушек индуктивности, работающих без постоянного подмагничивания, число витков определяется по формуле:

Где L – индуктивность катушки в гн, lc — средняя длина магнитного пути в см, μн – начальная проницаемость магнитного материала, Sc – сечение сердечника в квадратных сантиметрах см2.

Для катушек индуктивности с постоянным подмагничиванием предварительно определяем ориентировочное значение действующей магнитной проницаемости, с учетом подмагничивания, по графикам для разных электротехнических сталей, приведенным на рис. 8, где I — ток подмагничивания, L — индуктивность.

Рис. 8 Графики для ориентировочного определения
действующей магнитной проницаемости при
постоянном подмагничивании

Ориентировочное число витков для катушек индуктивности с постоянным подмагничиванием определяем по формуле (*) :

Где μд – истинное значение магнитной проницаемости материала ферромагнитного сердечника. Истинное значение действующей магнитной проницаемости μд определяется по кривым рисунка 9.

Рис. 9 Графики для определения истинного значения
действующей магнитной проницаемости при
постоянном подмагничивании

Постоянное подмагничивание awo на 1 см длины магнитного пути для работы с графиками рисунка 4, можно определить по формуле:

где Io — ток подмагничивания в ма, lс — длина магнитного пути в см.
Далее определяется точное число витков катушки по приведенной выше формуле (*). Диаметр провода катушки в мм :

Где Io — ток подмагничивания в а.
Величина немагнитного зазора в сердечнике, изображенного на рисунке 1 высчитывается по формуле:

причем Z% определяется по кривым рисунка 10. Толщина немагнитной прокладки выбирается равной 0,5δз. Прокладки можно делать из любого листового изоляционного материала.

Рис. 10 Кривые для определения величины z%

ГЕНРИ (единица индуктивности) — ГЕНРИ, единица индуктивности и взаимной индуктивности СИ. Названа в честь Джозефа Генри, обозначается Гн. 1 Гн=1 В·с/А =1 Вб/А =109 см (единиц СГСМ) =1,11·10 12 единиц СГСЭ … Энциклопедический словарь

Генри (единица измерения) — У этого термина существуют и другие значения, см. Генри. Генри (русское обозначение: Гн; международное: H) единица измерения индуктивности в Международной системе единиц (СИ). Цепь имеет индуктивность один генри, если изменение тока со скоростью… … Википедия

ГЕНРИ — единица индуктивности и взаимной индуктивности СИ. Названа в честь Джозефа Генри, обозначается Гн. 1 Гн=1 В.с/А =1 Вб/А =109 см (единиц СГСМ) =1,11.10 12 единиц СГСЭ … Большой Энциклопедический словарь

ГЕНРИ — единица (см.) и взаимной индуктивности в СИ, обозначается Г … Большая политехническая энциклопедия

ГЕНРИ — • ГЕНРИ (Henry) Джозеф (1797 1878), американский физик, чей вклад в электромагнетизм был важен для развития коммерческого телеграфа. Его работа по ИНДУКЦИИ привела к усовершенствованию ТРАНСФОРМАТОРА. В 1850 г. он представил систему использования … Научно-технический энциклопедический словарь

Генри — I см. О. Генри. II единица индуктивности и взаимной индуктивности СИ. Названа по имени Дж. Генри. Обозначается Гн. 1 Гн = 1 В·с/А = 1 Вб/А = 109 см (ед. СГСМ) = 1,11·10 12 ед. СГСЭ. * * * ГЕНРИ ГЕНРИ, см. О. Генри (см. О. ГЕНРИ) … Энциклопедический словарь

Генри — (Гн) единица индуктивности и взаимной индуктивности в СИ, равная индуктивности электрического контура, возбуждающего магнитный поток 1 Вб при силе постоянного тока в нём 1 А. Термины атомной энергетики. Концерн Росэнергоатом, 2010 … Термины атомной энергетики

ГЕНРИ — (Н, гн) (Henry) международная единица индуктивности (коэф. самоиндукции) и взаимной индукции. Если проводник обладает индуктивностью в 1 Н и ток в нем равномерно изменяется на 1 А в сек., то на его концах индуктируется э.д.с. в 1 V 1 Н = 1,00052… … Морской словарь

ГЕНРИ — единица индуктивности и взаимной индуктивности СИ. Названа по имени Дж. Генри. Обозначается Гн. 1 Гн = 1 Вхс/А= 1 Вб/А = = 109см (ед. СГСМ) = 1,11х10 12ед. СГСЭ … Естествознание. Энциклопедический словарь

Генри Джозеф — Генри (Henry) Джозеф (17.12.1797, Олбани, ≈ 13.5.1878, Вашингтон), американский физик. С 1832 профессор Принстонского колледжа, с 1846 секретарь и директор Смитсоновского института, с 1868 президент Национального АН США; первый президент… … Большая советская энциклопедия

«>